內翅片管填函式熱交換器主要元件的設計

任軍輝

（寶塔國際石化工程技術有限公司珠海分公司，廣東 珠海 519050）

內翅片管填函式熱交換器主要元件的設計

任軍輝

（寶塔國際石化工程技術有限公司珠海分公司，廣東 珠海 519050）

換熱器是一種實現物料之間熱量傳遞的節能設備，是在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業普遍應用的一種工藝設備。隨著壓力容器大型化、高參數、長周期的趨勢，相應的提高了壓縮機的負荷，為了將壓縮機與設備之間的流體的溫度降下來和回收熱能，都需要換熱設備來完成。當換熱效率較低時，換熱設備就要占用更多的場地和消耗更多的材料，隨著大型換熱器的使用需求增加，出現了大面積換熱器的制造難度大，安裝難度也很大的問題。為了用小型設備來完成大型換熱器才能完成的換熱任務，可以采用提高換熱效率的辦法。用內翅片管換熱器能夠將換熱設備的總體尺寸大幅減小，可以節省占地面積和節約金屬能耗。

內翅片管；O形密封圈；隔板；非標設備法蘭

1 結構設計

填函式換熱器既可以做成立式也可以做成臥式，結構形式非常靈活，臥式布置的時候，用鞍式支座支撐；立式布置的時候，支座一般選裙座支撐，當然裙座上段筒節的材質應與罐體封頭材質相同。內翅片管由基管和內翅片組合而成，沒有氯離子腐蝕的情況下基管和芯管通常用不銹鋼管制作，內翅片一般用導熱性能良好的銅片軋制而成。當然在氫氣介質中或其他不宜用銅材的情況下翅片則要選用鋁片或不銹鋼片來制作，翅片的選材要根據管程介質的物理和化學性質來確定。因為管壁越薄，換熱效果越好，為了提高換熱效率，基管通常為壁厚為1mm的不銹鋼管，管內外流體通過管壁及翅片進行熱交換。因為機基管內還要裝翅片和內管，而翅片約在內管兩邊各占用 6mm左右的空間，內管一般用的是 11.7mm左右的一端堵住的無縫管，所以除了換熱管要承受中高壓的情況之外，基管的外徑一般為 28mm，這與普通的 DN20公制無縫鋼管的外徑不同，需在鋼廠定制。

翅片管熱交換器由于在管內加翅，增加了換熱面積，促進了流體的湍流，傳熱系數比光管可提高2～4倍，同樣的熱負荷時，殼體直徑或長度也可以減小很多。本文的內翅片管的形式為縱向翅片，因為換熱管插入管板內的部分不參與管殼程流體之間的熱交換，所以基管的兩端可以不需要布置翅片。為取得最佳傳熱性能，管束常用正三角形排列方式，如圖1。

2 圓筒的設計

圖1

換熱效率提高以后，設備往往可以做得小巧，因而大量的殼體都可以選用無縫鋼管，一般選用厚壁管，圓筒的最小厚度按 GB/T151-2014中 7.1.3.2的規定進行設計。外殼用 20鋼管時應符合 GB 9948-2013 《石油裂化用無縫鋼管》的要求，16Mn外殼應符合 GB 6479-2013《高壓化肥設備用無縫鋼管》的規定，不銹鋼外殼宜按 GB 13296-2013 《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》的規定要求。

3 設備法蘭的設計

設備公稱直徑可以做得很小以后，就可以用鋼管來制作殼體，但是在設計設備法蘭的時候卻宜參照NB/ T47020～ NB/T47023的要求進行設計 ,這是因為管法蘭螺栓中心圓較大，且螺栓中心圓離法蘭外圓之間的間距也偏大，以致螺栓安裝以后和法蘭外圓之間剩余的空隙過多，而且管法蘭選用的單個螺栓通常也比設備法蘭用的螺栓規格要大，任意兩個螺栓之間的環向間隙也比標準設備法蘭用的螺栓之間的間隙要大，因而管法蘭不如設備法蘭結構緊湊。由于殼體采用無縫鋼管，而無縫鋼管的公稱直徑都只是和鋼管的內徑接近，在NB/T47021~NB/T47023中設備法蘭的公稱直徑都是整百或以 50mm為進級檔，也就是說鋼管的內徑和 NB/ T47021中標準設備法蘭的內徑不同，因而找不到相同內徑的標準設備法蘭來直接選用，所以要對設備法蘭進行設計。設計法蘭的時候可以參照標準設備法蘭進行設計，法蘭的螺栓規格可以用直徑相臨近的標準設備法蘭的螺栓規格，螺栓中心圓值可以先計算無縫鋼管內徑和標準設備法蘭內徑的差值Δ，然后用標準中的螺栓中心圓的數值加上Δ，就可以得到要設計的法蘭的螺栓中心圓值，法蘭的外徑也可以按標準的外徑值加上Δ，法蘭的參數都確定下來后，還要對設計的法蘭進行應力校核和剛度校核。

