高承压大型板式热交换器的研制

金雪梅, 朱海舟

(兰州兰石换热设备有限责任公司,兰州 730050,E-mail:jinxuemei0908@163.com)

可拆卸板式热交换器其传热效率高,结构紧凑,占地面积小,维修简单等的优点,是加热、冷却、热回收等用途的优良节能设备[1-2]。随着城市飞速发展的需求,可拆卸板式热交换器在集中供热系统中已被大量采用。大型热源厂、热电厂等供热源离城市供热区域均比较远,供热半径的覆盖范围越来越广。长距离输送的城市供热管网直径现已达到DN1400,继续加大管径进行热量输送,必会带来各种施工难度,面临一系列的问题。所以,利用现有的管网,增大供回水温差,可以提高管网的输送能力,但对隔压换热站(隔压站)中板式热交换器的要求就会越来越高。隔压站用可拆卸板式热交换器需要满足高温高压、热端流体大温降、冷端流体大温升的条件,其承压能力和组装面积随着隔压站参数的需求也在不断增大[3]。

隔压站用板式热交换器的设计压力普遍为2.5 MPa～3.0 MPa(NB/T 47004.1-2017标准规定的最高设计压力为3.0 MPa),单台换热面积普遍较大,达到了2 000 m2。未来设计压力将达到3.0 MPa～4.0 MPa,单台组装面积将超过3 000 m2。本文就笔者参与研制的兰石换热某系列承压能力更高、组装面积更大、热效率更高的大型隔压站用板式热交换器,从设计、制造、检验、试验等方面做了介绍,该板式热交换器的相关参数如表1所示。

表1 研制的高承压板式热交换器参数

1 板型设计

1.1 板片局部结构的优化

大型板式热交换器由于板片的长和宽的尺寸较大,板面本身的不平度大,板片成型后有不同程度的翘曲和局部应力集中。不同板型压制过程中,板片原材料会发生收料不一致的问题,这不仅影响板片的成型精度,板片组装后也会影响产品的密封性。板式热交换器的板片是由介质进出口(角孔)、回流区、导流区、保护区、主传热区、泄漏糟、悬挂口几部分组成[4],详见图1。

图1 板片结构

板片保护区的二道密封部位为承压最薄弱的区域,它的结构直接影响板片承压能力。为提高承压能力,一般是在二道密封区域点焊加强条。但由于这种结构在热交换器运行时容易聚集污垢,尤其是在高温高压的情况下,板间流速高,运行温度高,该部位的污垢容易引起板片发生点腐蚀,造成板片穿孔。高承压大型板式热交换器板片设计时,在二道密封区域,设计了两道高为0.05 mm的加强筋,加强筋各部位圆滑过渡,既提高了密封槽刚性和板片的平整度,同时避免了板片在二道密封区域点焊加强条造成的板片污垢的聚集问题,提高了整机的承压能力。板片二道密封槽波纹截面如图2所示。

图2 板片二道密封槽波纹截面

1.2 板片成型(强度)模拟分析

板片设计使用冲压分析仿真软件,对板片冲压成型过程中的成型、起皱、回弹等方面进行模拟分析(见图3、图4),通过补偿技术及设计经验来保证成型后的平面度。分析结果表明:优化后板片二道密封处的强度明显增加,优化后板片平整度较优化前明显改观,板片平整度较好,精度更高。

图3 板片减薄率分析云图

图4 板片成型性分析云图

对板片模型进行流场分析,通过数值模拟计算结果显示,板片模型的流速和压力分布均匀,综合性能较好,见图5。

图5 板片流场分析云图

1.3 板片材料选择

高承压大型板式热交换器主要应用于隔压站,介质一般为水-水换热。一般情况下,介质中Cl-浓度小于200 mg/L时,可选用316/316L或304/304L型不锈钢。几种不锈钢在含氯离(Cl-)的水溶液中的适用条件见表2[5]。

表2 不锈钢在含氯离(Cl-)的水溶液中的适用条件/(mg·L-1)

根据隔压站所用介质工况,选用成型性能和耐腐蚀性能较优的ASME SA-240 316L[6]材料。考虑到设计压力为3.5 MPa,为了提高产品的承压能力,板片厚度保守选用0.8 mm,材料硬度不能低于HB150。常规材料与研制产品板片的性能对比,见表3。

