淺談發(fā)夾式換熱器設(shè)計(jì)

付啟輝* 徐曦榮 劉鴻彥 吳丕杰

（南京寶色股份公司）

0 引 言

發(fā)夾式換熱器是指單管程、單殼程,換熱管和殼體都是U 形的換熱器。國(guó)外發(fā)夾式換熱器設(shè)計(jì)依據(jù)為API 663《Hairpin-Type Heat Exchangers》,而國(guó)內(nèi)則沒有具體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，目前僅能參考SH/T 3119—2016《石油化工鋼制套管換熱器技術(shù)規(guī)范》及GB/T 151—2014《熱交換器》進(jìn)行設(shè)計(jì)。筆者從參與設(shè)計(jì)的發(fā)夾式換熱器的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對(duì)設(shè)備的特點(diǎn)，密封結(jié)構(gòu)形式以及計(jì)算方法等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。

發(fā)夾式換熱器的介質(zhì)在換熱器內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，采用的是純逆流形態(tài)。與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，發(fā)夾式換熱器具有較好的換熱性能和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，圖1 所示為發(fā)夾式換熱器的主要部件。發(fā)夾式換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)。

圖1 發(fā)夾式換熱器典型部件示意圖

（1）采用U 型換熱管，管束可以自由伸縮，U型管的大彎曲半徑能夠承載更大的熱膨脹量，避免了熱力的振動(dòng)，所以該設(shè)備也可以長(zhǎng)期在溫差較大條件下正常使用，無需采用膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)形式處理溫差應(yīng)力，降低了成本。

（2）設(shè)備直徑小，可承受較高的壓力，同時(shí)小流量流體傳熱的工況條件下，能夠得到更高的流速，提高換熱效率，不易結(jié)垢，設(shè)備的使用周期較長(zhǎng)。

1 結(jié)構(gòu)

1.1 密封結(jié)構(gòu)

目前筆者所接觸的兩種管、殼程處密封結(jié)構(gòu)型式主要根據(jù)管、殼程的介質(zhì)特性，操作溫度，操作壓力等不同工況特點(diǎn)進(jìn)行密封方案的選擇。

（1）當(dāng)使用于無毒、不揮發(fā)、不易燃、不易爆及低壓的設(shè)計(jì)工況時(shí)，可參照GB/T 151—2014《熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)中6.11 條和SH/T—2016《石油化工鋼制套管換熱器技術(shù)規(guī)范》中填料函式的密封結(jié)構(gòu)型式，如圖2 所示。但目前由于大多流體介質(zhì)對(duì)很多填料都具有一定的滲透作用，而且在設(shè)備運(yùn)作過程中，由密封填料的黏彈性分析可知，在恒定應(yīng)變作用下密封填料會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力松弛，嚴(yán)重的應(yīng)力松弛會(huì)導(dǎo)致填料密封失效。故目前大多工程設(shè)備設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不會(huì)采用填料函式密封結(jié)構(gòu)形式。

圖2 填料函式密封結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

（2）當(dāng)使用于有毒、易爆、中高壓及高溫的設(shè)計(jì)工況時(shí)，筆者目前設(shè)計(jì)的管、殼程間的密封結(jié)構(gòu)是參照Brown Fintube Company.LP 公司發(fā)夾式換熱器專利商產(chǎn)品樣本中的結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計(jì)了采用一種金屬環(huán)（O型密封圈）與管板及法蘭端部線性密封結(jié)構(gòu)的型式,并成功使用在多個(gè)項(xiàng)目的發(fā)夾式換器結(jié)構(gòu)中，目前設(shè)備運(yùn)行狀況良好，詳見圖3。

圖3 金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

該結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要利用設(shè)備法蘭與管板裝配時(shí)的螺栓載荷，將帶有45°斜切面法蘭施加壓緊力于O 型密封金屬環(huán)一側(cè)，使得密封圈本身產(chǎn)生徑向收縮從而達(dá)到密封狀態(tài)，如圖4 所示。

圖4 O型密封圈與管板、45°斜切面法蘭密封詳圖

為了使O 型金屬環(huán)與管板及設(shè)備法蘭獲得較好的密封性能，O 型密封圈材質(zhì)選用與相連密封結(jié)構(gòu)件相同或相較于密封結(jié)構(gòu)件的硬度值低30 HB 左右。同時(shí)，O 型密封圈密封表面與相連密封結(jié)構(gòu)件的表面粗糙度要嚴(yán)格控制，粗糙度≤1.6 μm。對(duì)于O 型密封圈與相連密封結(jié)構(gòu)件的組裝公差同樣對(duì)設(shè)備的密封性能至關(guān)重要，筆者目前成功設(shè)計(jì)密封的設(shè)備采用的配合公差參照規(guī)范GB/T 1800.1—2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS） 極限與配合 第1 部分：公差、偏差和配合的基礎(chǔ)》中表1 IT11 的標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)進(jìn)行選取。

