管殼式換熱器換熱管與管板的特殊連接結(jié)構(gòu)

姜紅梅，王 微，胡玉梅

（北京廣廈環(huán)能科技有限公司，北京 100083）

換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備，而管殼式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備。管殼式換熱器主要失效為管板與換熱管的連接失效，因此，換熱管與管板的連接是保證換熱器安全的最關(guān)鍵技術(shù)之一，合理選用安全可靠的管接頭型式，使用相應(yīng)的加工設(shè)備與技術(shù)是換熱器制造的關(guān)鍵。

目前廣泛采用的焊接、脹接及脹焊并用等傳統(tǒng)連接方式不能滿足實(shí)際工程中出現(xiàn)的特殊工況，在傳統(tǒng)連接方式的基礎(chǔ)上采用不同的換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)，來滿足工程中不同工況的特殊要求。

1 換熱管與上管板的連接結(jié)構(gòu)

管程冷凝的立式管殼式換熱器在工程中占有相當(dāng)?shù)谋壤瑩Q熱管與管板采用焊接連接時(shí)，換熱管伸出管板外表面為2.5mm以上，當(dāng)管程物料為易燃易爆、有毒或腐蝕性介質(zhì)時(shí)，這就使得運(yùn)行及停車時(shí)排凈管程物料非常困難，造成連接接頭處的腐蝕。目前工程中解決此問題的方案主要有3種，一是設(shè)備整體輕微傾斜，這將涉及所有進(jìn)出口法蘭密封面的傾斜，給安裝帶來很大困難；二是上管板的管頭結(jié)構(gòu)要求換熱管端部與管板表面齊平，這樣管孔端面的坡口加工和焊接比較困難；三是將上管板設(shè)計(jì)成不等厚的斜面管板，讓殘液從較高的一側(cè)向較低的一側(cè)流動(dòng)，集中從管口高度最低的幾個(gè)管口排凈，這種斜面結(jié)構(gòu)會(huì)引起流體分布不均，且由于管板強(qiáng)度和剛度的不對(duì)稱而引起應(yīng)力不對(duì)稱分布。

為解決上述問題，且滿足設(shè)備在運(yùn)行及停車時(shí)能排凈管程物料，采用排液管板，即上管板的普通管接頭與管口位置相對(duì)較低的特殊焊接結(jié)構(gòu)相結(jié)合的連接方式。上管板的絕大多數(shù)管接頭采用外伸角接頭焊接結(jié)構(gòu)（見圖1），個(gè)別管接頭采用內(nèi)角接頭或?qū)觾?nèi)孔接頭焊接結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)備直徑大小確定個(gè)別管接頭的數(shù)量（不少于4個(gè)），且均勻分布。管板上的冷凝液在短板效應(yīng)的作用下，從管口位置相對(duì)較低的特殊管接頭的換熱管中迅速排凈，從而防止積液，避免腐蝕介質(zhì)對(duì)連接接頭的腐蝕，及易燃易爆、毒性介質(zhì)帶來的安全隱患。且由于特殊管接頭的換熱管數(shù)量有限，不會(huì)明顯增加生產(chǎn)制造的難度和費(fèi)用。

圖1 管接頭型式

2 換熱管與管板的的活性連接結(jié)構(gòu)

隨著石化工業(yè)的發(fā)展，近年來開發(fā)了許多特殊材料的換熱器，多采用高級(jí)耐腐蝕金屬，如用于海水、氯堿、C法尿素合成及醋酸等行業(yè)中的鈦換熱器，可解決腐蝕及壽命的問題。由于鈦與其它金屬不具備可焊性，多采用鈦管與全鈦管板或鈦復(fù)合管板，大大提高了設(shè)備成本。另外，當(dāng)換熱管發(fā)生腐蝕穿孔或換熱管損壞時(shí)（每年因換熱管損壞或結(jié)垢堵塞而更換管束的換熱器達(dá)1 000臺(tái)左右），由于焊接結(jié)構(gòu)，個(gè)別換熱管不能更換，只能堵塞，隨著設(shè)備使用時(shí)間的增長，堵管數(shù)增多，直至更換管束，更換管束時(shí)也很難再利用原有管板，從而造成設(shè)備維修維護(hù)費(fèi)用的增加。