表3 常规材料与研制产品板片的性能对比

2 密封垫的设计

橡胶密封垫是板式热交换器的核心零部件,决定了板式热交换器的使用寿命。橡胶密封垫片的结构和材料性能直接影响板式热交换器的承压能力。研制的某系列板型由于长宽比大,密封周长较长,又要承受高压力,对垫片的要求较高。为此,我们对垫片截面结构进行了优化设计,选用了密封性能更佳的线密封结构,垫片与板片连接采用镶嵌垫结构。 垫片材料选用了高硬度三元乙丙橡胶{7}。根据试验结果,常规三元乙丙橡胶密封垫硬度为80IRHD,承压能力极限在3.9 MPa左右,而高硬度三元乙丙橡胶密封垫硬度为90RHD,承压能力更高。

利用软件对橡胶垫片模型的力学特性进行有限元分析,对橡胶密封垫片截面形状和厚度以及摩擦系数与介质压力载荷(初压和增压)对密封性能的影响分析[8-10]。初压缩后等效应力云图(图6)、增大加压后等效应力云图(图7)和初压缩后接触应力云图(图8) 、增大加压后接触应力云图(图9)为其中一种密封垫截面初压和增压的分析对比情况。

图6 初压缩后等效应力云图

图7 增大加压后等效应力云图

图8 初压缩后接触应力云图

图9 增大加压后接触应力云图

分析表明,相同厚度的线密封截面、梯形截面、弧形截面,其厚度压缩比相同,面积压缩比随着形状变化而增大,接触应力大致相当。即在保证有效密封的情况下,线密封截面的等效应力最小,密封效果最佳。通过试验,笔者推荐的设计(试验)压力和截面形状对应关系见表4。

表4 推荐设计(试验)压力和截面形状对应关系

3 框架设计与计算

3.1 产品结构

高承压大型板式热交换器由七大部件构成,主要是带垫板片(板片和密封垫组合)、固定压紧板、活动压紧板、拉杆、上导杆、下导杆和立柱,产品结构图如图10。

图10 隔压站用大型板式热交换器结构图

高承压大型板式热交换器采用了大长宽比及大单板换热面积的系列型产品,组装板片数可达1 000片,有充足的换热流道长度及换热面积,实现了高温高压、热端流体大温降、冷端流体大温升的换热。因设计压力3.5 MPa超出了NB/T47004.1-2017《板式热交换器第1部分:可拆卸板式热交换器》的范围(≤3.0 MPa),参考该标准进行结构设计计算。

固、活压紧板材料选用Q345B,应有足够的厚度,保证产品在高压状态下不发生可见变形;拉杆的材料(夹紧螺柱材料为35CrMoA)高强度合金结构钢并调质处理;上、下导杆和立柱材料为Q235B,是框架稳定的主要支撑件,设计时应充分考虑其刚度、强度和稳定性[11-12]。因产品重心偏高,产品底部应设置安装底座,便于起吊、运输和现场安装。

3.2 应力分析计算

3.2.1 产品结构

某系列高承压大型板式热交换器换热面积大、板片数多、承压高,其自身的净重超过30吨,按照常规产品的结构设计计算方法不能完全满足对框架刚性的校核。考虑到产品的在框架组装、水压试验过程中由于框架刚性不够会产生失稳现象而变形。所以,对产品整机建模,用软件进行应力分析计算[13]。

内部载荷:设计压力、产品自重和充水重外载荷:接管载荷见表5。

表5 研制产品的接管载荷[4]

3.2.2 计算模型

用壳单元模拟固定压紧板与活动压紧板,将板片质量平均分配到固定压紧板与活动压紧板上;用梁单元模拟上导杆、下导杆、立柱、拉杆。有限元模型见图11。

图11 有限元模型图

3.2.3 板壳型构件的评定限值

按照ASME B&PVC-Ⅷ-1 UG-23,板式热交换器板壳型构件的容许一次应力限制如表6所示。

表6 板壳型构件应力限值

3.2.4 线型构件的评定限值

按照ASME B&PVC-Ⅲ-NF,线型构件的容许一次应力限制及相关材料的应力限值列于表7。

表7 线型构件的容许一次应力值[6]

