田朋

（沈陽東方鈦業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 管箱設(shè)計

管箱結(jié)構(gòu)包括管箱平蓋、分程隔板、短節(jié)等部分，其中管箱短節(jié)設(shè)計要滿足“最小內(nèi)側(cè)深度”的要求，單程管箱軸向開口，管箱短接至少是接管內(nèi)直徑1/3，多程管箱兩程間的最小流通面積至少是每程管流通面積的1.3倍或以上，并保證短節(jié)筒體厚度滿足剛度要求。分程隔板需要承受兩側(cè)流體壓差，因此其強度及剛度要求較為嚴格，公稱直徑在600mm以下，如隔板材料為碳素鋼或低合金鋼，其最小厚度至少在8mm，如材料為高合金鋼，則基最小厚度至少在6mm；公稱直徑越大，隔板的最小厚度就越厚，碳素鋼或低合金鋼材料厚度要大于高合金鋼材料。分程隔板下緣要對齊管箱密封面，隔板上設(shè)置直徑為6mm的孔，其主要作用是排凈液體，能夠平衡兩腔壓力，且水壓試驗時有利于氣體排除干凈；如兩側(cè)流體壓差較大，分程隔板可設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)。

2 圓筒及接管設(shè)計

換熱器的圓筒不僅要滿足基本的運輸與安裝需求，還要考慮其工作狀態(tài)下需要重疊安裝及抽裝管束的要求，因此換熱器圓筒最小壁厚要大于壓力容器，相對而言，固定管板換熱器無須抽芯其壁厚可稍小，但最小厚度至少也要在6mm以上，且公稱直徑越大，圓筒最小厚度也越厚。此外，需要在標準換熱管長度條件下計算圓筒長度，以避免換熱管不標準導(dǎo)致的材料浪費問題。接管結(jié)構(gòu)設(shè)計需要注意接管要對齊殼體內(nèi)表面，并盡量設(shè)置于殼體徑向或軸向方向，采用焊接工藝連接外部管線；如接管設(shè)計溫度在300℃以上，必須采用整體法蘭，并根據(jù)需要設(shè)置測量儀表的接口，主要是溫度計、壓力表及液面計；如果換熱器無法利用接管放氣及排液，則放氣口可設(shè)于管程與殼程最高點，排液口設(shè)于最低點。

3 拉桿設(shè)計

拉桿設(shè)計的重點在于管束的組裝、防沖擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計及根據(jù)實際情況選擇固定方式。具體注意事項如下：一方面，焊接防沖擋板及殼體時，如殼體直徑較小且采用明穿管工藝，拉桿固定端可設(shè)置于另一端管板，遠離殼程介質(zhì)進口；如殼體直徑較大且采用暗穿管工藝，拉桿固定端可設(shè)于靠近殼程介質(zhì)進口的管板。如防沖擋板采用導(dǎo)流筒防沖結(jié)構(gòu)，則拉桿固定端要設(shè)于靠近殼程介質(zhì)進口的一端。另一方面，設(shè)置立式換熱器拉桿固定端時，需要根據(jù)殼程的進料口位置、防沖擋板的安裝方式等條件進行選擇，如進料口在殼程下方，防沖擋板設(shè)于筒體，則拉桿固定端設(shè)于上管板便于安裝折流板；如進料口位于殼程上方，防沖擋板設(shè)于筒體，則拉桿固定端設(shè)于下管板才便于安裝折流板；如果防沖擋板焊接于管束上，無論進料口設(shè)于哪個部位都不會影響折流板的安裝，這種情況下，可將拉桿固定端設(shè)于下管板，這是因為拉桿固定于上管板時需要承受折流板及定距管的重量，如果采用腐蝕性的殼程介質(zhì)，拉桿靠近進口端產(chǎn)生較大振動時，拉桿螺紋會受到振動及腐蝕的共同作用，易產(chǎn)生松動或拉脫，導(dǎo)致折流板部件下落，而將其固定于下管板時，折流板可通過定距管將重量作用于下管板，拉桿無須承受軸向力，避免了端部螺紋拉脫的問題，提高了系統(tǒng)運行的安全性及可靠性。

