多套管式熱交換器設(shè)計制造要點

， ， 　， 　， 　 (.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司， 甘肅 蘭州　704；.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州　70070； .蘭州蘭石重型裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州　704)

套管式熱交換器結(jié)構(gòu)簡單、制造簡便且占地面積較小，是一種純逆流型熱交換器，具有傳熱效能高、換熱面積可靈活增減的特點。設(shè)計套管式熱交換器時，可根據(jù)需要增減管段數(shù)目和選取截面尺寸，達到提高流體速度、增大兩側(cè)流體傳熱系數(shù)的目的。套管式熱交換器尤其適用于高溫、高壓工況，使用經(jīng)濟、維護方便、耐用性較好，在化工廠、實驗室、新工藝的中試環(huán)節(jié)中有廣泛應(yīng)用。

套管式熱交換器分為單套管式與多套管式。其中多套管式熱交換器具有不易堵塞、拆洗更換內(nèi)管簡單方便等特點，可以滿足高黏度易堵介質(zhì)換熱的使用要求[1]。多套管式熱交換器則具有更大的換熱面積、高總傳熱系數(shù)和換熱效率，應(yīng)用時更加靈活[2]。

1　反應(yīng)產(chǎn)物熱交換器基本工況

蘭州蘭石集團某公司承制的反吹氫/反應(yīng)產(chǎn)物熱交換器，是催化汽油吸附脫硫裝置關(guān)鍵設(shè)備之一。該熱交換器殼程介質(zhì)為反應(yīng)產(chǎn)物，設(shè)備主體材料為1.25Cr-0.5Mo-Si，設(shè)計壓力5.9 MPa，進/出口工作溫度439 ℃/191 ℃；管程介質(zhì)為反吹氫氣，設(shè)計壓力7.3 MPa，進/出口工作溫度135 ℃/260 ℃。

2　多套管式熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1　設(shè)備選型

根據(jù)此熱交換器操作壓力高，進、出口溫差較大，管殼程允許壓降小且要求的換熱面積較小等特點進行設(shè)備選型，最終確定采用多套管式結(jié)構(gòu)，見圖1。

1.殼程回彎頭箱　2.支架　3.殼程進出口法蘭　4.U形管束　5.管殼程密封結(jié)構(gòu)　6.管程進出口法蘭圖1　多套管式熱交換器結(jié)構(gòu)示圖

2.2　結(jié)構(gòu)特點

圖1所示熱交換器由管程進出口法蘭、管殼程密封結(jié)構(gòu)、U形管束、外套管、殼程進出口法蘭、支架、殼程回彎頭箱及殼體等零部件組成。管程進出口采用法蘭連接，可根據(jù)工藝過程調(diào)整的需要，在必要時設(shè)置連接彎管實現(xiàn)多個單獨傳熱單元的組合，實現(xiàn)換熱面積的靈活增減。綜合考慮和分析了熱交換器的操作條件、操作介質(zhì)及管束是否需要清洗等因素[3-5]，管、殼程密封結(jié)構(gòu)選用了一種新型可拆焊接式密封結(jié)構(gòu)。在滿足工藝需求的基礎(chǔ)上，將管束設(shè)計成U形結(jié)構(gòu)并設(shè)置了折流擋板等強化傳熱結(jié)構(gòu)，不僅提高了總傳熱系數(shù)和換熱效率，而且管束中的每一根換熱管都可以自由膨脹，可有效解決管、殼程溫差過大導(dǎo)致的熱補償問題。外套管貼合U形管束包裹在其外圍，實現(xiàn)了冷、熱流體的純逆流流動，提高了換熱效率。殼程外套管尾部設(shè)置有長圓形回彎頭箱(圖2)，打開回彎頭箱的端蓋便可對管束進行清洗、維護和檢查，操作非常方便。

圖2　長圓形回彎頭箱局部剖視示圖

3　多套管式熱交換器密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1　密封結(jié)構(gòu)選用

傳統(tǒng)的多套管式熱交換器管、殼程采用法蘭緊固件式密封，結(jié)構(gòu)見圖3。法蘭緊固件式密封僅適用于中低壓、介質(zhì)危害程度低、內(nèi)外管環(huán)隙空間需清洗和檢查的工況[6]。

