影響列管式油冷卻器設計質量的若干因素

姚岳峰

摘要：本文從新標準規范和換熱器主要尺寸結構兩方面著手，闡述影響列管式油冷卻器設計質量的若干因素。

關鍵詞：列管式油冷卻器 設計規范 折流板尺寸 設計質量

列管式油冷卻器作為液壓潤滑系統中的重要一員，換熱管內介質為循環冷卻水，殼體內介質為粘度等級為N10～N460的潤滑油。廣泛用于汽輪機發電機組、壓縮機組、風機、泵組及石油化工行業上的油冷卻系統。近年來，由于市場的變化以及國內外客戶群要求的提高，列管式油冷卻器正朝著高要求、國際化的方向發展，使得通常使用的JB/T7356-2016規范要求不能滿足客戶需求。因此，提升設計人員對新的規范理解和掌握，就成為列管式油冷卻器設計時的重中之重。本文著重從常用設計規范和制造工藝角度出發，探討影響列管式油冷卻器設計質量的幾個主要因素。

1.列管式油冷設計卻器常用設計規范

目前，國內外針對列管式油冷卻器在設計方面常用的規范主要有API614、API660、TEMA、GB151、ASME Ⅷ-1等等。相關規范列管式油冷設計卻器時提出了不同的要求，具體如下：

（1）API614標準：API614作為國際上通用的油系統設計規范，在列管式油冷卻器設計時應注意以下要求：

a）除非客戶另有規定，左右管箱蓋應該是可拆的，管束是可抽的，通常使用TEMA標準的AEW或AES等形式。

b）如客戶（業主）要求滿足API614第二部分要求時，要求如下：

-1）換熱管名義外徑應至少為16mm，名義壁厚至少為1.245mm;

-2）管板材質應為黃銅，換熱管材質應為銅合金;當設計壓力高于3MPa，經得客戶（業主）同意的情況下允許使用鋼制管板和換熱管，管板在任何情況下不允許使用復合板。

-3）換熱管允許使用低翅片管。

-4）如客戶（業主）要求滿足API614第二部分要求時，換熱管名義外徑應至少為9mm，其余要求同上。

c）列管式油冷卻器應設計為雙聯形式，配有三通閥，滿足在線切換，一備一用的要求。

d）換熱管內冷卻介質水流速不低于1.5m/s，冷卻水的最小溫差要求為10℃。最低水流速準則是為了把水程污垢減小到最低限度，最低溫升準則是用來把冷卻水的耗水量減小到最低限度。

e）列管式油冷卻器設計時只需滿足TEMA RCB機械標準等級中C級的要求。

（2）API660標準：油系統常常配套在石油煉化設備上，因此列管式油冷卻器在滿足API614的情況下，經常碰到還應滿足API660的要求。在列管式油冷卻器設計時應注意以下要求：

a）不允許使用后端頭蓋形式為填料函形式的換熱器，即不允許使用TEMA類型為AEW的換熱器，此時換熱器的TEMA類型只能是AES或AET型.

b） 換熱管名義外徑應至少為19.05mm。

c）當換熱管材質為銅，銅合金，高合金不銹鋼或雙相鋼時，名義壁厚至少為1.47mm;當材質為碳鋼時，名義壁厚至少為2.11mm，當材質為鈦或鈦合金時，名義壁厚至少為1.07mm

d）如果流體入口處需采用防沖板，防沖板不允許帶孔。

e） 除非客戶另有規定，列管式油冷卻器應滿足TEMA RCB機械標準等級中R級的要求。

（3）TEMA標準：TEMA標準是管殼式換熱器規范的鼻祖，在結構設計方面提出了比較詳盡的要求。當客戶（業主）要求使用列管式油冷卻器時，通常也會要求滿足TEMA規范的要求。在列管式油冷卻器設計時應注意以下要求：

a）列管式油冷卻器的后端頭蓋形式通常為W型或S型，布管限定圓與筒體內壁直徑之差大于16mm，即旁路間隙大于16mm，此時應按照TEMA規范RCB4.8的要求設置周向旁路擋板。

b） 當后端頭蓋形式為W型時，燈籠環上通常開有檢測孔來檢測是否有介質通過填料發生泄漏。

c） 列管式油冷卻器管程流程數不小于4，殼程潤滑油流向與折流板缺口垂直時，應按照TEMA規范RCB4.8的要求設置內部旁路擋板。

（4）GB151、ASME Ⅷ-1等規范主要對換熱器的強度結構做了比較詳盡的描述，屬于通用的規范，在此處不做介紹。

2.主要結構尺寸對列管式換熱器設計質量的影響

折流板尺寸，筒體內直徑與折流板外徑之差不僅影響列管式換熱器的設計質量，同時也影響列管式換熱器在制造時的難易程度。

（1）折流板尺寸對列管式換熱器設計質量的影響

折流板在列管式換熱器中主要起著支撐換熱管和防止管束振動的作用，其主要控制因數為折流板的最大無支撐跨距，折流板管孔直徑和厚度等尺寸。

a）對于折流板最大無支撐跨距，TEMA-RCB4.5.2規范提出了較為詳盡的要求，且列管式油冷卻器筒體的長徑比通常在6～10左右，設計時參照其標準規范，通常可以滿足工藝設計和制造時的難度要求。

