付啟輝* 徐曦榮 劉鴻彥 吳丕杰

（南京寶色股份公司）

0 引 言

發(fā)夾式換熱器是指單管程、單殼程,換熱管和殼體都是U 形的換熱器。國外發(fā)夾式換熱器設(shè)計依據(jù)為API 663《Hairpin-Type Heat Exchangers》,而國內(nèi)則沒有具體的設(shè)計標準，目前僅能參考SH/T 3119—2016《石油化工鋼制套管換熱器技術(shù)規(guī)范》及GB/T 151—2014《熱交換器》進行設(shè)計。筆者從參與設(shè)計的發(fā)夾式換熱器的經(jīng)驗出發(fā)，對設(shè)備的特點，密封結(jié)構(gòu)形式以及計算方法等方面進行了詳細分析。

發(fā)夾式換熱器的介質(zhì)在換熱器內(nèi)部流動時，采用的是純逆流形態(tài)。與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，發(fā)夾式換熱器具有較好的換熱性能和結(jié)構(gòu)緊湊的特點，圖1 所示為發(fā)夾式換熱器的主要部件。發(fā)夾式換熱器具有以下優(yōu)點。

圖1 發(fā)夾式換熱器典型部件示意圖

（1）采用U 型換熱管，管束可以自由伸縮，U型管的大彎曲半徑能夠承載更大的熱膨脹量，避免了熱力的振動，所以該設(shè)備也可以長期在溫差較大條件下正常使用，無需采用膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)形式處理溫差應(yīng)力，降低了成本。

（2）設(shè)備直徑小，可承受較高的壓力，同時小流量流體傳熱的工況條件下，能夠得到更高的流速，提高換熱效率，不易結(jié)垢，設(shè)備的使用周期較長。

1 結(jié)構(gòu)

1.1 密封結(jié)構(gòu)

目前筆者所接觸的兩種管、殼程處密封結(jié)構(gòu)型式主要根據(jù)管、殼程的介質(zhì)特性，操作溫度，操作壓力等不同工況特點進行密封方案的選擇。

（1）當使用于無毒、不揮發(fā)、不易燃、不易爆及低壓的設(shè)計工況時，可參照GB/T 151—2014《熱交換器》標準中6.11 條和SH/T—2016《石油化工鋼制套管換熱器技術(shù)規(guī)范》中填料函式的密封結(jié)構(gòu)型式，如圖2 所示。但目前由于大多流體介質(zhì)對很多填料都具有一定的滲透作用，而且在設(shè)備運作過程中，由密封填料的黏彈性分析可知，在恒定應(yīng)變作用下密封填料會產(chǎn)生明顯的應(yīng)力松弛，嚴重的應(yīng)力松弛會導(dǎo)致填料密封失效。故目前大多工程設(shè)備設(shè)計的結(jié)構(gòu)不會采用填料函式密封結(jié)構(gòu)形式。

圖2 填料函式密封結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

（2）當使用于有毒、易爆、中高壓及高溫的設(shè)計工況時，筆者目前設(shè)計的管、殼程間的密封結(jié)構(gòu)是參照Brown Fintube Company.LP 公司發(fā)夾式換熱器專利商產(chǎn)品樣本中的結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計了采用一種金屬環(huán)（O型密封圈）與管板及法蘭端部線性密封結(jié)構(gòu)的型式,并成功使用在多個項目的發(fā)夾式換器結(jié)構(gòu)中，目前設(shè)備運行狀況良好，詳見圖3。

圖3 金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

該結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點主要利用設(shè)備法蘭與管板裝配時的螺栓載荷，將帶有45°斜切面法蘭施加壓緊力于O 型密封金屬環(huán)一側(cè)，使得密封圈本身產(chǎn)生徑向收縮從而達到密封狀態(tài)，如圖4 所示。