綜合分析兩種結(jié)構(gòu)密封形式,根據(jù)設(shè)備使用場(chǎng)合采用不同的密封形式。目前根據(jù)新設(shè)計(jì)的發(fā)夾式換熱器及運(yùn)行狀況，采用金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)形式更合適。

1.2 后端法蘭結(jié)構(gòu)

發(fā)夾式換熱器的U 型管束后端目前大部分采用法蘭與殼體筒體（封頭）連接的結(jié)構(gòu)形式，詳見圖5 及圖6。該結(jié)構(gòu)形式便于換熱器在停車時(shí)檢修、拆裝，同時(shí)也便于殼程管束外清洗。目前筆者所接觸的兩種結(jié)構(gòu)形式該兩種結(jié)構(gòu)形式為國(guó)內(nèi)規(guī)范SH/T 3119—2016 中所提倡的典型結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是標(biāo)準(zhǔn)API STANDARD 663 《Hairpin-Type Heat Exchangers》中提倡的結(jié)構(gòu)形式。發(fā)夾式換熱器殼程返回端（后端）采用了殼程筒體與封頭（彎管）直接焊接的結(jié)構(gòu)形式時(shí)不易拆裝清洗，且最終的合攏焊縫也不便于進(jìn)行無損檢測(cè)，本文對(duì)焊接結(jié)構(gòu)不作進(jìn)一步的研究。而當(dāng)介質(zhì)為易燃、易爆或有毒時(shí)，殼程返回端（后端）法蘭宜采用凹凸面法蘭結(jié)構(gòu)形式；如果采用凸面法蘭，墊片應(yīng)帶有加強(qiáng)環(huán)形式。

圖5 橢圓形封頭（殼程筒體）與法蘭相連示意圖

圖6 平底形封頭與法蘭相連示意圖

2 強(qiáng)度計(jì)算

2.1 常規(guī)計(jì)算

常規(guī)圓形截面的殼體、錐殼、橢圓形（球形）封頭、接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)按照GB/T 150.3—2011《壓力容器第3 部分：設(shè)計(jì)》中的內(nèi)容進(jìn)行常規(guī)計(jì)算。

2.2 管板計(jì)算

設(shè)備管板是由兩塊獨(dú)立的小管板組成，每根U型換熱管的直管末端分別固定于這兩塊對(duì)立的小管板。對(duì)于管板的計(jì)算，國(guó)外TEMA 標(biāo)準(zhǔn)或者國(guó)內(nèi)GB/T 151—2014《熱交換器》都不能確切的劃分出管板所屬的計(jì)算模型。從管板的受力情況進(jìn)行分析，可近似采用U 型管換熱器的計(jì)算方法來確定每一塊小管板的厚度。同時(shí)由于發(fā)卡式換熱器結(jié)構(gòu)具有特殊性，管板厚度需額外考慮填料、金屬環(huán)、墊環(huán)及卡箍法蘭等因素。

2.3 后端法蘭計(jì)算

針對(duì)本文中殼程返回端法蘭裝配組合結(jié)構(gòu)可分為類似平蓋中開孔結(jié)構(gòu)形式（如圖7 所示）與標(biāo)準(zhǔn)圓形法蘭的裝配形式（如圖8 所示）和長(zhǎng)圓形法蘭裝配形式（如圖9 及圖10 所示）。圖7 中類似平蓋中開孔可根據(jù)GB/T 150.3—2011 標(biāo)準(zhǔn)中第6.4.3 平蓋上開多個(gè)孔的計(jì)算方法來計(jì)算平蓋厚度，該結(jié)構(gòu)形式的平蓋補(bǔ)強(qiáng)方法適用于平蓋危險(xiǎn)徑向截面上各開孔寬度總和不超過1/2 設(shè)備圓筒內(nèi)直徑且任意相鄰兩孔中心距大于兩孔平均直徑的1.5倍且小于2倍的情形，若不滿足上述適用條件，圖7結(jié)構(gòu)形式還需進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算。圖8中標(biāo)準(zhǔn)圓形法蘭的計(jì)算可根據(jù)GB/T 150.3—2011標(biāo)準(zhǔn)中第7章節(jié)常規(guī)法蘭的計(jì)算方法進(jìn)行法蘭強(qiáng)度及剛度的核算。