b）TEMA-RCB4.2對折流板管孔的要求如下表一：

折流板管孔直徑及公差決定了管孔與換熱管外徑之間的間隙。間隙過大，不僅降低換熱器的換熱性能，而且會削弱對管束的防震作用。間隙過小，又給換熱管穿管和換管等制造過程增加很大的困難。現以某機組為例，利用HTRI軟件分析不同管孔與換熱管外徑之間的間隙時對換熱效果的影響。

潤滑油為ISO VG46#，流量800L/in，進油溫度60℃，出油溫度45℃;冷卻水流量1200L/min，進水溫度32℃，按照要求，將不同折流板管孔與換熱管外徑之間的間隙分別輸入HTRI軟件中進行結果比較，見表二。

從表中可以看出，當折流板管孔與換熱管外徑之間間隙從0.4mm增加到1.1mm時，通過間隙的旁路漏流量增加了10倍;殼程和換熱器的總傳熱系數分別下降了4%和3.5%，而換熱器設計余量降低了8%。

以上數據表明折流板管孔與換熱管外徑之間間隙大小對換熱效果的影響可能會影響整臺換熱器的設計。根據多年計算經驗，當選取筒體直徑小

于等于400時，增加折流板管孔與換熱管外徑之間間隙的大小會大大降低列管式油冷卻器的換熱效果。故在列管式油冷卻器設計時針對折流板管孔與換熱管外徑之間間隙大小的選擇，即要滿足TEMA規范的最低要求，同時也要考慮換熱效果和兼顧制造廠在制造時的難易程度。

c）從設備制造和設計角度來說，折流板厚度只需滿足TEMA-RCB4.4.1規范要求，注意規范中對不同等級的折流板厚度要求是不一樣的。但是在實際制造時，通常對折流板兩面管孔進行倒角，相當于減小了折流板的有效厚度。同樣以上述某機組為例，利用HTRI軟件分析不同折流板厚度對換熱效果的影響。其結果見表三。

從表中可以看出，當折流板厚度從2mm增加到6mm時，通過間隙的旁路漏流量降低了50%;殼程和換熱器的總傳熱系數分別提升了7%和5.67%，而換熱器設計余量也提升了6.21%。

以上數據表明折流板厚度的增加對換熱效果的增加是有比較明顯的作用的。在列管式油冷卻器設計時不能忽略管孔兩側倒角對換熱器換熱效果的影響。在設計時當設計余量不能滿足要求時，可以考慮采用一定的工藝手段來減小倒角尺寸來滿足制造工藝的要求，或增加折流板厚度來增加換熱效果。同時在設計時如考慮折流板厚度增加時也應當考慮材料成本和加工成本的增加，因為折流板厚度的增加意味著材料重量的增加，同時也意味著管孔加工時間的增加。

（2）筒體內直徑與折流板外徑之差對列管式換熱器設計質量的影響

筒體內直徑與折流板外徑之差對列管式換熱器設計主要體現在殼程筒體的不圓度。其表現方式主要體現在以下幾個方面：

a）制造時焊接殼體卷圓造成的筒體不圓度或無縫管壁厚不均造成筒體內徑各部分尺寸不一致。

b）制造時接管或鞍座處的焊接造成筒體局部塌陷，影響筒體的不圓度。

c）制造時焊接殼體內部的縱向焊縫與殼體內部的不平度，影響筒體的不圓度。

TEMA-RCB4.3規范提出了筒體內直徑與折流板外徑之差的要求。現仍以上述某機組為例，利用HTRI軟件分析不同折流板與筒體直徑之差對換熱效果的影響。其結果見表四。

從表中可以看出，增加筒體內直徑與折流板外徑之差使得通過該處間隙的旁路漏流明顯增加，換熱效率大大下降。故在列管式換熱器設計時在滿足標準的最低要求時，還應在制造工藝上思考來較小筒體內直徑與折流板外徑之差，從而獲得更好的換熱效果。

3. 結束語

影響列管式油冷卻器設計質量的因素還有很多，例如焊接節點圖，管頭脹焊結構的合理性等等，本文僅從設計規范和主要結構尺寸兩個方面出發，介紹并總結了影響列管式油冷卻器設計質量的若干因素。

參考文獻：

[1]STANDARDS OF THE TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION 2019 tenth（管式交換器制造商協會）

[2]API660-2015 Shell-and-Tube Heat Exchangers

[3]API614-2008 潤滑、軸密封和控制油系統及輔助設備