高壓換熱器的設計

                                   陳可華　舒強

                        (貴州石油化工機械廠,貴州貴陽, 550002)

    摘　要：換熱器的設計在滿足工藝條件的情況下必須符合GBl50-1998《鋼制壓力容器》、GBl51-1999《管殼式換熱器》及《壓力容器安全技術監察規程》的規定,本文著重介紹了高壓換熱器的設計。

    關鍵詞：高壓　換熱器　設計

    中圖分類號：T2016. 54　　　文獻標識碼：B　　文章編號：1008-9411(2007)03-0042-03

    1　引言

    在石油煉制、石油化工生產中,換熟器是保證生產加工過程正常運轉不可缺少的設備。據統計,在石油化工行業中,換熱器的噸位約占整個工藝設備的20%,有的高達30%,在煉油廠中甚至占設備總重量的40%。換熱器在化工、石油及其他許多工業部門中得以廣泛應用,使熱量從溫度較高的流體傳給另一溫度較低的流體,從而實現熱量傳遞,達到工藝目的。其類型與結構也很多,常用的換熱器形式有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器,需根據具體情況對其進行選型設計,本文著重介紹了在下列工藝條件下換熱器的選型、設計、試驗要求等。此換熱器是為新疆英買力氣田群地面建設工程設計的一臺凝析油處理裝置,設計工藝條件如下:

              

    2　設備選型

    由于給定的工藝條件管程設計壓力很大,管殼程溫差也很大,若采用固定管板換熱器,為降低換熱器各元件(管板、管子、殼體)在很大管殼程溫差載荷作用下的應力,必須設置膨脹節,但膨脹節的設置,又使管子和管板在很高管程壓力作用下,引起極大的應力,使他們無法滿足條件,因此不宜采用固定管板換熱器;而浮頭式換熱器由于管程壓力很高,導致固定管板及浮動管板、鉤圈、浮動法蘭厚度均很厚,整個設備很笨重;從經濟角度上和滿足工藝條件方面考慮,U形管式換熱器和浮頭式換熱器比較少了浮動管板、鉤圈、浮動法蘭這幾個部件,從而簡化了設備,節約了資金,因此選用U形管式換熱器。

    3　設備設計

    3. 1　材料選擇

    根據設計條件,此換熱器板材選用16MnR材料,鍛件材質與板材相同,選用16Mn鍛件,換熱管由于壓力較高,選用20G高壓管(GB5310)。

    3. 2　管箱封頭的選擇

    由于管程設計壓力較大,封頭名義厚度較厚,制造封頭時厚度減薄率在12%以上,為保證成形后封頭的最小厚度,所用的鋼板厚度必定要比封頭名義厚度厚,根據設計條件,管箱筒體計算厚度為：

               

    管箱簡體名義厚度為24mm,即計算厚度加上厚度附加量后圓整的數值;如用標準橢圓形封頭,封頭計算厚度為：

               

    管箱封頭最小厚度為22. 75mm,即計算厚度加上厚度附加量后的數值;如用半球形封頭,封頭計算厚度為：

               
    管箱封頭最小厚度為12. 98mm,即計算厚度加上厚度附加量后的數值;為了與管箱筒體焊接,取封頭名義厚度為24mm,由于制造時存在厚度減薄率,標準橢圓形封頭就不能滿足強度要求,若滿足強度要求,成形封頭厚度又太厚,造成浪費,故選用半球形封頭,但要注意半球形封頭直邊段厚度應滿足管箱筒體名義厚度。

    3. 3　管箱接管補強形式選擇

    由于管程設計壓力較大,補強圈補強只適用于中、低壓壓力容器的開孔補強,而嵌入式補強因為結構制造繁瑣,成本較高,只在重要設備中使用,如該容器及材料屈服強度在500MPa以上的容器等,因此選用整體補強;若增加殼體厚度,通過計算可知所需厚度為46mm,造成材料浪費很大,因此選用厚壁接管補強,此種補強形式所有用來加強的材料都直接處在應力最大的區域,因而能更有效的降低應力集中程度,由于此種結構使接管外伸高度太大,因此我們選用整體厚壁接管法蘭補強。

    3. 4　管板密封面形式的選擇

    管板的密封面形式有全平面密封、突面密封、凸凹面密封、榫槽面密封,環連接面密封,根據JB/T4700~4707-2000《壓力容器法蘭》規定,此標準只適用于公稱壓力小于等于6. 4MPa的法蘭,而化工部標準HG20592~20635-97《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》,使用法蘭公稱壓力最高可達42. 0MPa,此標準規定,當公稱壓力大于等于10. 0MPa時,可使用的密封面形式為突面和環連接面兩種,且非金屬平墊片所適用的公稱壓力為0. 25 MPa~4. 0 MPa,聚四氟乙烯包墊片所適用的公稱壓力為0. 6 MPa~4. 0MPa,柔性石墨復合墊片所適用的公稱壓力為1.0MPa~6. 3MPa,金屬包覆墊片所適用的公稱壓力為2. 5MPa~10. 0 MPa,纏繞式墊片所適用的公稱壓力為1. 6MPa~16. 0MPa,齒形組合墊所適用的公稱壓力為1. 6MPa~25. 0MPa,金屬環墊所適用的公稱壓力為6. 3MPa~25. 0MPa,此換熱器管程設計壓力為12. 0MPa,可用纏繞式墊片、齒形組合墊及金屬環墊,由于換熱器屬于經常拆卸的壓力容器,而纏繞式墊片和齒形組合墊屬于一次性物品,相比之下,金屬環墊既耐磨,又易于加工,因此,此換熱器選擇使用金屬環墊,而與之配用的密封面形式為環連接面密封。由于金屬環墊不帶隔板密封墊,根據經驗選用柔軟有彈性的鋁管作為此分程隔板的密封墊片。

