分离式双管板热交换器的设计及制造要点

许 伟

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

管壳式热交换器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，在石油化工等行业中应用广泛。其主要由管箱、壳程筒体和管束部件组成，管箱侧多为单管板结构，即管、壳程介质分别位于管板两侧，如果管板与换热管的连接失效或者换热管本身发生损坏，则管程和壳程介质就会发生窜漏。管板与换热管的连接失效也是实际生产操作中热交换器最常遇到的问题。而双管板热交换器可在换热管本身不发生损坏泄漏的情况下，有效解决因换热管与管板连接失效而导致管、壳程介质窜漏的问题。在管、壳程介质窜漏对工艺流程或产品质量造成重大影响的场合，如引起催化剂、吸附剂失效，引起聚合或引发爆炸，导致化学反应受限或终止等，双管板热交换器应运而生。GB/T 151—2014(以下简称GB/T 151)也首次纳入了双管板的设计计算章节。双管板结构一般可应用于固定管板式和U形管式热交换器。根据双管板连接结构整体性程度，可分为整体式、连接式和分离式3种形式。整体式和连接式双管板间的隔离腔均为封闭式结构，适用于管、壳程介质严禁泄漏到大气中的情况；而对于要求不能互窜的一般介质，可采用分离式双管板结构。双管板的连接结构见图1，其中δ1为外管板厚度，δ2为内管板厚度，δe为连接元件厚度，g为隔离腔长度。

本文结合工程实例讨论分离式双管板热交换器的设计及制造要点。

图1 双管板的连接结构

1 工程实例

1.1 设计参数

某装置中抽出液塔底重沸器(E-308)公称直径为DN800，有效换热面积133.7 m2，换热管规格φ25 mm×2.5 mm，排列形式为转角正方形排列，U形换热管直管段长6 350 mm，设计参数见表1。

1.2 热交换器结构设计

根据工艺流程，管程介质一旦泄漏到壳程介质中，会引起后续的吸附塔中吸附剂含水量超标，影响吸附剂性能，故该热交换器采用分离式双管板结构，以避免管、壳程介质的窜漏。为了便于管束抽出清洗，内、外管板均兼做设备法兰，分别与管箱法兰、管箱侧法兰通过螺柱相连，结构示意见图2。

该热交换器设计采用分离式双管板结构，在内、外管板间无刚性连接壳体，为避免双管板间换热管在运输、安装和操作过程中损坏，设置了可拆的分瓣式隔离腔保护壳。保护壳不应限制内、外管板的膨胀。保护壳覆盖绝热材料后能有效地稳定隔离腔内空气温度，缓和内、外管板的温度差。

表1 E-308 设计参数

图2 E-308结构示意

1.3 内、外管板的强度计算与校核

内管板按照GB/T 151 f型(GB/T 151中图7-3)U形管式热交换器管板的计算方法进行强度计算。隔离腔压力(0 MPa)作为内管板的管程设计压力。该工程实例的内管板与f型管板的差异为管板没有与管箱圆筒连接，内管板计算时不考虑管程圆筒的影响。为了检验内管板与换热管强度胀的可靠性，将壳程侧水压试验压力由0.7 MPa(按GB/T 150.1—2011中4.6.2.2条的计算值)提高到1.4 MPa，还应校核水压试验工况下的各壳程受压元件【1】。

外管板可按照GB/T 151 e型(GB/T 151中图7-3)U形管式热交换器管板的计算方法进行强度计算。隔离腔压力(0 MPa)作为外管板的壳程设计压力。该工程实例的外管板与e型管板的差异为管板没有与壳程圆筒连接，外管板计算时不考虑壳程圆筒的影响【1】。

双管板结构也可采用有限元分析方法进行设计【2-3】。对热交换器有限元模型来说，由于其零部件多，模型单元和节点数量庞大，因此计算工作量成倍增加。该工程实例中的热交换器规格较小、管板材料容易获得，同时内、外管板厚度不仅须保证强度上的本质安全，还需考虑双管板热交换器的结构特殊性，内管板厚度还应能满足结构需要及强度胀接的可实施性，采用有限元分析方法优势不明显，所以设计时采用GB/T 151中的计算方法。外管板计算厚度大于内管板计算厚度，设计时内、外管板取相同的厚度，即管板名义厚度取123 mm，法兰凸台处厚度取112 mm。

1.4 内、外管板间距g的确定

内、外管板的间距g(隔离腔长度)确定一般应考虑以下几方面因素：

1) 从环境温度过渡到操作温度时，两管板金属温度差异使管板径向位移不同，内、外管板的间距g的长短会影响因此产生的管板附加应力大小。如果内、外管板间距过小，管板与换热管连接处会产生较大的附加应力从而导致密封失效，这也是GB/T 151中有关g值的计算公式和要求主要考虑。

