變換熱交換器的管束結構設計

（山西陽煤豐喜肥業（集團）有限責任公司，山西 運城 044000）

換熱器作為節能設備之一，在化工生產工藝中起著非常重要的作用。換熱器的設計結構決定了換熱器的性能。在化肥生產工藝中，不少介質如半水煤氣、變換氣等都具有易結垢、腐蝕性強的特點，同時設備在高溫高壓條件下，殼體和管子在溫差較大工況運行，使用條件苛刻。管板與換熱管的焊接接頭會因溫差產生應力開裂和管子腐蝕，由于殼體部件壽命取決于換熱管的壽命，殼程無法進行機械清洗，最終造成設備整體失效。本文通過實例，介紹一種具有有效熱補償、檢修及清洗方便，制造成本低，換熱效率高，使用壽命長，適用于化肥生產變換工段的變換熱交換器結構。

1 變換熱交換器的設計參數和結構

變換熱交換器的設計參數見表1，整體結構見圖1。

表1 設計參數

變換熱交換器由裙座、下管箱、殼程殼體、管束、上管箱、上管箱接口等六部件組成。設備安裝時，裙座與下管箱焊接，管束與上管箱組焊后放置在下管箱上，套入殼程殼體與下管箱、上管箱接口S1螺栓連接而成。檢修時，去掉上管箱接口S1即可清洗上管箱，抽出殼程殼體可便于清洗或更換管束。管箱、管束、殼程、上管箱接口皆可拆卸是本設備的最大特點。各部件可拆卸，方便了檢修、清洗和易磨損部件的更換，可以再次利用完好的部件，達到降低制造成本、延長使用壽命的目的。由于變換熱交換器多數管束易損壞，本文重點介紹管束的結構設計。

圖1 變換熱交換器結構

圖2 管束上部可拆結構

圖3 折流板8塊

圖4 中間折流板1塊

2 結構設計

2.1 結構

本設備中管束與上管箱焊為一體，在結構設計時必須同時考慮上管箱。管束包括管板、列管、折流板、旁路擋板（兼滑道）等，上管箱包括封頭、φ550×35短節、波紋管膨脹節、DN500×14短節、連接環φ652/φ500、吊耳等。

(1)設置波紋膨脹節

在變換熱交換器的管束設計中，考慮到管程殼程介質溫差較大，管束與筒體將產生不同的伸長量，如不采取熱補償措施，管束與殼體之間會產生較大的溫差應力。本設備殼程溫度高于管程溫度，殼程筒體的伸長量大于管束，如果管束不增加補償器，則管束受到的拉應力可將管子拉長，管頭焊縫受到的拉應力達到強度極限時將開裂破壞。在上管箱介質出口處加裝波紋管膨脹節進行熱補償，殼體的拉伸對于管束的拉應力轉移至波紋管膨脹節上，對管束的熱膨脹伸長相對自由。管板與管頭的焊接焊縫不受拘束，這對于存在應力腐蝕的介質，效果尤為明顯。

(2)折流板的結構設計

管束中的折流板如圖3、圖4所示采用圓環內左右缺口布置，中間折流板為圓環形，如此布置加大了流體的湍流程度，流型均勻，殼程流體與管程流體可進行良好的接觸，相應提高了換熱效率，對支撐管束、防止振動和彎曲要比單純弓形折流板效果好。

(3)設置旁路擋板

管束周邊設置旁路擋板，減小了旁路漏流也消除了死角。

(4)如圖2所示，上管箱與殼程用夾持環實現其密封效果。

2.2 波形膨脹節的設計

根據GB16749-1997《壓力容器波紋膨脹節》，選用材質：06Cr17Ni12Mo2。按照膨脹節的一般選用原則：溫差大、壓力低時，取波高長、壁厚小者；溫差小、壓力高時，取波高短、壁厚大者；增加波數及波紋管的層數均可改善應力狀況。本設備膨脹節選用多波多層。

(1)設備膨脹量計算

波形膨脹節的個數及層數按照膨脹量的大小計算確定。膨脹量的簡易計算方法：

膨脹量ΔL=α×L×(t1- t0)

