U型管束釜式換熱器設(shè)計(jì)淺析

楊 斌

（中國石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司，江蘇南京210048）

管殼式換熱器是一種廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力及其他一些需要進(jìn)行熱交換工況的設(shè)備，按結(jié)構(gòu)可大致分為浮頭式、固定管板式、U型管式、釜式、填料函式等幾種[1]。其中釜式換熱器是一個比較特殊的型式，因釜式換熱器一般采用U型管束或浮頭管束結(jié)構(gòu)，也有一些特殊的工藝場合采用了固定管束結(jié)構(gòu)。在硫酸生產(chǎn)中固定管板式管殼式換熱器應(yīng)用較多，在有機(jī)胺法脫硫系統(tǒng)中釜式換熱器可作為再沸器使用。

筆者以常用的U型管束釜式換熱器為例對其設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。U型管束釜式換熱器只有1塊管板，管束類似一端固支的懸臂梁，管束可在不同溫度下自由伸縮，因此不會因?yàn)楦鞑考嬖跍夭疃a(chǎn)生熱應(yīng)力。該換熱器設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，承壓能力較強(qiáng)，但存在只有1塊管板更容易引起管束震動的缺點(diǎn)，因此需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上加以控制。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)

U型管束釜式換熱器結(jié)構(gòu)示意見圖1。

從圖1可以看出，釜式換熱器的高壓部分一般會設(shè)置在管程，有利于降低設(shè)計(jì)和制造難度。釜式換熱器都有一個標(biāo)志性的“大肚子”，這是為了擁有較大的液相和氣相空間。與其他換熱器不同，由于氣相空間的存在，一般釜式換熱器會在殼程設(shè)置安全閥，在設(shè)計(jì)時要考慮安全閥的設(shè)置及計(jì)算。另外，由于殼程存在2個不同直徑的筒體，而兩筒體在最下邊母線處平齊，故連接兩不同直徑筒體會有一個偏心錐。

圖1 U型管束釜式換熱器結(jié)構(gòu)示意

U型管束釜式換熱器主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 U型管束釜式換熱器主要技術(shù)參數(shù)

2 設(shè)備材料的選擇

2.1 管程材料

管程設(shè)計(jì)壓力15.9 MPa，設(shè)計(jì)溫度300 ℃，同時考慮環(huán)境低溫-10 ℃。介質(zhì)為H2，N2，CH4，Ar或NH3，化學(xué)腐蝕性雖不強(qiáng)但氫分壓較高，需要考慮氫腐蝕。查納爾遜曲線并考慮一定裕量，選用12Cr2Mo1鍛件作為管程筒體材料。12Cr2Mo1鍛件有很好的高溫力學(xué)性能，同時擁有優(yōu)良的抗氫腐蝕能力。但12Cr2Mo1又有回火脆化和產(chǎn)生延遲裂紋的傾向，必須在設(shè)計(jì)和制造中加以控制，利用其優(yōu)點(diǎn)限制其缺點(diǎn)。對12Cr2Mo1材料提出硫磷含量的限制，并附加300 ℃高溫拉伸試驗(yàn)和-10 ℃低溫沖擊試驗(yàn)的要求，以保證材料強(qiáng)度和韌性的要求。

2.2 換熱管材料

根據(jù)同時滿足設(shè)計(jì)和工藝要求的原則，換熱管同樣選擇12Cr2Mo1材料。由于換熱管管壁較薄，高溫性能有保障，只需增加對換熱管管坯-10℃低溫沖擊試驗(yàn)的要求，以增加韌性儲備。提高換熱管硫、磷含量的要求，可從根本上提高材料耐高溫和低溫的性能。換熱管全部采用Ⅰ級管束。12Cr2Mo1是 GB/T 150.2—2011《壓力容器 第 2部分：材料》附錄A規(guī)定的鋼管材料，制造、檢驗(yàn)均應(yīng)符合GB/T 150.2—2011附錄A的要求，同時也要滿足NB/T 47019.1~8—2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件》的要求。

