小型螺旋管式热交换器结构设计

2021-09-16唐叔建路广遥周建明

石油化工设备 2021年5期

李诚，唐叔建，路广遥，周建明，叶亮

（中广核研究院有限公司设备研发中心，广东深圳 518000）

热交换器是一种在不同温度的多种介质之间实现热量传递的设备，广泛应用于石油、化工、制药、核电、冶金、电力、船舶及集中供暖等领域［1］。目前，我国热交换器的发展呈现多样化和专门化特点，广泛应用的热交换器主要有板式热交换器、管壳式热交换器、空冷式热交换器和板翅式热交换器［2-3］等。其中，管壳式热交换器具有可靠性高、适用范围广、制造成本低且清洗方便等特点，在各工业领域中得到了最为广泛的应用［4-5］。螺旋管式热交换器是一种特殊结构的管壳式热交换器，螺旋盘管/绕管制造水平是限制其应用的重要因素。螺旋管式热交换器设计中，螺旋换热管的选择、布置、强度核算以及流致振动分析是设计的重点和难点［6-8］。文中介绍了1台小型螺旋管式热交换器的结构设计方案和校核计算过程。

1 小型螺旋管式热交换器设计基础参数

设计基础参数包括小型螺旋管式热交换器的热功率、传热面积、一次侧流量以及设计工况和操作工况下温度、压力取值，见表1。

表1 小型螺旋管式热交换器设计基础参数

2 小型螺旋管式热交换器结构方案

2.1 总体结构

小型螺旋管式热交换器总体结构方案见图1。其中，容器组件包括筒体、下封头和接管等，管束组件包括换热管、支撑结构、内筒、外筒等，管板组件包括管板和固定块等，紧固密封组件包括紧固螺栓、垫片、双锥环等，上封头组件包括上封头、接管、盖板、螺栓等。换热管采用螺旋盘管结构，管板与容器采用螺栓连接，以方便管束吊出进行检修。一次侧流道设计为，流体从筒体中部入口流入，经过外筒与容器之间的上部环形流道向上流动，到达顶部后通过外筒开孔进入换热管束中，然后在管束中折返向下流动直到下封头区域，经过外筒与容器之间的下部环形流道向上流动，从筒体中部出口流出。二次侧流道设计为，流体从下封头入口流入，经给水腔室分配给每根螺旋换热管，沿着螺旋换热管的直段、空间弯段、螺旋段流动，最终流入上封头腔室，从上封头出口流出。上封头和下封头上均设计了检修孔，可以实现内部结构的检修。

图1 小型螺旋管式热交换器总体结构

2.2 螺旋管布置

布管设计应保证螺旋换热管的受热均匀性，减小各螺旋换热管的热偏差，尽可能使用相同或相近规格以及长度的螺旋换热管。螺旋上升角α按照下面的公式计算。

式中，SL为轴向节距，D为螺旋盘管直径，m；M为螺旋盘管头数。

分析式（1）可知，轴向节距、径向节距(相邻2层螺旋管中心间距)、螺旋盘管直径及螺旋升角是相互制约的。设计中，采取保持径向节距、轴向节距不变，调节螺旋管的头数，螺旋升角略有变化的计算程序。经过综合考虑，选取的螺旋换热管规格为φ18 mm×2 mm，布管方案见表2。

表2 小型螺旋管式热交换器螺旋换热管布置方案

2.3 管孔布置

螺旋换热管给水入口腔室（二次侧入口）设计在下封头上。考虑到空间的局限性，螺旋换热管入口管孔采用三角形布置，示意图见图2。

图2 螺旋换热管入口管孔布置示图

螺旋换热管出口（二次侧出口）布置在上部管板上，布置空间大。为了降低弯管难度，每一层螺旋换热管的出口均布于螺旋直径对应圆周上，对处于支撑垫条位置及其附近区域的出口稍作微调，对应管板上的螺旋换热管出口管孔布置示意图见图3。

图3 螺旋换热管出口管孔布置示图

2.4 管束支撑结构

螺旋管之间布管紧凑，管与管之间的间隙很小，留给支撑结构的布置空间因此很小。根据螺旋管的结构和间距，设计了垫条形支撑结构，并通过内外筒对其施加约束，见图4。其中，螺旋管相邻层之间通过垫条进行约束，每层均布6根垫条。相邻2层垫条之间通过销钉固定，每5排螺旋管间隔1个销钉，销钉装配到位后，焊接固定。

图4 管束支撑结构示意图

2.5 零部件选材

在材料的选择上，需要考虑运行环境下的安全可靠性、与介质的相容性、加工性以及经济性等因素。综合分析后确定的主要零部件材料见表3。

表3 小型螺旋管式热交换器主要零部件材料

3 小型螺旋管式热交换器强度核算

3.1 主要结构件壁厚

根据 GB 150.1～150.4—2011《压力容器》［9］，计算小型螺旋管式热交换器的主要结构件壁厚。

圆筒形筒体厚度t按下式计算：

球形封头厚度t＇按下式计算：

式（2）和式（3）中，Di、Di＇为筒体、封头内径，mm；p为设计内压力，[σ]为材料在相应设计温度下的许用应力，MPa；φ为焊接接头系数，取φ=1。计算过程中各参数取值及计算结果见表4，其中厚度取值考虑开孔补强且不含堆焊层。

表4 小型螺旋管式热交换器的主要结构件壁厚计算表

3.2 管板强度校核

根据 TEMA—2007《Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association》[10]的相关要求，对小型螺旋管式热交换器的管板强度进行校核计算。

