波形膨胀节在热交换器中的应用

赵恩宏，亓成刚，毕文娟

(1.中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071；2.威海石岛重工有限公司，山东 威海 264300)

热交换器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，在各行业中得到了普遍应用。其中，在炼油、化工装置中热交换器占总设备量和设备投资的40%左右[1]。

波形膨胀节是由波纹管、加强件、辅助套箍、内衬筒等件组成。波形膨胀节的补偿性能是由波纹管决定的。波形膨胀节具有工作可靠、性能良好、结构紧凑等优点，在热交换器中广泛应用。

本文主要介绍了波形膨胀节在固定管板式热交换器、浮头式热交换器中的应用，并对设计过程中应注意的事项进行阐述。

1 波形膨胀节

GB/T16749-2018《压力容器波形膨胀节》中规定压力容器用波形膨胀节的型式主要有：无加强U形、加强U形或Ω形[2]。根据操作工况及设计条件，波形膨胀节可以设计为单层或者多层。其中U形膨胀节刚度小，补偿变形能力好，在实际工程中应用最为广泛，但其承压能力相对较低。在热交换器工作压力较高时，可采用多层膨胀节或者外加强膨胀节。

2 波形膨胀节在固定管板式热交换器中的应用

图1 带波形膨胀节的固定管板式热交换器

固定管板式热交换器的管板、换热管、筒体通过焊接，组成一个整体。在设备运行时，管、壳程间存在温差应力，可能引起设备的破坏，对设备的安全运行造成隐患。因此，在固定管板计算时，当壳体轴向应力、换热管轴向应力、换热管与管板拉脱力，有一个不合格时，就需要考虑设置膨胀节。如图1示，依靠波形膨胀节轴向伸缩的弹性补偿，吸收壳体与管束间的温差应力。

波形膨胀节的设计计算主要包括：应力计算及校核(主要有受压件的周向薄膜应力、子午向薄膜应力、子午向弯曲应力等)，轴向刚度和轴向位移计算，平面失稳及柱状失稳压力计算，疲劳寿命校核(适用于奥氏体不锈钢、耐蚀镍合金及镍-铬合金材料)，外压校核(需要时)等[2]。

波形膨胀节的几何参数主要有单层壁厚，波高，波长，层数，波数等。在设计中通过各几何参数的调整，改善波形膨胀节的应力状况，使波形膨胀节既有足够的强度，又能提供需要的“挠性”，从而设计出较合理的结构。

考虑到波形膨胀节成型及加工制造的成本，波形膨胀节的尺寸规格优先参考GB/T16479-2018《压力容器波形膨胀节》中推荐的膨胀节几何尺寸。

通过设置波形膨胀节，可以有效降低固定管板式热交换器的温差应力，从而降低管板计算厚度，减少制造成本。但同时增加了膨胀节及其焊接成本，因此需要综合考虑设备的安全性能，制造成本，进行合理设计[3]。

3 波形膨胀节在浮头式热交换器中的应用

固定管板式热交换器、U形管式热交换器以及多管程浮头式热交换器是应用最为广泛的管壳式热交换器。当管、壳程两侧温差较大，且两侧介质都易结垢时，以上三种热交换器形式由于结垢不易清洗，影响换热性能，一般选用填料函式热交换器。但填料函式热交换器密封不够严密，不适用于易挥发、易燃易爆、有毒以及贵重介质的场合[4-5]，在石油化工行业使用较少。

与普通多管程浮头式热交换器相比，单管程浮头式热交换器在球冠形封头处增加了波形膨胀节、夹持板等可拆式连接结构，与设备管程出口相连，如图2所示。这种结构避免了管程介质在浮头处的折流，减少结垢。通过采用膨胀节结构，既可以补偿管、壳程温差产生的位移，又可以解决密封泄露的问题。由于便于拆卸，易于清洗，得到了广泛应用。

图2 单管程浮头式热交换器膨胀节结构

由于波形膨胀节同时接触管、壳程介质，腐蚀裕量应为管、壳程两侧腐蚀裕量之和。为获得较高的补偿能力，波形膨胀节一般采用较薄的厚度。奥氏体不锈钢具有优良的耐蚀性，因此，波形膨胀节的材质优先选用奥氏体不锈钢。当奥氏体不锈钢材质不适用时，可选择其他耐蚀材料。若设备设计条件较高，还可以根据设备实际操作条件，选择压差设计。在满足设备安全使用的前提下，降低设备成本。

波形膨胀节计算的需要确定管、壳程间的膨胀差：

e=(αtΔTt-αsΔTs)L

其中：e为管程与壳程的膨胀差；αt/αs分别为换热管/壳程筒体在设计温度与20℃之间的平均线膨胀系数，可由GB/150.2-2011附录表B.14查取；ΔTt/ΔTs分别为管程设计温度/壳程设计温度与环境温度的温度差；L为波形膨胀节两侧固定端长度。

根据热交换器操作工况和设计条件，首先计算出管、壳程间的最大膨胀差，然后选择合适的波形膨胀节(可优先选择GB/T16479-2018中推荐的膨胀节规格)，波形膨胀节总位移量应大于计算的管、壳程间的最大膨胀差。确定完波形膨胀节规格后，根据热交换器操作工况和设计条件，对波形膨胀节进行强度、刚度等计算。

固定管板式热交换器波形膨胀节设置在壳程筒体上，操作过程中便于监控。而单管程浮头式热交换器波形膨胀节设置在设备内部，不便于监控波形膨胀节的使用情况，对设备的安全运行造成隐患，尤其是管、壳程介质出现混合后会引起严重损失场合。此时可以采用双层膨胀节，在膨胀节处增加检测装置，实现对膨胀节的实时监测。在膨胀节出现损坏或者泄露的情况下，及时对设备进行检修[6]。

4 结语

波形膨胀节在固定管板式热交换器、浮头式热交换器中的应用较为广泛，本文对波形膨胀节在设计过程中的相关问题进行了讨论。设计者应根据设备操作工况及设计条件，确定合适的材料，并通过计算，优化波形膨胀节的参数，做到既安全可靠，又经济合理。