固定管板熱交換器膨脹節的設置要點

闕原(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

1 固定管板熱交換器何時設置膨脹節

熱交換器是常見的煉油化工設備，主要作用是實現物料間的熱量傳遞。固定管板熱交換器由管程和殼程組成，管程中的介質和殼程中的介質溫度不同，通過管束進行熱量傳遞，從而達到熱交換的目的[1]。

在安裝工況下，管束和殼程殼體的兩端都固定在管板上，三者相互約束。管束和殼程殼體在操作工況下的溫度變化趨勢不同，造成管束和殼程殼體的熱膨脹量不同，而管板的剛度要遠遠高于管束和殼程殼體，因此操作工況產生的膨脹差會引起較大的軸向力[2]，可能引起換熱管失穩、換熱管從管板上拉脫、殼程殼體破壞等嚴重后果。此時可以在殼程殼體上設置膨脹節，吸收膨脹差，從而避免管束與殼程殼體軸向力過大的問題。

在固定管板熱交換器中，膨脹節的設置需要依據換熱管、管板、殼程殼體在操作工況下的應力狀態來確定。通過管束、管板、殼程殼體的溫差和操作壓力作用，計算出換熱管中引起的軸向應力、換熱管與管板之間連接拉脫力、在殼體中引起的軸向應力，并判斷是否超過許用值。

當上述三個應力超過許用值時，在滿足工藝條件和經濟合理的條件下，可以考慮增加管板厚度，改變換熱管與管板的連接方式，調整換熱管的管間距，從而降低這三個應力滿足許用值。如果以上調整后，還不能滿足校核條件，則需要考慮設置膨脹節，通過膨脹節吸收換熱管、殼程殼體、管板的軸向膨脹差，從而改善三個元件在操作工況下的應力狀態。

2 耳座支承立式固定管板熱交換器膨脹節的布置

耳座支承立式熱交換器中膨脹節的布置方法有兩種：一是布置于耳座下方；二是布置于耳座上方。

有觀點認為布置于耳座下方更有利[3]：置在耳座下面且耳座位置偏低，這樣，既減少了熱交換器自重產生的附加在膨脹節上的軸向力，又可提高熱交換器自身的穩定性。也有觀點認為布置在耳座上方更有利[4]：對殼體的受力更加有利。下面就此問題進行如下分析。

首先對于不設膨脹節的固定管板立式熱交換器分析，其重量通過上下兩路傳遞至耳座。假設耳座位置位于熱交換器殼程筒體的中間位置。管板、換熱管和折流板等管束部件的一半重量及耳座上方熱交換器其他部件的重量，作用在殼程筒體的軸向力設為F1，而管束部件的另一半重量及耳座下方的熱交換器的其他部件的重量，作用在殼程軸向作用力設為F2。

由此可知，F1為熱交換器上路重量，使殼體承受軸向壓縮應力，將作用力傳遞到耳座上：F2為熱交換器下路質量，使殼體承受軸向拉伸應力，將作用力傳遞至耳座上。F1、F2各承擔熱交換器總重量的一半，F1=F2，幾個耳座共同分擔熱交換器的總質量。

若布置膨脹節(無論位于耳座上方或下方)，由于管束通過上、下管板與筒體連接為一個整體，熱交換器總質量依然分兩路傳至耳座，設上路殼程筒體的軸向力為F1′，下路殼程筒體的軸向力為F2′。

當膨脹節置于耳座上方時，熱交換器總重的大部分重量由下路殼程筒體軸向拉力F2′承擔，而上路殼程筒體由于布置了膨脹節，只會承擔極小部分的軸向壓力，F1′將很小，F1′＜F2′。當膨脹節設置于耳座下方時，熱交換器總重的大部分將有上路殼程筒體的軸向壓力F1′承擔，而下路殼程筒體由于布置了膨脹節，只會承擔極小部分的軸向拉力，F2′將很小，F1′＞F2′。由于筒體軸向承受拉伸的承載能力遠大于軸向受壓縮時的穩定承載能力，為此將膨脹節布置于耳座上方，使筒體的受力更為有利。

3 膨脹節內襯套的設置

GB/T 16749—2018《壓力容器波形膨脹節》標準規定，凡符合下列條件之一的膨脹節應設置內襯套[5]：(1)要求流量損失小，介質流動平臺平穩的場合；(2)膨脹節內介質流速超過GB/T 16749—2018標準中的表12，表13規定的數值。

如圖1所示，內襯套是搭接在殼體內壁上，但這樣襯套內徑將小于筒體內徑，在有內部部件的設備中，會對組裝造成一定的困難。如在熱交換器中，由于折流板、支持板等要緊貼設備內壁滑動，內襯套將會對管束的組裝造成困難。此時可以采用襯套與膨脹節對接的形式[6]，如圖2所示，使內襯套的內徑與膨脹節的直邊段的內徑一致。但此種結構應注意襯套的長度，避免內襯套長度過長阻礙膨脹節的壓縮。同時，襯套應在介質流動方向的上端與膨脹節相焊。