2) 采用管板兼做法兰的结构时，内、外管板间距g需满足安装与检修的需要，保证管板紧固件上紧与拆卸所需空间。

3) 耐压试验或气密试验时，内、外管板间距g需要满足便于观察换热管与管板连接处是否有泄漏发生，并进一步确定泄漏点的要求。

4) 若内、外管板间距g过大，则不利于内管板与换热管的强度胀接，制造厂在进行强度胀接时需要增加胀杆长度、制作专用工装等，会增加保证足够的胀度与胀接均匀性的难度。

5) 内、外管板之间的换热管不与壳程介质接触，不参与工艺介质的换热，内、外管板间距过大意味着无效换热管长度增加，不利于整台热交换器的经济性。

连接式双管板和分离式双管板的内、外管板间距g可根据GB/T 151中公式(7-135)和(7-136)进行计算，其中公式(7-136)关于内、外管板之间径向热膨胀差Δr的计算是影响内、外管板间距g计算结果的最主要参数，内、外管板平均金属温度是最为关键数值。但是内、外管板，隔离腔形成的温度场不易确定，导致其平均金属温度的确定更为困难。本文所述的实例，隔离腔设置了可拆式保护壳，外面覆盖绝热层，隔离腔内空气流动性不强，计算时外管板平均金属温度按244 ℃ 考虑，内管板平均金属温度按182 ℃考虑，内、外管板间距按GB/T 151中公式(7-135)计算的值约为178 mm，设计取g=190 mm，计算结果偏于保守。

2 分离式双管板热交换器的制造要点

2.1 换热管

换热管本身不发生损坏是有效解决因换热管与管板连接失效而导致管、壳程介质窜漏的前提条件。设计要求：1)换热管应选用GB/T 9948—2013中冷拔或冷轧钢管。换热管尺寸精度应选用高级精度，外径允许偏差等还应符合《锅炉、热交换器用管订货技术条件》(NB/T 47019—2011)。2)逐根按GB/T 9948—2013进行液压试验，不允许用涡流检测和漏磁检测代替液压试验，且需切除检测盲区。化学成分、力学性能和工艺性能试验按GB/T 9948—2013执行。3)U形管弯制后逐根进行耐压试验，试验压力不小于热交换器管、壳程耐压试验压力的高值。4)穿管前，换热管管头端至内管板壳侧(含管板厚度)至少30 mm 长度范围内须除去铁锈和油污等，呈现原金属光泽。

2.2 换热管与管板的连接

2.2.1 管板加工的要点

1) 管板孔直径及粗糙度。管板孔直径及允许偏差应按照GB/T 151中Ⅰ级管束进行控制，制造时还应考虑到换热管实际的外径公差，必要时对管孔直径偏差进行调整，以控制换热管与管板孔的合理间隙。考虑到双管板结构的特殊性，管板孔表面粗糙度Ra应不大于12.5 μm，有利于保证内管板与换热管胀接接头的密封性。

2) 管板孔与管板密封面的垂直度要求。对厚度较大的管板或双管板，若管板孔垂直度超差，不仅不利于穿管，还会因管子弯曲变形对胀管产生附加应力，使得换热管与管板贴合不均匀，从而影响换热管与管板连接处的质量。因此，管板孔加工时应严格垂直于管板密封面。其垂直度允差在GB/T 151中未作明确要求，设计、制造时一般可按照GB/T 1184—1996中9级公差等级，本文案例根据管孔深度，要求管板孔与密封面垂直度允差0.12 mm。同时，为了便于穿管，内、外管板管孔宜同时配钻。

2.2.2 外管板与换热管的连接

外管板与换热管连接采用强度焊加贴胀的连接方式，一般为先焊后胀。换热管与管板的焊接应按照NB/T 47014—2011进行焊接工艺评定，采用评定合格的焊接工艺进行焊接。换热管与管板焊接熔合线长度一般应大于等于1.4倍的换热管公称厚度。焊接时，可采用确保根部熔透的点焊固定或采用不加润滑剂的轻度贴胀将换热管固定在管板孔中，以保证换热管与管板孔的同心度和换热管伸出管板长度满足设计要求。焊接时宜采用惰性气体保护焊，优先采用自动氩弧焊，每个管接头焊接时应至少焊两道，每道的起弧点之间的夹角不应小于120°，每一道均应为连续焊。焊后应对所有管接头按NB/T 47013.5—2015进行渗透(PT)检测，灵敏度按C级、质量检测等级Ⅰ级为合格。由于双管板结构难以从隔离腔对外管板与换热管的接头进行耐压或泄漏试验，为保证焊接接头的质量，可在管接头每焊完一道后，进行一次渗透(PT)检测，检测合格后应将留下的印记清理干净，保证不影响下一道的焊接。所有管接头检测合格后，方可进行换热管与管板的贴胀。

外管板与换热管先焊接后贴胀的顺序主要是考虑机械滚胀润滑油渗入接头缝隙，很难清除干净，会对后续焊接接头质量会产生不利影响；另一方面，胀管区可能堵塞焊接时的排气通道，增加了焊接接头中生成气孔的可能性；再者，如果管接头需要进行焊后热处理，则应在热处理后才能进行胀接。因此，设计时要求采用先焊后胀的工艺。由于管接头不需要进行热处理，在实际制造过程中，如果制造厂采用液压胀工艺，也可先进行换热管的胀接，但胀接长度应到管板孔坡口根部。