2.3 殼程材料

殼程設(shè)計(jì)壓力5.1 MPa，設(shè)計(jì)溫度265 ℃，考慮環(huán)境低溫-10 ℃，介質(zhì)為水和水蒸氣，腐蝕性較弱。Q345R低合金鋼是較為常用的殼程主體材料，具有較好的抗延遲裂紋的能力和優(yōu)良的制造及加工性能，制造難度相對較小，故殼程材料選用Q345R低合金鋼。

3 釜式換熱器設(shè)計(jì)需要注意的問題

3.1 管程及殼程壓力試驗(yàn)值的確定

壓力試驗(yàn)的種類包括液壓試驗(yàn)、氣壓試驗(yàn)及氣液混合試驗(yàn)，因液壓試驗(yàn)相較于氣壓、氣液混合試驗(yàn)具有更高的安全性，一般優(yōu)先選用液壓試驗(yàn)。

該釜式換熱器選用液壓試驗(yàn)方式，液壓試驗(yàn)壓力值按公式（1）計(jì)算[2]：

式中：pT——試壓壓力最低值，MPa；

p——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

[σ]——容器元件材料在耐壓試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；

[σ]t——容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

計(jì)算試驗(yàn)壓力值時要注意以下幾點(diǎn)：

1）不同的材料通常會有不同的許用應(yīng)力值，即使同種材料在不同厚度和溫度下許用應(yīng)力值也可能會不同。根據(jù)不同的許用應(yīng)力值計(jì)算會得到多個液壓試驗(yàn)壓力值，應(yīng)選用最小的壓力值作為液壓試驗(yàn)的壓力值。

2）在上述計(jì)算得到的多個壓力值中，根據(jù)緊固件的許用應(yīng)力算出來的壓力值一般情況下會較小，是否以該值作為最終的壓力試驗(yàn)值目前仍存在爭議。GB/T 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》[2]規(guī)定應(yīng)采用由此緊固件計(jì)算得到的壓力值，但國內(nèi)的部分工程公司和專家認(rèn)為，如果選用該壓力值會導(dǎo)致試驗(yàn)壓力值過小，而使壓力試驗(yàn)失去了意義。因此，需要設(shè)計(jì)人員對設(shè)備整體情況進(jìn)行判斷，確定是否選用上述較小的壓力值作為最終的試驗(yàn)壓力值。

3）換熱管與管板角焊縫的壓力試驗(yàn)應(yīng)特別注意。管、殼程兩側(cè)共用受壓焊縫，應(yīng)分別對管、殼兩側(cè)進(jìn)行壓力試驗(yàn)，并檢查焊縫的情況。由于換熱器的殼程布滿了換熱管，所以不能直觀地檢查管程壓力對焊縫的影響。筆者認(rèn)為，若殼程壓力大于管程壓力時，焊縫保持正常狀態(tài)，則可認(rèn)為焊縫經(jīng)過了殼程高壓力的試驗(yàn)，管程低壓力的試壓也不會導(dǎo)致焊縫泄露。然而，若管程的試驗(yàn)壓力高于殼程的試驗(yàn)壓力，則不能通過該方法判斷管程壓力對焊縫的影響，此時應(yīng)在管、殼程分別液壓試驗(yàn)并合格后，再增加一個殼程的泄漏試驗(yàn)來檢查焊縫情況；或?qū)こ痰脑噳簤毫μ岣叩脚c管程一致，但提高壓力試驗(yàn)后要對殼程的所有受壓元件進(jìn)行應(yīng)力校核。因此，一般在管、殼程兩側(cè)壓差較大時，會增加泄漏試驗(yàn)；當(dāng)兩側(cè)壓力差不大時，可以考慮提高殼程的試驗(yàn)壓力。此次設(shè)計(jì)的釜式換熱器由于管、殼程兩側(cè)壓力差很大，所以采用液壓試驗(yàn)后增加泄漏試驗(yàn)的方式。

