双管板换热器的设计及制造要点_何玉伟

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石油和化工设备2013年第16卷
表1 换热器技术参数
双管板换热器的设计及制造要点
何玉伟，李岩，王雷
（中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125001）
[摘 要] 对双管板换热器的设计及制造要点进行了介绍，对管板间距的计算及制造工艺的合理性进行了探讨，可供设计人员参考。

[关键词] 双管板换热器；结构；管束；设计；制造；要点
作者简介：何玉伟（1969—），女，辽宁葫芦岛人，大学本科，工
程师。

在中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司研究院长期从事压力容器设计制造工作。

换热器是一种实现物料间热量交换的设备。

随着换热器技术的提高，其在工业领域的应用范围越来越广。

在生产使用中为防止腐蚀和污染，同时为满足工艺流程、劳动保护、安全生产等方面的要求，通常采用双管板换热器。

本文提到的冷却器管程介质为四氯化钛，不易燃，但高毒，且渗透性强，设备一旦发生泄漏，与壳程的介质冷却水混合后分解放热，释放出有毒的腐蚀性烟气，具有较强腐蚀性，在设计上采用双管板结构，以延长换热器的寿命。

1 换热器技术参数及结构1.1 设备技术参数见表1。

名称壳程管程设计压力MPa 0.50.5设计温度℃50100工作压力MPa 0.40.4工作温度（进/出）℃
30/3870/57
程数1
2
物料名称/特性冷却水（无毒）
四氯化钛汽液混合体
（中度危害）
主要受压元件材料Q345R 0Cr18Ni9
焊缝接头系数0.85
1.0
管子与管板连接形式强度胀(内管板)强度胀+强度焊(外管板)
换热面积（m 2
）
35
1.2 设备结构特点
设备外形结构见图1。

冷却器壳体尺寸
Dg600×8×3982mm ，材质Q345R 。

外侧管板尺寸φ740×45mm ，材质为16Mn
Ⅲ+堆焊304，内侧管
图1 冷却器结构简图
板尺寸φ616×45mm ，材质为16Mn Ⅲ，共有124根φ25×2.5×4000mm 换热管，材质为0Cr18Ni9。

冷却器为双管板结构，结构比较复杂，制造上具有一定难度。

2 设计难点2.1 双管板结构型式
双管板的结构见图2所示。

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第2期 何玉伟等 双管板换热器的设计及制造要点
图2 双管板结构简图
双管板换热器采用固定管板结构，管束不能抽出清洗。

在位于换热管的端部有1块管板，称为外侧管板，即管程管板兼作设备法兰，分别与换热管及管箱法兰相连接。

在距换热管端部较近位置还有1块管板，称为内侧管板，即壳程管板，与换热管及壳程筒体相连接。

设计中，直接用管板兼做法兰的计算方法计算出外侧管板的厚度，因为延长部分兼作法兰的固定管板，其受力状况比不带法兰的管板更为苛刻，因此，内管板取与外管板等厚，为45mm 。

