許 偉

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

管殼式熱交換器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在石油化工等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。其主要由管箱、殼程筒體和管束部件組成，管箱側(cè)多為單管板結(jié)構(gòu)，即管、殼程介質(zhì)分別位于管板兩側(cè)，如果管板與換熱管的連接失效或者換熱管本身發(fā)生損壞，則管程和殼程介質(zhì)就會(huì)發(fā)生竄漏。管板與換熱管的連接失效也是實(shí)際生產(chǎn)操作中熱交換器最常遇到的問題。而雙管板熱交換器可在換熱管本身不發(fā)生損壞泄漏的情況下，有效解決因換熱管與管板連接失效而導(dǎo)致管、殼程介質(zhì)竄漏的問題。在管、殼程介質(zhì)竄漏對(duì)工藝流程或產(chǎn)品質(zhì)量造成重大影響的場合，如引起催化劑、吸附劑失效，引起聚合或引發(fā)爆炸，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)受限或終止等，雙管板熱交換器應(yīng)運(yùn)而生。GB/T 151—2014(以下簡稱GB/T 151)也首次納入了雙管板的設(shè)計(jì)計(jì)算章節(jié)。雙管板結(jié)構(gòu)一般可應(yīng)用于固定管板式和U形管式熱交換器。根據(jù)雙管板連接結(jié)構(gòu)整體性程度，可分為整體式、連接式和分離式3種形式。整體式和連接式雙管板間的隔離腔均為封閉式結(jié)構(gòu)，適用于管、殼程介質(zhì)嚴(yán)禁泄漏到大氣中的情況；而對(duì)于要求不能互竄的一般介質(zhì)，可采用分離式雙管板結(jié)構(gòu)。雙管板的連接結(jié)構(gòu)見圖1，其中δ1為外管板厚度，δ2為內(nèi)管板厚度，δe為連接元件厚度，g為隔離腔長度。

本文結(jié)合工程實(shí)例討論分離式雙管板熱交換器的設(shè)計(jì)及制造要點(diǎn)。

圖1 雙管板的連接結(jié)構(gòu)

1 工程實(shí)例

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

某裝置中抽出液塔底重沸器(E-308)公稱直徑為DN800，有效換熱面積133.7 m2，換熱管規(guī)格φ25 mm×2.5 mm，排列形式為轉(zhuǎn)角正方形排列，U形換熱管直管段長6 350 mm，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

1.2 熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝流程，管程介質(zhì)一旦泄漏到殼程介質(zhì)中，會(huì)引起后續(xù)的吸附塔中吸附劑含水量超標(biāo)，影響吸附劑性能，故該熱交換器采用分離式雙管板結(jié)構(gòu)，以避免管、殼程介質(zhì)的竄漏。為了便于管束抽出清洗，內(nèi)、外管板均兼做設(shè)備法蘭，分別與管箱法蘭、管箱側(cè)法蘭通過螺柱相連，結(jié)構(gòu)示意見圖2。

該熱交換器設(shè)計(jì)采用分離式雙管板結(jié)構(gòu)，在內(nèi)、外管板間無剛性連接殼體，為避免雙管板間換熱管在運(yùn)輸、安裝和操作過程中損壞，設(shè)置了可拆的分瓣式隔離腔保護(hù)殼。保護(hù)殼不應(yīng)限制內(nèi)、外管板的膨脹。保護(hù)殼覆蓋絕熱材料后能有效地穩(wěn)定隔離腔內(nèi)空氣溫度，緩和內(nèi)、外管板的溫度差。

表1 E-308 設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 E-308結(jié)構(gòu)示意

1.3 內(nèi)、外管板的強(qiáng)度計(jì)算與校核

內(nèi)管板按照GB/T 151 f型(GB/T 151中圖7-3)U形管式熱交換器管板的計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。隔離腔壓力(0 MPa)作為內(nèi)管板的管程設(shè)計(jì)壓力。該工程實(shí)例的內(nèi)管板與f型管板的差異為管板沒有與管箱圓筒連接，內(nèi)管板計(jì)算時(shí)不考慮管程圓筒的影響。為了檢驗(yàn)內(nèi)管板與換熱管強(qiáng)度脹的可靠性，將殼程側(cè)水壓試驗(yàn)壓力由0.7 MPa(按GB/T 150.1—2011中4.6.2.2條的計(jì)算值)提高到1.4 MPa，還應(yīng)校核水壓試驗(yàn)工況下的各殼程受壓元件【1】。