3.2 換熱管與管板連接形式

換熱管與管板的連接主要有強(qiáng)度焊接、強(qiáng)度脹接、脹焊并用和內(nèi)孔焊4種結(jié)構(gòu)形式。現(xiàn)階段大多數(shù)換熱器從可靠性和制造難度兩方面考慮，選用“強(qiáng)度焊接+貼脹”的脹焊并用的形式。強(qiáng)度焊接保證了換熱管與管板的連接強(qiáng)度，貼脹又消除了換熱管與管孔之間的間隙，在有效防止管板孔的縫隙腐蝕的同時減弱管束的震動。此次設(shè)計(jì)的釜式換熱器的換熱管材料為12Cr2Mo1低合金鋼管，該材料強(qiáng)度很高但韌性稍差，曾出現(xiàn)過脹裂的案例，為了安全起見，選用單獨(dú)強(qiáng)度焊接的結(jié)構(gòu)。

3.3 殼程過渡錐體設(shè)計(jì)

錐體的形式按照有、無折邊可分為有折邊錐體和無折邊錐體，按照是否偏心可分為偏心錐體和正錐。由于工藝及結(jié)構(gòu)的限制，釜式換熱器只能選用一邊偏心角為0°的偏心錐，至于是否帶折邊卻有不同的考量。從受力情況來看，有折邊錐體優(yōu)于無折邊錐體，但有折邊偏心錐體的制造難度高于無折邊偏心錐體，尤其對于直徑和厚壁較大的偏心錐，有折邊錐體的制造難度很大，且在折邊處有不可忽視的成型減薄量。無折邊偏心錐體的制造相對簡單，且成型減薄量很小，所以需要根據(jù)不同設(shè)備的情況選擇合適的錐體形式。該釜式換熱器大殼體的直徑為3 m，壁厚為75 mm，選用無折邊偏心錐。

3.4 管殼程連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

釜式換熱器管板與殼程的結(jié)構(gòu)連接可用法蘭連接，也可采用焊接連接。如果采用法蘭連接，在設(shè)備使用過程中可以通過法蘭抽出管束進(jìn)行清洗維護(hù)，但法蘭連接存在如下缺點(diǎn)：①法蘭連接屬于鉸支結(jié)構(gòu)，受力狀態(tài)不如固支；②在殼程壓力高、直徑大、溫度高的情況下，在使用過程中設(shè)備法蘭往往會出現(xiàn)泄漏的問題。焊接連接雖然不能抽出管束清洗，但屬于固支連接，受力狀態(tài)更好，不會出現(xiàn)使用過程中泄漏的情況。如果設(shè)備的殼程介質(zhì)較為清潔，可以考慮用焊接代替法蘭進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接。綜合考慮，所設(shè)計(jì)的釜式換熱器殼程筒體和管板采用焊接的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接。

3.5 穩(wěn)定管束的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雖然釜式換熱器的殼程筒體與管板采用焊接結(jié)構(gòu)連接，不需要滑動抽管束，但需要設(shè)計(jì)類似滑道的穩(wěn)定軌道防止管束的過度震動，以延長管束的使用壽命。該釜式換熱器設(shè)計(jì)采用反向角鋼制作支撐軌道作為管束的輔助支撐結(jié)構(gòu)，同時離U型彎管段最近的一塊支撐板應(yīng)盡量靠近彎管段，并加厚該塊支撐板，以減小U型彎管段對整個管束穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié)語

釜式換熱器是一種石化裝置中常見的重要熱交換設(shè)備，通過合理的材料選擇，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)，使設(shè)備在保證安全性的同時兼顧經(jīng)濟(jì)性，減小制造的難度，提高設(shè)備的質(zhì)量。