1.管箱法蘭 2.墊片 3.卡環(huán)一 4.壓蓋一 5.管箱套管組件 6.壓蓋二　7.金屬環(huán)墊　8.卡環(huán)二　9.殼程端部法蘭圖3　法蘭緊固件式密封結(jié)構(gòu)

考慮本次設(shè)計工況下殼程操作介質(zhì)為反應(yīng)產(chǎn)物，主要成分是汽油，易燃、易爆，一旦泄漏很容易引發(fā)火災(zāi)，危害程度高，且管程最大工作壓力達6.53 MPa，不適用法蘭緊固件式密封結(jié)構(gòu)。為保證換熱器在15 a設(shè)計使用年限內(nèi)長期可靠運行，管、殼程密封采用可拆焊接式密封結(jié)構(gòu)，見圖4。

1.管箱法蘭　2.密封墊片　3.殼程法蘭　4.管板　5.錐殼圖4　可拆焊接式密封結(jié)構(gòu)

3.2　密封結(jié)構(gòu)分析比較

對比圖3和圖4，結(jié)合機械結(jié)構(gòu)分析，均可發(fā)現(xiàn)可拆焊接式密封結(jié)構(gòu)相對傳統(tǒng)法蘭緊固件式密封具有多方面的優(yōu)勢，總結(jié)如下。

(1)結(jié)構(gòu)簡單法蘭緊固件式密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件多。可拆焊接式密封結(jié)構(gòu)更加簡單，制作簡便。此外，由于減少了卡環(huán)、壓蓋、套管、金屬環(huán)墊、端部法蘭等零部件，熱交換器整體重量減輕，更加節(jié)約制造成本。

(2)性能可靠可拆焊接式密封結(jié)構(gòu)內(nèi)含一段錐殼，錐殼較小端與管板延伸部位、錐殼較大端與殼程外套管相焊。焊接連接結(jié)構(gòu)強度高，致密性好，密封性能更加可靠。法蘭緊固件式密封結(jié)構(gòu)中，需要法蘭壓蓋與外套管端部法蘭壓緊金屬環(huán)墊、卡環(huán)，并利用螺栓連接等環(huán)節(jié)配合實現(xiàn)殼程密封。

(3)使用壽命更長法蘭緊固件式密封結(jié)構(gòu)采用螺栓壓緊密封墊片來實現(xiàn)密封，在密封面內(nèi)、外壓力差或濃度差的推動下[7]，墊片壓縮量趨于減少，殼程介質(zhì)難免會進入間隙，長期工作在殼程的高溫高壓環(huán)境下，墊片與端部法蘭間隙中會更容易產(chǎn)生腐蝕，但采用焊接形式的密封不會產(chǎn)生間隙，使用壽命更長。

(4)安全性能更高法蘭緊固件式密封結(jié)構(gòu)使用過程中，隨著操作壓力、溫度的波動，螺栓產(chǎn)生應(yīng)力松弛導(dǎo)致無法有效壓緊密封墊片[8]，從而增加殼程介質(zhì)泄漏可能。本次工況下殼程介質(zhì)為反應(yīng)產(chǎn)物，易燃、易爆，危害程度較高，一旦發(fā)生泄漏，會對設(shè)備及周圍環(huán)境造成嚴(yán)重危害。采用焊接連接的密封結(jié)構(gòu)，可以有效杜絕泄漏發(fā)生的可能[9]，安全性能更高。

(5)適用范圍更廣法蘭緊固件式密封結(jié)構(gòu)殼程密封元件較多，會對密封結(jié)構(gòu)的可靠性造成一定影響，所以僅適用于中低壓及介質(zhì)危害程度較低的場合。而可拆焊接式密封結(jié)構(gòu)不僅適用于中低壓場合，還能適用于高壓、介質(zhì)危害程度較高及一些腐蝕性較高的場合。

(6)增大有效換熱面積法蘭緊固件式密封結(jié)構(gòu)中，套管端部需設(shè)置套管端部法蘭及法蘭壓蓋，一方面在法蘭壓蓋之間須考慮預(yù)留擰緊螺栓所需空間，另一方面，法蘭壓蓋及套管端部法蘭所需厚度較大，殼程進出口距離管板距離太遠(yuǎn)，使殼程產(chǎn)生很大的流動死區(qū)[10]。而新型可拆焊接式密封結(jié)構(gòu)僅用錐殼與管板及外套管殼體相連，極大減小了殼程進出口與管板之間的距離，從而增大有效換熱面積。

