U型管束釜式换热器设计浅析

杨 斌

（中国石化集团南京化学工业有限公司，江苏南京210048）

管壳式换热器是一种广泛应用于石油、化工、电力及其他一些需要进行热交换工况的设备，按结构可大致分为浮头式、固定管板式、U型管式、釜式、填料函式等几种[1]。其中釜式换热器是一个比较特殊的型式，因釜式换热器一般采用U型管束或浮头管束结构，也有一些特殊的工艺场合采用了固定管束结构。在硫酸生产中固定管板式管壳式换热器应用较多，在有机胺法脱硫系统中釜式换热器可作为再沸器使用。

笔者以常用的U型管束釜式换热器为例对其设计及结构进行阐述。U型管束釜式换热器只有1块管板，管束类似一端固支的悬臂梁，管束可在不同温度下自由伸缩，因此不会因为各部件存在温差而产生热应力。该换热器设备结构相对简单，承压能力较强，但存在只有1块管板更容易引起管束震动的缺点，因此需要在结构设计上加以控制。

1 设备结构与工艺参数

U型管束釜式换热器结构示意见图1。

从图1可以看出，釜式换热器的高压部分一般会设置在管程，有利于降低设计和制造难度。釜式换热器都有一个标志性的“大肚子”，这是为了拥有较大的液相和气相空间。与其他换热器不同，由于气相空间的存在，一般釜式换热器会在壳程设置安全阀，在设计时要考虑安全阀的设置及计算。另外，由于壳程存在2个不同直径的筒体，而两筒体在最下边母线处平齐，故连接两不同直径筒体会有一个偏心锥。

图1 U型管束釜式换热器结构示意

U型管束釜式换热器主要技术参数见表1。

表1 U型管束釜式换热器主要技术参数

2 设备材料的选择

2.1 管程材料

管程设计压力15.9 MPa，设计温度300 ℃，同时考虑环境低温-10 ℃。介质为H2，N2，CH4，Ar或NH3，化学腐蚀性虽不强但氢分压较高，需要考虑氢腐蚀。查纳尔逊曲线并考虑一定裕量，选用12Cr2Mo1锻件作为管程筒体材料。12Cr2Mo1锻件有很好的高温力学性能，同时拥有优良的抗氢腐蚀能力。但12Cr2Mo1又有回火脆化和产生延迟裂纹的倾向，必须在设计和制造中加以控制，利用其优点限制其缺点。对12Cr2Mo1材料提出硫磷含量的限制，并附加300 ℃高温拉伸试验和-10 ℃低温冲击试验的要求，以保证材料强度和韧性的要求。

2.2 换热管材料

根据同时满足设计和工艺要求的原则，换热管同样选择12Cr2Mo1材料。由于换热管管壁较薄，高温性能有保障，只需增加对换热管管坯-10℃低温冲击试验的要求，以增加韧性储备。提高换热管硫、磷含量的要求，可从根本上提高材料耐高温和低温的性能。换热管全部采用Ⅰ级管束。12Cr2Mo1是 GB/T 150.2—2011《压力容器 第 2部分：材料》附录A规定的钢管材料，制造、检验均应符合GB/T 150.2—2011附录A的要求，同时也要满足NB/T 47019.1~8—2011《锅炉、热交换器用管订货技术条件》的要求。

2.3 壳程材料

壳程设计压力5.1 MPa，设计温度265 ℃，考虑环境低温-10 ℃，介质为水和水蒸气，腐蚀性较弱。Q345R低合金钢是较为常用的壳程主体材料，具有较好的抗延迟裂纹的能力和优良的制造及加工性能，制造难度相对较小，故壳程材料选用Q345R低合金钢。

3 釜式换热器设计需要注意的问题

3.1 管程及壳程压力试验值的确定

压力试验的种类包括液压试验、气压试验及气液混合试验，因液压试验相较于气压、气液混合试验具有更高的安全性，一般优先选用液压试验。

该釜式换热器选用液压试验方式，液压试验压力值按公式（1）计算[2]：

式中：pT——试压压力最低值，MPa；

p——设计压力，MPa；

[σ]——容器元件材料在耐压试验温度下的许用应力，MPa；

[σ]t——容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。

计算试验压力值时要注意以下几点：

1）不同的材料通常会有不同的许用应力值，即使同种材料在不同厚度和温度下许用应力值也可能会不同。根据不同的许用应力值计算会得到多个液压试验压力值，应选用最小的压力值作为液压试验的压力值。