外侧管板与内侧管板之间有一定的距离，这部分空间可用一个短节与外界隔离开，组成不承受压力的隔离腔。

隔离腔按0.1MPa 进行设计，短节厚度与壳程壳体取等厚，为8mm 。

2.2 内外管板间距的计算
内外管板间距的确定是双管板换热器设计中的难点。

为便于内管板与换热管间的胀接，内外管板间的距离越小越好，而为使换热管受热良好，则两管板间的距离越大越好。

在实际工作中，由于双管板换热器内外管板的使用温度不同，因此当两块管板的温度从常温升到操作温度的过程中，会产生径向位移，详见图3。

这样的力作用在换热管上，引发弯曲应力和剪应力，可使换热管与管板连接处产生泄漏。

因此，需在两块管板之间设置适当间隙，让换热管产生挠曲，从而避免换热管与管板连接处产生较大的应力。

同时，隔离腔虽不与管程、壳程相连通，不承受介质压力，但承受设备的机械载荷与热载荷。

承载能力主要取决于双管板间距。

由工程实践，依据T E M A -1999（现并入ASME Ⅷ-1）相关章节给出的相邻两块管板之间间隙G 可通过式(1)和式(2)进行计算。

图3
由式（1）和式（2）可知，当管子的中心距和排列方式确定后，最外圈换热管的外切圆尺寸是一个定值，通过计算，确定隔离腔间距为100mm 。

换热管伸出两侧外管板端面的长度按GB151-1999的规定，管子伸出管板面的长度为1.5mm 。

而国外进口用于高温、高压、易燃、有毒或较强腐蚀性等介质的换热器，管子伸出管板面的长度一般为4~5mm 。

结合多年制造换热器的经验以及换热管的特点，将管子伸出管板面的长度调整为3mm ，见图3所示结构。

避免了氩弧焊第1层焊接后管头被熔化而无法再进行焊接。

2.3 换热管与内外管板的胀接
换热管与内外管板的胀接是设计中的又一难点。

首先，必须保证换热管质量，避免出现管壁破裂情况。

内管板与换热管之间的连接采用液压胀接，因为换热管间距较小，换热器伸出内管板较长，焊条角度不适宜焊接。

管程的操作压力较低，液压胀可靠性好，换热管不易产生过胀，胀
接的部位不产生窜动，因胀接的整个过程位置固定不变，换热管与管板连接处在整个长度上的应力分布均匀。

液压胀接的最大优点是胀管不受内外管板距离的限制，最长可达3m以上。

它的输压管在工作时不承受扭矩。

外管板与换热管之间采用强度焊+机械胀接的方法，由于管程中的介质严禁泄漏，两种胀接方法并用可以确保换热管与管板连接的严密性。

为了保证胀接质量，在胀接前应做胀接评定试验。

2.4 隔离腔的结构
在短节上设置放空、排净装置，供日常定期检查预防事故。

一旦设备发生泄漏，上方放空口便于收集泄漏的气体，下方排净口便于收集泄漏的液体。

工作过程中可在隔离腔内充入惰性气体，该气体的压力需比管程和壳程的压力要高，充入的气体以不影响两侧介质的工作为准。

3 制造与检验
控制4块管板的同心度、平行度、扭曲度及其与壳体轴线的垂直度，可保障换热管与管板的连接性能，从而确保内侧管板与换热管液压胀接的拉脱力和密封性能，也是保证设备质量的关键。

3.1管板加工
将内外管板按工作位置顺序定位点焊，共2组，再进行划线钻孔，以便于穿管，钻孔方向应与穿管方向保持一致。

采用摇臂钻床加工管板孔，以保证管孔直径、垂直度及管孔间距。

钻孔时，切削和退刀速度应尽量慢，钻孔时应留有0.1mm的铰孔余量。

钻孔后对管板孔进行铰孔，以消除管孔上的纵向划痕，保证管孔的表面粗糙度为Ra6.3。

铰孔完成后，对管孔内进行检验，不允许存在贯通性的螺旋形或纵向条痕。

3.2 折流板加工
将12块折流板按工作位置顺序定位点焊，再进行划线钻孔。

为利于穿管，钻孔方向应与穿管方向保持一致。

每块折流板正、反面的管孔均应倒角，清除毛刺，防止穿管时损伤换热管的外表面。

最后把2组双管板和12块折流板按工作位置顺序及钻孔方向叠置，用换热管逐孔预穿。

3.3 管束组装程序
组装折流板、拉杆及左管板，并按梅花形穿
入数根换热管，用螺母拧紧拉杆来紧固折流板、校正骨架形状后，穿入全部换热管，再将壳体与右管板点焊，然后将管束装入壳体。

将左管板与壳体部件组对后点焊固定，先不焊接。

然后组对两侧外管板，组对时每侧用均布的3根L=100mm定距管，对内外管板之间进行点焊，然后将换热管分别引出至两侧外管板，并调整换热管管头与两侧外管板端面的距离为3mm。

