雙管板換熱器的結構設計

孟憲斌宋四兵 梁淑幗

（南京德邦金屬裝備工程股份有限公司)

雙管板換熱器的結構設計

孟憲斌*宋四兵 梁淑幗

（南京德邦金屬裝備工程股份有限公司)

雙管板換熱器為管殼式換熱器的一種特殊結構。對一臺固定雙管板式換熱器的結構設計和強度計算進行了闡述，其中包括選材、布管、管板的結構和間距、脹管和開槽尺寸等方面的設計和計算。

管殼式換熱器固定管板雙管板結構設計強度脹接布管強度計算

0 前言

雙管板換熱器為管殼式換熱器的一種特殊結構，廣泛應用于換熱器管程和殼程介質嚴禁混合的場合。雙管板換熱器的管板有普通型雙管板和整塊式雙管板兩種型式。整塊式管板加工難度大、成本高，而且在防止管殼程介質串流方面也不如普通型雙管板，所以在實際應用中普通型雙管板較為普遍。

隨著新型化工產品的研究開發，雙管板換熱器的用量逐年增加。由于雙管板換熱器的特殊結構要求，其在設計和制造過程中各細節必須充分考慮，這樣產品質量才能保證。現以某公司多晶硅項目上的一臺固定雙管板式換熱器為例，對雙管板換熱器的結構設計和強度計算進行闡述。

1 換熱器結構和設計參數

該換熱器為固定雙管板換熱器，有4塊管板。其結構如圖1所示。

圖1 換熱器結構

兩塊管程管板的延長部分兼作法蘭，與管箱法蘭采用螺柱、墊片連接結構并連同管箱、換熱管組成管程，管板與換熱管之間采用強度焊加貼脹的連接方式，適宜較苛刻的介質。殼程管板不帶法蘭，與殼體采用焊接連接結構組成殼程，管板與換熱管之間采用強度脹接。管、殼程管板之間又分別組成兩腔積液程，整個換熱器形成含管程、殼程和左右積液程的特殊的四腔結構。

換熱器的設計參數如表1所示。

表1 換熱器設計參數

2 合理選材

壓力容器設計的首要問題就是選材。根據用戶提供的要求，充分考慮到介質特性（主要是腐蝕性）、操作溫度、操作壓力等使用工況并結合材料的相容性及制造加工的工藝性，確定殼程殼體、管程短節及封頭均選用0Cr17Ni12Mo2，管板選用0Cr17Ni12Mo2鍛件。管程側管板與換熱管間的連接采用強度焊加貼脹，因此管程的管板鍛件級別選定Ⅱ級。殼程側管板與換熱管間的連接為強度脹接，對管板的制造加工質量要求較高，因此殼程的管板鍛件級別選定Ⅲ級。考慮到雙管板換熱器的脹接要求，管板材料的硬度值應高于換熱管材料的硬度值20～30 HBW。理論上不銹鋼換熱管與不銹鋼管板的硬度值所差無幾，但根據不銹鋼換熱器制造過程中的實際硬度值測試經驗，通過合理選材和合理確定訂貨要求，換熱管與管板的硬度差要求是能夠實現的。在實際設計制造過程中，也可以通過嚴格控制管板管孔與換熱管的徑向間隙，采用“特殊緊配合”以彌補換熱管與管板材料無硬度差的欠缺。換熱管的材質選用00Cr17Ni14Mo2固溶狀態，材料標準為GB 13296—2007，并需在技術要求中增加換熱管材料的HBW硬度試驗要求。