3.2.5 计算结果及应力评定[14]

按照ASME B&PVC-Ⅷ-1分卷的相关规定对产品进行应力评定。如果应力计算值与规范规定的应力限值之比小于等于1,则设备应力分析结果满足规范要求。

通过计算,固定压板、活动压板在设计工况下的应力结果见表8。

表8 固定压板、活动压板应力计算结果

评定结果表明该板式热交换器在内、外部载荷组合(设计压力、接管载荷、自重和充水重)作用下满足ASME规范的相关要求。

利用软件对上导杆、下导杆进行试验压力下的稳定性计算。经计算,上导杆的第一阶屈曲模态如图12所示。上导杆的第一阶屈曲载荷因子为3.3,大于1。下导杆的第一阶屈曲模态如图13所示。下导杆的第一阶屈曲载荷因子为10.2,大于1,均满足稳定性要求。

图12 上导杆第一阶屈曲模态

图13 下导杆第一阶屈曲模态

4 制造和试验要求

4.1 制造

高承压大型板式热交换器的制造应满足图纸、工艺、规程、技术标准的要求。

(1) 板片

板片的精度直接影响产品的承压能力和热工性能,板片精度的控制是板式热交换器制造的核心。根据经验,越大型的板片,精度要求应该越高,采用多缸压机压制大型板片,板片精度优于单缸或双缸压机压制的板片。因316L材料板片原材料表面有钝化膜保护,但由于化学侵蚀、或剪板、压制过程中保护不当,产生机械损伤,表面钝化膜被破坏,受到破坏的部位在这种高温高压的环境下更易产生局部应力腐蚀[15]。所以,板片制造过程中,应采取板片双面贴膜进行保护,延长产品使用寿命。

(2) 密封垫

控制密封垫的厚度和硬度,硬度对承压能力影响很大,硬度高,承压能力越强。

(3) 上、下导杆

由于产品板片数较多,上下导杆应有足够的长度容纳所需板片,并能够在维修时轻松拆装板片,导杆的长度会超过6 m,甚至更长,在加工制造过程中必须控制其直线度,保证板片定位准确。

(4) 板片组装

对于大型板片,板片的组装是制造过程中的关键控制点。因为板片大而薄,上面覆有密封垫,组装时需多人协作完成,以防止板片和密封垫的磕碰和划伤。组装过程中应逐张检查板面清洁度、密封垫的复位情况及有无其他夹杂物等,任何一点的疏忽都将会导致超高水压试验的失败。

4.2 水压试验

为了充分验证某系列高承压大型板式热交换器的承压能力和板片的耐压极限,笔者编制了《高承压大型板式热交换器水压试验操作规程》,规定了水压试验的安全操作要求及试验压力、试验步骤等。对某系列样机进行了多次试验,试验压力从4.21 MPa开始,逐步上升,每次试验合格后上升0.1 MPa,单侧循环试压,直至产品发生泄漏。通过多次试验,某系列样机(板片数800片)两侧的试验压力最高为4.81 MPa合格,对应的设计压力为3.7 MPa。

5 结论

通过对某系列高承压大型板式热交换器的研制,说明了高承压大型板式热交换器的设计和制造不同于常规产品,设计和计算时要充分考虑框架的刚度和稳定性,加工制造过程中要保证细长杆的直线度,组装过程中要检查仔细,大型板式热交换器底部应设置底座,在产品的组装和调运过程中对产品的稳定性有很重要的作用。某系列高承压大型板式热交换器的研制成功,为高承压领域热交换设备的研发提供了强有力的技术保障,说明国内换热器的生产正在逐步缩小与国外先进水平的差距,中国板式热交换器正在沿着大型化、国产化、高参数化方向不断前进[16]。

可拆卸板式热交换器有其自身的缺陷,金属板片之间安装橡胶密封垫,橡胶密封垫通过夹紧螺柱和压板的压紧力实现密封。若组装面积过大,板片数过多、压力过高,其密封失效风险相应会增加,不利于后期的检维修。所以,笔者建议用户在隔压站设计初期,综合考虑现场的情况,采用多台并联的方式实现换热需求,减小风险。