管板计算厚度T为：

式中，F为管板固定支撑系数；G为管板直径，mm；S为许用应力，MPa；η为平均孔桥带效率。查表[10]可知，F=1.25、η=0.56、S=120 MPa，已知 G=742 mm，p=16.9 MPa，代入式（4）计算得到 T=155 mm。按照经验,管板最薄处取180 mm。

3.3 螺旋换热管外压校核

按照文献[11]第Ⅲ卷NB分卷NB-3133进行螺旋换热管外压校核计算。

螺旋管的最大允许外压pa按照下面的2个公式进行初步计算，以其中较小者为最终计算的最大允许外压pa。

查文献[11]第Ⅱ卷D篇中图G得外压应变系数A=0.014，根据A值查文献[11]第Ⅱ卷D篇中图NFN-21得外压应力系数B=118。代入相关参数计算得到 pal=18.58 MPa、pa2=31.8 MPa，因此螺旋管最大允许外压值为18.58 MPa，大于设计压力17 MPa，满足设计要求。

4 小型螺旋管式热交换器螺旋换热管流致振动分析

4.1 评判准则

在管壳式热交换器的壳程中，流体横向流过管束时，引起螺旋换热管振动的主要机理有湍流激振、流体弹性不稳定及卡门漩涡激振。采用公式法对以上3种产生激振的方式进行评估，评判的准则为[12]，①卡门漩涡频率fv与螺旋换热管最低固有频率f1之比大于0.5。②螺旋换热管的最大振幅ymax>0.02d（d为螺旋换热管外径）。③横流速度vg大于临界横流速度。在以上判据中，符合任意一条，螺旋换热管就可能发生振动和破坏。

4.2 固有频率

在对螺旋换热管进行公式法评估之前，先对螺旋换热管进行固有频率分析。采用有限元软件ANSYS 17.1对螺旋换热管进行模态分析，获取的第1～4层螺旋换热管固有频率依次为132.54、123.73、115.79 及 108.56 Hz。

4.3 计算及结果

4.3.1 低阶湍流模型

螺旋换热管湍流激振通常是由低阶湍流诱发。Blevins[13]对螺旋管束的横流进行测试和分析，表明螺旋换热管因湍流引起的振动有3个波段，一是用于脱落频率以上的螺旋换热管固有频率，二是用于等于或接近脱落频率的螺旋换热管固有频率，三是用于低于脱落频率的自然频率。

湍流引起的螺旋换热管振幅yn在第n阶螺旋换热管振动模态随流体速度增加可表示为：

式中，n为振动的阶数；旋换热管外径d取为18 mm；ρ为流体的密度，kg/m3；mt为单位长度螺旋换热管总质量，kg；ζt为总阻尼比；vg为间隙平均流速，m/s；fn为第n阶模态的固有频率,Hz。

一次侧单相流的螺旋换热管总阻尼比是黏性阻尼和支撑阻尼的总和，可以用测量数据或经验式确定[14]。螺旋换热管阻尼随螺旋换热管振动频率的增加而降低，水或湿蒸汽在紧支撑和松支撑时的平均阻尼比分别为0.015和0.05[15]。

4.3.2 流体弹性不稳定模型

管束发生流体弹性不稳定时，临界横流速度vc按以下公式计算[12]。

式中，Kc为比例系数，取2.1；fn为螺旋换热管固有频率，Hz；δs为质量阻尼系数；b为指数，取0.15；m为单位管长的质量，mt＇为空管质量，mi为螺旋换热管内流体质量，mo为被振动排开的、虚拟的管外流体质量，kg；δ为螺旋换热管的对数衰减率；ρo为壳程流体的密度，ρi为管程流体的密度，ρo取748 kg/m3；Cm为附加质量系数，取 1.34。

螺旋换热管作衰减运动时，任意两相邻周期的振幅比的自然对数即为对数衰减率。当壳程介质为液体时，对数衰减率δ由以下公式[12]得到：

式中，f1为螺旋换热管基频,Hz；Ce为界限函数，取 1.565；ν1为液体运动黏度，取 1.23×10-7m2/s；ρ1为液体的密度，kg/m3。

4.3.3 卡门漩涡激振模型

由卡门漩涡激振引起的螺旋换热管振动随着其频率与螺旋换热管固有频率的接近或吻合而产生，卡门漩涡脱落频率fv按下式计算[12]。

式中,v为横流速度，m/s；St为斯特罗哈数，取0.33。

4.3.4 振动计算结果

按照上述3种模型及公式计算螺旋换热管流致振动特征参数，结果见表5。

表5 螺旋换热管流致振动特征参数计算结果

表5中，湍流激振振幅A1对应的平均阻尼比为0.015，B1对应的平均阻尼比为0.05。卡门漩涡脱落频率fv为35.34 Hz，最外层（第4层）螺旋换热管第1阶固有频率 f1为 108.56 Hz，fv/f1<0.5。湍流激振最大振幅发生在最外层螺旋换热管，其振幅在 7.57×10-3～1.38×10-2mm。小于 0.02d对应的0.36 mm。螺旋换热管束的实际径向间隙流速vg为1.99 m/s，最外层螺旋换热管的临界速度为3.19 m/s，即螺旋换热管束实际径向间隙流速小于流弹失稳临界速度。因此，螺旋管束的参数不满足湍流激振、流体弹性不稳定和卡门漩涡激振的诱发判据，该螺旋管束不会发生流致振动。