復合板固定管板熱交換器設計中的幾點探討

張小平，唐彥平，劉瀟博

（中國輕工業長沙工程有限公司，湖南長沙 410114）

熱交換器是應用廣泛的過程設備，在化工、石化、制藥、輕工、環保等行業用作單元設備，在不同溫度的2 種或2 種以上流體之間傳遞熱量。據統計，化工廠的建設中熱交換器費用約占總投資的10%～20%，煉油廠中熱交換器費用約占工藝設備總投資的35%～40%［1-2］。隨著石油化工、輕工、環保、廢水處理、新能源等行業的快速發展，一些流體傳熱工況要求熱交換器采用耐腐蝕性能強的貴重金屬材料制造。為了降低換熱設備的材料成本，節省貴重金屬用量，同時兼顧設備的強度和安全要求，不銹鋼-鋼、鈦-鋼、鎳-鋼等復合板熱交換器越來越常見［3-5］。文中結合復合板固定管板熱交換器設計依據的主要標準及使用的計算軟件，從設計角度探討幾個值得注意的問題。文中使用的物理量符號含義及其計算單位均與相關標準相同。

1 換熱管承受軸向壓應力時爆炸復合管板應用的可行性

壓力容器用復合板產品質量分級的主要依據是NB/T 47002.1～47002.4—2019《壓力容器用復合板》［6］。NB/T 47002.1～47002.4—2019 主要依據結合率和結合界面剪切強度對復合板進行分級，將爆炸焊接法（B）或軋制復合法(R)制造的復合板劃分為1 級、2 級和3 級這3 個等級，規定其對應的未結合率指標依次為0、不大于2%和不大于5%，同時對復合界面的結合剪切強度下限進行了限制，例如不銹鋼- 鋼復合板的結合剪切強度下限為210 MPa，鈦-鋼復合板的為140 MPa。

采用復合板時，設計文件中應規定復合板的制造方法和級別。根據GB/T 151—2014《熱交換器》［7］中的要求，熱交換器的復合管板宜采用堆焊或爆炸焊接復合板，爆炸焊接復合板應滿足NB/T 47002.1～47002.4—2019 中的B1 級要求；當換熱管受軸向壓應力時，宜采用堆焊復合管板。值得注意的是，NB/T 47002.1～47002.4—2019 中缺乏垂直于復合界面基層與覆層結合拉伸強度的指標。

當換熱管承受軸向壓應力時，復合管板的結合界面承受垂直于該界面的拉應力，為防止可能的受力情況下管板管橋復合結合界面的分層和剝離，降低風險而規定采用堆焊復合管板，這對覆層和基層材料可焊性好的材料而言是沒有問題的。但這對于覆層和基層材料可焊性不好的或不可焊的復合板而言則是無意義的，如鈦-不銹鋼復合板或鈦- 鋼復合管板，就無堆焊的可能。

目前，大部分復合板規范中無結合界面軸向拉伸強度的規定。僅GB/T 8546—2017《鈦-不銹鋼復合板》［8］中規定要求對0 類復合板 (相當于NB/T 47002.3—2019 中的1 級)結合面進行剪切試驗和分離強度試驗，指標分別為不小于196 MPa和不小于274 MPa，而1 類和2 類復合板只進行剪切試驗，合格指標為不小于140 MPa，與NB/T 47002.3—2019 中規定的結合界面結合剪切強度指標一樣，也是無分離強度指標。此數據說明0 類復合板軸向分離強度是優于剪切強度的，對復合板結合界面的抗分離能力有較清楚的判斷，反映了復合板在爆炸復合時，高溫、高壓下不同金屬在結合面達到了冶金結合狀態。

當已知換熱管受軸向壓應力時，要校核換熱管軸向受壓穩定性，判定準則為其絕對值不大于設計溫度下的穩定許用壓應力。而在設計條件下，換熱管材料、規格尺寸等本身條件是確定的，故臨界穩定許用壓應力只與折流板間距有關。在滿足工藝壓降及流速要求下，通過工藝換熱計算，可對折流板間距進行調整，從而確定穩定許用壓應力值。為留夠設計余量，可先限制剪切強度小于某個應力值，再取一定安全系數，按照此方法確定的軸向壓應力許用值可在很大程度上滿足換熱管有軸向壓應力時使用爆炸復合管板的工況。例如，文獻［10］提出，只要復合管板管橋區貼合面無未結合面，控制管子的軸向壓應力不大于120 MPa，結合面就不會分離。

2 復合管板與換熱管連接的拉脫應力

當設計溫度下換熱管材料和覆層材料的許用應力小于管板基層材料的許用應力時，上述類似問題很難被發現，因為即使錯誤地將基層材料列入比較，拉脫應力許用值仍由換熱管和覆層材料許用應力決定，并不影響計算結果。

