影响列管式油冷却器设计质量的若干因素

姚岳峰

摘要：本文从新标准规范和换热器主要尺寸结构两方面着手，阐述影响列管式油冷却器设计质量的若干因素。

关键词：列管式油冷却器 设计规范 折流板尺寸 设计质量

列管式油冷却器作为液压润滑系统中的重要一员，换热管内介质为循环冷却水，壳体内介质为粘度等级为N10～N460的润滑油。广泛用于汽轮机发电机组、压缩机组、风机、泵组及石油化工行业上的油冷却系统。近年来，由于市场的变化以及国内外客户群要求的提高，列管式油冷却器正朝着高要求、国际化的方向发展，使得通常使用的JB/T7356-2016规范要求不能满足客户需求。因此，提升设计人员对新的规范理解和掌握，就成为列管式油冷却器设计时的重中之重。本文着重从常用设计规范和制造工艺角度出发，探讨影响列管式油冷却器设计质量的几个主要因素。

1.列管式油冷设计却器常用设计规范

目前，国内外针对列管式油冷却器在设计方面常用的规范主要有API614、API660、TEMA、GB151、ASME Ⅷ-1等等。相关规范列管式油冷设计却器时提出了不同的要求，具体如下：

（1）API614标准：API614作为国际上通用的油系统设计规范，在列管式油冷却器设计时应注意以下要求：

a）除非客户另有规定，左右管箱盖应该是可拆的，管束是可抽的，通常使用TEMA标准的AEW或AES等形式。

b）如客户（业主）要求满足API614第二部分要求时，要求如下：

-1）换热管名义外径应至少为16mm，名义壁厚至少为1.245mm;

-2）管板材质应为黄铜，换热管材质应为铜合金;当设计压力高于3MPa，经得客户（业主）同意的情况下允许使用钢制管板和换热管，管板在任何情况下不允许使用复合板。

-3）换热管允许使用低翅片管。

-4）如客户（业主）要求满足API614第二部分要求时，换热管名义外径应至少为9mm，其余要求同上。

c）列管式油冷却器应设计为双联形式，配有三通阀，满足在线切换，一备一用的要求。

d）换热管内冷却介质水流速不低于1.5m/s，冷却水的最小温差要求为10℃。最低水流速准则是为了把水程污垢减小到最低限度，最低温升准则是用来把冷却水的耗水量减小到最低限度。

e）列管式油冷却器设计时只需满足TEMA RCB机械标准等级中C级的要求。

（2）API660标准：油系统常常配套在石油炼化设备上，因此列管式油冷却器在满足API614的情况下，经常碰到还应满足API660的要求。在列管式油冷却器设计时应注意以下要求：

a）不允许使用后端头盖形式为填料函形式的换热器，即不允许使用TEMA类型为AEW的换热器，此时换热器的TEMA类型只能是AES或AET型.

b） 换热管名义外径应至少为19.05mm。

c）当换热管材质为铜，铜合金，高合金不锈钢或双相钢时，名义壁厚至少为1.47mm;当材质为碳钢时，名义壁厚至少为2.11mm，当材质为钛或钛合金时，名义壁厚至少为1.07mm

d）如果流体入口处需采用防冲板，防冲板不允许带孔。

e） 除非客户另有规定，列管式油冷却器应满足TEMA RCB机械标准等级中R级的要求。

（3）TEMA标准：TEMA标准是管壳式换热器规范的鼻祖，在结构设计方面提出了比较详尽的要求。当客户（业主）要求使用列管式油冷却器时，通常也会要求满足TEMA规范的要求。在列管式油冷却器设计时应注意以下要求：

a）列管式油冷却器的后端头盖形式通常为W型或S型，布管限定圆与筒体内壁直径之差大于16mm，即旁路间隙大于16mm，此时应按照TEMA规范RCB4.8的要求设置周向旁路挡板。

b） 当后端头盖形式为W型时，灯笼环上通常开有检测孔来检测是否有介质通过填料发生泄漏。

c） 列管式油冷却器管程流程数不小于4，壳程润滑油流向与折流板缺口垂直时，应按照TEMA规范RCB4.8的要求设置内部旁路挡板。

（4）GB151、ASME Ⅷ-1等规范主要对换热器的强度结构做了比较详尽的描述，属于通用的规范，在此处不做介绍。

2.主要结构尺寸对列管式换热器设计质量的影响

折流板尺寸，筒体内直径与折流板外径之差不仅影响列管式换热器的设计质量，同时也影响列管式换热器在制造时的难易程度。

（1）折流板尺寸对列管式换热器设计质量的影响

折流板在列管式换热器中主要起着支撑换热管和防止管束振动的作用，其主要控制因数为折流板的最大无支撑跨距，折流板管孔直径和厚度等尺寸。

a）对于折流板最大无支撑跨距，TEMA-RCB4.5.2规范提出了较为详尽的要求，且列管式油冷却器筒体的长径比通常在6～10左右，设计时参照其标准规范，通常可以满足工艺设计和制造时的难度要求。

