双管板换热器的设计实例

换热器作为一种常见的换热设备，在实际操作中其换热管和管板连接处易发生泄漏，从而使壳程物料和管程物料混合，而且这种泄漏目前还没有有效的方法完全防止，工程上常采用双管板结构，以减小泄漏。

双管板换热器与单管板换热器相比较，虽然管、壳程间泄漏概率低得多，但由于增加了管板数量以及隔离腔的存在，不仅增大了外形尺寸，耗材较多，而且加工制造难度大，综合造价高。因此，只有当换热器管、壳程物料混合，会导致产生以下严重后果时，才建议采用双管板结构。

①腐蚀：两侧介质不接触时没有腐蚀发生，一旦混合会导致设备严重腐蚀。

②安全方面：混合后会产生燃烧或爆炸。

③产生反应：当两种介质接触后，会使其中一种介质化学反应受到限制，或不产生反应，或两种介质接触后发生聚合或生成树脂状物质。

④催化剂中毒：当两种介质接触后，造成催化剂性能改变或化学反应。

⑤混合导致产品不纯。

某石化公司30kt/a 异戊橡胶装置中的脱轻塔底再沸器是一台立式固定管板式双管板换热器。采用双管板结构是基于使用经验考虑，有某单管板换热器在类似介质和操作工况下出现了蒸汽泄漏状况，介质混串严重造成产品不纯，最终导致停车检修，现以该脱轻塔底再沸器为例，从设计、制造等方面对固定管板式双管板换热器作简单介绍。

1 设计条件

脱轻塔底再沸器：公称直径600 mm，换热管规格为φ38x3mm，换热管长度2600mm，管、壳程腐蚀裕量2mm，单管程单壳程，正三角形排列，设计寿命20年。壳程介质为低低压饱和蒸汽，管程介质为己烷、异戊二烯。其他设计参数如下：

壳程操作压力/设计压力 MPa（G）：0.95/1.0；管程操作压力/设计压力 MPa（G）：0.75/0.8；

壳程操作温度/设计温度 ℃：250/270；管程操作温度/设计温度 ℃：100/120。

2 材料选用与设计计算

2.1 材料选用

脱轻塔底再沸器属于低压换热器，管、壳程介质均对设备材质无特殊要求，设备主体材料可选取Q245R或Q345R。Q245R是碳素钢，Q345R是低合金钢中的碳锰钢，后者力学性能优于前者，在相同设计工况下，更能有效降低设计厚度，节省材料，故壳体材料选用Q345R。基于强度胀接的要求，管板宜采用强度等级较高的材料，换热管宜采用强度等级较低的材料， 一般要求管板比换热管硬度高HB30以上，本设备管板材料选用16MnⅢ，换热管为20 #（GB/T 9948）。换热管采用高精度的Ⅰ级管束。

2.2 换热管与管板的连接形式

脱轻塔底再沸器采用连接式双管板结构。管程侧管板 （外管板）兼作法兰，与换热管及管箱法兰相连接。壳程侧管板 （内管板）与换热管及壳程相连接。内、外管板之间的隔离腔上设置放净口和排气口。管、壳程每侧布置二块管板，不仅起到两道防线的作用，而且能通过隔离腔上的管口及时查出内侧管板的泄漏问题。

在操作运行中，管板与换热管连接处既要保证介质无泄漏，又能承受管、壳程侧介质的压力差、温度差所产生的应力。由于内管板与换热管间施焊困难，且本换热器操作工况满足强度胀接适用条件，故内管板与换热管采用强度胀接的连接方式。外管板与换热管采用强度焊加贴胀的连接方式。

2.3 设计计算 

经SW6软件计算，并结合换热器圆筒最小厚度要求，取壳体壁厚δn=8mm。管板计算厚度为42mm，考虑管板结构以及制造工艺需要对其进行圆整，最终管板名义厚度均取50mm。内、外管板间距的确定要满足以下条件：a.方便内管板实施胀接（当用胀管器进行机械胀接时，间距过大会限制胀紧力的传递，影响胀接质量）；b.壳程水压试验时，为检查内管板与换热管连接处是否存在泄漏，应留有观察所需要的最小空间。综合考虑，此处取内、外管板间距g=200mm。由于管、壳程介质温差过大，造成换热管与管板连接接头的拉脱力不合格，故壳程筒体上需加装波形膨胀节。

3 双管板换热器的制造

3.1 内、外管板加工

在管板加工时，首先要控制四块管板的同轴度、平行

双管板换热器的设计实例

何燕

北京燕山玉龙石化工程有限公司 北京 102500

摘要：本文以脱轻塔底再沸器为例，从设计、制造等方面介绍了双管板换热器的设计。

关键词：换热器 双管板 设计 制造

Design example of double tube plate heat exchanger 

He Yan

Yanshan Yulong Petrochemical Engineering Co.，Ltd.，Beijng 102500，China Abstract：In this paper， the design and manufacture of double tube plate heat exchanger are introduced with the example of the reboiler at the bottom of the light tower. 