若法蘭的設計壓力超出標準中甲型法蘭的公稱壓力，如果仍要設計甲型法蘭，則法蘭選用螺栓的規格及數量可以參照 NB/T47022或者 NB/T47023中相同壓力等級下標準設備法蘭選用的螺栓規格和數量，其他尺寸的修改也與上面相同，法蘭的參數都確定下來后，也要通過應力校核和剛度校核后才能最終確定。

當然當設計壓力較高的時候，還是盡可能的選用長頸對焊設備法蘭，由于 NB/T47023中標準設備法蘭的內徑和我們用的無縫鋼管的內徑值不相同，也存在一個要設計非標法蘭的問題，除了和設計甲型法蘭時利用標準設備法蘭的螺栓和螺栓中心圓或對法蘭外徑修正的問題之外還有一個利用標準法蘭中的錐頸的問題，確定法蘭的直邊段的外徑后，然后將設備法蘭的整個錐頸（過渡段）復制過來作為要設計的法蘭的錐頸，過渡段的圓弧半徑和斜度及直邊段長度都不變。過渡段的目的是保證結構連續性和焊接的需要。法蘭的參數都確定下來后，然后對設計的設備法蘭進行應力校核和剛度校核，若滿足要求就可以確定下來了。

注意法蘭計算時未扣除C2的。所以剛度校核合格后還要將與介質接觸的表面加上腐蝕裕量。

對長頸對焊法蘭，應注意：當工作壓力大于或等于 0.8倍標準中規定的最大允許工作壓力時，法蘭與圓筒的對接焊縫必須進行 100%的 RT或 UT，合格級別為RTⅡ級、UTⅠ級。

4 設備法蘭和管板的密封面設計

大管板夾在兩片開了凹面止口的設備法蘭之間，管板兩端面都做成全平面，設備法蘭與管板貼合的凹面上開環槽，然后在環槽內裝上O型密封圈，當O形密封圈的直徑為 5.7mm的時候，槽深一般為 3.5mm，槽寬一般為 6mm，如圖2所示。

圖2

5 墊片的選用

墊片宜用非金屬墊片；一般選用O形圈，除了溫度限制必須滿足之外，對于這種小公稱直徑的換熱器，O 形圈可以用到的壓力較其他管殼式換熱器用的普通形狀的墊片，能承受的壓力要大得多，這種O形圈一般用于 200℃以下是沒問題的，如果遇到特殊工況，選用氟橡膠O形圈就可以了。O形圈是線密封，而且因為是非金屬材料，可塑性好，能夠填平密封面上的顯微結構，密封可靠。

6 泄漏信號結構的設計

填函式換熱器的缺點是容易發生泄漏，如何才能發現管程和殼程之間是否發生了串通呢？一般可以在小管板的外周上設置一個環，這里稱這個環為隔板，安裝的時候，隔板被兩邊的設備法蘭夾緊。在隔板兩端的內孔處開一個 4×5°的坡口（錐面），作為直徑為 5.7mm的 O形圈的密封斜面，然后在隔板外周上開兩個對稱的徑向泄漏孔，不管是管程還是殼程側的密封圈發生泄漏，流體都會從法蘭和小管板外周之間的小環隙流向這個泄漏孔，就能在巡查的時候發現設備故障了，如圖3所示。

圖3

7 結語

本文介紹了抽芯式換熱器主要結構的設計，因為非標元件較多，特別是要進行非標設備法蘭的設計，在設計法蘭的時候，可以對標準設備法蘭的一些參數進行適當的調整，選定這些參數后，再進行應力校核和剛度校核。用O型圈來實現大管板側的徑向密封和小管板側的軸向密封，這種密封結構比普通填函式的密封結構更加可靠。這種換熱器常用于氣氣換熱或氣液換熱，一般用于工作溫度在 200℃以下工作，如果要用于更高的工作溫度工況下，理論上只要O型圈的耐熱溫度能夠滿足要求就可以。軋卷成型后的內翅片經組裝工具裝入基管后，相當于貼脹在基管內壁和行管外壁上，結構穩定。

[1]GB/T151-2014.熱交換器 .北京：中國標準出版社，2015,3. [2]陳志平編著 .過程設備設計與選型基礎 [M].杭州：浙江大學出版社，2005.9.

[3]錢頌文主編 .換熱器設計手冊 [M].北京：化學工業出版社，2002.8.

[4]秦叔經，葉文邦等編 . 化工設備設計全書 換熱器 [M].北京：化學工業出版社，2003.5.

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1671-0711（2017）07（下）-0121-03