管壳式换热器换热管与管板的特殊连接结构

姜红梅，王 微，胡玉梅

（北京广厦环能科技有限公司，北京 100083）

换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，而管壳式换热器是工业生产中应用最广泛的换热设备。管壳式换热器主要失效为管板与换热管的连接失效，因此，换热管与管板的连接是保证换热器安全的最关键技术之一，合理选用安全可靠的管接头型式，使用相应的加工设备与技术是换热器制造的关键。

目前广泛采用的焊接、胀接及胀焊并用等传统连接方式不能满足实际工程中出现的特殊工况，在传统连接方式的基础上采用不同的换热管与管板的连接结构，来满足工程中不同工况的特殊要求。

1 换热管与上管板的连接结构

管程冷凝的立式管壳式换热器在工程中占有相当的比例，换热管与管板采用焊接连接时，换热管伸出管板外表面为2.5mm以上，当管程物料为易燃易爆、有毒或腐蚀性介质时，这就使得运行及停车时排净管程物料非常困难，造成连接接头处的腐蚀。目前工程中解决此问题的方案主要有3种，一是设备整体轻微倾斜，这将涉及所有进出口法兰密封面的倾斜，给安装带来很大困难；二是上管板的管头结构要求换热管端部与管板表面齐平，这样管孔端面的坡口加工和焊接比较困难；三是将上管板设计成不等厚的斜面管板，让残液从较高的一侧向较低的一侧流动，集中从管口高度最低的几个管口排净，这种斜面结构会引起流体分布不均，且由于管板强度和刚度的不对称而引起应力不对称分布。

为解决上述问题，且满足设备在运行及停车时能排净管程物料，采用排液管板，即上管板的普通管接头与管口位置相对较低的特殊焊接结构相结合的连接方式。上管板的绝大多数管接头采用外伸角接头焊接结构（见图1），个别管接头采用内角接头或对接内孔接头焊接结构，根据设备直径大小确定个别管接头的数量（不少于4个），且均匀分布。管板上的冷凝液在短板效应的作用下，从管口位置相对较低的特殊管接头的换热管中迅速排净，从而防止积液，避免腐蚀介质对连接接头的腐蚀，及易燃易爆、毒性介质带来的安全隐患。且由于特殊管接头的换热管数量有限，不会明显增加生产制造的难度和费用。

图1 管接头型式

2 换热管与管板的的活性连接结构

随着石化工业的发展，近年来开发了许多特殊材料的换热器，多采用高级耐腐蚀金属，如用于海水、氯碱、C法尿素合成及醋酸等行业中的钛换热器，可解决腐蚀及寿命的问题。由于钛与其它金属不具备可焊性，多采用钛管与全钛管板或钛复合管板，大大提高了设备成本。另外，当换热管发生腐蚀穿孔或换热管损坏时（每年因换热管损坏或结垢堵塞而更换管束的换热器达1 000台左右），由于焊接结构，个别换热管不能更换，只能堵塞，随着设备使用时间的增长，堵管数增多，直至更换管束，更换管束时也很难再利用原有管板，从而造成设备维修维护费用的增加。

为解决这一问题我们采用铸铁管板代替全钛或钛复合管板，换热管与管板之间采用活性连接的非焊接连接结构。当价格较低、抗腐蚀性能较差的铸铁管板腐蚀后，可重新制作铸件管板，而钛换热管仍可继续使用，从而延长换热管的使用寿命，从长期使用角度考虑，设备制造及使用成本可明显降低。

本活性连接技术借鉴了纯碱行业的铸铁塔冷却段的铸铁管与水箱的“O”形圈连接结构，采用耐腐蚀的“O”形橡胶密封圈，以及挡圈和楔形止推圈非焊接方式。双重“O”形圈起到密封作用，楔形止推圈可防止“O”形圈脱出，设备运行过程中由于压差、温差及振动等因素，止推圈和“O”形圈的会发生脱落，为了防止此种情况的发生，在伸出铸铁管板端部的钛换热管的外侧面，开设径向圆槽，圆槽内加一固定挡圈，进一步保证止推圈和“O”形圈良好的密封性能，由此延长设备的使用寿命，降低设备的维护和运行成本。见图2、3。

图2 铸铁管板与换热管连接型式

图3 铸铁管板与换热管连接型式

铸铁管板与换热管间“O”形圈结构的活性连接，关键技术是管板管孔的结构、“O”形圈的结构参数以及“O”形圈和止推圈的材料选择。由于“O”形密封圈是一种自动双向作用密封元件，安装时其径向和轴向方面的预压缩赋与“O”形密封圈自身的初始密封能力，它随系统压力的提高而增大。对于轴用密封，“O”形圈内径和被密封直径d间的偏差尽可能小，在压力作用下，“O”形圈产生弹性变形，随着压力增大，会出现永久的塑性变形。此结构所能承受的水压试验压力控制在1.0MPa内。

挡圈选用标准挡圈（参考标准号GB894.2－86），挡圈与管板之间留有一定的间隙，且要大于等于换热管的受热膨胀量，并小于止推圈的厚度，来保证“O”形圈在压差和温差的作用下仍能保持密封状态。

经过对此连接结构的不同材料“O”形圈密封比压、不同管径换热管及管板的测试，能承受最大压力等实际性能测试，对管板孔的结构、“O”形圈的内外直径等参数、楔形止推圈的结构、专用工装等进行设计，实现钛换热管与铸铁管板的连接。适用的换热管规格一般为φ25×2.5～φ45×2.5，管板厚度为δ≥50mm。

如图2、3，换热管伸出管板端部外侧面的切槽尺寸如表1所示。

表1 换热管伸出管板端部外侧面的切槽尺寸

3 结 语

随着能源日趋紧张，节能减排必不可少，因此，排液管板是用于物料在管程冷凝的立式换热器上的理想结构，该技术具有很高的性价比，应用前景广泛；目前，废热利用、天然气净化和分离、海水淡化、海洋温差发电、余热回收、地热利用等被认为是环保阳光行业，得到了国家政策的鼓励和支持，在这些行业中会大量用到钛材换热器，采用此活性连接技术可在满足腐蚀要求的情况下，延长了设备使用寿命，且节约了运行成本、降低了设备制造成本。

［1］ GB151－1999，管壳式换热器［S］

［2］ 韩 军.立式管程冷凝换热器排液管板［P］.实用新型专利.200820109806.4

［3］ 高绪杰.高弹性连接的列管式石墨热交换器［P］.实用新型专利.99205880.5