    3. 5　排管形式的選擇

    管子的布置,有三角形排列和正方形排列兩種,三角形排列用于殼側流體清潔,不易結垢,或者殼側污垢可以用化學處理除掉的場合;而正方形排列可以用機械的方法清掃管外,可用于易結垢的流體,因此選用正方形排列。U形管彎管段的彎曲半徑不小于兩倍的換熱管外徑,此換熱器所用換熱管外徑為25,即U形管彎管段的彎曲半徑不小于50,分程隔板槽兩側相鄰管中心距根據GB151為44,換熱管中心距為32,根據工藝條件的要求和結構的限制,因此,第一組彎管只能傾斜排列,第二組彎管若垂直排列,相鄰管中心距為89,也不能滿足U形管彎管段的最小彎曲半徑,因此,第二組彎管也只能傾斜排列,注意排列時管與管之間不能碰撞,且必須在布管限定圓內,見圖1。

              

    4　設備檢驗

    換熱器在制造過程中及制造完畢后都應按相應的標準規范進行檢驗、驗收,這也是我們在換熱器設計中必須考慮的問題。

    4. 1　材料的檢驗、驗收

    材料的檢驗、驗收除按一般壓力容器用材的規定執行外,對于此臺設備須注意的是:因管程設計壓力為12MPa,故管箱部分殼體用鋼板應逐張進行超聲檢測,按JB4730《壓力容器無損檢測》的規定III級合格;并且因為此臺設備為第三類壓力容器,管箱部分用鋼板及鍛件應按《容規》第25條的規定進行復驗。

    4. 2　設備制造過程中的檢驗、驗收

    設備制造過程中的檢驗、驗收應嚴格按照GB151第6條執行。

    4. 3　壓力試驗

    壓力試驗,亦稱耐壓試驗或強度試驗,它是壓力容器制造完畢后出廠前,按標準要求進行的最終綜合性檢驗,也是壓力容器驗收的重要依據。此臺高壓換熱器按GBl51的規定進行壓力試驗,試驗順序如下:

    ①用試驗壓環進行殼程試壓,同時檢查換熱管與管板的接頭;

    ②管程試壓;

    對于此臺設備試壓難點是進行換熱管與管板的接頭的試壓,GBl51規定“當管程試驗壓力高于殼程的試驗壓力時,接頭試壓應按圖樣規定,或按供需雙方商定的方法進行”。這一條文明確了設計者應在制造前考慮解決這個問題。

    管子與管板的焊接是換熱器設計、制造與檢驗的關鍵,直接決定了換熱器的質量優劣和使用壽命,但它又是換熱器中相對薄弱的環節,從設備的實際使用情況來看,往往是設備殼體、法蘭能夠繼續使用,而換熱器卻由于換熱管腐蝕、管頭泄漏而報廢,因此,正確的選擇管頭的試壓方案,準確找出漏點,是制造高質量換熱器的一個關鍵問題。對于管、殼程設計壓力相同的換熱器,直接進行水壓試驗,就可以檢驗出管頭是否泄漏,而此換熱器由于管程水壓試驗壓力大于殼程水壓試驗壓力,為檢查管子與管板連接的嚴密性,可提高殼程試驗壓力,使之等于管程試驗壓力,但必須核算殼體在試驗時產生的應力,要求殼體任意點的一次薄膜應力的計算值不得超過材料在試驗溫度下的90%屈服限(或殘余變形0. 2%的屈服限),同時接管和法蘭等均能滿足壓力試驗下的強度要求。由于此換熱器管、殼程設計壓力相差過大,顯然此方法不能適用,因此我們選用另一方法—氨滲漏試驗法。此方法需管、殼程按各自試驗壓力試驗后,殼程再以1. 05倍殼程設計壓力的含氨體積約1%的壓縮空氣或低壓純氨進行氨滲漏試驗,這樣,不提高殼程試驗壓力,也達到了檢測管頭是否泄漏的目的,提高了容器的密封性、可靠性和安全性。

    5　結束語

    在高壓換熱器的設計中一定要注意各個環節的考慮,合理的選擇換熱器的設備型式,制造及檢驗方法,消除安全隱患。同時還要考慮到加工難易、經濟性等因素,才能設計出高質量的壓力容器產品。

參考文獻

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[2]　《壓力容器安全技術監察規程》[S],國家質量技術監督局發布.

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