2.2.3 内管板与换热管的连接

1) 强度胀工艺评定

换热管与内管板由于结构原因无法施焊，其胀接质量需同时保证拉脱力和密封性满足要求。所以换热管与内管板的强度胀接成为了整个双管板热交换器制造过程中最大的难点。

在产品胀接前应进行强度胀接工艺评定以获取合适的胀接参数。胀接工艺评定的一般步骤为：a)根据胀管器设备情况选择强度胀方式，一般为机械胀或液压胀。b)根据强度胀方式确定管板胀槽结构尺寸。c)根据产品换热管和管板材料、规格以及加工经验等确定强度胀的胀度，对碳、钢低合金钢一般取6%～8%。d)制作模拟试样，应考虑双管板结构的特殊性，如内管板胀接槽距管头距离较长，试胀的试样应不少于3个。e)对胀接试样进行水压试验，水压试验合格后进行泄漏试验，并对发生泄漏的换热管接头适当增加胀接压力进行补胀。f)对胀接试样进行拉脱力试验，不小于4 MPa为合格。同时对试样进行解剖，观察胀口部分是否有裂纹等缺陷，并重点检查管板孔与换热管外壁的啮合情况，以一部分换热管金属嵌入到管板胀槽内为合格。

2) 产品强度胀接工艺

胀接前要先精确测量管头到内管板开槽的距离，此距离要根据管头伸出外管板的实际尺寸适当调整,防止胀错位置。胀接一般可采用分道次胀接法，具体如下: 第一道次按胀接工艺评定确定的参数值进行，第二道次按稍高于第一道次的胀接力进行。胀接时要按一定的顺序胀接,比如采用从上到下、从左到右的顺序, 或按换热管布局形式进行胀接, 可同时结合管板布管示意图做好标记, 防止漏胀。

3) 强度胀接机具【4】

强度胀一般有机械胀、液压胀、橡胶胀和爆炸胀等方式，石油化工行业多采用传统的机械胀以及液压胀两种方式。机械胀的原理是利用电动等动力旋转芯轴，通过滚子沿芯轴周向旋转，使芯轴挤入换热管内表面迫使管内径扩大，达到胀接的目的；液压胀又称柔性胀，其胀管头是一段直径略小于换热管内径的芯棒，芯棒两端设置密封件，在密封件之间施加高压，使换热管发生塑性变形而胀接于管板孔内表面。在一般热交换器操作工况下，考虑到操作便利性和经济性，机械胀仍是目前最为普遍采用的胀接方式。本文案例的设计未明确强度胀的方式，制造厂可根据设备情况、加工经验，结合胀接工艺评定选择合适的胀接方式。

2.3 热交换器的耐压及泄漏试验

按图样试验压力分别对壳程和管程进行水压试验，除检查壳程和管程各焊接接头外，还应重点从隔离腔的空间检查换热管与内、外管板的连接质量。如果盛装介质毒性危害程度为极度或高度，还应进行泄漏试验。如前文所述，为了更好地检测换热管与内管板的胀接质量，在强度校核通过的前提下，设计时提高了壳程水压试验压力。由于定性判断是否泄漏相对容易实现，而确定泄漏的准确位置非常困难，因此，制造时要严格控制换热管与管板连接的质量。

3 建议

1) 双管板热交换器结构特殊，应合理选择材料以及结构型式，例如：a)如管程或壳程介质毒性危害程度为极度或高度，或者在大气中极小浓度下存在爆炸风险，则应选择整体式或连接式双管板结构。b)选材时应注意换热管与管板材料的硬度差，一般换热管比管板硬度低20～30 HBW为宜。 c)考虑到耐压或泄漏试验时能够更好地检查换热管与内、 外管板连接质量， 确定发生泄漏的换热管接头位置， 换热管排列形式宜为正方形排列。

2) 内、外管板平均金属温度是隔离腔长度g计算的重要因素，建议对炼化装置双管板热交换器常用场合的内、外管板金属温度进行实测，如设置表面热电偶等，以修正计算数据。

3) GB/T 151关于强度胀适用范围的要求应是针对单管板热交换器而言，双管板热交换器的内管板与换热管连接采用强度胀接结构时，应保证壳程设计工况满足强度胀适用范围的要求，而不是管、壳程设计工况同时满足强度胀适用范围的要求。

4) 从管箱侧检查管板与换热管焊接接头质量易于定位泄漏点。对于分离式双管板热交换器，若需要从管箱侧检查外管板与换热管焊接接头质量，可在隔离腔设置临时壳体(类似连接式双管板结构)【5】，从隔离腔进行耐压或泄漏试验。

4 结语

双管板热交换器可避免换热管与管板连接失效时管、壳程介质窜漏的风险，在炼化装置中得到了较多地应用。如某芳烃装置的抽余液和抽出液塔顶蒸汽发生器，为回收低温热、降低能耗，同时又要避免壳程中水或蒸汽窜到管程而影响到吸附剂的性能，首次使用了按本文所述的设计、制造要点制造的双管板热交换器。该装置从2013年底稳定运行至今，验证了本文论述的设计和制造要点的合理性。