外管板可按照GB/T 151 e型(GB/T 151中圖7-3)U形管式熱交換器管板的計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。隔離腔壓力(0 MPa)作為外管板的殼程設(shè)計(jì)壓力。該工程實(shí)例的外管板與e型管板的差異為管板沒有與殼程圓筒連接，外管板計(jì)算時(shí)不考慮殼程圓筒的影響【1】。

雙管板結(jié)構(gòu)也可采用有限元分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)【2-3】。對(duì)熱交換器有限元模型來說，由于其零部件多，模型單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，因此計(jì)算工作量成倍增加。該工程實(shí)例中的熱交換器規(guī)格較小、管板材料容易獲得，同時(shí)內(nèi)、外管板厚度不僅須保證強(qiáng)度上的本質(zhì)安全，還需考慮雙管板熱交換器的結(jié)構(gòu)特殊性，內(nèi)管板厚度還應(yīng)能滿足結(jié)構(gòu)需要及強(qiáng)度脹接的可實(shí)施性，采用有限元分析方法優(yōu)勢(shì)不明顯，所以設(shè)計(jì)時(shí)采用GB/T 151中的計(jì)算方法。外管板計(jì)算厚度大于內(nèi)管板計(jì)算厚度，設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)、外管板取相同的厚度，即管板名義厚度取123 mm，法蘭凸臺(tái)處厚度取112 mm。

1.4 內(nèi)、外管板間距g的確定

內(nèi)、外管板的間距g(隔離腔長度)確定一般應(yīng)考慮以下幾方面因素：

1) 從環(huán)境溫度過渡到操作溫度時(shí)，兩管板金屬溫度差異使管板徑向位移不同，內(nèi)、外管板的間距g的長短會(huì)影響因此產(chǎn)生的管板附加應(yīng)力大小。如果內(nèi)、外管板間距過小，管板與換熱管連接處會(huì)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力從而導(dǎo)致密封失效，這也是GB/T 151中有關(guān)g值的計(jì)算公式和要求主要考慮。

2) 采用管板兼做法蘭的結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)、外管板間距g需滿足安裝與檢修的需要，保證管板緊固件上緊與拆卸所需空間。

3) 耐壓試驗(yàn)或氣密試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)、外管板間距g需要滿足便于觀察換熱管與管板連接處是否有泄漏發(fā)生，并進(jìn)一步確定泄漏點(diǎn)的要求。

4) 若內(nèi)、外管板間距g過大，則不利于內(nèi)管板與換熱管的強(qiáng)度脹接，制造廠在進(jìn)行強(qiáng)度脹接時(shí)需要增加脹桿長度、制作專用工裝等，會(huì)增加保證足夠的脹度與脹接均勻性的難度。

5) 內(nèi)、外管板之間的換熱管不與殼程介質(zhì)接觸，不參與工藝介質(zhì)的換熱，內(nèi)、外管板間距過大意味著無效換熱管長度增加，不利于整臺(tái)熱交換器的經(jīng)濟(jì)性。

連接式雙管板和分離式雙管板的內(nèi)、外管板間距g可根據(jù)GB/T 151中公式(7-135)和(7-136)進(jìn)行計(jì)算，其中公式(7-136)關(guān)于內(nèi)、外管板之間徑向熱膨脹差Δr的計(jì)算是影響內(nèi)、外管板間距g計(jì)算結(jié)果的最主要參數(shù)，內(nèi)、外管板平均金屬溫度是最為關(guān)鍵數(shù)值。但是內(nèi)、外管板，隔離腔形成的溫度場不易確定，導(dǎo)致其平均金屬溫度的確定更為困難。本文所述的實(shí)例，隔離腔設(shè)置了可拆式保護(hù)殼，外面覆蓋絕熱層，隔離腔內(nèi)空氣流動(dòng)性不強(qiáng)，計(jì)算時(shí)外管板平均金屬溫度按244 ℃ 考慮，內(nèi)管板平均金屬溫度按182 ℃考慮，內(nèi)、外管板間距按GB/T 151中公式(7-135)計(jì)算的值約為178 mm，設(shè)計(jì)取g=190 mm，計(jì)算結(jié)果偏于保守。