圖7 類似平蓋開孔結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

圖8 標(biāo)準(zhǔn)圓形法蘭示意圖（單位：mm）

圖9 長(zhǎng)圓形法蘭1示意圖（單位：mm）

圖10 長(zhǎng)圓形法蘭2示意圖（單位：mm）

圖9 和圖10 中長(zhǎng)圓形法蘭的計(jì)算方法在HG/T 20582—2020 標(biāo)準(zhǔn)中非圓形法蘭的設(shè)計(jì)和計(jì)算章節(jié)有涉及，同時(shí)需適用于長(zhǎng)圓形的法蘭頸部和墊片的周邊形狀與法蘭本身一樣同為長(zhǎng)圓形且長(zhǎng)圓形法蘭的長(zhǎng)短邊之比不大于5，與長(zhǎng)圓形法蘭連接的殼體或管子應(yīng)按GB/T 150.3—2011 標(biāo)準(zhǔn)附錄A 非圓形截面容器中的要求和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。長(zhǎng)圓形法蘭各邊的橫截面形狀應(yīng)該一致，螺栓在其中心軌跡上應(yīng)均布。只有滿足上述適用條件，才可按規(guī)范中計(jì)算公式進(jìn)行法蘭強(qiáng)度計(jì)算。而規(guī)范中應(yīng)力計(jì)算過程只是關(guān)于強(qiáng)度校核，并沒有提及到法蘭泄漏時(shí)，需要額外進(jìn)行剛度校核。

目前筆者采用兩種方案來對(duì)法蘭的剛度進(jìn)行校核。（1）從理論上解決法蘭泄漏的問題涉及的因素很多，目前國(guó)標(biāo)常規(guī)計(jì)算無法解決。工程上為了簡(jiǎn)化問題，常采用類比設(shè)計(jì)方法，以保證長(zhǎng)圓形法蘭與設(shè)計(jì)參數(shù)相似的標(biāo)準(zhǔn)圓形法蘭相當(dāng)?shù)膭偠仍Ａ浚瑏肀ＷC密封性能。（2）為了確保設(shè)備長(zhǎng)圓形法蘭的密封性能及安全性，可對(duì)長(zhǎng)圓形法蘭采用線彈性有限元法對(duì)在設(shè)計(jì)壓力與墊片密封力作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力與變形分析，按照墊片受力作用點(diǎn)所圍面積相當(dāng)原則，參照ASME B16.5 或ASME B16.47 標(biāo)準(zhǔn)中的圓法蘭連接尺寸，按照ASME Ⅷ-1 附錄2 設(shè)計(jì)要求進(jìn)行校核，以強(qiáng)度剛度裕量最低的圓法蘭作為基準(zhǔn)法蘭，對(duì)比長(zhǎng)圓法蘭與基準(zhǔn)法蘭密封面沿危險(xiǎn)路徑（泄漏路徑）的相對(duì)軸向位移量。若長(zhǎng)圓法蘭密封面相對(duì)位移量小于等于基準(zhǔn)法蘭相對(duì)位移量，則可認(rèn)為長(zhǎng)圓法蘭剛度符合要求。圖11 和圖12 為筆者設(shè)計(jì)的長(zhǎng)圓形法蘭分析的位移云圖。

圖11 長(zhǎng)圓形法蘭位移云圖1（單位：mm）

圖12 長(zhǎng)圓形法蘭位移云圖2（單位：mm）

所以綜上分析，盡量不采用分批次的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行核算以及工程經(jīng)驗(yàn)的類比分析。對(duì)于長(zhǎng)圓形法蘭的強(qiáng)度及剛度的計(jì)算，筆者認(rèn)為可通過對(duì)殼程返回端法蘭一并建模，進(jìn)行有限元分析來獲得合理的結(jié)果，使得文件更加完善，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

2.4 非標(biāo)部件計(jì)算

平底形封頭結(jié)構(gòu)形式特殊，如圖13 所示。目前對(duì)于該類型封頭無法依據(jù)GB/T 150—2011 進(jìn)行常規(guī)的部件計(jì)算，屬于非標(biāo)結(jié)構(gòu)計(jì)算形式,需使用有限元分析法進(jìn)行計(jì)算，可同長(zhǎng)圓形法蘭一并進(jìn)行建模。圖14 和圖15 為筆者設(shè)計(jì)的平底形封頭結(jié)構(gòu)及分析計(jì)算應(yīng)力圖。

圖13 平底形封頭示意圖（單位：mm）

圖14 平底形封頭應(yīng)力云圖1（單位：mm）

圖15 平底形封頭應(yīng)力云圖2（單位：mm）

2.5 支撐計(jì)算

設(shè)備支撐計(jì)算可運(yùn)用SW6 工具模擬鞍座模型，根據(jù)NB/T 47042—2014 進(jìn)行支撐 驗(yàn)算。

3 結(jié)語

本文對(duì)筆者多年從事壓力容器設(shè)計(jì)工作參與設(shè)計(jì)的發(fā)夾式換熱器的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。文章對(duì)發(fā)夾式換熱器的特點(diǎn)，密封結(jié)構(gòu)形式及強(qiáng)度計(jì)算等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，羅列了一些設(shè)計(jì)方面可運(yùn)用的知識(shí)，供同行進(jìn)行討論。希望本文能夠?yàn)榘l(fā)夾式換熱器的設(shè)計(jì)提供參考。