為解決這一問題我們采用鑄鐵管板代替全鈦或鈦復(fù)合管板，換熱管與管板之間采用活性連接的非焊接連接結(jié)構(gòu)。當(dāng)價(jià)格較低、抗腐蝕性能較差的鑄鐵管板腐蝕后，可重新制作鑄件管板，而鈦換熱管仍可繼續(xù)使用，從而延長換熱管的使用壽命，從長期使用角度考慮，設(shè)備制造及使用成本可明顯降低。

本活性連接技術(shù)借鑒了純堿行業(yè)的鑄鐵塔冷卻段的鑄鐵管與水箱的“O”形圈連接結(jié)構(gòu)，采用耐腐蝕的“O”形橡膠密封圈，以及擋圈和楔形止推圈非焊接方式。雙重“O”形圈起到密封作用，楔形止推圈可防止“O”形圈脫出，設(shè)備運(yùn)行過程中由于壓差、溫差及振動(dòng)等因素，止推圈和“O”形圈的會(huì)發(fā)生脫落，為了防止此種情況的發(fā)生，在伸出鑄鐵管板端部的鈦換熱管的外側(cè)面，開設(shè)徑向圓槽，圓槽內(nèi)加一固定擋圈，進(jìn)一步保證止推圈和“O”形圈良好的密封性能，由此延長設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的維護(hù)和運(yùn)行成本。見圖2、3。

圖2 鑄鐵管板與換熱管連接型式

圖3 鑄鐵管板與換熱管連接型式

鑄鐵管板與換熱管間“O”形圈結(jié)構(gòu)的活性連接，關(guān)鍵技術(shù)是管板管孔的結(jié)構(gòu)、“O”形圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及“O”形圈和止推圈的材料選擇。由于“O”形密封圈是一種自動(dòng)雙向作用密封元件，安裝時(shí)其徑向和軸向方面的預(yù)壓縮賦與“O”形密封圈自身的初始密封能力，它隨系統(tǒng)壓力的提高而增大。對(duì)于軸用密封，“O”形圈內(nèi)徑和被密封直徑d間的偏差盡可能小，在壓力作用下，“O”形圈產(chǎn)生彈性變形，隨著壓力增大，會(huì)出現(xiàn)永久的塑性變形。此結(jié)構(gòu)所能承受的水壓試驗(yàn)壓力控制在1.0MPa內(nèi)。

擋圈選用標(biāo)準(zhǔn)擋圈（參考標(biāo)準(zhǔn)號(hào)GB894.2－86），擋圈與管板之間留有一定的間隙，且要大于等于換熱管的受熱膨脹量，并小于止推圈的厚度，來保證“O”形圈在壓差和溫差的作用下仍能保持密封狀態(tài)。

經(jīng)過對(duì)此連接結(jié)構(gòu)的不同材料“O”形圈密封比壓、不同管徑換熱管及管板的測試，能承受最大壓力等實(shí)際性能測試，對(duì)管板孔的結(jié)構(gòu)、“O”形圈的內(nèi)外直徑等參數(shù)、楔形止推圈的結(jié)構(gòu)、專用工裝等進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鈦換熱管與鑄鐵管板的連接。適用的換熱管規(guī)格一般為φ25×2.5～φ45×2.5，管板厚度為δ≥50mm。

如圖2、3，換熱管伸出管板端部外側(cè)面的切槽尺寸如表1所示。

表1 換熱管伸出管板端部外側(cè)面的切槽尺寸

3 結(jié) 語

隨著能源日趨緊張，節(jié)能減排必不可少，因此，排液管板是用于物料在管程冷凝的立式換熱器上的理想結(jié)構(gòu)，該技術(shù)具有很高的性價(jià)比，應(yīng)用前景廣泛；目前，廢熱利用、天然氣凈化和分離、海水淡化、海洋溫差發(fā)電、余熱回收、地?zé)崂玫缺徽J(rèn)為是環(huán)保陽光行業(yè)，得到了國家政策的鼓勵(lì)和支持，在這些行業(yè)中會(huì)大量用到鈦材換熱器，采用此活性連接技術(shù)可在滿足腐蝕要求的情況下，延長了設(shè)備使用壽命，且節(jié)約了運(yùn)行成本、降低了設(shè)備制造成本。

［1］ GB151－1999，管殼式換熱器［S］

［2］ 韓 軍.立式管程冷凝換熱器排液管板［P］.實(shí)用新型專利.200820109806.4

［3］ 高緒杰.高彈性連接的列管式石墨熱交換器［P］.實(shí)用新型專利.99205880.5