2 分離式雙管板熱交換器的制造要點(diǎn)

2.1 換熱管

換熱管本身不發(fā)生損壞是有效解決因換熱管與管板連接失效而導(dǎo)致管、殼程介質(zhì)竄漏的前提條件。設(shè)計(jì)要求：1)換熱管應(yīng)選用GB/T 9948—2013中冷拔或冷軋鋼管。換熱管尺寸精度應(yīng)選用高級(jí)精度，外徑允許偏差等還應(yīng)符合《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件》(NB/T 47019—2011)。2)逐根按GB/T 9948—2013進(jìn)行液壓試驗(yàn)，不允許用渦流檢測(cè)和漏磁檢測(cè)代替液壓試驗(yàn)，且需切除檢測(cè)盲區(qū)?；瘜W(xué)成分、力學(xué)性能和工藝性能試驗(yàn)按GB/T 9948—2013執(zhí)行。3)U形管彎制后逐根進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不小于熱交換器管、殼程耐壓試驗(yàn)壓力的高值。4)穿管前，換熱管管頭端至內(nèi)管板殼側(cè)(含管板厚度)至少30 mm 長度范圍內(nèi)須除去鐵銹和油污等，呈現(xiàn)原金屬光澤。

2.2 換熱管與管板的連接

2.2.1 管板加工的要點(diǎn)

1) 管板孔直徑及粗糙度。管板孔直徑及允許偏差應(yīng)按照GB/T 151中Ⅰ級(jí)管束進(jìn)行控制，制造時(shí)還應(yīng)考慮到換熱管實(shí)際的外徑公差，必要時(shí)對(duì)管孔直徑偏差進(jìn)行調(diào)整，以控制換熱管與管板孔的合理間隙?？紤]到雙管板結(jié)構(gòu)的特殊性，管板孔表面粗糙度Ra應(yīng)不大于12.5 μm，有利于保證內(nèi)管板與換熱管脹接接頭的密封性。

2) 管板孔與管板密封面的垂直度要求。對(duì)厚度較大的管板或雙管板，若管板孔垂直度超差，不僅不利于穿管，還會(huì)因管子彎曲變形對(duì)脹管產(chǎn)生附加應(yīng)力，使得換熱管與管板貼合不均勻，從而影響換熱管與管板連接處的質(zhì)量。因此，管板孔加工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格垂直于管板密封面。其垂直度允差在GB/T 151中未作明確要求，設(shè)計(jì)、制造時(shí)一般可按照GB/T 1184—1996中9級(jí)公差等級(jí)，本文案例根據(jù)管孔深度，要求管板孔與密封面垂直度允差0.12 mm。同時(shí)，為了便于穿管，內(nèi)、外管板管孔宜同時(shí)配鉆。

2.2.2 外管板與換熱管的連接

外管板與換熱管連接采用強(qiáng)度焊加貼脹的連接方式，一般為先焊后脹。換熱管與管板的焊接應(yīng)按照NB/T 47014—2011進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，采用評(píng)定合格的焊接工藝進(jìn)行焊接。換熱管與管板焊接熔合線長度一般應(yīng)大于等于1.4倍的換熱管公稱厚度。焊接時(shí)，可采用確保根部熔透的點(diǎn)焊固定或采用不加潤滑劑的輕度貼脹將換熱管固定在管板孔中，以保證換熱管與管板孔的同心度和換熱管伸出管板長度滿足設(shè)計(jì)要求。焊接時(shí)宜采用惰性氣體保護(hù)焊，優(yōu)先采用自動(dòng)氬弧焊，每個(gè)管接頭焊接時(shí)應(yīng)至少焊兩道，每道的起弧點(diǎn)之間的夾角不應(yīng)小于120°，每一道均應(yīng)為連續(xù)焊。焊后應(yīng)對(duì)所有管接頭按NB/T 47013.5—2015進(jìn)行滲透(PT)檢測(cè)，靈敏度按C級(jí)、質(zhì)量檢測(cè)等級(jí)Ⅰ級(jí)為合格。由于雙管板結(jié)構(gòu)難以從隔離腔對(duì)外管板與換熱管的接頭進(jìn)行耐壓或泄漏試驗(yàn)，為保證焊接接頭的質(zhì)量，可在管接頭每焊完一道后，進(jìn)行一次滲透(PT)檢測(cè)，檢測(cè)合格后應(yīng)將留下的印記清理干凈，保證不影響下一道的焊接。所有管接頭檢測(cè)合格后，方可進(jìn)行換熱管與管板的貼脹。