圖1 內襯套與膨脹節搭接結構

圖2 內襯套與膨脹節對接結構

膨脹節與內襯套相碰的最極端條件假想為，在固定管板熱交換器的一種極端工況，此時膨脹節的剛度極小，管束、管板、殼程筒體剛度很大，設計壓力為常壓(因為在內壓情況下，殼程會在內壓作用下整體發生膨脹，膨脹節受殼程筒體軸向壓縮力小于常壓工況下)，膨脹節受殼程溫度影響，產生熱膨脹，產生形變量可以近似轉化為殼程筒體自身膨脹長度為ΔL2。內襯套受殼程溫度影響，也產生熱膨脹，自身膨脹長度為ΔL1。膨脹節與內襯套的最小間隙由殼程筒體膨脹長度與內襯套膨脹長度疊加可得。

式 (1)～(5)中：ΔL為膨脹節與內襯套最小間隙； ΔL1為膨脹節內襯套膨脹長度； ΔL2為殼程筒體壓縮膨脹節長度； ΔLS為殼程筒體膨脹長度；ΔLt為換熱管膨脹長度；L為波紋管長度；L1為內襯套長度；ΔL為殼程操作溫度；ΔTS為延長度平均的殼程圓筒金屬壁溫；ΔLt為延長度平均的換熱管金屬壁溫；α1為在金屬溫度t0～ΔT范圍內，內襯套材料線性膨脹系數；αS為在金屬溫度t0～ΔTS范圍內，殼程圓筒材料線性膨脹系數；αt為在金屬溫度t0～ΔTt范圍內，換熱管材料線性膨脹系數；t0為制造環境溫度。

4 膨脹節的耐壓試驗

耐壓試驗的目的是最終檢驗容器的整體強度和可靠性，以提高設計壓力的試驗介質綜合考察容器的制造質量、各受壓元件的強度和剛性、焊接接頭和個連接面的密封性能等。

GB 150—2011《壓力容器》中規定[7]：

液壓試驗主要受壓元件，如：圓筒、封頭、接管、法蘭及其緊固件等所有材料不同時，應采取各元件材料的比值中最小者。

GB 16749—2018《力容器波形膨脹節》[5]中規定，壓力試驗的試驗壓力、試驗要求及試驗方法應符合GB 150—2011的有關規定。

GB 12777—2019《金屬波紋管膨脹節通用技術條件》[8]中規定，內壓膨脹節的水壓試驗公式為：

式(8)和式(9)中：P為設計壓力；PSC為波紋管兩端固支時柱失穩的極限設計內壓；[σ]b為室溫下的波紋管材料需用應力；為設計溫度下波紋管材料的許用應力；Eb為波紋管材料在室溫下的彈性模量為波紋管材料在設計溫度下的彈性模量。

按照GB/T 12777—2019的規定，膨脹節的水壓試驗的壓力提高到，相對于壓力容器的其他受壓元件，提高了試驗要求，此時在一種程度上避免由于膨脹節導致整臺設備液壓試驗壓力值過小的問題。

膨脹節的水壓試驗按照GB/T 12777—2019進行，經溫度修正后的水壓試驗壓力(指波紋管部分)不得低于1.5倍設計壓力。當熱交換器筒體的水壓試驗壓力大于波紋管的水壓試驗壓力時，波紋管的水壓試驗壓力取熱交換器筒體的水壓試驗壓力，此時膨脹節的水壓試驗壓力偏大，膨脹節計算壓力按照筒體水壓試驗壓力/1.5×溫度修正系數取值更合理，即：

按照《換熱器膨脹節詢價書》的規定，膨脹節的水壓試驗壓力將不小于筒體水壓試驗壓力值，膨脹節將不會是制約壓力容器試驗的因素。此規定可以使壓力容器設計和膨脹節設計分開，工程公司只需按壓力容器其他元件的水壓試驗壓力進行設計，不需考慮膨脹節帶來的制約因素，膨脹節的設計交由專業膨脹節廠家設計。

5 結語

固定管板熱交換器在由管殼程膨脹差作用下，出現的殼程軸向應力、換熱管軸向應力、換熱管與管板之間的拉脫力，不合格時，可以考慮設置膨脹節。耳座支承立式固定管板熱交換器宜將膨脹節布置在耳座上方。設計帶內襯套的膨脹節時，從設計合理角度，結合工程經驗，提高膨脹節水壓試驗的壓力，避免膨脹節成為水壓試驗時的短板，導致的整臺設備液壓試驗值過小的問題。