解读不锈钢管壳式换热器管板结构

李崇勇 邓香中 张 光

（中国石油辽阳石化公司机械厂 辽阳 111003）



解读不锈钢管壳式换热器管板结构

李崇勇 邓香中 张 光

（中国石油辽阳石化公司机械厂 辽阳 111003）

摘 要：管板系管壳式换热器的主要受压元件，承受管/壳程两侧介质的压力与温度及腐蚀作用。随着炼油化工装置长周期运行应用不锈钢管壳式换热器或不锈钢管束更换碳钢管束的增多，管板的不锈钢结构形式则成为设计关注的焦点，并由此影响换热器制造的可靠性与使用的安全性。以不锈钢管壳式换热器制造的实例，评析3种管板的不锈钢结构形式，结果发现，设计已打破常规观念，倾向于整体不锈钢管板的工程应用。由此，给出了不锈钢管壳式换热器管板结构选择的建议。

关键词：管板 不锈钢 管壳式换热器

Interpretation of Tubesheet Construction for Stainless Steel Tubular Heat Exchangers

Li Chongyong Deng Xiangzhong Zhang Guang
(Petrochina Liaoyang Petrochemical Company Machinery Factory Liaoyang 111003)

Abstract Tubesheet, as a main pressure component for tubular heat exchanger, is subjected to pressure, temperature and corrosion for both tube and shell side medium. As more and more stainless steel tubular heat exchanger or stainless steel tube bundle in lieu of carbon steel tube bundle is applied in the long period operation of petrochemical units, stainless steel tubesheet construction is increasingly a focus for design. And it’s affecting the reliability of the manufacturing and the security of the use for heat exchanger. Take stainless steel tubular heat exchanger manufacturing as an example, three kinds of stainless steel tubesheet construction are reviewed. The result found that its designers have broken down conventional ideas, and tend to use integral stainless steel tubesheet for engineering. The paper gives the suggestion about how to choose the tubesheet construction for stainless steel tubular heat exchanger.

Keywords Tubesheet Stainless steel Tubular heat exchanger

在不锈钢管壳式换热器建造中，由于相关标准[1-3]没有对管板的结构形式明确规定，致使设计面临管板结构的选择：整体不锈钢管板或“碳钢或低合金钢”复合或堆焊不锈钢管板。而制造同样要面对非整体不锈钢管板的困扰：碳钢或低合金钢复合不锈钢管板的采购及入厂复验发现未结合区的处理；或碳钢或低合金钢堆焊不锈钢管板的繁杂工艺及翘曲变形导致的复层厚度不均匀等问题。可能设计在选择中发现计算厚度整体不锈钢管板与碳钢或低合金钢复合或堆焊不锈钢管板相差不够悬殊或管板厚度不厚时，直接选择整体不锈钢管板不仅利好长期使用的安全可靠以及尚可省去复合或堆焊相应技术要求的提出，而且更利好制造的简约以及使用维修的方便。为此，结合千万吨炼油和百万吨乙烯工程中的不锈钢管壳式换热器制造的实例，解读管板不锈钢的结构形式。

1 整体不锈钢管板

整体不锈钢管板不仅安全可靠，而且更方便制造与维修，简约加工或焊接工艺，利好管板的质量及使用性能；尤其是在腐蚀或苛刻的工况下，较碳钢或低合金钢复合或堆焊不锈钢管板更为安全可靠；虽表面上材料成本较高，但实际制造难度及成本却相对较低，为容器制造所欢迎的结构形式。这可从一些不锈钢管壳式换热器制造的实例中看到，整体不锈钢管板的结构形式呈现出日益增多的趋势。

实例 1：EO冷却器BIU700-0.8/1.0-60-3/19-2。壳程介质为环氧乙烷，管程介质为冷却水，设计温度为75℃。壳体材料为304，管箱材料为碳钢或低合金钢，管板为φ763mm×60mm-304Ⅲ，换热管为φ19mm×2mm-304，管板与换热管的连接采用强度焊加贴胀。

实例 2：EO冷凝器BES2500-0.8/0.5-2325-7.5/25-4。壳程介质为环氧乙烷，管程介质为冷却水，设计温度为75℃。壳体材料为304，管箱材料为碳钢或低合金钢，管板为φ2608mm×98mm-304Ⅲ，换热管为φ25mm×2mm-304，管板与换热管的连接采用强度焊加贴胀。