b）TEMA-RCB4.2对折流板管孔的要求如下表一：

折流板管孔直径及公差决定了管孔与换热管外径之间的间隙。间隙过大，不仅降低换热器的换热性能，而且会削弱对管束的防震作用。间隙过小，又给换热管穿管和换管等制造过程增加很大的困难。现以某机组为例，利用HTRI软件分析不同管孔与换热管外径之间的间隙时对换热效果的影响。

润滑油为ISO VG46#，流量800L/in，进油温度60℃，出油溫度45℃;冷却水流量1200L/min，进水温度32℃，按照要求，将不同折流板管孔与换热管外径之间的间隙分别输入HTRI软件中进行结果比较，见表二。

从表中可以看出，当折流板管孔与换热管外径之间间隙从0.4mm增加到1.1mm时，通过间隙的旁路漏流量增加了10倍;壳程和换热器的总传热系数分别下降了4%和3.5%，而换热器设计余量降低了8%。

以上数据表明折流板管孔与换热管外径之间间隙大小对换热效果的影响可能会影响整台换热器的设计。根据多年计算经验，当选取筒体直径小

于等于400时，增加折流板管孔与换热管外径之间间隙的大小会大大降低列管式油冷却器的换热效果。故在列管式油冷却器设计时针对折流板管孔与换热管外径之间间隙大小的选择，即要满足TEMA规范的最低要求，同时也要考虑换热效果和兼顾制造厂在制造时的难易程度。

c）从设备制造和设计角度来说，折流板厚度只需满足TEMA-RCB4.4.1规范要求，注意规范中对不同等级的折流板厚度要求是不一样的。但是在实际制造时，通常对折流板两面管孔进行倒角，相当于减小了折流板的有效厚度。同样以上述某机组为例，利用HTRI软件分析不同折流板厚度对换热效果的影响。其结果见表三。

从表中可以看出，当折流板厚度从2mm增加到6mm时，通过间隙的旁路漏流量降低了50%;壳程和换热器的总传热系数分别提升了7%和5.67%，而换热器设计余量也提升了6.21%。

以上数据表明折流板厚度的增加对换热效果的增加是有比较明显的作用的。在列管式油冷却器设计时不能忽略管孔两侧倒角对换热器换热效果的影响。在设计时当设计余量不能满足要求时，可以考虑采用一定的工艺手段来减小倒角尺寸来满足制造工艺的要求，或增加折流板厚度来增加换热效果。同时在设计时如考虑折流板厚度增加时也应当考虑材料成本和加工成本的增加，因为折流板厚度的增加意味着材料重量的增加，同时也意味着管孔加工时间的增加。

（2）筒体内直径与折流板外径之差对列管式换热器设计质量的影响

筒体内直径与折流板外径之差对列管式换热器设计主要体现在壳程筒体的不圆度。其表现方式主要体现在以下几个方面：

a）制造时焊接壳体卷圆造成的筒体不圆度或无缝管壁厚不均造成筒体内径各部分尺寸不一致。

b）制造时接管或鞍座处的焊接造成筒体局部塌陷，影响筒体的不圆度。

c）制造时焊接壳体内部的纵向焊缝与壳体内部的不平度，影响筒体的不圆度。

TEMA-RCB4.3规范提出了筒体内直径与折流板外径之差的要求。现仍以上述某机组为例，利用HTRI软件分析不同折流板与筒体直径之差对换热效果的影响。其结果见表四。

从表中可以看出，增加筒体内直径与折流板外径之差使得通过该处间隙的旁路漏流明显增加，换热效率大大下降。故在列管式换热器设计时在满足标准的最低要求时，还应在制造工艺上思考来较小筒体内直径与折流板外徑之差，从而获得更好的换热效果。

3. 结束语

影响列管式油冷却器设计质量的因素还有很多，例如焊接节点图，管头胀焊结构的合理性等等，本文仅从设计规范和主要结构尺寸两个方面出发，介绍并总结了影响列管式油冷却器设计质量的若干因素。

参考文献：

[1]STANDARDS OF THE TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION 2019 tenth（管式交换器制造商协会）

[2]API660-2015 Shell-and-Tube Heat Exchangers

[3]API614-2008 润滑、轴密封和控制油系统及辅助设备