外管板與換熱管先焊接后貼脹的順序主要是考慮機(jī)械滾脹潤滑油滲入接頭縫隙，很難清除干凈，會(huì)對(duì)后續(xù)焊接接頭質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生不利影響；另一方面，脹管區(qū)可能堵塞焊接時(shí)的排氣通道，增加了焊接接頭中生成氣孔的可能性；再者，如果管接頭需要進(jìn)行焊后熱處理，則應(yīng)在熱處理后才能進(jìn)行脹接。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要求采用先焊后脹的工藝。由于管接頭不需要進(jìn)行熱處理，在實(shí)際制造過程中，如果制造廠采用液壓脹工藝，也可先進(jìn)行換熱管的脹接，但脹接長度應(yīng)到管板孔坡口根部。

2.2.3 內(nèi)管板與換熱管的連接

1) 強(qiáng)度脹工藝評(píng)定

換熱管與內(nèi)管板由于結(jié)構(gòu)原因無法施焊，其脹接質(zhì)量需同時(shí)保證拉脫力和密封性滿足要求。所以換熱管與內(nèi)管板的強(qiáng)度脹接成為了整個(gè)雙管板熱交換器制造過程中最大的難點(diǎn)。

在產(chǎn)品脹接前應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度脹接工藝評(píng)定以獲取合適的脹接參數(shù)。脹接工藝評(píng)定的一般步驟為：a)根據(jù)脹管器設(shè)備情況選擇強(qiáng)度脹方式，一般為機(jī)械脹或液壓脹。b)根據(jù)強(qiáng)度脹方式確定管板脹槽結(jié)構(gòu)尺寸。c)根據(jù)產(chǎn)品換熱管和管板材料、規(guī)格以及加工經(jīng)驗(yàn)等確定強(qiáng)度脹的脹度，對(duì)碳、鋼低合金鋼一般取6%～8%。d)制作模擬試樣，應(yīng)考慮雙管板結(jié)構(gòu)的特殊性，如內(nèi)管板脹接槽距管頭距離較長，試脹的試樣應(yīng)不少于3個(gè)。e)對(duì)脹接試樣進(jìn)行水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)合格后進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，并對(duì)發(fā)生泄漏的換熱管接頭適當(dāng)增加脹接壓力進(jìn)行補(bǔ)脹。f)對(duì)脹接試樣進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，不小于4 MPa為合格。同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行解剖，觀察脹口部分是否有裂紋等缺陷，并重點(diǎn)檢查管板孔與換熱管外壁的嚙合情況，以一部分換熱管金屬嵌入到管板脹槽內(nèi)為合格。

2) 產(chǎn)品強(qiáng)度脹接工藝

脹接前要先精確測(cè)量管頭到內(nèi)管板開槽的距離，此距離要根據(jù)管頭伸出外管板的實(shí)際尺寸適當(dāng)調(diào)整,防止脹錯(cuò)位置。脹接一般可采用分道次脹接法，具體如下: 第一道次按脹接工藝評(píng)定確定的參數(shù)值進(jìn)行，第二道次按稍高于第一道次的脹接力進(jìn)行。脹接時(shí)要按一定的順序脹接,比如采用從上到下、從左到右的順序, 或按換熱管布局形式進(jìn)行脹接, 可同時(shí)結(jié)合管板布管示意圖做好標(biāo)記, 防止漏脹。

3) 強(qiáng)度脹接機(jī)具【4】

強(qiáng)度脹一般有機(jī)械脹、液壓脹、橡膠脹和爆炸脹等方式，石油化工行業(yè)多采用傳統(tǒng)的機(jī)械脹以及液壓脹兩種方式。機(jī)械脹的原理是利用電動(dòng)等動(dòng)力旋轉(zhuǎn)芯軸，通過滾子沿芯軸周向旋轉(zhuǎn)，使芯軸擠入換熱管內(nèi)表面迫使管內(nèi)徑擴(kuò)大，達(dá)到脹接的目的；液壓脹又稱柔性脹，其脹管頭是一段直徑略小于換熱管內(nèi)徑的芯棒，芯棒兩端設(shè)置密封件，在密封件之間施加高壓，使換熱管發(fā)生塑性變形而脹接于管板孔內(nèi)表面。在一般熱交換器操作工況下，考慮到操作便利性和經(jīng)濟(jì)性，機(jī)械脹仍是目前最為普遍采用的脹接方式。本文案例的設(shè)計(jì)未明確強(qiáng)度脹的方式，制造廠可根據(jù)設(shè)備情況、加工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合脹接工藝評(píng)定選擇合適的脹接方式。