圖4 O型密封圈與管板、45°斜切面法蘭密封詳圖

為了使O 型金屬環(huán)與管板及設(shè)備法蘭獲得較好的密封性能，O 型密封圈材質(zhì)選用與相連密封結(jié)構(gòu)件相同或相較于密封結(jié)構(gòu)件的硬度值低30 HB 左右。同時，O 型密封圈密封表面與相連密封結(jié)構(gòu)件的表面粗糙度要嚴格控制，粗糙度≤1.6 μm。對于O 型密封圈與相連密封結(jié)構(gòu)件的組裝公差同樣對設(shè)備的密封性能至關(guān)重要，筆者目前成功設(shè)計密封的設(shè)備采用的配合公差參照規(guī)范GB/T 1800.1—2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS） 極限與配合 第1 部分：公差、偏差和配合的基礎(chǔ)》中表1 IT11 的標準公差等級進行選取。

綜合分析兩種結(jié)構(gòu)密封形式,根據(jù)設(shè)備使用場合采用不同的密封形式。目前根據(jù)新設(shè)計的發(fā)夾式換熱器及運行狀況，采用金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)形式更合適。

1.2 后端法蘭結(jié)構(gòu)

發(fā)夾式換熱器的U 型管束后端目前大部分采用法蘭與殼體筒體（封頭）連接的結(jié)構(gòu)形式，詳見圖5 及圖6。該結(jié)構(gòu)形式便于換熱器在停車時檢修、拆裝，同時也便于殼程管束外清洗。目前筆者所接觸的兩種結(jié)構(gòu)形式該兩種結(jié)構(gòu)形式為國內(nèi)規(guī)范SH/T 3119—2016 中所提倡的典型結(jié)構(gòu)，同時也是標準API STANDARD 663 《Hairpin-Type Heat Exchangers》中提倡的結(jié)構(gòu)形式。發(fā)夾式換熱器殼程返回端（后端）采用了殼程筒體與封頭（彎管）直接焊接的結(jié)構(gòu)形式時不易拆裝清洗，且最終的合攏焊縫也不便于進行無損檢測，本文對焊接結(jié)構(gòu)不作進一步的研究。而當介質(zhì)為易燃、易爆或有毒時，殼程返回端（后端）法蘭宜采用凹凸面法蘭結(jié)構(gòu)形式；如果采用凸面法蘭，墊片應(yīng)帶有加強環(huán)形式。

圖5 橢圓形封頭（殼程筒體）與法蘭相連示意圖

圖6 平底形封頭與法蘭相連示意圖

2 強度計算

2.1 常規(guī)計算

常規(guī)圓形截面的殼體、錐殼、橢圓形（球形）封頭、接管的開孔補強應(yīng)按照GB/T 150.3—2011《壓力容器第3 部分：設(shè)計》中的內(nèi)容進行常規(guī)計算。

2.2 管板計算

設(shè)備管板是由兩塊獨立的小管板組成，每根U型換熱管的直管末端分別固定于這兩塊對立的小管板。對于管板的計算，國外TEMA 標準或者國內(nèi)GB/T 151—2014《熱交換器》都不能確切的劃分出管板所屬的計算模型。從管板的受力情況進行分析，可近似采用U 型管換熱器的計算方法來確定每一塊小管板的厚度。同時由于發(fā)卡式換熱器結(jié)構(gòu)具有特殊性，管板厚度需額外考慮填料、金屬環(huán)、墊環(huán)及卡箍法蘭等因素。

2.3 后端法蘭計算

針對本文中殼程返回端法蘭裝配組合結(jié)構(gòu)可分為類似平蓋中開孔結(jié)構(gòu)形式（如圖7 所示）與標準圓形法蘭的裝配形式（如圖8 所示）和長圓形法蘭裝配形式（如圖9 及圖10 所示）。圖7 中類似平蓋中開孔可根據(jù)GB/T 150.3—2011 標準中第6.4.3 平蓋上開多個孔的計算方法來計算平蓋厚度，該結(jié)構(gòu)形式的平蓋補強方法適用于平蓋危險徑向截面上各開孔寬度總和不超過1/2 設(shè)備圓筒內(nèi)直徑且任意相鄰兩孔中心距大于兩孔平均直徑的1.5倍且小于2倍的情形，若不滿足上述適用條件，圖7結(jié)構(gòu)形式還需進行應(yīng)力分析計算。圖8中標準圓形法蘭的計算可根據(jù)GB/T 150.3—2011標準中第7章節(jié)常規(guī)法蘭的計算方法進行法蘭強度及剛度的核算。