式中：α -線膨脹系數；L -結構長度；t1-管壁（殼壁）計算溫度，本計算殼程取最高溫度，列管取最低溫度；t0-管子（殼體）安裝時溫度

本設備膨脹量計算見表2。

表2 膨脹量計算表

從表2可得出：殼體拉伸長度比管束多l=67.53-20.21=47.32 mm，這時殼體承受壓力，列管承受拉力。要消除熱脹值引起的應力即溫差應力，必須進行熱補償，膨脹節的最小變形位移必須大于47.32 mm，才可以消除溫差應力。

(2)膨脹節位移量計算

已知管殼程最大壓差為0.4MPa，查表A5，膨脹節ZXL500-1.0，在500℃的許用工作壓力0.9MPa滿足要求。查表A1，在300℃時單波3層（單層1.5）最大位移量e1=7 mm，查圖A3（2）500℃時Ce=0.974，則e1t= Ce，e1=6.818 mm，若選用需要8波，則總位移量按式（8-2）計算，e=e1t(n-0.7)=49.77 mm＞l=47.32mm，膨脹節ZXL500-1.0-3x1.5x8x(M)滿足位移量要求。

(3)膨脹節剛度計算

查表A1，膨脹節在20℃時，單波軸向剛度K1=9680.6N/mm，查圖A4“溫度對單波剛度的修正曲線”500℃時材質Ck=0.82，得K1t=Ck.K1=7938.1N/mm

綜上所述，本設備設計膨脹節ZXL500-1.0-3x1.5x8x(M)滿足使用要求。

2.3 換熱管與管板的連接結構

按照GB151-1999《管殼式換熱器》規定，換熱管與管板的連接結構采用強度焊加貼脹結構，適用于“密封性能要求較高的場合；承受振動或疲勞載荷的場合；有間隙腐蝕的場合”。針對該變換氣熱交換器的高壓、高溫，介質有較大腐蝕性工況條件分析，若單用強度脹接，隨著溫度升高，換熱管與管板的剛度下降，會發生脹接應力松弛，熱膨脹應力增大，最后引起脹接接頭失效，導致泄漏。采用強度焊接，管板與換熱管的焊接接頭強度高，連接可靠，泄漏少，生產效率高，但難以消除管孔和換熱管之間的間隙，容易發生間隙腐蝕。單獨采用強度焊或強度脹結構，均難以滿足要求，為此采用強度焊加貼賬的連接結構，用焊接結構來保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度，用貼賬來消除換熱管與管板之間的間隙。實踐證明，脹焊并用能提高接頭的抗疲勞性能，可消除應力腐蝕和間隙腐蝕，使設備獲得較長的使用壽命。

2.4 管板計算

管板是管殼式換熱器的主要部件，管板設計是否合理對確保換熱器的安全運行至關重要。從本設備結構分析，上管箱設置膨脹節，管束可以自由伸長，不存在溫差應力。本設備按GB151圖18a夾持結構并參考浮頭式換熱器，利用SW6軟件進行管板計算。設計參數按表1數據，計算結果見表3。

表3 管板計算結果

3 結語

在采用合理的設計結構的同時，建議在其相關的工藝系統中采取以下措施：

(1)防止飽和塔出口煤氣帶水，其熱力管道和設備保溫要良好，防止水蒸汽發生冷凝。

(2)變換工段設置蒸汽過熱器，利用變換爐出口氣體使飽和蒸汽過熱，減少飽和蒸汽中夾帶的水滴，可以大大減輕電化學腐蝕。

按照上述設計制作的變換熱交換器累計出廠5臺，最長運行時間達7年，運行效果穩定。

[1]TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術檢察規程[S].

[2]GB151-1999，管殼式換熱器[S].

[3]GB 150.1～150.4-2011，壓力容器[S].

[4]GB16749-1997，壓力容器波紋膨脹節[S].

[5]化工設備設計全書編輯委員會. 換熱器設計[M].上海：上海科學技術出版社，1988.