熱交換器失效分析及工程設計要點

摘要：管殼式熱交換器是工業裝置中大量使用的設備，種類很多。本文圍繞熱交換器失效分析及工程設計要點，從熱交換器失效分析、熱交換器工程設計要點等方面出發，探討了熱交換器實效和設計等問題。

關鍵詞：管殼式熱交換器;管板;失效分析

一、前言

管殼式熱交換器是工業裝置中大量使用的設備，根據溫度、壓力、介質等使用條件的不同可以選擇不同的結構形式，如固定管板式熱交換器（或稱固定式熱交換器）、浮頭式熱交換器、填函式熱交換器、U型管換熱器等。GB/T151《熱交換器》為熱交換器基礎產品標準。

二、熱交換器失效分析

1.壓力容器失效分析

GB/T151《熱交換器》的絕大部分內容適用于金屬制管殼式熱交換器，設計時遵循GB/T150要求，設計人員應考慮容器在使用中可能出現的所有失效模式，并提出防止失效措施。

國際標準ISO16528-1：2007boilers and pressure vessels將壓力容器的失效模式歸納為三大類、13種。GB/T150著重考慮了其中的5種失效模式，分別是脆性斷裂、韌性斷裂、接頭泄露、彈性或塑性失穩以及蠕變斷裂。對于腐蝕失效模式，由于工程應用中腐蝕情況差別極大，因此GB/T150沒有給出明確的方法。

GB/T30579-2014《承壓設備損傷模式識別》提出了承壓設備的損失模式和識別方法，給出了25種常見介質或類型的腐蝕減薄及其主要預防措施，有助于設計人員對損傷、腐蝕失效模式的考慮。

2.熱交換器失效分析的考慮

管殼式熱交換器作為熱交換設備，通常擁有兩個獨立的受壓腔室，因此與一般的單腔室壓力容器相比，增加相關受壓原件失效的考慮。

管板和換熱管連接接頭失效的考慮。該接頭若失效會造成管程介質和殼程介質混合，可能會產生較大危害，因此需進行考慮。

管板和換熱管兩側的介質的壓力和溫度不同，這個特點應納入其失效模式的考慮中，如兩側的壓差較大、溫差較大，可能導致的超壓力失效或剛性不足。

三、熱交換器工程設計要點

1、工藝設計要點

工藝設計的原則是在保證安全的前提下，提高換熱性能。從工程角度，其設計要點主要包括以下方面：

首先，按照保障安全和兼顧經濟性的原則，進行熱交換器的選型。例如，當選擇固定管板熱交換器時，若兼顧開車的吹掃工況可能需設膨脹節，因此需綜合判定此時所選類型是否合適。又如單管程浮頭，若殼體直徑較大且在類似裝置無成功使用經驗，則選型時需慎重。

其次，確保數據表中結構參數合理。原則上，數據表中規定的結構，能確保流體不發生誘發振動;對于防沖結構、放空放凈等對換熱性能有影響的特殊要求，也應在數據表中明確。

此外，工藝數據中一般沒有明確管板和換熱管的金屬溫度或設計溫度，此問題在雙管板設計中顯得尤為突出。

2、設備設計要點

對于熱交換器獨有的各元件，設計時應進行相應考慮。

（1）管板設計

管板作為熱交換器中重要的受壓元件，其在壓力作用下的強度是重點關注的內容之一。GB/T151給出了U形管熱交換器、浮頭式熱交換器以及固定管板式熱交換器的常用結構形式的管板設計計算方法。不同結構形式的熱交換器管板，由于載荷情況、支撐條件、邊界約束的不同，其強度計算模型也不相同。

U形管換熱器僅有一塊管板，標準中給出了六種不同形式的連接結構，其計算模型是把管板作為承受均布載荷且受管孔均勻削弱的當量圓平板，計算方法中考慮了管板周邊不布管區對管板應力的影響。

對于浮頭式熱交換器和填函式熱交換器GB/T151僅提供（a）型連接結構，其固定端的管板大多數是以螺栓、墊片夾持在殼程法蘭和管箱法蘭之間。其計算模型是把管板的布管區視為彈性基礎上、受管孔均勻削弱的圓平板，管板外周不布管部分視為環板，整個管板周邊為簡支，承受均布載荷。對于其他連接形式的管板按JB4732標準進行設計。

在固定式熱交換器而言，GB/T151定量地考慮了以下幾個因素對管板應力的影響：

1）管板周邊不布管（環板）的存在對管板應力的影響;2）殼程圓筒（和法蘭）、管箱圓筒（和法蘭）、螺栓、墊片系統對管板邊緣轉角的約束作用;3）當管板的延長部分兼做法蘭時，法蘭力矩的作用對管板應力的影響;4）當計算管板的彈性應力時，區別壓力載荷和法蘭力矩引起的一次彎曲應力以及管、殼程間熱膨脹差引起的二次應力，并以不同的許用值加以限定。

（2）其余元件的考慮

熱交換器設計時，還需對防沖板、分程隔板、管板和換熱管連接接頭形式、放空放凈結構進行結構設計，確保滿足工藝要求和生產安全。對于高參數，特殊結構熱交換器設計應在設計階段做好失效分析并在設計方案上進行考慮，比如：對于壓力較低的大直徑薄管板，重束質量對管板強度的影響;高溫高壓下密封結構等，需要在設計階段需要注意。

四、結論

管板是管殼式熱交換器的主要零件之一。管板的合理設計，對于正確選擇和節省材料、減少加工制造工藝困難、降低成本、確保使用安全都具有重要意義。因此，必須對管板強度進行正確分析，以合理確定管板厚度。

參考文獻：

[1].GB/T151《熱交換器》

[2] HG/T20581-2011《鋼制化工容器材料選用規定》

作者簡介：

錢媛（1980-）女，漢，遼寧盤錦人，中油遼河工程有限公司，工程師，本科學歷，現從事化工設備與機械設計工作。