4 管板設(shè)計

管板設(shè)計的要點包括以下幾方面：（1）根據(jù)換熱管標準排列形式要求布置管板上管孔，標準排列形式包括正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形、同心圓式、轉(zhuǎn)角三角形等。其中應(yīng)用最普遍的是等邊三角形排列形式，各管間距相等，不僅便于劃線外孔操作，而且管板上排列管數(shù)更多，不過清洗較為困難；如采用機械清理，可采用正方形排列，該排列方式可設(shè)置專門的清理通道；如果折流板間距相同，等邊三角形與同心圓形排列的流通截面積更大、流速更高；且同心圓形排列方法靠近殼體處布管均勻，保證介質(zhì)流動的順暢性。需要注意的是，布置管孔時最外圈換熱管管壁與殼內(nèi)壁至少保持8mm以上的間距。（2）管孔中心距至少是換熱管外徑的1.25倍以上，分程隔板槽兩側(cè)的相鄰管孔中心距至少大于管孔中心距與隔板槽寬度之和。為了避免過于靠近殼壁影響設(shè)置安裝，布管區(qū)最大直徑不得超過布管限定圓的要求。分程隔板槽槽深至少在4mm以上，分程隔板槽拐角處倒45度角，注意倒角寬度是分程墊片圓角半徑再加1～2mm，否則，可能會出現(xiàn)泄漏或無法安裝的問題。（3）在選擇管板與圓筒、管箱短節(jié)的連接形式時，要充分考慮殼程壓力的大小、介質(zhì)是否有腐蝕性、管板是否兼作法蘭等因素特別是殼程壓力大于4MPa時，為改善受力要選擇對接的結(jié)構(gòu)形式；如殼程介質(zhì)存在間隙腐蝕則要避免采用初環(huán)焊接，否則，會導(dǎo)致襯環(huán)與殼壁形成間隙而發(fā)生間隙腐蝕。此外，多管程管板前端與后端結(jié)構(gòu)不同，管程分程時，各管程管數(shù)要盡量大致相等，盡量簡化分程隔板槽形狀，縮短密封長度。

5 換熱管與管板連接

換熱管與管板的連接質(zhì)量是決定換熱器質(zhì)量的重要因素，換熱管與管板的連接失效是導(dǎo)致?lián)Q熱器失效的重要原因，因此要根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點、適用范圍及實際的應(yīng)用環(huán)境合理選擇可靠的連接方式。具體設(shè)計過程中，換熱管與管板的連接方式包括以下幾種：首先，強度脹接。當設(shè)計壓力不超過4MPa，設(shè)計溫度不高于300℃時，且管殼式換熱器運行過程中不存在劇烈振動、溫度變化不大、無嚴重應(yīng)力腐蝕等條件時，為保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度，選擇強度脹接。確定最小脹接長度時，比較管板厚度減去3mm與換熱管外徑的2倍，如二者最小值均不超過50mm，選其中最小值，如二者最小值大于50mm，則最小脹接長度取50mm。其次，強度焊。強度焊適用于設(shè)計壓力不超過35MPa的條件，但不適用于存在較大振動及間隙腐蝕的環(huán)境中。最后，脹焊并用，該連接方式主要應(yīng)用于對管殼式換熱器密封性能要求更高、存在間隙腐蝕及承受振動及疲勞載荷的工作條件下。脹焊并用包括兩種方式：一種是強度脹加密封焊，采用強度脹接的形式保證管板與換熱管連接處的拉脫強度，采用脹接輔助密封焊的方式保證密封性能；另一種是強度焊加貼脹，即采用強度焊保證換熱管與管板連接處的拉脫強度，而換熱管與管板連接的密封性則由強度焊加貼脹來保證，貼脹可以消除殼程間生的間隙腐蝕，降低振動損害管板與換熱器連接處的程度。

6 結(jié)語

總之，管殼式換熱器是工業(yè)換熱設(shè)備中的基本結(jié)構(gòu)形式，其具有選材范圍廣、便于清洗維護、適用性強、處理能力大、耐高溫高壓等諸多優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要根據(jù)特定的條件選擇不同的設(shè)計參數(shù)，包括材料、壓力、溫度、壁溫差、流體性質(zhì)等，以保證管殼式換熱器后續(xù)運行的安全性及可靠性。