管殼式換熱器結構設計研究

田朋

（沈陽東方鈦業有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 管箱設計

管箱結構包括管箱平蓋、分程隔板、短節等部分，其中管箱短節設計要滿足“最小內側深度”的要求，單程管箱軸向開口，管箱短接至少是接管內直徑1/3，多程管箱兩程間的最小流通面積至少是每程管流通面積的1.3倍或以上，并保證短節筒體厚度滿足剛度要求。分程隔板需要承受兩側流體壓差，因此其強度及剛度要求較為嚴格，公稱直徑在600mm以下，如隔板材料為碳素鋼或低合金鋼，其最小厚度至少在8mm，如材料為高合金鋼，則基最小厚度至少在6mm；公稱直徑越大，隔板的最小厚度就越厚，碳素鋼或低合金鋼材料厚度要大于高合金鋼材料。分程隔板下緣要對齊管箱密封面，隔板上設置直徑為6mm的孔，其主要作用是排凈液體，能夠平衡兩腔壓力，且水壓試驗時有利于氣體排除干凈；如兩側流體壓差較大，分程隔板可設計為雙層結構。

2 圓筒及接管設計

換熱器的圓筒不僅要滿足基本的運輸與安裝需求，還要考慮其工作狀態下需要重疊安裝及抽裝管束的要求，因此換熱器圓筒最小壁厚要大于壓力容器，相對而言，固定管板換熱器無須抽芯其壁厚可稍小，但最小厚度至少也要在6mm以上，且公稱直徑越大，圓筒最小厚度也越厚。此外，需要在標準換熱管長度條件下計算圓筒長度，以避免換熱管不標準導致的材料浪費問題。接管結構設計需要注意接管要對齊殼體內表面，并盡量設置于殼體徑向或軸向方向，采用焊接工藝連接外部管線；如接管設計溫度在300℃以上，必須采用整體法蘭，并根據需要設置測量儀表的接口，主要是溫度計、壓力表及液面計；如果換熱器無法利用接管放氣及排液，則放氣口可設于管程與殼程最高點，排液口設于最低點。

3 拉桿設計

拉桿設計的重點在于管束的組裝、防沖擋板結構設計及根據實際情況選擇固定方式。具體注意事項如下：一方面，焊接防沖擋板及殼體時，如殼體直徑較小且采用明穿管工藝，拉桿固定端可設置于另一端管板，遠離殼程介質進口；如殼體直徑較大且采用暗穿管工藝，拉桿固定端可設于靠近殼程介質進口的管板。如防沖擋板采用導流筒防沖結構，則拉桿固定端要設于靠近殼程介質進口的一端。另一方面，設置立式換熱器拉桿固定端時，需要根據殼程的進料口位置、防沖擋板的安裝方式等條件進行選擇，如進料口在殼程下方，防沖擋板設于筒體，則拉桿固定端設于上管板便于安裝折流板；如進料口位于殼程上方，防沖擋板設于筒體，則拉桿固定端設于下管板才便于安裝折流板；如果防沖擋板焊接于管束上，無論進料口設于哪個部位都不會影響折流板的安裝，這種情況下，可將拉桿固定端設于下管板，這是因為拉桿固定于上管板時需要承受折流板及定距管的重量，如果采用腐蝕性的殼程介質，拉桿靠近進口端產生較大振動時，拉桿螺紋會受到振動及腐蝕的共同作用，易產生松動或拉脫，導致折流板部件下落，而將其固定于下管板時，折流板可通過定距管將重量作用于下管板，拉桿無須承受軸向力，避免了端部螺紋拉脫的問題，提高了系統運行的安全性及可靠性。

4 管板設計

管板設計的要點包括以下幾方面：（1）根據換熱管標準排列形式要求布置管板上管孔，標準排列形式包括正三角形、轉角正三角形、正方形、轉角正方形、同心圓式、轉角三角形等。其中應用最普遍的是等邊三角形排列形式，各管間距相等，不僅便于劃線外孔操作，而且管板上排列管數更多，不過清洗較為困難；如采用機械清理，可采用正方形排列，該排列方式可設置專門的清理通道；如果折流板間距相同，等邊三角形與同心圓形排列的流通截面積更大、流速更高；且同心圓形排列方法靠近殼體處布管均勻，保證介質流動的順暢性。需要注意的是，布置管孔時最外圈換熱管管壁與殼內壁至少保持8mm以上的間距。（2）管孔中心距至少是換熱管外徑的1.25倍以上，分程隔板槽兩側的相鄰管孔中心距至少大于管孔中心距與隔板槽寬度之和。為了避免過于靠近殼壁影響設置安裝，布管區最大直徑不得超過布管限定圓的要求。分程隔板槽槽深至少在4mm以上，分程隔板槽拐角處倒45度角，注意倒角寬度是分程墊片圓角半徑再加1～2mm，否則，可能會出現泄漏或無法安裝的問題。（3）在選擇管板與圓筒、管箱短節的連接形式時，要充分考慮殼程壓力的大小、介質是否有腐蝕性、管板是否兼作法蘭等因素特別是殼程壓力大于4MPa時，為改善受力要選擇對接的結構形式；如殼程介質存在間隙腐蝕則要避免采用初環焊接，否則，會導致襯環與殼壁形成間隙而發生間隙腐蝕。此外，多管程管板前端與后端結構不同，管程分程時，各管程管數要盡量大致相等，盡量簡化分程隔板槽形狀，縮短密封長度。

5 換熱管與管板連接

換熱管與管板的連接質量是決定換熱器質量的重要因素，換熱管與管板的連接失效是導致換熱器失效的重要原因，因此要根據管殼式換熱器的結構特點、適用范圍及實際的應用環境合理選擇可靠的連接方式。具體設計過程中，換熱管與管板的連接方式包括以下幾種：首先，強度脹接。當設計壓力不超過4MPa，設計溫度不高于300℃時，且管殼式換熱器運行過程中不存在劇烈振動、溫度變化不大、無嚴重應力腐蝕等條件時，為保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度，選擇強度脹接。確定最小脹接長度時，比較管板厚度減去3mm與換熱管外徑的2倍，如二者最小值均不超過50mm，選其中最小值，如二者最小值大于50mm，則最小脹接長度取50mm。其次，強度焊。強度焊適用于設計壓力不超過35MPa的條件，但不適用于存在較大振動及間隙腐蝕的環境中。最后，脹焊并用，該連接方式主要應用于對管殼式換熱器密封性能要求更高、存在間隙腐蝕及承受振動及疲勞載荷的工作條件下。脹焊并用包括兩種方式：一種是強度脹加密封焊，采用強度脹接的形式保證管板與換熱管連接處的拉脫強度，采用脹接輔助密封焊的方式保證密封性能；另一種是強度焊加貼脹，即采用強度焊保證換熱管與管板連接處的拉脫強度，而換熱管與管板連接的密封性則由強度焊加貼脹來保證，貼脹可以消除殼程間生的間隙腐蝕，降低振動損害管板與換熱器連接處的程度。

6 結語

總之，管殼式換熱器是工業換熱設備中的基本結構形式，其具有選材范圍廣、便于清洗維護、適用性強、處理能力大、耐高溫高壓等諸多優勢，因此被廣泛應用于工業領域。管殼式換熱器的結構設計需要根據特定的條件選擇不同的設計參數，包括材料、壓力、溫度、壁溫差、流體性質等，以保證管殼式換熱器后續運行的安全性及可靠性。