3 復合板熱交換器計算輸入的簡化

固定管板熱交換器腐蝕前和腐蝕后的計算校核必須分開進行。腐蝕前工況校核，主要考慮溫度因素引起的膨脹或收縮及其產生的較大應力。溫差產生的殼程軸向力等于殼程軸向應變、殼程材料彈性模量以及殼程筒體截面積的乘積。相同的溫差產生相同的應變，筒體越厚，截面積越大，溫差產生的殼程軸向力就越大。而腐蝕后工況的計算主要考慮的是壓力載荷下的強度校核，根據筒體應力公式可知，厚度越小，應力越大。同時，腐蝕前后因為壁厚的變化，還會涉及固定管板熱交換器管程和殼程軸向剛度比的變化，最后通過變形協調來分配應力，各部位的計算應力水平都會有變化。因此在殼程復合板熱交換器設計輸入時，可以不考慮覆層的強度，但不能忽略覆層厚度在工況溫度下的影響［12］。

若復合板熱交換器殼程不計入覆層厚度，則可能會出現腐蝕后設備計算通過校核，而腐蝕前設備計算未通過校核的情況。同樣的原因，在熱交換器的設計變更中，如果涉及到材料的以厚板代薄板或材料變更，均需重新核算。然而，SW6 軟件中并無復合板的計算輸入選項。如果考慮復合板覆層的強度，可按GB /T 150.1—2014 中的加權平均許用應力來確定，但又存在復合板的屈服點、彈性模量、線膨脹系數等其他基礎數據不易得到或數據不準確問題。因此在強度計算中，一般不考慮覆層材料強度。

上述問題可通過計算輸入的簡化來解決。簡化方法為，計算輸入時將覆層厚度計入基層厚度中，通過厚度附加量予以扣除，相當于將基層加厚，在設計溫度下許用應力比真實值偏小，是偏保守的計算，這樣既保證了基層腐蝕減薄后的應力強度，又考慮了覆層厚度的影響。厚度附加量= 覆層厚度+ 基層材料標準負偏差絕對值+0.5 mm（復合時基層減薄量）。在SW6 中具體輸入時應做相應轉換，即腐蝕余量輸入值=覆層厚度+0.5 mm（復合時基層減薄量），此時板材負偏差為0 不勾選。或腐蝕余量輸入值= 覆層厚度+0.5 mm（復合時基層減薄量）+ 基層標準負偏差絕對值，此時板材負偏差為0 要勾選。

4 換熱管與復合管板連接的管孔結構

換熱管與管板的連接方式主要有強度脹接、強度焊接以及脹焊并用。脹焊并用結合了強度焊接和強度脹接的優點，目前在復合管板與換熱管的連接中應用比較廣泛。脹焊并用又可根據使用場合的不同和制造加工工序的不同細分，按照使用場合可分為強度焊+ 貼脹和強度脹+ 密封焊，按照加工順序可分為先脹后焊和先焊后脹［13-16］。因此，采用不同連接形式對應的管孔連接結構還是有區別的。

采用先脹后焊的制造工藝時，應盡量減小管板不脹管區的長度，以減少管板與換熱管縫隙內氣體的體積。GB/T 151—2014 中推薦脹接部分應超過復合管板覆層與基層結合界面，不脹部分僅留坡口根部3 mm 左右,原因是焊接過程中產生的高溫將加熱縫隙間的氣體，使其體積膨脹，在間隙內形成壓力，因脹后排氣通道已堵死，帶壓氣體被迫通往焊道一側，容易在熔融狀態時發生焊面逸出，致使接頭焊縫產生氣孔和裂紋，影響焊縫質量。采用此工藝時，應選擇脹后對管接頭縫隙清潔無影響的液袋脹接或橡膠脹接。同時避免采用機械滾珠脹管，否則接頭的縫隙中殘留的潤滑油在高溫的作用下會產生新的氣體，焊縫質量更難得到保證。

采用先焊后脹的制造工藝時，因不需要清洗脹管后殘留的油污，可用機械滾珠實施脹管。同時應深度脹，即距管接頭保留足夠的不脹管長度，使脹接部位避開焊道，以減小脹管時局部變形產生的應力對已完成焊道造成破壞。GB/T 151—2014中的推薦做法是，距管接頭側管板表面15 mm 范圍內不脹。

5 結束語

目前復合板固定管板熱交換器的設計和選材主要依據GB/T 151—2014、GB/T 150.1～150.4—2011 《壓力容器》［17］、NB/T 47002.1～47002.4—2019 等標準進行，在落實標準規定和使用SW6 軟件的過程中存在困惑和不同的解讀及處理方式，文中選擇設計中注意到的幾個重點問題進行分析探討。總結如下，在換熱管承受軸向壓應力時，通過控制軸向壓應力在一定數值內，使用覆層和基層材料可悍性不好或不可焊的材質組成的爆炸復合管板具有在工程上應用的可行性。計算復合管板換熱管的拉脫應力時，所取的管板材料許用應力應是設計溫度下覆層材料的許用應力，否則可能會導致取值錯誤。在滿足設計計算要求的前提下，將覆層厚度計入基層輸入，可簡化復合板熱交換器的數據輸入。管板與換熱管的連接采用不同的連接方式和制造工藝時，應根據其特點，選擇相對應的結構。