这两个实例，虽然被冷却或冷凝的工艺介质腐蚀性不强，但鉴于EO与碳钢或低合金钢的不相容性，即铁的氧化物与EO发生聚合反应并释放出大量热量而有爆炸危险，为此，这两台换热器的壳程（包含壳体、管束等）材料设计选用304不锈钢，并提出酸洗钝化处理且蓝点法检验合格要求；并且管板选为整体304不锈钢，而没有选择碳钢或低合金钢复合或堆焊不锈钢的结构形式，这主要考虑“管板与换热管的连接采用强度焊加贴胀”中“贴胀”的可靠性问题，若贴胀不到位或胀度不足使管板基层碳钢或低合金钢接触EO，则会发生危害换热器安全的风险。

2 复合不锈钢管板

碳钢或低合金钢复合不锈钢管板（单面复合或双面复合）的可取之处是能充分利用基层碳钢或低合金钢的高强度和复层不锈钢的耐蚀性满足工程的使用性能，较整体不锈钢管板为经济。所以，在不锈钢复合板采购资源富足的条件下，当板厚＞12mm时用不锈钢复合板不失为不锈钢容器设计中材料的理想选择，通常为不锈钢容器壳体钢板选用的最多。但是，这也相应增加了制造工艺的繁杂与难度：尽管设计要求“用于复合板的基层和复层均应为整张钢板，不宜拼接”，但实际上复层不锈钢板却因板材规格的限制而不得不拼板，由此需要对复合前复层不锈钢板拼接焊缝的施焊和复合后复层拼缝的处理；“壳体和封头等元件的成形不能削弱复层与基层的结合”，由此不但增加了加工成形的难度，而且尚需进行成形后的全面积结合程度UT检测；复合板超标缺陷的修补所提的要求“缺陷的去除、PT检测确认、修补部位的加工、尚需焊评支持的堆焊、修补后的处理及UT和PT检测等”更是麻烦制造；尤其是A、B类焊接接头双面焊时，焊缝的坡口形式要求“复层端部离基层坡口边缘的距离应剥开至少为5mm”，更是增加了焊接坡口加工的难度，并且尚要按规定的焊接顺序及过渡层和复层焊接的要求进行施焊与检验等等。所以，选用不锈钢复合板表面上降低了材料成本，但实际上却增加了制造难度和相应成本，同时也潜在着质量安全隐患。

对于复合不锈钢管板，由于基层多为锻件加之直径较大时缺乏采购资源，难免出现的被迫更改原设计的复合不锈钢管板为堆焊不锈钢管板，进而增加了制造难度，并由此产生管板的耐蚀性能降低[4]。除非像有复合不锈钢能力的资源而将原设计的两侧堆焊不锈钢管板更改为双面复合不锈钢管板，由此简化了制造工艺，并较堆焊不锈钢管板更能展现复合不锈钢管板的综合性能[5]。因为，复合不锈钢管板较堆焊不锈钢管板不仅工艺简单、快捷、成本低，而且复层的厚度均匀、化学成分稳定，管板的耐蚀性能容易得到保证。

实例3：立式EO再沸器BEM2200-0.5/3.0-1756-6/25-1。管程介质为环氧乙烷，设计温度为90℃，壳程介质为贫液，设计温度为130℃。管箱材料为304，壳体材料为碳钢或低合金钢，管板为φ2430×(110+12) -16MnⅢ管程侧堆焊304，换热管为φ25×2-304，管板与换热管的连接采用强度焊加贴胀。制造考虑堆焊变形难于控制，并由此引起板面翘曲致使复层厚度的均匀性不易保证，经设计同意更改为复合不锈钢管板形式。此例也提示管程侧采用复合不锈钢管板较壳程侧采用复合不锈钢管板对于防腐蚀或避免介质不相容更具符合使用安全性。

复合不锈钢管板同样面临着厚度允许偏差[6]的问题，尤其是固定管板式换热器的管板厚度由设计总体考虑基层和复层材料的厚度偏差及复合偏差后确定较为合理，并在图样中注明要求。而制造更要面对上述的相关问题，尤其是复合管板进厂验收时发现的未结合区及平面度等超标问题的处理。

3 堆焊不锈钢管板

碳钢或低合金钢堆焊不锈钢管板（单面堆焊或双面堆焊）多见于浮头式或U形管式不锈钢换热器，尤其是管/壳程都具腐蚀的工况，并在压力或温度较高时，管板通常为锻件，在双面复合板采购资源缺乏的情况下多采用堆焊的结构形式。