4　多套管式熱交換器制造注意事項

4.1　換熱管與管板連接質(zhì)量控制

換熱管與管板的連接形式采用強度焊加貼脹[11]。焊接方法采用鎢極惰性氣體保護焊，其焊接接頭結(jié)構(gòu)示圖見圖5。焊接前仔細(xì)清除管子與管板連接接頭處的油漬和殘渣，確保換熱管的管頭至少300 mm范圍內(nèi)必須露出金屬光澤。按照焊接規(guī)程進行管子的焊接，焊接規(guī)程需事先經(jīng)過評定且評定結(jié)果為合格。保證每個管接頭至少焊接2遍，且為連續(xù)焊。每一遍焊后對管接頭進行磁粉檢測[12]，確保焊接質(zhì)量。管接頭焊接合格并經(jīng)消除應(yīng)力熱處理后采用液壓脹進行脹管。

圖5　換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)示圖

4.2　焊縫質(zhì)量控制

錐殼縱向焊接接頭、錐殼與管板延伸部位環(huán)向焊接接頭及錐殼與外套管環(huán)向焊接接頭的焊縫質(zhì)量，均是影響該密封結(jié)構(gòu)密封性能的關(guān)鍵因素。本次設(shè)計的設(shè)備材料特殊，焊后需進行消除應(yīng)力熱處理[13]。若按工藝要求溫度在組裝后對上述接頭進行熱處理，勢必會對換熱管產(chǎn)生不良影響，因此可在焊接前在坡口表面堆焊6～8 mm厚InCo.182合金，堆焊后對各元件進行焊后熱處理并加工坡口。組裝階段，先采用氬弧焊打底，預(yù)熱200 ℃后，用?5.0 mm的InCo.182焊條電弧焊焊接坡口，焊接完成后進行消氫處理，300～350 ℃保溫2 h。錐殼與殼體環(huán)焊縫示意圖見圖6。

4.3　加工精度控制

嚴(yán)格保證各零部件的加工精度及尺寸公差滿足圖樣要求，以便后續(xù)裝配連接可靠。施工圖中未注明機加工尺寸公差時，按GB/T 1804—2000《一般公差 未注公差的線性和角度尺寸的公差》[14]中m級精度，非加工尺寸公差按C級精度。此外，為保證管板順利穿入，殼體焊縫焊接完畢后所有焊縫內(nèi)表面均須機加工或打磨平整光滑，不得存在毛刺、尖角等，且不平度為±0.3 mm。本次設(shè)計的設(shè)備錐殼部位需分瓣組裝，為了保證錐殼較大和較小端與外套管及管板延伸部位分別順利對接，需在分瓣制作時嚴(yán)格保證瓣體的不圓度，錐體組裝時大、小端的同心度以及錐體與設(shè)備的同軸度[15-16]。

5　結(jié)語

多套管式熱交換器結(jié)構(gòu)新穎，是一種高效節(jié)能的換熱設(shè)備，在煉油化工裝置中選用靈活，為受傳熱速率或溫差限制的熱交換器設(shè)計提供了可能。可拆焊接式密封結(jié)構(gòu)是多套管式熱交換器設(shè)計與研制的難點，是管、殼程密封嚴(yán)密的重要保障。隨著石油煉制、化工生產(chǎn)行業(yè)新型工藝技術(shù)的推廣，多套管式熱交換器的研究及設(shè)計制造將有更廣闊的前景。

參考文獻：

[1]張治川，黃磊，周波.重疊式多套管換熱器結(jié)構(gòu)與管頭密封設(shè)計[J].壓力容器，2012，29(3):22-25.

ZHANG Z C，HUANG L，ZHOU B. Design of structure and pipe head sealing for overlap type multi-double-pipe heat exchanger[J]. Pressure vessel technology，2012，29(3)：22-25.

[2]張鐵鋼.多套管式換熱器的設(shè)計探討[J].化工設(shè)備與管道，2010(S)：16-19.

