内翅片管填函式热交换器主要元件的设计

任军辉

（宝塔国际石化工程技术有限公司珠海分公司，广东 珠海 519050）

内翅片管填函式热交换器主要元件的设计

任军辉

（宝塔国际石化工程技术有限公司珠海分公司，广东 珠海 519050）

换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。随着压力容器大型化、高参数、长周期的趋势，相应的提高了压缩机的负荷，为了将压缩机与设备之间的流体的温度降下来和回收热能，都需要换热设备来完成。当换热效率较低时，换热设备就要占用更多的场地和消耗更多的材料，随着大型换热器的使用需求增加，出现了大面积换热器的制造难度大，安装难度也很大的问题。为了用小型设备来完成大型换热器才能完成的换热任务，可以采用提高换热效率的办法。用内翅片管换热器能够将换热设备的总体尺寸大幅减小，可以节省占地面积和节约金属能耗。

内翅片管；O形密封圈；隔板；非标设备法兰

1 结构设计

填函式换热器既可以做成立式也可以做成卧式，结构形式非常灵活，卧式布置的时候，用鞍式支座支撑；立式布置的时候，支座一般选裙座支撑，当然裙座上段筒节的材质应与罐体封头材质相同。内翅片管由基管和内翅片组合而成，没有氯离子腐蚀的情况下基管和芯管通常用不锈钢管制作，内翅片一般用导热性能良好的铜片轧制而成。当然在氢气介质中或其他不宜用铜材的情况下翅片则要选用铝片或不锈钢片来制作，翅片的选材要根据管程介质的物理和化学性质来确定。因为管壁越薄，换热效果越好，为了提高换热效率，基管通常为壁厚为1mm的不锈钢管，管内外流体通过管壁及翅片进行热交换。因为机基管内还要装翅片和内管，而翅片约在内管两边各占用 6mm左右的空间，内管一般用的是 11.7mm左右的一端堵住的无缝管，所以除了换热管要承受中高压的情况之外，基管的外径一般为 28mm，这与普通的 DN20公制无缝钢管的外径不同，需在钢厂定制。

翅片管热交换器由于在管内加翅，增加了换热面积，促进了流体的湍流，传热系数比光管可提高2～4倍，同样的热负荷时，壳体直径或长度也可以减小很多。本文的内翅片管的形式为纵向翅片，因为换热管插入管板内的部分不参与管壳程流体之间的热交换，所以基管的两端可以不需要布置翅片。为取得最佳传热性能，管束常用正三角形排列方式，如图1。

2 圆筒的设计

图1

换热效率提高以后，设备往往可以做得小巧，因而大量的壳体都可以选用无缝钢管，一般选用厚壁管，圆筒的最小厚度按 GB/T151-2014中 7.1.3.2的规定进行设计。外壳用 20钢管时应符合 GB 9948-2013 《石油裂化用无缝钢管》的要求，16Mn外壳应符合 GB 6479-2013《高压化肥设备用无缝钢管》的规定，不锈钢外壳宜按 GB 13296-2013 《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》的规定要求。

3 设备法兰的设计

设备公称直径可以做得很小以后，就可以用钢管来制作壳体，但是在设计设备法兰的时候却宜参照NB/ T47020～ NB/T47023的要求进行设计 ,这是因为管法兰螺栓中心圆较大，且螺栓中心圆离法兰外圆之间的间距也偏大，以致螺栓安装以后和法兰外圆之间剩余的空隙过多，而且管法兰选用的单个螺栓通常也比设备法兰用的螺栓规格要大，任意两个螺栓之间的环向间隙也比标准设备法兰用的螺栓之间的间隙要大，因而管法兰不如设备法兰结构紧凑。由于壳体采用无缝钢管，而无缝钢管的公称直径都只是和钢管的内径接近，在NB/T47021~NB/T47023中设备法兰的公称直径都是整百或以 50mm为进级档，也就是说钢管的内径和 NB/ T47021中标准设备法兰的内径不同，因而找不到相同内径的标准设备法兰来直接选用，所以要对设备法兰进行设计。设计法兰的时候可以参照标准设备法兰进行设计，法兰的螺栓规格可以用直径相临近的标准设备法兰的螺栓规格，螺栓中心圆值可以先计算无缝钢管内径和标准设备法兰内径的差值Δ，然后用标准中的螺栓中心圆的数值加上Δ，就可以得到要设计的法兰的螺栓中心圆值，法兰的外径也可以按标准的外径值加上Δ，法兰的参数都确定下来后，还要对设计的法兰进行应力校核和刚度校核。