Keywords：heat exchanger；double tube plate；design；manufacture

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部微小的淹没射流，射流打击到管壁，引起动量变化，这必然造成液体与管壁的强烈冲击，对管路造成疲劳破坏，使管路材料逐渐被剥蚀形成麻坑，气蚀形成。管路中也会伴有电化学腐蚀，尤其是对于高硫井和高pH值泥浆，加剧了管壁材料表面的恶化程度。

显然，当泥浆阀打开或关闭的瞬间，或是泥浆阀不能正常打开或关闭而呈半开半闭时，已经具备了“管径尺寸变化”这一重要条件，其后果是失效形式直接作用于球阀外表面。

3.2 冲蚀

流体在圆管中流过，不论是层流运动还是紊流运动，在过水断面上流速是按抛物面或近似抛物面分布的，在管路中心线处的流速最大，如果中心线处有阻挡物，则流体在阻挡物处的动量变化最大、阻挡物所受冲击力最大；而在近管壁处的流速为零，阻挡物所受冲击力为零。

当泥浆阀开启时，球阀作为循环通路的一部分，高压高速钻井液正常通过球阀内孔，对球阀内壁的冲刷作用可以忽略不计，球阀中心处的管径变化与入口相比相差不大，流速变化不大；当泥浆阀关闭时，球阀转动90度将泥浆循环通路截止，泥浆仅仅挤压球阀外表面。当然，若此时开泵循环，有可能把高压管汇憋开。

流体的流速与管路截面积成反比，管径越小，流体的流速越高。如果泥浆阀执行器卡阻，使泥浆阀动作不彻底而处在半开半闭状态、如果司钻在开启或关闭泥浆阀时过早开启或过迟关闭泥浆泵，泥浆阀在开启或关闭的瞬间有高压高速泥浆流通过，此时球阀与阀座间形成的泥浆通路的截面积非常地小或急遽变小，造成流速陡然升高，那么处于管路中心处的球阀和阀座内壁自然受到高速泥浆流体的猛烈冲刷，形成的巨大的切削力逐步把球阀和阀座内壁材料从本体上剥离，泥浆中的固相颗粒越多、越硬，对剥离的贡献也越大。

这是泥浆阀失效的主要因素。

3.3 试压和泄压

根据钻井生产需要对承压部件进行试压，憋压后管路中会有很高压力，但是在需要泄压时，图一时之方便，而采取不正确的通过改变球阀的开关状态的方式 来泄压，那么度压管路的高压泥浆会瞬时通过球阀，一定会对球阀造成伤害。

3.4 正确使用泥浆阀

天启或关闭泥浆阀前，首先要确认泥浆泵的工作状态，球阀关闭前要先停泥浆泵、球阀打开后再开泥浆泵；不能频繁、连续地打开或关闭泥浆阀；执行器要做好日常保养，内部的半圆齿轮和齿条有卡滞要及时修理或更换；泥浆阀试压出现失压时或明显关闭不严时要立即更换总成，并及时对更换后的总成部件维修；严格执行泥浆阀试压程序，不允许通过球阀泄压，尽量避免上泥浆阀试压、可以使用手动下泥浆阀对总成试压；定期进行整体探伤检查，不合格者停止使用。

参考文献

[1]. TESCO325 ECI900CH 中文 200705 

[2].陈家琅. 水力学[M].北京：石油工业出版社，1980：12.

度、扭曲度及其与壳体轴线的垂直度在允许的偏差范围内，这样可保障换热管与管板的连接性能。本换热器要求内、外管板在制造时一起同时进行管孔加工，从而尽量避免发生位移而产生错孔现象。钻孔要按照制造工艺进行，钻孔后应再进行铰孔或扩孔， 严格控制孔径及粗糙度，确保其粗糙度不大于6.3μm。另外，采取强度胀接连接的内管板管孔表面不应有影响胀接质量的纵向或螺旋状刻痕等缺陷。

3.2 内管板与换热管连接：强度胀接

内管板与换热管的连接质量是双管板结构换热器制造的关键，为了保证胀接质量，要求在胀管前做胀接工艺试验，确定合适的胀度。采用先胀后焊工艺时，不得采用影响焊接质量的润滑剂。在实际使用中一旦在此部位引发泄漏，由于修复困难，将影响设备的正常运行。本文从设计角度实施的措施如下：

（1）管板采用Ⅲ级锻件，换热管采用高精度Ⅰ级管束。

（2）管板材料的硬度值高于换热管材料。

（3）实际管板厚度的确定需要同时满足强度计算和胀接结构的要求。

（4）严格控制管板孔桥宽度。

3.3 外管板与换热管的连接：强度焊+贴胀

采用小电流多道施焊，以减少焊接缺陷产生的几率，避免产生残余应力和应力集中。最后应对换热管与管板焊接接头进行100%表面检测，按NB/T 47013相应要求的Ⅰ级合格。3.4 水压试验

试验顺序如下：先进行两内管板之间的壳程水压试验（隔离腔短节焊接前），检查换热管与内管板的连接质量，试验压力为1.47MPa。壳程试验合格后，组焊隔离腔并进行隔离腔水压试验，试验压力为1.47MPa。最后进行管程的水压试验，试验压力为1.0MPa。

3.5 双管板换热器制造中需要注意的问题

（1）管板与换热管连接前，应去除换热管和管孔表面的毛刺、铁屑、锈斑、油污等影响胀接或焊接连接质量的缺陷，换热管管端及胀接部分外表面打磨至呈现金属光泽。

（2）严格执行胀接工艺。　

（3）强度胀接时管子外径和管孔内径之间的配合应为过紧配合。 

（4）严格控制可能影响双管板同心度、平行度、扭曲度及胀接质量的各种因素，尽量采用工装和预装、预穿及预试验的方法。

（5）内管板胀好后，经检验合格后方可进行外管板的焊接。

4 结束语

双管板结构在防止换热器管、壳程介质串流的问题上有着明显的优势，文中设计的脱轻塔底再沸器已安全运行5年，未出现泄漏问题，达到了设计目的，满足了使用要求。

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