淺談固定管板式換熱器旁路擋板的設置

張黨飛* 張永芳

（西安航天華威化工生物工程有限公司）

0 前言

2019 年，西安航天華威生物工程有限公司為某化工廠（使用單位）設計、加工、制造了一臺反應器進料預熱器設備，并如期交付使用。使用單位反饋，在設備運行過程中，該換熱器換熱效果未能達到預期的工藝設計效果。雖然不影響整個工藝系統的正常運行，但對于該情況，使用單位還是委托該公司配合排查分析原因，以避免后續二期工程出現同樣現象。

反應器進料預熱器的主要設計參數如表1 所示。

表1 反應器進料預熱器的主要設計參數

殼程主要參數如下：筒體外形尺寸為DN 600 mm×8 mm，長度為1 171 mm, 膨脹節型號為 ZDL(Ⅲ)U700-2.5-1×10×1。

管程的主要參數如下：管板外形尺寸為 860 mm×62 mm，換熱管規格為 45 mm ×3 mm ×1 500 mm，換熱管中心距為57 mm，管板孔直徑為45.50 mm。

1 技術原因分析

通過對設備技術條件進行分析后可知，設備結構清晰，也并不復雜，設計壓力不高，但設計溫度相對比較高，該設備為普通固定管板式換熱器結構，如圖1 所示。該公司常年從事壓力容器設計制造加工工作，有豐富的加工、制造經驗，并在國內外均有良好的口碑。因此該公司十分重視本次事件，并著手從設計、工藝、加工制造及最終檢驗出廠等環節進行全面排查。

圖1 設備總裝簡圖

設計時所引用的設計標準均符合現行相關國家標準，強度計算軟件取得國家認可；工序安排合理，無損檢測要求滿足設計要求且符合現行相關國家標準；同時也可以排除加工中的較大錯誤，零部件的加工制造、最終的耐壓試驗均滿足設計圖紙、工藝要求；設備的檢驗出廠在滿足國家現行相關標準外也滿足行業相關規定。

此外，在進一步的詳細排查過程中發現，在進行結構設計時，設計人員增設的旁路擋板與原工藝條件圖不一致，其余結構設計均與原工藝條件圖要求一致。根據GB/T 151—2014《熱交換器》標準中6.3.8 條“防短路結構”中規定：（1）當短路寬度超過16mm時，應設置防短路結構；（2）兩折流板缺口間距小于6個管心距時，管束外圍設置一對旁路擋板；（3）超過6個管心距時，每增加5～7個管心距增設一對旁路擋板（如圖2所示）；（4）旁路擋板應與折流板焊接牢固；（5）旁路擋板的厚度可取與折流板相同的厚度。

圖2 標準中旁路擋板布置圖

設計人員在設計時增設了旁路擋板（如圖3 所示），以防止設備在正常運行過程中出現短路現象。

圖3 設備增設旁路擋板圖（單位：mm）

2 其他原因分析

為了徹底排除外部因素的影響，與使用單位溝通后，使用單位對設備使用流程、工況及工藝參數進行了詳細核查，設備情況完全符合前期工藝計算的相關參數，同時也排除了操作人員違規操作或者誤操作的情況。

與設計院工藝技術人員進行溝通了解后可知，工藝技術人員在進行相關工藝計算，提出設備工藝條件圖時，已經結合現場設備使用情況，對旁路擋板的設置情況進行了考慮。根據計算分析結果可知不需要額外增設旁路擋板，因此在提供最終設備條件圖時，沒有加設旁路擋板。

3 需考慮的因素

換熱器設計時，旁路擋板的設置情況、需要的數量以及安裝位置等設計一般應該考慮以下幾點因素：

（1）臥式、左右缺邊折流板換熱器，殼程物料從旁路短路的可能性較大，應根據需要來考慮是否安裝旁路擋板；

（2）只有當殼程物料的給熱系數起控制作用時，安裝旁路擋板才能顯著提高總傳熱系數；

（3）旁路面積與殼程流通面積之比越大，旁路泄漏量就越大，安裝旁路擋板的效果也越顯著。在較小直徑（DN ≤400 mm）管道中安裝旁路擋板比在較大的殼體直徑中更加有效；

（4）旁路擋板超過一定數量后，對提高傳熱系數的作用下降顯著，而對壓力降的影響增加。

旁路擋板每側設置數量選取規則如下：（1）公稱直徑不大于500 mm 時，設置1 塊；（2）公稱直徑不小于1 000 mm 時，至少設置3 塊，最多設置4 塊；（3）公稱直徑在二者之間時設置2 塊。

應綜合考慮以上因素，并進行計算和比較，再確定旁路擋板的安裝情況。

為了防止管束外邊緣旁路發生縱向短路，旁路擋板可采用鋼板或者扁鋼制成，嵌入折流板的槽內，并點焊在每一塊折流板上，相鄰旁路擋板間距一般為100～200 mm。

4 對比論證

2020 年，該化工廠二期如期開建，在這臺反應器進料預熱器的再次設計中，設計人員吸取了之前的經驗，完全按照設計院提供的工藝條件圖進行設計計算，沒有再增設旁路擋板，如圖4 所示。

圖4 折流板未設旁路擋板圖（單位：mm）

截止到目前為止，從設備交付現場，安裝完成，直至整個系統調試完成及正常運行幾個月后，該設備換熱效果達到了預期的工藝設計效果，整個系統運行良好。

5 結論

在換熱器的設計過程中，設備設計人員時常會遇到是否需要增設旁路擋板的問題。通過對現場實例進行分析后可知，旁路擋板的設置情況、數量以及安裝位置等，應根據使用條件及工藝計算來確定。同時，設備設計人員在進行設備設計時，應事先與工藝計算人員進行溝通，以免造成誤解，影響設備正常運行。