若法兰的设计压力超出标准中甲型法兰的公称压力，如果仍要设计甲型法兰，则法兰选用螺栓的规格及数量可以参照 NB/T47022或者 NB/T47023中相同压力等级下标准设备法兰选用的螺栓规格和数量，其他尺寸的修改也与上面相同，法兰的参数都确定下来后，也要通过应力校核和刚度校核后才能最终确定。

当然当设计压力较高的时候，还是尽可能的选用长颈对焊设备法兰，由于 NB/T47023中标准设备法兰的内径和我们用的无缝钢管的内径值不相同，也存在一个要设计非标法兰的问题，除了和设计甲型法兰时利用标准设备法兰的螺栓和螺栓中心圆或对法兰外径修正的问题之外还有一个利用标准法兰中的锥颈的问题，确定法兰的直边段的外径后，然后将设备法兰的整个锥颈（过渡段）复制过来作为要设计的法兰的锥颈，过渡段的圆弧半径和斜度及直边段长度都不变。过渡段的目的是保证结构连续性和焊接的需要。法兰的参数都确定下来后，然后对设计的设备法兰进行应力校核和刚度校核，若满足要求就可以确定下来了。

注意法兰计算时未扣除C2的。所以刚度校核合格后还要将与介质接触的表面加上腐蚀裕量。

对长颈对焊法兰，应注意：当工作压力大于或等于 0.8倍标准中规定的最大允许工作压力时，法兰与圆筒的对接焊缝必须进行 100%的 RT或 UT，合格级别为RTⅡ级、UTⅠ级。

4 设备法兰和管板的密封面设计

大管板夹在两片开了凹面止口的设备法兰之间，管板两端面都做成全平面，设备法兰与管板贴合的凹面上开环槽，然后在环槽内装上O型密封圈，当O形密封圈的直径为 5.7mm的时候，槽深一般为 3.5mm，槽宽一般为 6mm，如图2所示。

图2

5 垫片的选用

垫片宜用非金属垫片；一般选用O形圈，除了温度限制必须满足之外，对于这种小公称直径的换热器，O 形圈可以用到的压力较其他管壳式换热器用的普通形状的垫片，能承受的压力要大得多，这种O形圈一般用于 200℃以下是没问题的，如果遇到特殊工况，选用氟橡胶O形圈就可以了。O形圈是线密封，而且因为是非金属材料，可塑性好，能够填平密封面上的显微结构，密封可靠。

6 泄漏信号结构的设计

填函式换热器的缺点是容易发生泄漏，如何才能发现管程和壳程之间是否发生了串通呢？一般可以在小管板的外周上设置一个环，这里称这个环为隔板，安装的时候，隔板被两边的设备法兰夹紧。在隔板两端的内孔处开一个 4×5°的坡口（锥面），作为直径为 5.7mm的 O形圈的密封斜面，然后在隔板外周上开两个对称的径向泄漏孔，不管是管程还是壳程侧的密封圈发生泄漏，流体都会从法兰和小管板外周之间的小环隙流向这个泄漏孔，就能在巡查的时候发现设备故障了，如图3所示。

图3

7 结语

本文介绍了抽芯式换热器主要结构的设计，因为非标元件较多，特别是要进行非标设备法兰的设计，在设计法兰的时候，可以对标准设备法兰的一些参数进行适当的调整，选定这些参数后，再进行应力校核和刚度校核。用O型圈来实现大管板侧的径向密封和小管板侧的轴向密封，这种密封结构比普通填函式的密封结构更加可靠。这种换热器常用于气气换热或气液换热，一般用于工作温度在 200℃以下工作，如果要用于更高的工作温度工况下，理论上只要O型圈的耐热温度能够满足要求就可以。轧卷成型后的内翅片经组装工具装入基管后，相当于贴胀在基管内壁和行管外壁上，结构稳定。

[1]GB/T151-2014.热交换器 .北京：中国标准出版社，2015,3. [2]陈志平编著 .过程设备设计与选型基础 [M].杭州：浙江大学出版社，2005.9.

[3]钱颂文主编 .换热器设计手册 [M].北京：化学工业出版社，2002.8.

[4]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，2003.5.

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