水水热交换器的设计制造

刘 学，刘瑞梅，张明宝

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江.哈尔滨 150046）

1 概 述

随着科学技术的发展，高参数、高效率的紧凑型热交换器也层出不穷。水水热交换器可用于核电站中，是核电机组常规岛启动系统中的设备，主要用于机组启动时，利用壳侧的除盐水预热除氧器给水，使除氧器的除氧效果更好，降低电厂能耗，提高电厂热效力，保证机组出力。当机组平稳运行后，水水热交换器即停用，待机组重新启机时再投入使用。为确保核电机组的正常运行，对水水热交换器设计制造提出了更加严格的要求。此项设计的水水热交换器设备具有能耗低，结构紧凑，占地面积少，造价低，耗料少，且在运行时易于控制等显著优点，对我国发展核电百万机组热交换器的自主设计提供了设计参考。

2 水水换热器主要参数

水水换热器主要参数，如表1所示。

表1 水水换热器主要参数

3 总体设计

该水水热交换器采用卧式布置，换热管为不锈钢U型管，采用双流程、全焊接结构。

3.1 设计原理

U型管式水水热交换器是应用十分广泛的换热器，但该种形式的换热器难点就是管子与管板连接处容易泄露。为了解决普通U型管式水水热交换器的这一缺陷：首先，换热管与管板间采用先焊接后胀接的连接方式，胀前，应控制管板孔与管子表面的清洁度，焊后采用渗透、氦检漏等检测方法，从根本上消除了换热管与管板连接处的泄露问题；其次，普通U型管式换热器管子与隔板、折流板孔的间隙一般较大，隔板及折流板对管子的支承作用较弱，在水的冲击下，换热管振幅较大。换热管产生振动后，折流板及隔板与管子产生磨擦，使管子磨损增大，这也是管子泄露的原因之一。因此，设计时，将换热管折流板及隔板的管孔间隙控制在0.2mm之内，这样可改变管子的振动频率，降低换热管振幅并能减少磨损。

3.2 性能计算

（1）热平衡方程

其中：Q1—除盐水的流量；i1— 加热除盐水初始焓值；i2— 加热除盐水的终了焓值；η—散热系数一般取0.98；Q2—被加热除盐水的流量；i3—被加热除盐水初始焓值；i4—被加热除盐水的终了焓值。

（2）传热系数

其中：δ—管壁厚度；λ—管壁的导热系数；a1— 管内放热系数；a2— 管外放热系数；R1—管外侧附加污垢热阻；R2—管内侧污垢热阻；d0—换热管外径；di—换热管内径。

（3）管内放热系数

其中：w1—管内加热除盐水的流速；b—无因次系数，见表2中数据；tcp—加热除盐水及被加热除盐水进出口的平均温度。

表2 无因次系数

（4）被加热除盐水侧的放热系数

其中：w2—被加热除盐水在管束外的流速；dr—外壳内流通截面积的水力直径。

（5）逆流对数平均温差

其中：t1— 加热除盐水的初始温度；t2—加热除盐水的终了温度；t3— 被加热除盐水的初始温度；t4—被加热除盐水的终了温度。

（6）传热面积

其中：i1— 加热除盐水初始焓值；i2—加热除盐水终焓值。

通过上述各项公式，利用热平衡的方法，对水水热交换器采用的不锈钢换热管进行性能计算，以确定水水热交换器的换热面积及布管根数。

3.3 整体设计

水水热交换器主要由水室、管系和外壳三大部分组成。

（1）水室的设计采用了椭圆形封头与筒身相焊的方式，构成了水室部分的壳体，如图1所示。由于核电水水热交换器管侧的设计压力比较低，因此人孔盖采用法兰结构，利用螺栓连接，将密封垫与人孔座密封，另外，还在人孔盖与人孔座处设置销轴定位，使人孔盖开启时旋转，便于人孔盖的开关与拆卸。给水入口接管、给水出口接管采取上下竖直方向布置的方式，此类结构布置使现场的装焊较简便，而且筒体环向主要承受一次总体薄膜应力，在筒体径向开孔有利于改善受力状态。在水室筒体内，焊1个月牙形预焊件，并用1块近似椭圆形的分流程隔板与此预焊件相焊，整个内部包壳与管板之间，利用1块矩形隔板相与之相焊接，构成水室内部包壳的框架。包壳盖上内部盖板后，完成整个水室包壳的密封。为了降低水室内部2个腔室的压差，尽量排净腔室内的气体，不至于使给水在给水入口接管处产生漩涡，特在分程隔板上设置了1根DN10的平衡管，使给水入口腔室内部的气体通过平衡管进入给水包壳内部，通过给水出口接管将其排出。为更好的检测内外壁温差，便于将其控制在允许的范围内，在给水进、出口接管分别装有测温、测压元件，可准确地测量给水进出口温升和压力。