2）在上述计算得到的多个压力值中，根据紧固件的许用应力算出来的压力值一般情况下会较小，是否以该值作为最终的压力试验值目前仍存在争议。GB/T 150.1—2011《压力容器 第1部分：通用要求》[2]规定应采用由此紧固件计算得到的压力值，但国内的部分工程公司和专家认为，如果选用该压力值会导致试验压力值过小，而使压力试验失去了意义。因此，需要设计人员对设备整体情况进行判断，确定是否选用上述较小的压力值作为最终的试验压力值。

3）换热管与管板角焊缝的压力试验应特别注意。管、壳程两侧共用受压焊缝，应分别对管、壳两侧进行压力试验，并检查焊缝的情况。由于换热器的壳程布满了换热管，所以不能直观地检查管程压力对焊缝的影响。笔者认为，若壳程压力大于管程压力时，焊缝保持正常状态，则可认为焊缝经过了壳程高压力的试验，管程低压力的试压也不会导致焊缝泄露。然而，若管程的试验压力高于壳程的试验压力，则不能通过该方法判断管程压力对焊缝的影响，此时应在管、壳程分别液压试验并合格后，再增加一个壳程的泄漏试验来检查焊缝情况；或将壳程的试压压力提高到与管程一致，但提高压力试验后要对壳程的所有受压元件进行应力校核。因此，一般在管、壳程两侧压差较大时，会增加泄漏试验；当两侧压力差不大时，可以考虑提高壳程的试验压力。此次设计的釜式换热器由于管、壳程两侧压力差很大，所以采用液压试验后增加泄漏试验的方式。

3.2 换热管与管板连接形式

换热管与管板的连接主要有强度焊接、强度胀接、胀焊并用和内孔焊4种结构形式。现阶段大多数换热器从可靠性和制造难度两方面考虑，选用“强度焊接+贴胀”的胀焊并用的形式。强度焊接保证了换热管与管板的连接强度，贴胀又消除了换热管与管孔之间的间隙，在有效防止管板孔的缝隙腐蚀的同时减弱管束的震动。此次设计的釜式换热器的换热管材料为12Cr2Mo1低合金钢管，该材料强度很高但韧性稍差，曾出现过胀裂的案例，为了安全起见，选用单独强度焊接的结构。

3.3 壳程过渡锥体设计

锥体的形式按照有、无折边可分为有折边锥体和无折边锥体，按照是否偏心可分为偏心锥体和正锥。由于工艺及结构的限制，釜式换热器只能选用一边偏心角为0°的偏心锥，至于是否带折边却有不同的考量。从受力情况来看，有折边锥体优于无折边锥体，但有折边偏心锥体的制造难度高于无折边偏心锥体，尤其对于直径和厚壁较大的偏心锥，有折边锥体的制造难度很大，且在折边处有不可忽视的成型减薄量。无折边偏心锥体的制造相对简单，且成型减薄量很小，所以需要根据不同设备的情况选择合适的锥体形式。该釜式换热器大壳体的直径为3 m，壁厚为75 mm，选用无折边偏心锥。

3.4 管壳程连接结构设计

釜式换热器管板与壳程的结构连接可用法兰连接，也可采用焊接连接。如果采用法兰连接，在设备使用过程中可以通过法兰抽出管束进行清洗维护，但法兰连接存在如下缺点：①法兰连接属于铰支结构，受力状态不如固支；②在壳程压力高、直径大、温度高的情况下，在使用过程中设备法兰往往会出现泄漏的问题。焊接连接虽然不能抽出管束清洗，但属于固支连接，受力状态更好，不会出现使用过程中泄漏的情况。如果设备的壳程介质较为清洁，可以考虑用焊接代替法兰进行结构连接。综合考虑，所设计的釜式换热器壳程筒体和管板采用焊接的方式进行结构连接。

3.5 稳定管束的结构设计

虽然釜式换热器的壳程筒体与管板采用焊接结构连接，不需要滑动抽管束，但需要设计类似滑道的稳定轨道防止管束的过度震动，以延长管束的使用寿命。该釜式换热器设计采用反向角钢制作支撑轨道作为管束的辅助支撑结构，同时离U型弯管段最近的一块支撑板应尽量靠近弯管段，并加厚该块支撑板，以减小U型弯管段对整个管束稳定性的影响。

4 结语

釜式换热器是一种石化装置中常见的重要热交换设备，通过合理的材料选择，优化的结构及强度设计，使设备在保证安全性的同时兼顾经济性，减小制造的难度，提高设备的质量。