ZHANG T G. Discussion on design of multi tube heat exchanger [J]. Process equipment & piping，2010(S)：16-19.

[3]劉思宇，張瑩瑩，高磊，等.板殼式換熱器殼程傳熱性能研究[J].壓力容器，2017，34(1)：18-24.

LIU S Y，ZHANG Y Y，GAO L，et al. Shell of heat transfer performance research with plate-shell heat exchanger [J]. Pressure vessel technology，2017，34(1)：18-24.

[4]張瑞.管殼式換熱器的強化傳熱技術(shù)分析[J].黑龍江科技信息，2016(19)：156.

ZHANG R. Analysis of heat transfer enhancement of shell-and-tube heat exchanger [J]. Heilongjiang science and technology information，2016(19)：156.

[5]鄧先和，蔣夫花.換熱器殼程流路分析及折流與逆流的換熱偏差[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，38(8)：12-16.

DENG X H, JIANG F H. Analyses of flow path in shell side of heat exchangers and heat transfer deviation of baffling flow from counterflow [J].Journal of south China university of technology(natural science edition)，2010，38(8)：12-16.

[6]石油化工鋼制套管換熱器設(shè)計規(guī)范：SH/T 3119—2000 [S].

Specification for design of steel double pipe heat exchangers for petrochemical：SH/T 3119—2000 [S].

[7]王治華，安震，夏杰.管殼式換熱器管箱密封的設(shè)計和選用[J].硫磷設(shè)計與粉體工程，2016(1)：39-42.

WANG Z H，AN Z，XIA J. Design and selection of tube seal for shell and tube heat exchanger [J]. Sulphur phosphorus & bulk materials handling related engineering，2016(1)：39-42.

[8]李崇勇，張雅新，張光.煉化裝置法蘭接頭泄漏風(fēng)險的源頭控制[J].中國特種設(shè)備安全，2016(1)：28-31.

LI C Y，ZHANG Y X，ZHANG G. Source control of leaking risk of flange joints in petrochemical unit [J]. China special equipment safety，2016(1)：28-31.

[9]閆理，何永輝.列管式換熱器泄漏原因分析及解決措施[J].工程技術(shù)(文摘版)，2015，49(9)：292.

YAN L，HE Y H. Cause analysis and solution of leakage of tubular heat exchanger [J]. Engineering technology (digest edition)，2015，49(9)：292.

[10] 斯俊平，童明炎，楊文華，等.換熱面裕量對再生式換熱器熱工特性的影響分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17(5)：55-61.

SI J P，TONG M Y，YANG W H，et al. Effect of the heat transfer area margin on thermal characteristics of the regenerative heat exchanger [J].Science technology and engineering，2017，17(5)：55-61.

[11] 熱交換器：GB/T 151—2014 [S].

Heat exchangers：GB/T 151—2014 [S].

[12] 姚艷.1.25Cr-0.5Mo-Si反吹氫/反應(yīng)產(chǎn)物換熱器產(chǎn)品制造[J].石化技術(shù)，2016，23(3)：35.

YAO Y. 1.25Cr-0.5Mo-Si hydrogen inverse blowing / reaction product heat exchanger [J]. Petrochemical industry technology，2016，23(3)：35.

[13] 水冷管式換熱器：HG/T 2650—2011 [S].

Water cooled tubular heat exchanger：HG/T 2650—2011 [S].

[14] 一般公差 未注公差的線性和角度尺寸的公差：GB/T 1804—2000 [S].

General tolerances：Tolerances for linear and angular dimensions without individual tolerance indications ：GB/T 1804—2000 [S].

[15] 楊福昌，胡麗萍.較小半頂角的內(nèi)壓錐殼厚度計算分析[J].石油和化工設(shè)備，2016，19(3)：5-8.

YANG F C，HU L P. Calculation and analysis of thickness of internal pressure cone shell with small half [J]. Petro & chemical equipment，2016，19(3)：5-8.

[16] 鄭偉，錢才富.大型整體錐殼與分瓣圓弧錐殼的承載能力計算與比較[J].化工設(shè)備與管道，2013，50(4)：16-18.

ZHENG W，QIAN C F. Load-carrying capability calculation and comparison of whole-cone shell and split-arc-cone shell [J]. Process equipment & piping，2013，50(4)：16-18.