定距管在换热管与内管板胀接后，隔离腔短节和内外管板焊接前去除。

按胀接试件取得的数据对换热管与两端内管板进行液压胀接，为防止漏胀，应对胀接接头逐个进行标记。

胀接合格后，焊接壳体与两端内管板之间的环焊缝，焊后进行20%RT，按JB/T4730.2-2005，Ⅲ级合格。

对壳程进行水压试验，检查管接头是否有泄漏现象，若有泄漏则应对管头进行补胀至无泄漏为合格。

组对两隔离腔短节，对短节纵焊缝进行10%RT，并按JB/T4730.2-2005，Ⅱ级合格，将短节与内外管板点焊固定。

用氩弧焊焊接换热管与两侧外管板之间的角焊缝，先焊第1层，进行压力为0.05MPa的气密性试验，然后再焊第2层，管壁不允许过烧或焊通，且管头不能有咬边，保持管端圆整无缺。

焊后进行100%PT，并按JB/T4730.5-2005，Ⅰ级合格。

对两侧外管板与换热管采用机械胀接的方法进行胀接，为防止漏胀，应对胀接接头逐个进行标记。

胀接合格后，将短节与内外管板进行焊接，合格后进行100%MT，并按JB/T4730.4-2005，Ⅰ级合格。

3.4 压力试验
双管板换热器的压力试验相对较为复杂。

首先按0.63MPa压力进行壳程的水压试验，从隔离腔侧检查管子与内侧管板的连接质量。

试验合格后，组焊隔离腔，使之成为密闭的腔体，按0.1MPa压力进行气密性试验。

分别在两隔离腔下方的两个排净孔安装透明的U形管检验工装，U形管内加水，保持一定的水平液位，若有试验气体微渗漏时，则U形管内的水平液位会发生变化，试（下转24页）
收稿日期：2012-11-15；修回日期：2012-12-21
◆参考文献
[1] TSG ZF003-2011，爆破片装置安全技术监察规程[S].[2] GB567-1999，爆破片与爆破片装置[S].
[3] GB/T12353-1999，拱形金属爆破片装置分类与安装尺寸 [S].
转时根部及拱面可以完全悬空，不受干扰，在低压状态时爆破膜也可以完全沿刻槽处破裂，达到最大限度地泄放压力。

4 结束语
设计反拱刻槽带加强环型爆破片装置的关键是加强环尺寸的确定，而爆破膜厚度及槽底厚度等尺寸可依据相关公式和经验数据得出。

根据试验结果，建议按以下原则确定加强环参数：δ2：取2倍爆破膜坯料厚度；￠A ：公称通径D N <￠A <爆破膜的排放口径D ；а：70°≤а≤90°；b1：1/4D+b ≤b1≤1/3D+b ；b2：1/3D ≤b1≤1/2D ；RA ：2mm ≤RA ≤6mm 。

最终参数的确定还需根据设计爆破压力的大
验以U 形管内始终保持液位水平为合格。

最后，整台设备组装合格后，再对管程按0.59MPa 进行气压试验。

4 结论
为更好地推广应用双管板换热器，必须对设计、制造、运行、维护等各环节进行控制，以保证产品的质量。

近年来，我集团已成功制造了数台双管板换热器，经投产使用，运行稳定，质量良好。

收稿日期：2012-12-04；修回日期：2012-12-20
◆参考文献
[1] 秦叔经，叶文邦等编. 化工设备设计全书—换热器[M].北 京：化学工业出版社，年.
[2] 张秀丽，何玉伟. 双管板换热器的设计及制造[J].通用机 械，2007，12
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小进行调整，压力越大，坯料厚度δ2、角度а、圆角RA 的取值都应随之增大。

通过合理的结构设计和参数确定，完全可以保证反拱刻槽带加强环型爆破片装置在真空、低压的液态介质环境下正常使用。

简 讯
2012年11月13日，国家质量监督检验检疫总局特种设备局发出《关于公布新增特种设备鉴定评审人员（项目）和大型游乐设施、客运索道设计文件鉴定人员名单的通知》（质检特函[2012]63号），通知公布，经特种设备局考核，中国化工机械动力技术协会程治方、戴文权、张海汀、李公平四人获得特种设备鉴定评审员资格，评审资格范围为RSP。

（本刊编辑部）。