热交换器失效分析及工程设计要点

摘要：管壳式热交换器是工业装置中大量使用的设备，种类很多。本文围绕热交换器失效分析及工程设计要点，从热交换器失效分析、热交换器工程设计要点等方面出发，探讨了热交换器实效和设计等问题。

关键词：管壳式热交换器;管板;失效分析

一、前言

管壳式热交换器是工业装置中大量使用的设备，根据温度、压力、介质等使用条件的不同可以选择不同的结构形式，如固定管板式热交换器（或称固定式热交换器）、浮头式热交换器、填函式热交换器、U型管换热器等。GB/T151《热交换器》为热交换器基础产品标准。

二、热交换器失效分析

1.压力容器失效分析

GB/T151《热交换器》的绝大部分内容适用于金属制管壳式热交换器，设计时遵循GB/T150要求，设计人员应考虑容器在使用中可能出现的所有失效模式，并提出防止失效措施。

国际标准ISO16528-1：2007boilers and pressure vessels将压力容器的失效模式归纳为三大类、13种。GB/T150着重考虑了其中的5种失效模式，分别是脆性断裂、韧性断裂、接头泄露、弹性或塑性失稳以及蠕变断裂。对于腐蚀失效模式，由于工程应用中腐蚀情况差别极大，因此GB/T150没有给出明确的方法。

GB/T30579-2014《承压设备损伤模式识别》提出了承压设备的损失模式和识别方法，给出了25种常见介质或類型的腐蚀减薄及其主要预防措施，有助于设计人员对损伤、腐蚀失效模式的考虑。

2.热交换器失效分析的考虑

管壳式热交换器作为热交换设备，通常拥有两个独立的受压腔室，因此与一般的单腔室压力容器相比，增加相关受压原件失效的考虑。

管板和换热管连接接头失效的考虑。该接头若失效会造成管程介质和壳程介质混合，可能会产生较大危害，因此需进行考虑。

管板和换热管两侧的介质的压力和温度不同，这个特点应纳入其失效模式的考虑中，如两侧的压差较大、温差较大，可能导致的超压力失效或刚性不足。

三、热交换器工程设计要点

1、工艺设计要点

工艺设计的原则是在保证安全的前提下，提高换热性能。从工程角度，其设计要点主要包括以下方面：

首先，按照保障安全和兼顾经济性的原则，进行热交换器的选型。例如，当选择固定管板热交换器时，若兼顾开车的吹扫工况可能需设膨胀节，因此需综合判定此时所选类型是否合适。又如单管程浮头，若壳体直径较大且在类似装置无成功使用经验，则选型时需慎重。

其次，确保数据表中结构参数合理。原则上，数据表中规定的结构，能确保流体不发生诱发振动;对于防冲结构、放空放净等对换热性能有影响的特殊要求，也应在数据表中明确。

此外，工艺数据中一般没有明确管板和换热管的金属温度或设计温度，此问题在双管板设计中显得尤为突出。

2、设备设计要点

对于热交换器独有的各元件，设计时应进行相应考虑。

（1）管板设计

管板作为热交换器中重要的受压元件，其在压力作用下的强度是重点关注的内容之一。GB/T151给出了U形管热交换器、浮头式热交换器以及固定管板式热交换器的常用结构形式的管板设计计算方法。不同结构形式的热交换器管板，由于载荷情况、支撑条件、边界约束的不同，其强度计算模型也不相同。

U形管换热器仅有一块管板，标准中给出了六种不同形式的连接结构，其计算模型是把管板作为承受均布载荷且受管孔均匀削弱的当量圆平板，计算方法中考虑了管板周边不布管区对管板应力的影响。

对于浮头式热交换器和填函式热交换器GB/T151仅提供（a）型连接结构，其固定端的管板大多数是以螺栓、垫片夹持在壳程法兰和管箱法兰之间。其计算模型是把管板的布管区视为弹性基础上、受管孔均匀削弱的圆平板，管板外周不布管部分视为环板，整个管板周边为简支，承受均布载荷。对于其他连接形式的管板按JB4732标准进行设计。

在固定式热交换器而言，GB/T151定量地考虑了以下几个因素对管板应力的影响：

1）管板周边不布管（环板）的存在对管板应力的影响;2）壳程圆筒（和法兰）、管箱圆筒（和法兰）、螺栓、垫片系统对管板边缘转角的约束作用;3）当管板的延长部分兼做法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响;4）当计算管板的弹性应力时，区别压力载荷和法兰力矩引起的一次弯曲应力以及管、壳程间热膨胀差引起的二次应力，并以不同的许用值加以限定。

（2）其余元件的考虑

热交换器设计时，还需对防冲板、分程隔板、管板和换热管连接接头形式、放空放净结构进行结构设计，确保满足工艺要求和生产安全。对于高参数，特殊结构热交换器设计应在设计阶段做好失效分析并在设计方案上进行考虑，比如：对于压力较低的大直径薄管板，重束质量对管板强度的影响;高温高压下密封结构等，需要在设计阶段需要注意。

四、结论

管板是管壳式热交换器的主要零件之一。管板的合理设计，对于正确选择和节省材料、减少加工制造工艺困难、降低成本、确保使用安全都具有重要意义。因此，必须对管板强度进行正确分析，以合理确定管板厚度。

参考文献：

[1].GB/T151《热交换器》

[2] HG/T20581-2011《钢制化工容器材料选用规定》

作者简介：

钱媛（1980-）女，汉，辽宁盘锦人，中油辽河工程有限公司，工程师，本科学历，现从事化工设备与机械设计工作。