雙管板換熱器的設計與制造

換熱器是在不同溫度物料之間進行熱量傳遞的設備，其主要作用是維持或改變物料的工作溫度和相態(tài)，滿足工藝操作要求，提高過程能量利用效率進行余熱回收。在換熱器設備中，管殼式換熱器應用最為廣泛。在實際操作中換熱器的換熱管和管板連接處最容易發(fā)生泄漏,從而使殼程物料和管程物料有少許混合,而且這種泄漏目前還沒有有效的方法完全防止。在有些場合,某些泄漏是允許的,但在以下的場合,這些泄漏是不允許的：1）產(chǎn)生嚴重的腐蝕；2）使一方物料產(chǎn)生嚴重的污染；3）產(chǎn)生燃燒和爆炸；4）產(chǎn)生固溶化,形成設備的污垢；5）使催化劑中毒,降低或消除催化劑的性能；6）限制另一程的反應；7）使產(chǎn)品不純。在這些場合,我們通常采用雙管板換熱器,以減小泄漏，能有效防止兩種物料混合, 從而杜絕上述事故的發(fā)生。
    所謂雙管板換熱器就是在換熱器一端設有一定間隙的兩塊管板或相當于有一定間隙的兩塊管板的換熱器。雙管板換熱器的結(jié)構(gòu)一般有兩種。一種為固定管板式換熱器, 一臺換熱器共有四塊管板。這種換熱器的殼程及管程中兩種介質(zhì)的流動方向為逆流, 其傳熱系數(shù)較高, 傳熱效果較好。另一種為U型管式換熱器, 一臺換熱器共有兩塊管板。這種換熱器有一半管束管內(nèi)外介質(zhì)的流動方向為并流, 另一半管束管內(nèi)外介質(zhì)的流動方向為逆流, 因此其傳熱系數(shù)較低?！　?br />     示例：此再沸器為固定管板式的雙管板換熱器，換熱器的管、殼程物料接觸后會使物料固化，凝結(jié)在管壁上，故選用雙管板結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)如下表：
 
