鈦材換熱器管程結構設計

李思遠

（東北石油大學機械科學與工程學院，163318）

0 前言

原油-初頂油氣換熱器（E-301A/B）是某石化公司一套常減壓裝置安全節能改造項目的設備。該換熱器為浮頭式換熱器，換熱器型號BIU1450-3.1/2.1-530.2-4500/25-2I總重23140kg，管程介質初定油氣，殼程介質原油，換熱管材質TA1，管箱筒體及隔板材質TA1+Q345R復合板，管板材質復合鍛件16Mn Ⅲ+TA1，管箱法蘭密封面材質TA10。本文主要通過對原油-初頂油氣換熱器（E-301A/B）的設計，詳細闡述了幾個關鍵部位的結構設計，介紹在設計過程中總結的一些設計經驗。

1 設計參數見表1

表1 原油-初頂油氣換熱器設計參數

2 選材

因換熱器管程介質是初頂油氣(操作溫度在80～150℃左右),初頂油氣含有HCl、H2S、HCN、HN3和H2O， 不銹鋼在此介質中腐蝕較為嚴重，而鈦的耐蝕性能卻表現的非常良好，故管程材質選用鈦材。

3 結構設計

3.1 鈦材性能特點

鈦是非常活潑的金屬，高溫下與碳、氫、氧、氮等有很強的 ，鈦材制造焊接時，開始大量吸氫，生成氫化鈦、碳化鈦、氧化鈦、氮化鈦等脆性化合物，從而降低鈦的塑性與韌性.導致脆裂。鈦一旦沾然鐵離子即變脆，產生焊接裂紋。由于鈦材的性能特點，設計中應充分考慮到。

3.2 管箱筒體結構設計

由于鈦材較貴，管箱筒體選用鈦襯里結構，此結構用于介質壓力由筒體材料承受，復合鈦層只承受介質的腐蝕，其主要缺點是隔板結構較為復雜。

3.3 管箱法蘭結構設計

在換熱器設計中，管箱法蘭參考JB4703-2000中襯環凹凸密封面法蘭結構，襯環材質為TA10，其結構如圖1所示。把法蘭本體（材質為16Mn Ⅲ）與襯環連接處加工出一個寬10mm，深度3mm的環形槽，槽里面填進鈦墊板，然后把法蘭襯筒與襯環對接焊，法蘭襯環與法蘭本體聯接采用鈦制沉頭螺釘連接，然后氬弧焊將螺釘密封，襯環與法蘭本體的密封采用銀釬焊。此種結構設計，既能保證介質不與碳鋼接觸，又能保證襯里和基層以及密封面的密封性。

圖1 管箱法蘭結構

3.4 管箱接管法蘭結構設計

管箱法蘭參考HG/T 20615-2009中襯環密封面法蘭結構，結構與管箱法蘭相似，不同之處在于接管法蘭與接管襯筒是一件。其結構如圖2所示。

圖2 管箱接管法蘭結構

3.5 管箱分程隔板結構設計

根據原油-初頂油氣換熱器（E-301A/B）工藝條件，分程隔板兩側壓力差為0.05Mpa,根據GB151-1999中5.2.3分程隔板厚度的計算公式，如果為純鈦隔板，其隔板厚度為28mm，隔板與管箱筒體焊接時只能與復層焊接，在工作狀態下焊縫處筒體復層容易脫落，且純鈦隔板厚度大造價較高。考慮刀隔板的受力狀況及經濟性，本設計中隔板采用雙面復合鋼板，隔板與管板及平蓋的隔板槽連接處設置一段純鈦隔板，并在隔板上設置一淚孔，隔板與管箱筒體基層焊接，既保證了隔板的焊縫強度，又保證了隔板與隔板槽之間的密封。

3.6 換熱管與管板連接結構設計

換熱管與管板常用的連接形式為脹接、焊接、脹接加密封焊。脹接可以承受較高的壓力，但溫度升高造成脹接殘余應力的松弛，換熱管的脹口泄漏；焊接最然可以耐更高的溫度，但在循環應力的作用下，焊口極易產生疲勞裂紋，而且不能完全避免縫隙腐蝕；焊接結構的換熱管與管板連接需用拉脫力一般在60Mpa以上，而脹接許用的拉脫力只有3Mpa，考慮管板鈦層與基層的抗剝離強度，設計采用液壓脹加密封焊的連接方式（見圖3），此連接方法尤其適合于復合管板與換熱管的連接。這樣既可防止管程介質對管板的間隙腐蝕，又可以提高接頭的抗疲勞性能。

圖3 復合管板與換熱管的連接結構

4 結束語

通過對原油-初頂油氣換熱器（E-301A/B）結構設計上的一系列措施，使鈦材換熱器滿足工藝要求，同時發揮了鈦材換熱器本身耐蝕的特點，在以后的鈦材換熱器領域的應用前景廣闊。

[1]黃嘉琥，應道宴.鈦制化工設備［M］.北京；化學工業出版社，2002.

[2]全國壓力容器標準化技術委員會.GB 150.1～150.4-2011鋼制壓力容器［S］.北京；中國標準出版社，1998.

[3]全國壓力容器標準化技術委員會.GB 151-1999 管殼式換熱器［S］.北京；中國標準出版社，1999.

[4]全國壓力容器標準化技術委員會.JB/T 4745-2002 鈦制焊接容器［S］.昆明；云南科技出版社，2003.