2.3 熱交換器的耐壓及泄漏試驗(yàn)

按圖樣試驗(yàn)壓力分別對(duì)殼程和管程進(jìn)行水壓試驗(yàn)，除檢查殼程和管程各焊接接頭外，還應(yīng)重點(diǎn)從隔離腔的空間檢查換熱管與內(nèi)、外管板的連接質(zhì)量。如果盛裝介質(zhì)毒性危害程度為極度或高度，還應(yīng)進(jìn)行泄漏試驗(yàn)。如前文所述，為了更好地檢測(cè)換熱管與內(nèi)管板的脹接質(zhì)量，在強(qiáng)度校核通過的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)提高了殼程水壓試驗(yàn)壓力。由于定性判斷是否泄漏相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，而確定泄漏的準(zhǔn)確位置非常困難，因此，制造時(shí)要嚴(yán)格控制換熱管與管板連接的質(zhì)量。

3 建議

1) 雙管板熱交換器結(jié)構(gòu)特殊，應(yīng)合理選擇材料以及結(jié)構(gòu)型式，例如：a)如管程或殼程介質(zhì)毒性危害程度為極度或高度，或者在大氣中極小濃度下存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，則應(yīng)選擇整體式或連接式雙管板結(jié)構(gòu)。b)選材時(shí)應(yīng)注意換熱管與管板材料的硬度差，一般換熱管比管板硬度低20～30 HBW為宜。 c)考慮到耐壓或泄漏試驗(yàn)時(shí)能夠更好地檢查換熱管與內(nèi)、 外管板連接質(zhì)量， 確定發(fā)生泄漏的換熱管接頭位置， 換熱管排列形式宜為正方形排列。

2) 內(nèi)、外管板平均金屬溫度是隔離腔長度g計(jì)算的重要因素，建議對(duì)煉化裝置雙管板熱交換器常用場合的內(nèi)、外管板金屬溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)，如設(shè)置表面熱電偶等，以修正計(jì)算數(shù)據(jù)。

3) GB/T 151關(guān)于強(qiáng)度脹適用范圍的要求應(yīng)是針對(duì)單管板熱交換器而言，雙管板熱交換器的內(nèi)管板與換熱管連接采用強(qiáng)度脹接結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)保證殼程設(shè)計(jì)工況滿足強(qiáng)度脹適用范圍的要求，而不是管、殼程設(shè)計(jì)工況同時(shí)滿足強(qiáng)度脹適用范圍的要求。

4) 從管箱側(cè)檢查管板與換熱管焊接接頭質(zhì)量易于定位泄漏點(diǎn)。對(duì)于分離式雙管板熱交換器，若需要從管箱側(cè)檢查外管板與換熱管焊接接頭質(zhì)量，可在隔離腔設(shè)置臨時(shí)殼體(類似連接式雙管板結(jié)構(gòu))【5】，從隔離腔進(jìn)行耐壓或泄漏試驗(yàn)。

4 結(jié)語

雙管板熱交換器可避免換熱管與管板連接失效時(shí)管、殼程介質(zhì)竄漏的風(fēng)險(xiǎn)，在煉化裝置中得到了較多地應(yīng)用。如某芳烴裝置的抽余液和抽出液塔頂蒸汽發(fā)生器，為回收低溫?zé)?、降低能耗，同時(shí)又要避免殼程中水或蒸汽竄到管程而影響到吸附劑的性能，首次使用了按本文所述的設(shè)計(jì)、制造要點(diǎn)制造的雙管板熱交換器。該裝置從2013年底穩(wěn)定運(yùn)行至今，驗(yàn)證了本文論述的設(shè)計(jì)和制造要點(diǎn)的合理性。