    表1 再沸器技術參數(shù)
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 




    由于此再沸器的管、殼程的操作參數(shù)比較高，前期設計制造的再沸器使用后一個月左右就泄漏，無法使用，嚴重影響生產(chǎn)。為此從設計、試驗、制造多方面進行了改進。
    設計
    鑒于該再沸器的高參數(shù)，及雙管板換熱器結(jié)構(gòu)的特殊性，在設計時，換熱管與管板的連接則是換熱器安全運行的關鍵。在換熱器的內(nèi)管板處，兩側(cè)均與換熱管連接，必須采用強度賬接的形式，而此處又是密封殼程和固定換熱管的部位，該處強度賬接的質(zhì)量將直接影響整個設備的使用，尤其是在較高的操作條件下。脹接是靠管子的塑性變形和管板的彈性變形來達到密封和緊固的一種機械連接方法。對于換熱管的賬接通常有兩種，液壓脹和機械脹。
    液壓脹管時,脹接區(qū)的管子是在高液壓內(nèi)壓的作用下產(chǎn)生彈性變形,然后產(chǎn)生塑性變形而被擠壓到管板孔壁上。隨著壓力的增加,在管子與管板之間的接觸壓力作用下,管板首先產(chǎn)生彈性變形,然后產(chǎn)生塑性變形。壓力撤消后,如果管板的自由彈性恢復量比管子的大,就會在管子與管板之間產(chǎn)生殘余接觸壓力,實現(xiàn)脹接連接。這種賬接方式適合于操作壓力不高的情況，當操作壓力大時，賬接的強度不足，并且在賬接的過程中所用的賬接的附件的損壞率也比較高。因此本臺雙管板換熱器采用機械賬。
    機械脹接是一種傳統(tǒng)的脹接技術，又稱為滾軋法，實施機械滾脹時，由脹珠脹撐滾壓管內(nèi)壁，管壁徑向擴大，首先脹滿間隙，之后進行緊脹，脹珠軋碾管內(nèi)壁，管壁被脹珠和孔壁擠壓，擠壓區(qū)中的局部管壁發(fā)生塑變；進行徑向擴大的同時，金屬軸向流動?？妆谠诿浡市r，處于彈性狀態(tài)；脹率增大，孔端抗擠壓強度小，先塑性變形，成喇叭口；當管外壁被脹珠擠壓，其接觸壓力使得管壁中間接觸區(qū)的局部層面開始塑性變形，產(chǎn)生徑向擴大和軸向流動。層面之下的孔壁仍處于彈性狀態(tài)。施脹中，該層面上的變形隨同脹珠的螺旋運動進行變形過程，但每次重復，層面加深，層層深入。管壁和孔壁的受軋碾層面，晶粒破碎，晶格畸變，而硬度增加。撤去脹管器后,管端和板孔進行回彈,由于管橋厚度遠大于管壁而彈性變形量大,則管孔彈壓管端。此時,實現(xiàn)了以脹接的嚴密性、抗拉脫性的牢固性為目的的脹接要求,完成脹接。現(xiàn)在生產(chǎn)的機械脹管機運用起來方便，并且效率也高。
    在GB151-1999 《管殼式換熱器》中,脹管槽的寬度規(guī)定為3mm, 但也指出,根據(jù)不同的脹接方法可以適當修改。按通常方式圖樣中的內(nèi)側(cè)管板管孔的脹管槽寬度是3mm, 深度是0.5mm, 脹管槽距管板端面8mm, 脹管槽的尺寸鏈為8mm-3mm-6mm-3mm 如圖3所示。為解決本雙管板換熱器的操作壓力比較大的難題，我們增加了一個脹管槽，增大拉脫力的承載能力，將脹管槽的尺寸鏈改為8mm-3mm-6mm-3mm-6mm-3mm。      
    在對該換熱器的管板強度計算時，將固定雙管板換熱器分解成兩個固定管板換熱器,運用SW6 固定管板換熱器模塊分別進行計算。
    2.1首先不考慮殼程外管板的加強作用(即去掉殼程外管板) , 看成一個固定管板換熱器, 根據(jù)設計條件計算殼程管板的厚度。
    2.2 將管程管箱設為一個管箱、聚液殼設為殼程(這里聚液殼作為殼程, 設計溫度取環(huán)境溫度、設計壓力按常壓, 取作0. 001MPa 因為取0 無法計算) ,不考慮另一側(cè)管箱和雙管板的加強作用, 將剩下的部分設為另一個管箱(設計壓力和溫度按原殼程取) 。根據(jù)管程和殼程的不同溫度及壓力,分別計算殼程管板和殼程外管板的厚度。
    2.3 (最后, 殼程管板和殼程外管板分別取計算中的較大值,這樣保證固定管板的安全可靠。
    同時，為了改善內(nèi)管板強度脹的受力，在殼程又設置了兩個波形膨脹節(jié)。
    這樣在結(jié)構(gòu)的關鍵點處進行優(yōu)化，達到了提高設備使用能力的要求。
    試驗
    為了保證脹接質(zhì)量, 我公司在脹管前做脹接評定試驗。
    3.1試驗準備：首先制作模擬換熱器，其管板厚度按產(chǎn)品實際管板厚度確定, 管板間距、管孔排列形式按設計圖紙要求。管殼程管板間距、管孔尺寸、換熱管尺寸、管間距均與產(chǎn)品相符。模擬換熱器殼程筒體厚度應能承受產(chǎn)品雙管板換熱器的殼程試驗壓力。
    3.2試驗過程：①測量內(nèi)管板1 管孔尺寸D 和脹前換熱管3 外徑d0 、內(nèi)徑di 和壁厚t ,見表2 ; ②根據(jù)要求, 強度脹接率p 應控制在10 %～20 % ,由脹接率公式p = [ ( d - di) - ( D - d0) ]/ t ×100 %推算出脹后換熱管內(nèi)徑d 的范圍,脹接時,先將外管板4脹焊合格, 再根據(jù)d值對內(nèi)管板進行強度脹接,記錄下脹管儀的扭矩M。
    3.3試驗結(jié)果：對模擬換熱器進行殼程水壓試驗,試驗壓力5.85MPa, 經(jīng)檢查, 換熱管與管板連接處無任何泄漏現(xiàn)象,說明此脹接工藝能夠滿足該雙管板換熱器的強度脹接要求。
    制造
    控制4塊管板的同心度、平行度、扭曲度及其與殼體軸線的垂直度，可保障設備的制造質(zhì)量，也可保障換熱管與管板的連接性能。而確保內(nèi)側(cè)管板與換熱管液壓脹接的拉脫力和密封性及其檢驗，是保證再沸器制造質(zhì)量的關鍵。
    4.1管板及折流板  為增加兩塊管板管板管孔及折流板管孔的對中性，在滿足制造能力的前提下，把折流板、兩組管板按工作位置順序定位焊焊好，再進行劃線鉆孔。采用數(shù)控鉆床加工管孔, 以保證管孔直徑、垂直度及管孔間距。鉆孔時, 切削和退刀速度應盡量慢, 以保證管孔的表面粗糙度為Ra3.2~Ra6.4, 鉆孔時還應留有0.1mm的鉸孔余量。鉆孔后對管板孔進行鉸孔, 以消除管孔上的縱向劃痕, 保證管孔的表面粗糙度為Ra1.6～Ra3.2。每塊折流板正、反面的管孔均要仔細倒角，清除毛刺，防止穿管時損傷管子的外表面。把雙管板和折流板按鉆孔的方向順序疊置，用換熱管逐孔預穿?！?br />     4.2管束與殼體組裝  在殼體內(nèi)組裝拉桿、折流板，并進行穿管。先組對第1組雙管板，調(diào)整第1組雙管板與殼體的垂直度和同心度。在殼體內(nèi)把拉桿裝于內(nèi)側(cè)管板上，按鉆孔的順序組對折流板。每裝一塊折流板，就從外側(cè)管板密封面方向穿入梅花形的數(shù)組換熱管。其目的是自然調(diào)整折流板與管板的同心度。待用螺母緊固折流板之后，可從折流板朝外側(cè)管板方向穿入全部換熱管。最后組裝另一組雙管板，測量外側(cè)管板和內(nèi)側(cè)管板的同心度、平行度和扭曲度及雙管板之間距。穿入全部換熱管后，以外側(cè)管板面為基準，調(diào)整換熱管伸出管板面的長度為2~3mm。雙管板與換熱管連接的順序為，先脹接內(nèi)側(cè)管板與換熱管，后焊接外側(cè)管板與換熱管。
    4.3外側(cè)管板與換熱管焊接  按焊接工藝要求，采用氬弧焊，先焊接第1層，進行壓力為0.05MPa的氣密性試驗。然后采用氬弧焊再焊接第2層，進行100%PT檢查。
    4.4壓力試驗  首先按圖樣壓力進行殼程的水壓試驗，從隔離腔的空間檢查管子與內(nèi)側(cè)管板的連接質(zhì)量。殼程水壓試驗合格后，組焊隔離腔使之成為密閉的腔體，按圖樣壓力進行水壓及氣密性試驗。最后對管程進行氣壓試驗。
    使用
    經(jīng)過從設計、試驗、制造等一系列的嚴格運行下，最終圓滿的完成了該再沸器的設計和制造，完成了最終的試驗和檢驗，并在設備使用中收到良好的社會效益和經(jīng)濟效益。