雙管板換熱器的設(shè)計(jì)與制造

換熱器是在不同溫度物料之間進(jìn)行熱量傳遞的設(shè)備，其主要作用是維持或改變物料的工作溫度和相態(tài)，滿足工藝操作要求，提高過程能量利用效率進(jìn)行余熱回收。在換熱器設(shè)備中，管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛。在實(shí)際操作中換熱器的換熱管和管板連接處最容易發(fā)生泄漏,從而使殼程物料和管程物料有少許混合,而且這種泄漏目前還沒有有效的方法完全防止。在有些場合,某些泄漏是允許的,但在以下的場合,這些泄漏是不允許的：1）產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕；2）使一方物料產(chǎn)生嚴(yán)重的污染；3）產(chǎn)生燃燒和爆炸；4）產(chǎn)生固溶化,形成設(shè)備的污垢；5）使催化劑中毒,降低或消除催化劑的性能；6）限制另一程的反應(yīng)；7）使產(chǎn)品不純。在這些場合,我們通常采用雙管板換熱器,以減小泄漏，能有效防止兩種物料混合, 從而杜絕上述事故的發(fā)生。
    所謂雙管板換熱器就是在換熱器一端設(shè)有一定間隙的兩塊管板或相當(dāng)于有一定間隙的兩塊管板的換熱器。雙管板換熱器的結(jié)構(gòu)一般有兩種。一種為固定管板式換熱器, 一臺換熱器共有四塊管板。這種換熱器的殼程及管程中兩種介質(zhì)的流動方向?yàn)槟媪? 其傳熱系數(shù)較高, 傳熱效果較好。另一種為U型管式換熱器, 一臺換熱器共有兩塊管板。這種換熱器有一半管束管內(nèi)外介質(zhì)的流動方向?yàn)椴⒘? 另一半管束管內(nèi)外介質(zhì)的流動方向?yàn)槟媪? 因此其傳熱系數(shù)較低。　　
    示例：此再沸器為固定管板式的雙管板換熱器，換熱器的管、殼程物料接觸后會使物料固化，凝結(jié)在管壁上，故選用雙管板結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)如下表：
 
    表1 再沸器技術(shù)參數(shù)
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 




    由于此再沸器的管、殼程的操作參數(shù)比較高，前期設(shè)計(jì)制造的再沸器使用后一個月左右就泄漏，無法使用，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。為此從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造多方面進(jìn)行了改進(jìn)。
    設(shè)計(jì)
    鑒于該再沸器的高參數(shù)，及雙管板換熱器結(jié)構(gòu)的特殊性，在設(shè)計(jì)時，換熱管與管板的連接則是換熱器安全運(yùn)行的關(guān)鍵。在換熱器的內(nèi)管板處，兩側(cè)均與換熱管連接，必須采用強(qiáng)度賬接的形式，而此處又是密封殼程和固定換熱管的部位，該處強(qiáng)度賬接的質(zhì)量將直接影響整個設(shè)備的使用，尤其是在較高的操作條件下。脹接是靠管子的塑性變形和管板的彈性變形來達(dá)到密封和緊固的一種機(jī)械連接方法。對于換熱管的賬接通常有兩種，液壓脹和機(jī)械脹。
    液壓脹管時,脹接區(qū)的管子是在高液壓內(nèi)壓的作用下產(chǎn)生彈性變形,然后產(chǎn)生塑性變形而被擠壓到管板孔壁上。隨著壓力的增加,在管子與管板之間的接觸壓力作用下,管板首先產(chǎn)生彈性變形,然后產(chǎn)生塑性變形。壓力撤消后,如果管板的自由彈性恢復(fù)量比管子的大,就會在管子與管板之間產(chǎn)生殘余接觸壓力,實(shí)現(xiàn)脹接連接。這種賬接方式適合于操作壓力不高的情況，當(dāng)操作壓力大時，賬接的強(qiáng)度不足，并且在賬接的過程中所用的賬接的附件的損壞率也比較高。因此本臺雙管板換熱器采用機(jī)械賬。
