高壓力可拆卸板式熱交換器的開發(fā)研究

王曉偉，李 官，仇 穎

(上海板換機械設備有限公司，上海 201508)

隨著社會的發(fā)展，城市建設速度飛速增長，供熱技術和供熱方式呈現(xiàn)多樣化的趨勢，且逐步發(fā)展和形成以集中供熱為主導的城鎮(zhèn)供熱采暖系統(tǒng)。隨著集中供熱采暖系統(tǒng)供熱半徑的增加，通過增大供回水壓差的方法來提高管網(wǎng)輸送能力和供熱總量是一種較為經(jīng)濟的方式。可拆卸板式熱交換器以其換熱效率高、結構緊湊、適應性強、熱損失小、拆裝維修方便等優(yōu)點，廣泛應用在供暖行業(yè)，但隨著供暖行業(yè)對熱交換器承壓能力的要求越來越高，常規(guī)的可拆卸板式熱交換器已不能滿足供暖行業(yè)的擴大需求[1]。

目前可拆卸板式熱交換器的最高設計壓力為3.0 MPa，對超過3.0 MPa壓力的情況只能采用焊接類熱交換器或多級換熱[2]的方式解決，但會大幅增加投資成本。本文將選取上海板換機械設備有限公司D15C可拆卸板式熱交換器，通過研究產(chǎn)品設計、板片成型、產(chǎn)品制造、水壓試驗等方面規(guī)律，開發(fā)了一種高承壓的可拆卸板式熱交換器。

1 設計開發(fā)

1.1 板片材料的選擇

1.1.1 板料的強度

表1 板料力學性能數(shù)據(jù)表

可拆卸板式熱交換器在高壓力下的泄漏主要是由于板片強度不足而變形、密封墊被高壓擠出所致。S30400及S31603兩種材料以其成型性好、性價比高等優(yōu)點被大量用于供暖行業(yè)中，但其低強度導致了產(chǎn)品承壓能力較低。為提高產(chǎn)品承壓能力，現(xiàn)選取兩種牌號分別S82031及S32205的高強度雙相不銹鋼材料用于對比，力學性能數(shù)據(jù)如表1所示。通過表1數(shù)據(jù)可看出S32205材料伸長率過低，不能滿足板片的成型要求，故排除該材料。

1.1.2 板料的耐腐蝕性

供暖行業(yè)熱側水質運行溫度100℃左右、氯離子含量約為40～100 mg/L，板片的腐蝕以應力腐蝕開裂和氯離子點蝕為主。臨界點蝕溫度(簡稱CPT)是判定不銹鋼耐氯離子點蝕性能的重要指標，不銹鋼的CPT越高，表明不銹鋼耐氯離子點蝕性能越好。S30400、S31603及S82031不銹鋼材料應力腐蝕試驗數(shù)據(jù)和臨界點時溫度可參考表2、3[3]。

從腐蝕結果來看，S82031雙向不銹鋼的耐應力腐蝕開裂性能和耐氯離子點蝕性優(yōu)于S30400和S31603兩種材料，更適用于采暖行業(yè)的應用。

表2 不同板料應力腐蝕開裂數(shù)據(jù)表

表3 不同板料臨界點蝕溫度數(shù)據(jù)表

1.1.3 板料的最終確定

結合表1、2、3，從成型性能和耐腐蝕性兩方面進行對比，同時考慮S31603材料成型性及耐腐蝕性略優(yōu)于S30400材料，選用S31603和S82031兩種材料進行D15C產(chǎn)品的對比試驗。

1.2 密封墊的選擇

考慮供暖行業(yè)熱側水質運行溫度較高、運行壓力較高等工況特性，結合密封墊使用壽命，三元乙丙(代號EPDM)密封墊以其性價比高的優(yōu)點適用于供暖行業(yè)。

普通丁腈密封墊(75 Shore A)承壓極限在2.1 MPa左右，而氫化丁腈密封墊(80 Shore A)承壓極限在3.2 MPa左右，可看出產(chǎn)品的承壓能力隨密封墊硬度的增加而增加。常規(guī)EPDM密封墊硬度為80 Shore A，其承壓極限在3.2 MPa左右，為提高產(chǎn)品承壓能力同時匹配高強度的板片，選用一種硬度更高的特種EPDM密封墊(90 Shore A)與常規(guī)EPDM密封墊進行D15C產(chǎn)品的對比試驗，兩種密封墊的物理性能參數(shù)如表4所示。