实例4：初底油-减渣换热器BES900-1.3/1.2-215-6/25-2。固定管板（φ997×68）和浮动管板（φ890×68）在基层16MnⅢ的两侧双面堆焊，其中管程侧堆焊3mm E309L + 3mm E347L，而壳程侧堆焊3mm E309L +5mm E347L，并且浮动管板的周围柱面及钩面也按管程侧堆焊厚度堆焊。

堆焊不锈钢管板的制造工艺较复合不锈钢管板为繁杂并具难度。首先堆焊前要求对堆焊试件进行评定：堆焊层缺陷和不结合度、侧弯试验、剖面层下裂纹、堆焊厚度、硬度、化学成分及铁素体FN、耐蚀性及抗剥离等项目；然后根据经堆焊评定合格的工艺进行正式堆焊：基体表面加工处理→MT→堆焊过渡层→消除应力热处理→PT→堆焊面层→PT、UT→加工处理→堆焊层厚度和密封面硬度测量、复层化学成分及FN核查；同时尚要采取措施防止管板因堆焊翘曲变形，以保证堆焊后管板的平面度，进而达到复层厚度的均匀性符合设计要求，尤其是管板密封环面及隔板槽面的堆焊质量控制；而现有的UT检测手段，难免存在对堆焊缺陷的漏检，管板堆焊层内的气孔、夹渣、裂纹、不结合区等缺陷又无法通过PT检测而被完全发现，当管板的密封面及隔板槽、管孔加工后，漏检的缺陷可能显现出来，这给检查与修复造成了困难，成为使用的安全隐患。为此，建议设计应探讨选用整体不锈钢管板的可能性，至少在实例的管板厚度不太厚且管/壳程具有腐蚀的工况下，选用整体不锈钢管板较双面堆焊管板更为安全可靠。

4 结束语

随着炼化装置长周期运行日益需要不锈钢管壳式换热器的增加，承受管/壳程双重压力与温度载荷及介质腐蚀的管板成为设计关注的焦点，合理选择管板的不锈钢结构形式不仅关系换热器建造的经济性，而且更影响换热器制造的可靠性与使用的安全性。

1）整体不锈钢管板在介质环境苛刻的工程应用中已被设计所看重，表面上较碳钢或低合金钢复合或堆焊不锈钢管板的材料成本高，但实际上却方便制造并使用可靠，可避免诸如复合不锈钢管板未结合区处理的麻烦或堆焊不锈钢管板的繁杂工艺且不易保证复层厚度的均匀性——由此偏离设计要求降低安全使用性能而影响长周期运行。所以，在管/壳程双面腐蚀或壳程介质腐蚀碳钢或低合金钢严重或与碳钢或低合金钢不相容时宜选用整体不锈钢管板，尤其是在管板厚度相对较薄时更应探讨整体不锈钢管板的可能性。

2）复合不锈钢管板用于管程的防腐蚀较壳程的防腐蚀更为安全可靠，在采购资源丰富的前提下不失为理想的选择而符合经济性。但管板的厚度偏差、平面度及未结合区等问题尚需设计与制造合理考虑。

3）堆焊不锈钢管板多见于浮头式或U形管式不锈钢换热器，尤其是管/壳程都具腐蚀的工况，并在压力或温度较高时管板厚度较厚且通常为锻件，在双面复合板采购资源缺乏的情况下多采用双面堆焊的结构形式。但由于繁杂的堆焊工艺及变形等问题潜在着与设计要求的偏离而影响安全使用性能，建议在管板的碳钢或低合金钢厚度较不锈钢厚度相差不悬殊的情况下应考虑选用整体不锈钢管板的可能性。

参考文献

[1] GB 150—2011 压力容器[S].

[2] GB 151—2014 热交换器[S].

[3] HG 20581—2011 钢制化工容器材料选用规定[S].

[4] 崔勃.大直径管板不锈钢带极的堆焊工艺[J].中国特种设备安全，2011，27（7）：22-23.

[5] 冷光荣．爆炸焊接双面复合不锈钢管板的工艺研究[J]．江西冶金，2008，28（6）：6-7.

[6] NB/T 47002.1—2009 压力容器用爆炸焊接复合板第1部分：不锈钢-钢复合板[S].

收稿日期：（2015-07-28）

作者简介：李崇勇(1982～)，男，本科，压力容器制造工艺员，工程师，现从事压力容器建造工作。

文章编号：1673-257X(2016)03-0024-03

DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2016.03.005

中图分类号:X933.4

文献标识码：B