3 結構設計

3.1 合理布管

用戶給定布管間距為23.75 mm，排列方式為轉角正三角形，理論孔橋寬度僅為4.75 mm，脹接難度較大。根據我公司制造加工能力和雙管板換熱器的制造經驗，管板與換熱管的脹接采用液袋柔性脹接。其脹接原理是通過不斷升高的液體壓力使換熱管向外擴張，換熱管在液體壓力作用下產生彈性變形，然后產生塑性變形而被擠壓到管板孔壁上。隨著壓力的不斷增加，在換熱管與管板之間的接觸壓力作用下，管板首先產生彈性變形，然后產生塑性變形。如果管板孔橋寬度過小，相鄰換熱管接頭脹管的塑性區域相互之間就會發生干涉而使接頭松動，降低換熱管接頭的脹接性能。所以在換熱器工藝計算滿足的情況下，考慮到脹接原理，應確定合理的布管間距，以達到最佳的脹接效果。最后還要重新進行工藝設計計算，換熱管布管間距調整為25 mm，管板孔橋理論寬度為6 mm，同時保證換熱面積不變。

3.2 殼程管板和管程管板的間距

確定兩管板間的距離主要應考慮以下幾方面問題：（1）固定雙管板換熱器結構復雜，在結構設計時管程管板與殼程管板的間距選取要適當，避免由于兩塊管板使用溫度不同產生位移，管板與換熱管的連接處產生過大的彎曲應力和熱應力而引起介質泄漏。（2）由于兩塊管板間的管束不能用于傳熱，過大的間距會浪費管子的表面積。（3）兩管板的間距需兼顧液壓脹管器的脹桿長度。（4）兩塊管板間距離要適中，應具有在管殼程壓力試驗和氣密性試驗時用于觀察檢漏的最小空間。

根據有關文獻，兩塊管板間的間距G可由下式計算：

式中d0——換熱管外徑，mm；

E——換熱管彈性模量，MPa；

Rel——換熱管的屈服極限，MPa；

Δ——換熱管的偏移，mm。

式中Dt——最外圈換熱管的外切圓直徑，mm；

t——管程管板溫度，℃；

T——殼程管板溫度，℃；

αt——管程管板材料的線膨脹系數，℃-1；

αs——殼程管板材料的線膨脹系數，℃-1；

t0——制造環境溫度，℃。

根據該換熱器的設計條件，查得換熱管、管板材料在設計條件下的物理性能和力學性能的相關數據，按上述公式進行計算所得殼程管板和管程管板的間距G為93.8 mm，因此最后確定殼程管板與管程管板的間距為100 mm。

3.3 確定殼程管板和管程管板間的結構

雙管板間的結構有連接式結構和分離式結構兩種形式。如果管程、殼程內的介質一旦泄漏可直接排放，不會對周圍環境造成危害，那么雙管板可相互獨立，不需要封閉；反之，雙管板之間需采用短節或膨脹節進行連接。由于該換熱器管、殼程所走介質均為中度危害、易燃易爆介質，一旦泄漏就需要進行收集并統一排放至安全處，所以該換熱器的積液程設計為封閉結構。正常操作時積液程屬常溫常壓工況，因此聚液殼設計選用內徑為殼程管板外徑、厚度為5 mm的哈夫短節結構，并在管程管板上方開設NPT 1/4管螺紋的排氣孔，聚液殼下方開設DN20 mm的排液孔。

4 設計計算

雙管板換熱器的管箱殼體、封頭、殼程殼體、管箱法蘭及開孔補強的設計計算與普通固定管板式換熱器相同，關鍵是管程管板和殼程管板的強度計算。

4.1 管程管板的強度計算

不考慮兩端殼程管板的支撐作用，將兩端積液程與殼程合并作為殼程，設計壓力、設計溫度、殼程壁溫按殼程選取，管程按正常管箱設計條件確定，換熱管的有效長度按兩塊管程管板之間的距離計算。根據殼程和管程的不同設計工況，分別計算不同工況下的管程管板厚度并取最大值為45 mm。

將積液程作為殼程，設計條件按常溫常壓工況，確定設計溫度50℃，設計壓力0.001 MPa，殼程金屬壁溫按殼程選取，管程按正常管箱設計條件確定。根據管程1.0 MPa和-0.1 MPa兩種設計壓力以及積液程的工況，分別計算管程管板厚度并取最大值為41 mm。

