钛材换热器管程结构设计

2014-11-15李思远

电子测试 2014年5期

李思远

（东北石油大学机械科学与工程学院，163318）

0 前言

原油-初顶油气换热器（E-301A/B）是某石化公司一套常减压装置安全节能改造项目的设备。该换热器为浮头式换热器，换热器型号BIU1450-3.1/2.1-530.2-4500/25-2I总重23140kg，管程介质初定油气，壳程介质原油，换热管材质TA1，管箱筒体及隔板材质TA1+Q345R复合板，管板材质复合锻件16Mn Ⅲ+TA1，管箱法兰密封面材质TA10。本文主要通过对原油-初顶油气换热器（E-301A/B）的设计，详细阐述了几个关键部位的结构设计，介绍在设计过程中总结的一些设计经验。

1 设计参数见表1

表1 原油-初顶油气换热器设计参数

2 选材

因换热器管程介质是初顶油气(操作温度在80～150℃左右),初顶油气含有HCl、H2S、HCN、HN3和H2O，不锈钢在此介质中腐蚀较为严重，而钛的耐蚀性能却表现的非常良好，故管程材质选用钛材。

3 结构设计

3.1 钛材性能特点

钛是非常活泼的金属，高温下与碳、氢、氧、氮等有很强的，钛材制造焊接时，开始大量吸氢，生成氢化钛、碳化钛、氧化钛、氮化钛等脆性化合物，从而降低钛的塑性与韧性.导致脆裂。钛一旦沾然铁离子即变脆，产生焊接裂纹。由于钛材的性能特点，设计中应充分考虑到。

3.2 管箱筒体结构设计

由于钛材较贵，管箱筒体选用钛衬里结构，此结构用于介质压力由筒体材料承受，复合钛层只承受介质的腐蚀，其主要缺点是隔板结构较为复杂。

3.3 管箱法兰结构设计

在换热器设计中，管箱法兰参考JB4703-2000中衬环凹凸密封面法兰结构，衬环材质为TA10，其结构如图1所示。把法兰本体（材质为16Mn Ⅲ）与衬环连接处加工出一个宽10mm，深度3mm的环形槽，槽里面填进钛垫板，然后把法兰衬筒与衬环对接焊，法兰衬环与法兰本体联接采用钛制沉头螺钉连接，然后氩弧焊将螺钉密封，衬环与法兰本体的密封采用银钎焊。此种结构设计，既能保证介质不与碳钢接触，又能保证衬里和基层以及密封面的密封性。

图1 管箱法兰结构

3.4 管箱接管法兰结构设计

管箱法兰参考HG/T 20615-2009中衬环密封面法兰结构，结构与管箱法兰相似，不同之处在于接管法兰与接管衬筒是一件。其结构如图2所示。

图2 管箱接管法兰结构

3.5 管箱分程隔板结构设计

根据原油-初顶油气换热器（E-301A/B）工艺条件，分程隔板两侧压力差为0.05Mpa,根据GB151-1999中5.2.3分程隔板厚度的计算公式，如果为纯钛隔板，其隔板厚度为28mm，隔板与管箱筒体焊接时只能与复层焊接，在工作状态下焊缝处筒体复层容易脱落，且纯钛隔板厚度大造价较高。考虑刀隔板的受力状况及经济性，本设计中隔板采用双面复合钢板，隔板与管板及平盖的隔板槽连接处设置一段纯钛隔板，并在隔板上设置一泪孔，隔板与管箱筒体基层焊接，既保证了隔板的焊缝强度，又保证了隔板与隔板槽之间的密封。

3.6 换热管与管板连接结构设计

换热管与管板常用的连接形式为胀接、焊接、胀接加密封焊。胀接可以承受较高的压力，但温度升高造成胀接残余应力的松弛，换热管的胀口泄漏；焊接最然可以耐更高的温度，但在循环应力的作用下，焊口极易产生疲劳裂纹，而且不能完全避免缝隙腐蚀；焊接结构的换热管与管板连接需用拉脱力一般在60Mpa以上，而胀接许用的拉脱力只有3Mpa，考虑管板钛层与基层的抗剥离强度，设计采用液压胀加密封焊的连接方式（见图3），此连接方法尤其适合于复合管板与换热管的连接。这样既可防止管程介质对管板的间隙腐蚀，又可以提高接头的抗疲劳性能。