淺析浮頭式換熱器設計

王寧

（寧波華中工程設計有限公司，浙江 寧波 315000）

浮頭式換熱器應按照標準GB150-2011《壓力容器》、GB/T151-2014《熱交換器》的要求進行選材、設計、制造、檢驗、驗收及安裝和使用。

浮頭式換熱器一端管板與殼體固定，另一端管板可以在殼體內自由浮動；其優點如下。（1）因這種結構管束和殼體之間不會產生溫差應力，因此管殼程介質溫差不受限制。（2）浮頭蓋和鉤圈可以拆卸，管束可以抽出，方便設備的維修和管束的清洗。（3）可用于結垢比較嚴重的場合。（4）可用于管程易腐蝕場合。

但浮頭式換熱器結構比較復雜，而且在浮頭蓋和浮動管板密封墊處發生泄漏（無法知道泄漏情況）；因此，如果管殼程介質成分要求比較嚴格時，盡量不要選用浮頭式換熱器。浮頭式換熱器如圖1所示，是為寧波某化工企業節能降耗項目而設計的一臺雙殼程雙管程浮頭式換熱器。該換熱器主要是將塔側采出的成品熱二氯乙烷（～97℃）與裂解爐進料冷二氯乙烷進行充分熱交換后，達到降低成品二氯乙烷的溫度，提高裂解爐進料端二氯乙烷的溫度，從而減少系統中蒸汽消耗和循環水的使用量，以減少生產成本。

圖1 浮頭換熱器

1 浮頭式換熱器設計計算

1.1 工藝計算

換熱器的工藝計算有三種計算模式，即設計、模擬和校核計算。常用的是設計與校核計算模式；設計計算的目的是根據給定的工藝參數選擇換熱器類型并計算熱負荷，確定換熱面積和部分換熱器結構尺寸；校核計算的目的是對已有的換熱器，校核它是否滿足預定的換熱要求，這是屬于換熱器的性能計算問題。我們選擇設計計算模式對浮頭式換熱器進行工藝計算，工藝參數詳見表1。

表1 工藝參數

設備的結構數據如下：換熱器型式BFS，材質為碳鋼，換熱器直徑1000mm，換熱管選用φ19×2。換熱管的排列形式為正三角形排列。折流板的弓形缺口可取0．2～0．45倍的圓筒內直徑。數據輸入完成后，設計計算并查看計算結果。在reports中查看計算結果，首先看runtime messages，看有沒用輸入錯誤或操作問題；然后再查看rating data sheet計算結果數據，在該數據表中可以查看換熱器型式、換熱器的換熱面積、總熱負荷、管殼程壓降、設計裕量（overdesign）等參數。（表2是計算結果數據表的一部分）。

表2

查看工藝計算結果數據時要重點看以下幾個地方：（1）換熱器型式及換熱面積 。（2）管殼程壓降。管程或殼程壓降太大會造成整個系統壓力的增大，造成能源的浪費。（3）換熱器設計裕量（overdesign）當該值為負，則計算結果不能用；解決辦法是需增加換熱面積（增加換熱管數量、長度），因此結果中的設計裕量（overdesign）需為正值。如果工藝沒有要求該值一般在15%～20%；（4）振動。振動消除的措施：減少無支撐跨距、調整折流板間距或采用弓形區不布管。（5）管殼程流速。如果對計算結果不滿意，可以通過調整換熱器的結構數據（如換熱管數量、長度、直徑、管間距，折流板形式、間距及弓形缺口高度），來實現浮頭式換熱器的最優化設計。

1.2 結構設計

1.2.1 強度計算

表3是工藝計算后確定的浮頭式換熱器筒體內徑，換熱管尺寸、數量，折流板形式、間距等參數；殼程工作壓力 0．89MPa ，工作溫度進出口 97℃ /59．31℃；管程工作壓力2．12MPa ，工作溫度進出口44℃ /77℃；殼體材質為Q345R(GB713-2008)，管程材質為20無縫鋼管（GB9948-2006）和Q345R。

表3

浮頭式換熱器的管板（固定、浮動管板）、鉤圈、浮頭法蘭設計可以按照GB/T151-2014《熱交換器》中規定的結構尺寸進行設計計算；設備法蘭可以按標準NB/T47023-2012《長頸對焊法蘭》來選取；接管法蘭按標準HG/T20592～20635-2009選用。使用SW6-2011軟件進行浮頭式換熱器的強度計算，主要對筒節、封頭、管板（固定、滑動）、浮頭蓋與鉤圈、浮頭法蘭、法蘭及開孔補強等受壓元件進行計算。換熱器設計過程中還需注意介質的影響。本臺換熱器管殼程均為易爆介質（二氯乙烷），因此設計中需注意以下幾點。（1）選設備法蘭時建議選擇長頸對焊法蘭。（2）接管法蘭的公稱壓力等級選用應不低于1．6MPa。（3）接管與殼體之間的焊接接頭應采用全焊透結構。（4）需設置靜電接地板（材質為不銹鋼）。

1.2.2 縱向隔板密封結構

在標準 GB/T151-2014《熱交換器》第 6．8．4 節 雙殼程結構中有縱向隔板的相關規定。縱向隔板厚度設計為8mm厚，它與固定管板是采用焊接結構。縱向隔板的密封結構在（見圖2）中彈簧片1與彈簧片2材質為1Cr13；每塊壓板有兩個螺栓固定，縱向隔板兩側對稱。維修、更換彈簧片時壓板可以拆掉。縱向隔板密封是為了防止流體短路，提高傳熱效率而設置的。

圖2

圖3

1.2.3 旁路擋板

殼體的流路大體可以分為五路，其中B流路是管束熱傳遞的有效流路（越大對換熱越有利）；C、F流路的存在不利于傳熱（注1）；增設旁路擋板就是為了防止流體由殼體和管束之間旁流（C流路）。旁路擋板應與折流板焊接牢固（見圖3）；折流板上加工出相應的槽（見圖4）。DN≥1000mm，旁路擋板可設置三對擋板。旁路擋板也可作為滑板用，方便管束安裝和抽出。

圖4

1.2.4 前端管箱

前端管箱帶分程隔板，所以要進行熱處理；并且設備法蘭和分程隔板密封面加工要放在消應力熱處理以后進行。這里要注意前端管箱設備法蘭的第一次機加工密封面要留一定的余量，以備熱處理后有足夠的加工量。

2 結語

浮頭換熱器設計可以分為工藝設計和設備結構設計兩部分；工藝設計主要是浮頭換熱器熱負荷計算、換熱器的選型及主要結構參數的確定；設備結構設計可以按照標準GB/T151-2014《熱交換器》的規定進行結構設計，進行強度計算，生成計算書。注1：C流路——管束外圍與殼體內壁之間的旁流流路。在可拆卸管束的換熱器，特別是浮頭式換熱器中，此流路的流通面積可能很大。

[1]GB/T151-2014，熱交換器[S]．中國標準出版社出版．

[2]GB150-2011，壓力容器[S]．中國標準出版社出版．

[3]錢頌文主編．換熱器設計手冊[M]．化學工業出版社．

[4]中國石化集團上海工程有限公司組織編寫．石油化工設備設計選用手冊[M]．化學工業出版社．