表4 常規(guī)及特種EPDM密封墊物理性能表

1.3 產(chǎn)品結構設計

可拆卸板式熱交換器主要零部件有：固定壓緊板、活動壓緊板、上導桿、下導桿、拉桿、立柱、板片及密封墊(又稱墊片)等，詳見圖1所示。

圖1 可拆卸板式熱交換器裝配圖

為保證框架的剛性，將D15C產(chǎn)品設計壓力定為4.0 MPa，型號定義為D15C-4.0/150，三維圖紙如圖2所示。該產(chǎn)品設計的主要依據(jù)為NB/T47004.1-2017《板式熱交換器第1部分：可拆卸板式熱交換器》和GB/T150《壓力容器》。

圖2 D15C-4.0/150產(chǎn)品三維圖

1.3.1 夾緊螺柱設計

按設計壓力4.0MPa計算夾緊螺柱的最小直徑，按式(1)計算：

其中Am為預緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下最小夾緊螺柱載荷總截面積的較大者，n為夾緊螺柱的數(shù)量，得出夾緊螺柱的最小直徑d，選用與之匹配的夾緊螺柱。

1.3.2 壓板設計

依據(jù)GB150.3-2011，非圓形平蓋按式(2)計算：

計算出的壓板厚度補強后，得出固定壓板和活動壓板的厚度。

1.3.3 夾緊螺柱長度的確定

由于D15C產(chǎn)品未設計中間隔板，則夾緊螺柱長度計算可簡化為式(3)：

其中S1為壓板厚度，S0為板片厚度，S3為密封墊厚度，NP為板片數(shù)，得出夾緊螺柱長度。

1.3.4 上導桿設計

根據(jù)NB/T47004.1-2017標準，導桿按式(4)計算：

因無中間隔板，則Ng=0，S2=0，得出上導桿的長度。

1.3.5 法蘭設計

依據(jù)GB/T9119-2010標準選取DN150-PN40 PL RF II Q235A GB/T9119的法蘭，但板片角孔橫向間距所限導致法蘭外徑干涉，故將法蘭設計為長短管結構的接管形式，如圖2所示。

1.4 板片成型

S31603是上海板換機械設備有限公司D15C產(chǎn)品正常生產(chǎn)的材料，不存在成型問題。由于S82031材料強度高，導致其成型難度增大，對生產(chǎn)效率有一定影響，增加產(chǎn)品的制造成本。基于CAE工具進行大量的虛擬試模研究，通過對模具及生產(chǎn)工藝進行特殊處理，成功壓制出滿足NB/T47004.1-2017要求的E15C(S82031)板片[4]。

1.5 產(chǎn)品制造及水壓試驗

D15C-4.0/150產(chǎn)品共用一套框架，板片材料有S31603和S82031兩種，密封墊有常規(guī)EPDM和特種EPDM兩種，除板片材料和密封墊材料外無其他變量，共組成4種形式的D15C-4.0/150產(chǎn)品，詳見表5所示。對4種形式的D15C-4.0/150產(chǎn)品按序號順序分別進行水壓試驗，每次試驗壓力均自2.6 MPa起，按0.2 MPa壓差逐級升壓，直至泄漏結束。考慮預期試驗壓力較高，在試驗過程中，將試驗場地與其他生產(chǎn)區(qū)域分隔，操作人員及技術人員做了相關的安全防護措施。

記錄各自的最高試驗壓力(保壓30 min不泄漏的最高壓力)，詳見表5所示，四種形式的D15C-4.0/150產(chǎn)品中序號4產(chǎn)品承壓能力最好，其最高試驗壓力為6.0 MPa，對應設計壓力為4.6 MPa。其中設計壓力(P)和試驗壓力(PT)對應關系如式(5)所示。

對表5進行分析可知，單獨提升板片強度或密封墊硬度對可拆卸板式熱交換器的承壓能力提升有限，只有將板片的強度或密封墊的硬度兩者結合起來共同提升，才能對可拆卸板式熱交換器的承壓能力提升巨大。同時也說明板片強度和密封墊硬度需匹配，才能切實提高可拆卸板式熱交換器的承壓能力。

表5 D15C產(chǎn)品組合形式

2 結論

以上對極限壓力為6.0 MPa的高壓力可拆卸板式熱交換器的設計開發(fā)過程做了簡介和分析，說明同時提高板片的強度和密封墊的硬度可以顯著提高可拆卸板式熱交換器的承壓能力，且高強度的板片承壓能力好、重復拆裝不易變形，節(jié)省售后維護成本，在工況不復雜、介質腐蝕性較差的供暖行業(yè)有良好的應用前景。