    機(jī)械脹接是一種傳統(tǒng)的脹接技術(shù)，又稱為滾軋法，實(shí)施機(jī)械滾脹時，由脹珠脹撐滾壓管內(nèi)壁，管壁徑向擴(kuò)大，首先脹滿間隙，之后進(jìn)行緊脹，脹珠軋碾管內(nèi)壁，管壁被脹珠和孔壁擠壓，擠壓區(qū)中的局部管壁發(fā)生塑變；進(jìn)行徑向擴(kuò)大的同時，金屬軸向流動。孔壁在脹率小時，處于彈性狀態(tài)；脹率增大，孔端抗擠壓強(qiáng)度小，先塑性變形，成喇叭口；當(dāng)管外壁被脹珠擠壓，其接觸壓力使得管壁中間接觸區(qū)的局部層面開始塑性變形，產(chǎn)生徑向擴(kuò)大和軸向流動。層面之下的孔壁仍處于彈性狀態(tài)。施脹中，該層面上的變形隨同脹珠的螺旋運(yùn)動進(jìn)行變形過程，但每次重復(fù)，層面加深，層層深入。管壁和孔壁的受軋碾層面，晶粒破碎，晶格畸變，而硬度增加。撤去脹管器后,管端和板孔進(jìn)行回彈,由于管橋厚度遠(yuǎn)大于管壁而彈性變形量大,則管孔彈壓管端。此時,實(shí)現(xiàn)了以脹接的嚴(yán)密性、抗拉脫性的牢固性為目的的脹接要求,完成脹接。現(xiàn)在生產(chǎn)的機(jī)械脹管機(jī)運(yùn)用起來方便，并且效率也高。
    在GB151-1999 《管殼式換熱器》中,脹管槽的寬度規(guī)定為3mm, 但也指出,根據(jù)不同的脹接方法可以適當(dāng)修改。按通常方式圖樣中的內(nèi)側(cè)管板管孔的脹管槽寬度是3mm, 深度是0.5mm, 脹管槽距管板端面8mm, 脹管槽的尺寸鏈為8mm-3mm-6mm-3mm 如圖3所示。為解決本雙管板換熱器的操作壓力比較大的難題，我們增加了一個脹管槽，增大拉脫力的承載能力，將脹管槽的尺寸鏈改為8mm-3mm-6mm-3mm-6mm-3mm。      
    在對該換熱器的管板強(qiáng)度計(jì)算時，將固定雙管板換熱器分解成兩個固定管板換熱器,運(yùn)用SW6 固定管板換熱器模塊分別進(jìn)行計(jì)算。
    2.1首先不考慮殼程外管板的加強(qiáng)作用(即去掉殼程外管板) , 看成一個固定管板換熱器, 根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算殼程管板的厚度。
    2.2 將管程管箱設(shè)為一個管箱、聚液殼設(shè)為殼程(這里聚液殼作為殼程, 設(shè)計(jì)溫度取環(huán)境溫度、設(shè)計(jì)壓力按常壓, 取作0. 001MPa 因?yàn)槿? 無法計(jì)算) ,不考慮另一側(cè)管箱和雙管板的加強(qiáng)作用, 將剩下的部分設(shè)為另一個管箱(設(shè)計(jì)壓力和溫度按原殼程取) 。根據(jù)管程和殼程的不同溫度及壓力,分別計(jì)算殼程管板和殼程外管板的厚度。
    2.3 (最后, 殼程管板和殼程外管板分別取計(jì)算中的較大值,這樣保證固定管板的安全可靠。
    同時，為了改善內(nèi)管板強(qiáng)度脹的受力，在殼程又設(shè)置了兩個波形膨脹節(jié)。
    這樣在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)處進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到了提高設(shè)備使用能力的要求。
    試驗(yàn)
    為了保證脹接質(zhì)量, 我公司在脹管前做脹接評定試驗(yàn)。
    3.1試驗(yàn)準(zhǔn)備：首先制作模擬換熱器，其管板厚度按產(chǎn)品實(shí)際管板厚度確定, 管板間距、管孔排列形式按設(shè)計(jì)圖紙要求。管殼程管板間距、管孔尺寸、換熱管尺寸、管間距均與產(chǎn)品相符。模擬換熱器殼程筒體厚度應(yīng)能承受產(chǎn)品雙管板換熱器的殼程試驗(yàn)壓力。