图1 水室布置示意图

（2）管系的整体结构主要由管板、换热管、包壳、短筒身、防振装置等构成。换热管采用不锈钢TP304，提高了管内流速，增加换热效率，不锈钢管的抗冲蚀能力强。管板的管侧面需堆焊过渡层软钢，便于水室内件的焊接；管板壳侧堆焊软钢，使之与包壳和疏水横隔板相焊接。包壳和疏水横隔板贯穿整个管系，构成管系竖直方向的密封结构。管系中心设置支撑板，焊在2块横隔板之间，管系内被分割为包壳与上、下横隔板、包壳与筒体共3个腔室。在上、下包壳中间及左、右侧面分别设置支撑板，支撑板的主要作用是在管系与外壳装配时，支撑管系，确保管系与外壳同心；管系与外壳焊接时需转动筒体，由于支撑管系的作用，可避免管系偏心使包壳、疏水横隔板与管板的焊缝开裂。管系中除盐水入口、出口接管垂直布置，便于现场管道的焊接和装配。管系壳侧抽入的除盐水，通过除盐水入口接管及内衬导管进入包壳内，加热换热管内的给水。管系内的包壳将隔板（折流板）及换热管包裹在里面，隔板的缺口为左右布置，使除盐水通过隔板缺口时呈蛇形流动，除盐水与给水的逆向流动方式，提高了换热效率。除盐水到达上部包壳尾部后流入筒体内部，使筒体内部充满除盐水之后，进入下侧包壳内继续换热，最终通过除盐水出口接管排放到下一级。在管系尾部设置了防振装置，避免因管内、外介质流动引起管束振动。防振条将每一排换热管夹在中间，并用支管将所有防振条穿成一排，通过尾部支板将防振条与包壳上部相焊接，构成了完整的防振结构，减小了换热管的振动。最外层换热管与支管留有自由滑动空间，当换热管受热膨胀时，不会因膨胀造成换热管的损伤。

图2 管系整体布置示意图

（3）外壳的设计主要由长筒身、封头、检查孔、支座、吊耳、滑道组成。两排滑道分别对称焊接到长筒身两侧中心处，外壳与管系装配时，此滑道插入管系中的上、下疏水横隔板之间，起到支撑整个管系的作用。长筒身上设置排气接管，用于设备运行调试期间，排出设备内部的气体，使除盐水能充满整个壳体内。壳体上设置1个滑动支座和1个固定支座，避免设备受热膨胀产生应力集中。由于水水换热器壳体内部充满液体，所以不需要设置任何水位测量元件。另外，在筒身上布置有起重吊耳，便于水水热交换器的吊装移动。

图3 外壳示意图

（4）水水热交换器换热管采用不锈钢材质，用作液压试验的洁净水，需严格控制水中的氯离子含量，水压试验后，排净水水热交换器内所有积水并作烘干处理，然后充氮密封，防止腐蚀现象的产生。所有开孔按工艺要求进行密封。由于给水加热器内部结构复杂，现场停机检修时，无法对设备进行旋转，致使很难将壳侧中水分从热交换器中清除干净。热交换器本体在设计中考虑，现场安装后要求整体向前倾斜0.3%～0.5%和机动措施，便于排净换热管内部的积水，也符合美国HEI标准的要求。

图4 设备整体示意图

4 水水热交换器的制造特点

4.1 管端连接及检测

换热管与管板的连接，采用角焊缝焊接自动熔融形成内凹式焊接结构，换热管焊缝受力好，熔深大，不易泄漏，在管束入口处使除盐水流线可达到最佳效果，有效地减小了管侧的沿程阻力。换热管采用成熟的全程液压胀技术，胀管时利用电动胀管仪控制胀紧程度，胀后对胀管孔尺寸进行100%检查，对管端焊缝采用先进的氦检漏技术，确保管端焊接的密封性，防止泄漏。

图5 管板与管系胀接详图

4.2 管板堆焊保证措施

堆焊时选用低碳钢焊接材料，堆焊层含碳量小于0.08%，有效的改善了换热管与管板的可焊性和焊接质量。管板堆焊设计尺寸不小于7mm，采用带极堆焊，堆焊两层，考虑堆焊层的加工余量，堆焊高度应不小于11mm。管板待堆焊面做UT＋MT检查合格后，清理表面与堆焊交替进行，保证每层的堆焊质量，当堆焊两边高度超过11mm，需机加工堆焊层平面并再次进行UT＋MT检查，合格后才能对管板进行钻孔。

4.3 换热管与管板角焊缝焊接质量保证措施

设置封闭清洁室，强化无风无尘的焊接环境。管子管板焊前应保证清洁，不得有水、油、污物等。管板在数控深孔钻加工后，即应放入盛有专用防腐液的容器内浸泡，彻底清除油污，待装配前，用软布逐个擦试清洁管孔，清理后用防护罩密闭待用。管板和换热管清理装配完成后，立即进行预热，预热温度为40～45℃，预热温度一直保持至胀管完成。

4.4 装配质量保证措施

为保证管板、隔板及整个管系装配精度，设计了专用工装架，有效保证管板、隔板各孔对中，避免管壁划伤并减少了装焊变形，穿管时，隔板位置可随意调整对中，保证穿管的顺畅与高效，也不会损伤管子。壳侧筒体与短节环缝为最后的终接环缝，采用氩弧焊封底实现单面焊双面成形。为保证装配尺寸和焊接质量，在筒体和短节的终接环缝内壁处，采用埋弧自动焊进行堆焊，堆焊宽度为100mm，机加工筒体内圆以保证筒体圆度。为保证水水热交换器整体水压后管系内部的充分干燥，采用专用干燥机进行烘干，抽真空后再充氮进行保护，防止设备内壁的锈蚀。

5 结 语

随着国家大力发展核电机组的契机，优化热交换器的设计，对实现所有热交换器的国产化具有现实意义。通过对此水水热交换器的设计及不锈钢换热管的传热计算，提升了不锈钢换热管设备的制造技术，更加深入了解热交换器的性能及结构布置形式，对今后核电站热交换器的设计提供了宝贵的经验。

［1］热机计算手册［M］ 水利电力部西北电力设计院出版，1973.

［2］中国动力工程协会.火力发电设备技术手册［M］，1998.

［3］Heat Exchange Institute，Inc.Standards for Power Plant Heat Exchangers［S］，3rd Edition，2004.