根據上述兩種計算結果，最終確定管程管板設計厚度為45 mm。

4.2 殼程管板的強度計算

雖然殼程管板與殼體間的連接方式為焊接連接，但考慮到固定管板延長部分兼作法蘭時的受力工況更為苛刻，所以殼程管板按兼作法蘭的結構進行設計計算。

將兩塊殼程管板之間區域作為殼程，設計條件按殼程設計條件取；將積液程與管箱合并作為管程，設計條件按管程設計條件取。按管程、殼程不同的設計工況分別計算管板厚度，取最大值為45 mm。

將兩塊殼程管板之間區域作為殼程，設計條件按殼程設計條件取；將積液程作為管程，設計條件按常溫常壓工況取，確定設計溫度50℃，設計壓力0.001 MPa，換熱管金屬壁溫按管程選取。根據殼程1.0 MPa和-0.1 MPa兩種設計壓力以及積液程的工況，分別計算管板厚度并取最大值為41 mm。

根據上述計算結果，考慮到殼程管板與換熱管為強度脹接結構，并綜合考慮加工制造工藝，最終確定殼程管板設計厚度為50 mm。

5 確定殼程管板管孔脹接開槽尺寸

殼程管板與換熱管的脹接接頭既要承受拉脫力又要保證密封性。脹接質量的高低決定了雙管板結構換熱器的整體質量,因為此處脹接接頭一旦發生泄漏將無法彌補。結構設計包括確定管板合理的開槽深度和開槽尺寸鏈，使換熱管與管板之間具有足夠的殘余接觸應力，從而保證脹接的強度。

按GB 151管板強度脹接的開槽結構尺寸如圖2所示。這是考慮到較薄的管板開兩個槽而確定的，當管板厚度允許時，這個尺寸是可以改變的。槽寬3 mm適用于機械脹接，當采用液壓脹接時必須加寬槽的寬度。

根據“壓力容器安全技術監察規程”第105條推薦：

式中d——換熱管直徑，mm；

t——換熱管壁厚,mm。

該換熱器換熱管規格為?19 mm×2.11 mm，計算脹接槽寬為7～8.2 mm。強度脹接長度取管板厚度減3 mm與50 mm兩者之中的較小值，故取47 mm。管板開槽的結構尺寸如圖3所示，開槽深度為0.5 mm。

圖2 GB 151的管板開槽結構

圖3 換熱器管板開槽結構

6 結束語

該臺設備在結構設計上充分考慮了雙管板換熱器的結構特點和制造難點，結構設計合理。在制造過程中，對管板的加工質量和換熱管的采購質量進行了嚴格控制，通過計算和模擬試樣脹接試驗確定了液壓脹接的最佳脹接參數，從而使得殼程管板與換熱管強度脹接完成后一次打壓合格，并在保證產品質量的前提下縮短了制造周期，減輕了工作強度。

[1] GB 151—1999.管殼式換熱器[S].北京：中國標準出版社，1999.

[2] 國家質量技術監督局.壓力容器安全技術監察規程[S].北京：中國勞動社會保障出版社，1999.

[3] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京：新華出版社，2005.

[4] 全國化工設備設計技術中心站.壓力容器設計指導手冊[M].昆明：云南科技出版社，2006.

[5] T Kuppan.換熱器設計手冊[M].錢頌文，廖景娛，鄧先和，等譯.北京：中國石化出版社，2003.

[6] 秦叔經，葉文邦.換熱器（化工設備設計全書）[M].北京：化學工業出版社，2002.

Structure Design of Double Tube Sheet Heat Exchanger

Meng Xianbin Song Sibing Liang Shuguo

Double tube sheet heat exchanger is a special construction of the tubular heat exchanger.The paper describes the structure design and strength calculation of a fixed double tube sheet heat exchanger,including design and calculation of material selection,tubes distribution,tube plate structure and spacing,tube expansion and slot size.

Tubular heat exchanger;Fixed tube sheet;Double tube sheet;Structure design;Strength expansion;Tube arrangement;Strength calculation

TQ 051.5

*孟憲斌，男，1960年生，工程師。南京市，211153。

2012-06-26）