波形膨脹節在熱交換器中的應用

趙恩宏，亓成剛，畢文娟

(1.中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071；2.威海石島重工有限公司，山東 威海 264300)

熱交換器是一種實現物料之間熱量傳遞的節能設備，在各行業中得到了普遍應用。其中，在煉油、化工裝置中熱交換器占總設備量和設備投資的40%左右[1]。

波形膨脹節是由波紋管、加強件、輔助套箍、內襯筒等件組成。波形膨脹節的補償性能是由波紋管決定的。波形膨脹節具有工作可靠、性能良好、結構緊湊等優點，在熱交換器中廣泛應用。

本文主要介紹了波形膨脹節在固定管板式熱交換器、浮頭式熱交換器中的應用，并對設計過程中應注意的事項進行闡述。

1 波形膨脹節

GB/T16749-2018《壓力容器波形膨脹節》中規定壓力容器用波形膨脹節的型式主要有：無加強U形、加強U形或Ω形[2]。根據操作工況及設計條件，波形膨脹節可以設計為單層或者多層。其中U形膨脹節剛度小，補償變形能力好，在實際工程中應用最為廣泛，但其承壓能力相對較低。在熱交換器工作壓力較高時，可采用多層膨脹節或者外加強膨脹節。

2 波形膨脹節在固定管板式熱交換器中的應用

圖1 帶波形膨脹節的固定管板式熱交換器

固定管板式熱交換器的管板、換熱管、筒體通過焊接，組成一個整體。在設備運行時，管、殼程間存在溫差應力，可能引起設備的破壞，對設備的安全運行造成隱患。因此，在固定管板計算時，當殼體軸向應力、換熱管軸向應力、換熱管與管板拉脫力，有一個不合格時，就需要考慮設置膨脹節。如圖1示，依靠波形膨脹節軸向伸縮的彈性補償，吸收殼體與管束間的溫差應力。

波形膨脹節的設計計算主要包括：應力計算及校核(主要有受壓件的周向薄膜應力、子午向薄膜應力、子午向彎曲應力等)，軸向剛度和軸向位移計算，平面失穩及柱狀失穩壓力計算，疲勞壽命校核(適用于奧氏體不銹鋼、耐蝕鎳合金及鎳-鉻合金材料)，外壓校核(需要時)等[2]。

波形膨脹節的幾何參數主要有單層壁厚，波高，波長，層數，波數等。在設計中通過各幾何參數的調整，改善波形膨脹節的應力狀況，使波形膨脹節既有足夠的強度，又能提供需要的“撓性”，從而設計出較合理的結構。

考慮到波形膨脹節成型及加工制造的成本，波形膨脹節的尺寸規格優先參考GB/T16479-2018《壓力容器波形膨脹節》中推薦的膨脹節幾何尺寸。

通過設置波形膨脹節，可以有效降低固定管板式熱交換器的溫差應力，從而降低管板計算厚度，減少制造成本。但同時增加了膨脹節及其焊接成本，因此需要綜合考慮設備的安全性能，制造成本，進行合理設計[3]。

3 波形膨脹節在浮頭式熱交換器中的應用

固定管板式熱交換器、U形管式熱交換器以及多管程浮頭式熱交換器是應用最為廣泛的管殼式熱交換器。當管、殼程兩側溫差較大，且兩側介質都易結垢時，以上三種熱交換器形式由于結垢不易清洗，影響換熱性能，一般選用填料函式熱交換器。但填料函式熱交換器密封不夠嚴密，不適用于易揮發、易燃易爆、有毒以及貴重介質的場合[4-5]，在石油化工行業使用較少。

與普通多管程浮頭式熱交換器相比，單管程浮頭式熱交換器在球冠形封頭處增加了波形膨脹節、夾持板等可拆式連接結構，與設備管程出口相連，如圖2所示。這種結構避免了管程介質在浮頭處的折流，減少結垢。通過采用膨脹節結構，既可以補償管、殼程溫差產生的位移，又可以解決密封泄露的問題。由于便于拆卸，易于清洗，得到了廣泛應用。

圖2 單管程浮頭式熱交換器膨脹節結構

由于波形膨脹節同時接觸管、殼程介質，腐蝕裕量應為管、殼程兩側腐蝕裕量之和。為獲得較高的補償能力，波形膨脹節一般采用較薄的厚度。奧氏體不銹鋼具有優良的耐蝕性，因此，波形膨脹節的材質優先選用奧氏體不銹鋼。當奧氏體不銹鋼材質不適用時，可選擇其他耐蝕材料。若設備設計條件較高，還可以根據設備實際操作條件，選擇壓差設計。在滿足設備安全使用的前提下，降低設備成本。

波形膨脹節計算的需要確定管、殼程間的膨脹差：

e=(αtΔTt-αsΔTs)L

其中：e為管程與殼程的膨脹差；αt/αs分別為換熱管/殼程筒體在設計溫度與20℃之間的平均線膨脹系數，可由GB/150.2-2011附錄表B.14查取；ΔTt/ΔTs分別為管程設計溫度/殼程設計溫度與環境溫度的溫度差；L為波形膨脹節兩側固定端長度。

根據熱交換器操作工況和設計條件，首先計算出管、殼程間的最大膨脹差，然后選擇合適的波形膨脹節(可優先選擇GB/T16479-2018中推薦的膨脹節規格)，波形膨脹節總位移量應大于計算的管、殼程間的最大膨脹差。確定完波形膨脹節規格后，根據熱交換器操作工況和設計條件，對波形膨脹節進行強度、剛度等計算。

固定管板式熱交換器波形膨脹節設置在殼程筒體上，操作過程中便于監控。而單管程浮頭式熱交換器波形膨脹節設置在設備內部，不便于監控波形膨脹節的使用情況，對設備的安全運行造成隱患，尤其是管、殼程介質出現混合后會引起嚴重損失場合。此時可以采用雙層膨脹節，在膨脹節處增加檢測裝置，實現對膨脹節的實時監測。在膨脹節出現損壞或者泄露的情況下，及時對設備進行檢修[6]。

4 結語

波形膨脹節在固定管板式熱交換器、浮頭式熱交換器中的應用較為廣泛，本文對波形膨脹節在設計過程中的相關問題進行了討論。設計者應根據設備操作工況及設計條件，確定合適的材料，并通過計算，優化波形膨脹節的參數，做到既安全可靠，又經濟合理。