圖7 類似平蓋開孔結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

圖8 標準圓形法蘭示意圖（單位：mm）

圖9 長圓形法蘭1示意圖（單位：mm）

圖10 長圓形法蘭2示意圖（單位：mm）

圖9 和圖10 中長圓形法蘭的計算方法在HG/T 20582—2020 標準中非圓形法蘭的設(shè)計和計算章節(jié)有涉及，同時需適用于長圓形的法蘭頸部和墊片的周邊形狀與法蘭本身一樣同為長圓形且長圓形法蘭的長短邊之比不大于5，與長圓形法蘭連接的殼體或管子應(yīng)按GB/T 150.3—2011 標準附錄A 非圓形截面容器中的要求和方法進行設(shè)計。長圓形法蘭各邊的橫截面形狀應(yīng)該一致，螺栓在其中心軌跡上應(yīng)均布。只有滿足上述適用條件，才可按規(guī)范中計算公式進行法蘭強度計算。而規(guī)范中應(yīng)力計算過程只是關(guān)于強度校核，并沒有提及到法蘭泄漏時，需要額外進行剛度校核。

目前筆者采用兩種方案來對法蘭的剛度進行校核。（1）從理論上解決法蘭泄漏的問題涉及的因素很多，目前國標常規(guī)計算無法解決。工程上為了簡化問題，常采用類比設(shè)計方法，以保證長圓形法蘭與設(shè)計參數(shù)相似的標準圓形法蘭相當?shù)膭偠仍Ａ?，來保證密封性能。（2）為了確保設(shè)備長圓形法蘭的密封性能及安全性，可對長圓形法蘭采用線彈性有限元法對在設(shè)計壓力與墊片密封力作用下的結(jié)構(gòu)進行詳細的應(yīng)力與變形分析，按照墊片受力作用點所圍面積相當原則，參照ASME B16.5 或ASME B16.47 標準中的圓法蘭連接尺寸，按照ASME Ⅷ-1 附錄2 設(shè)計要求進行校核，以強度剛度裕量最低的圓法蘭作為基準法蘭，對比長圓法蘭與基準法蘭密封面沿危險路徑（泄漏路徑）的相對軸向位移量。若長圓法蘭密封面相對位移量小于等于基準法蘭相對位移量，則可認為長圓法蘭剛度符合要求。圖11 和圖12 為筆者設(shè)計的長圓形法蘭分析的位移云圖。

圖11 長圓形法蘭位移云圖1（單位：mm）

圖12 長圓形法蘭位移云圖2（單位：mm）

所以綜上分析，盡量不采用分批次的結(jié)構(gòu)形式進行核算以及工程經(jīng)驗的類比分析。對于長圓形法蘭的強度及剛度的計算，筆者認為可通過對殼程返回端法蘭一并建模，進行有限元分析來獲得合理的結(jié)果，使得文件更加完善，確保設(shè)備安全運行。

2.4 非標部件計算

平底形封頭結(jié)構(gòu)形式特殊，如圖13 所示。目前對于該類型封頭無法依據(jù)GB/T 150—2011 進行常規(guī)的部件計算，屬于非標結(jié)構(gòu)計算形式,需使用有限元分析法進行計算，可同長圓形法蘭一并進行建模。圖14 和圖15 為筆者設(shè)計的平底形封頭結(jié)構(gòu)及分析計算應(yīng)力圖。

圖13 平底形封頭示意圖（單位：mm）

圖14 平底形封頭應(yīng)力云圖1（單位：mm）

圖15 平底形封頭應(yīng)力云圖2（單位：mm）

2.5 支撐計算

設(shè)備支撐計算可運用SW6 工具模擬鞍座模型，根據(jù)NB/T 47042—2014 進行支撐 驗算。

3 結(jié)語

本文對筆者多年從事壓力容器設(shè)計工作參與設(shè)計的發(fā)夾式換熱器的實踐經(jīng)驗進行了總結(jié)。文章對發(fā)夾式換熱器的特點，密封結(jié)構(gòu)形式及強度計算等方面進行了簡單介紹，羅列了一些設(shè)計方面可運用的知識，供同行進行討論。希望本文能夠為發(fā)夾式換熱器的設(shè)計提供參考。