    3.2試驗(yàn)過程：①測量內(nèi)管板1 管孔尺寸D 和脹前換熱管3 外徑d0 、內(nèi)徑di 和壁厚t ,見表2 ; ②根據(jù)要求, 強(qiáng)度脹接率p 應(yīng)控制在10 %～20 % ,由脹接率公式p = [ ( d - di) - ( D - d0) ]/ t ×100 %推算出脹后換熱管內(nèi)徑d 的范圍,脹接時,先將外管板4脹焊合格, 再根據(jù)d值對內(nèi)管板進(jìn)行強(qiáng)度脹接,記錄下脹管儀的扭矩M。
    3.3試驗(yàn)結(jié)果：對模擬換熱器進(jìn)行殼程水壓試驗(yàn),試驗(yàn)壓力5.85MPa, 經(jīng)檢查, 換熱管與管板連接處無任何泄漏現(xiàn)象,說明此脹接工藝能夠滿足該雙管板換熱器的強(qiáng)度脹接要求。
    制造
    控制4塊管板的同心度、平行度、扭曲度及其與殼體軸線的垂直度，可保障設(shè)備的制造質(zhì)量，也可保障換熱管與管板的連接性能。而確保內(nèi)側(cè)管板與換熱管液壓脹接的拉脫力和密封性及其檢驗(yàn)，是保證再沸器制造質(zhì)量的關(guān)鍵。
    4.1管板及折流板  為增加兩塊管板管板管孔及折流板管孔的對中性，在滿足制造能力的前提下，把折流板、兩組管板按工作位置順序定位焊焊好，再進(jìn)行劃線鉆孔。采用數(shù)控鉆床加工管孔, 以保證管孔直徑、垂直度及管孔間距。鉆孔時, 切削和退刀速度應(yīng)盡量慢, 以保證管孔的表面粗糙度為Ra3.2~Ra6.4, 鉆孔時還應(yīng)留有0.1mm的鉸孔余量。鉆孔后對管板孔進(jìn)行鉸孔, 以消除管孔上的縱向劃痕, 保證管孔的表面粗糙度為Ra1.6～Ra3.2。每塊折流板正、反面的管孔均要仔細(xì)倒角，清除毛刺，防止穿管時損傷管子的外表面。把雙管板和折流板按鉆孔的方向順序疊置，用換熱管逐孔預(yù)穿。　
    4.2管束與殼體組裝  在殼體內(nèi)組裝拉桿、折流板，并進(jìn)行穿管。先組對第1組雙管板，調(diào)整第1組雙管板與殼體的垂直度和同心度。在殼體內(nèi)把拉桿裝于內(nèi)側(cè)管板上，按鉆孔的順序組對折流板。每裝一塊折流板，就從外側(cè)管板密封面方向穿入梅花形的數(shù)組換熱管。其目的是自然調(diào)整折流板與管板的同心度。待用螺母緊固折流板之后，可從折流板朝外側(cè)管板方向穿入全部換熱管。最后組裝另一組雙管板，測量外側(cè)管板和內(nèi)側(cè)管板的同心度、平行度和扭曲度及雙管板之間距。穿入全部換熱管后，以外側(cè)管板面為基準(zhǔn)，調(diào)整換熱管伸出管板面的長度為2~3mm。雙管板與換熱管連接的順序?yàn)椋让浗觾?nèi)側(cè)管板與換熱管，后焊接外側(cè)管板與換熱管。
    4.3外側(cè)管板與換熱管焊接  按焊接工藝要求，采用氬弧焊，先焊接第1層，進(jìn)行壓力為0.05MPa的氣密性試驗(yàn)。然后采用氬弧焊再焊接第2層，進(jìn)行100%PT檢查。
    4.4壓力試驗(yàn)  首先按圖樣壓力進(jìn)行殼程的水壓試驗(yàn)，從隔離腔的空間檢查管子與內(nèi)側(cè)管板的連接質(zhì)量。殼程水壓試驗(yàn)合格后，組焊隔離腔使之成為密閉的腔體，按圖樣壓力進(jìn)行水壓及氣密性試驗(yàn)。最后對管程進(jìn)行氣壓試驗(yàn)。
    使用
    經(jīng)過從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造等一系列的嚴(yán)格運(yùn)行下，最終圓滿的完成了該再沸器的設(shè)計(jì)和制造，完成了最終的試驗(yàn)和檢驗(yàn)，并在設(shè)備使用中收到良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。