复合板固定管板热交换器设计中的几点探讨

张小平，唐彦平，刘潇博

（中国轻工业长沙工程有限公司，湖南长沙 410114）

热交换器是应用广泛的过程设备，在化工、石化、制药、轻工、环保等行业用作单元设备，在不同温度的2 种或2 种以上流体之间传递热量。据统计，化工厂的建设中热交换器费用约占总投资的10%～20%，炼油厂中热交换器费用约占工艺设备总投资的35%～40%［1-2］。随着石油化工、轻工、环保、废水处理、新能源等行业的快速发展，一些流体传热工况要求热交换器采用耐腐蚀性能强的贵重金属材料制造。为了降低换热设备的材料成本，节省贵重金属用量，同时兼顾设备的强度和安全要求，不锈钢-钢、钛-钢、镍-钢等复合板热交换器越来越常见［3-5］。文中结合复合板固定管板热交换器设计依据的主要标准及使用的计算软件，从设计角度探讨几个值得注意的问题。文中使用的物理量符号含义及其计算单位均与相关标准相同。

1 换热管承受轴向压应力时爆炸复合管板应用的可行性

压力容器用复合板产品质量分级的主要依据是NB/T 47002.1～47002.4—2019《压力容器用复合板》［6］。NB/T 47002.1～47002.4—2019 主要依据结合率和结合界面剪切强度对复合板进行分级，将爆炸焊接法（B）或轧制复合法(R)制造的复合板划分为1 级、2 级和3 级这3 个等级，规定其对应的未结合率指标依次为0、不大于2%和不大于5%，同时对复合界面的结合剪切强度下限进行了限制，例如不锈钢- 钢复合板的结合剪切强度下限为210 MPa，钛-钢复合板的为140 MPa。

采用复合板时，设计文件中应规定复合板的制造方法和级别。根据GB/T 151—2014《热交换器》［7］中的要求，热交换器的复合管板宜采用堆焊或爆炸焊接复合板，爆炸焊接复合板应满足NB/T 47002.1～47002.4—2019 中的B1 级要求；当换热管受轴向压应力时，宜采用堆焊复合管板。值得注意的是，NB/T 47002.1～47002.4—2019 中缺乏垂直于复合界面基层与覆层结合拉伸强度的指标。

当换热管承受轴向压应力时，复合管板的结合界面承受垂直于该界面的拉应力，为防止可能的受力情况下管板管桥复合结合界面的分层和剥离，降低风险而规定采用堆焊复合管板，这对覆层和基层材料可焊性好的材料而言是没有问题的。但这对于覆层和基层材料可焊性不好的或不可焊的复合板而言则是无意义的，如钛-不锈钢复合板或钛- 钢复合管板，就无堆焊的可能。

目前，大部分复合板规范中无结合界面轴向拉伸强度的规定。仅GB/T 8546—2017《钛-不锈钢复合板》［8］中规定要求对0 类复合板 (相当于NB/T 47002.3—2019 中的1 级)结合面进行剪切试验和分离强度试验，指标分别为不小于196 MPa和不小于274 MPa，而1 类和2 类复合板只进行剪切试验，合格指标为不小于140 MPa，与NB/T 47002.3—2019 中规定的结合界面结合剪切强度指标一样，也是无分离强度指标。此数据说明0 类复合板轴向分离强度是优于剪切强度的，对复合板结合界面的抗分离能力有较清楚的判断，反映了复合板在爆炸复合时，高温、高压下不同金属在结合面达到了冶金结合状态。

当已知换热管受轴向压应力时，要校核换热管轴向受压稳定性，判定准则为其绝对值不大于设计温度下的稳定许用压应力。而在设计条件下，换热管材料、规格尺寸等本身条件是确定的，故临界稳定许用压应力只与折流板间距有关。在满足工艺压降及流速要求下，通过工艺换热计算，可对折流板间距进行调整，从而确定稳定许用压应力值。为留够设计余量，可先限制剪切强度小于某个应力值，再取一定安全系数，按照此方法确定的轴向压应力许用值可在很大程度上满足换热管有轴向压应力时使用爆炸复合管板的工况。例如，文献［10］提出，只要复合管板管桥区贴合面无未结合面，控制管子的轴向压应力不大于120 MPa，结合面就不会分离。

2 复合管板与换热管连接的拉脱应力

当设计温度下换热管材料和覆层材料的许用应力小于管板基层材料的许用应力时，上述类似问题很难被发现，因为即使错误地将基层材料列入比较，拉脱应力许用值仍由换热管和覆层材料许用应力决定，并不影响计算结果。

3 复合板热交换器计算输入的简化

固定管板热交换器腐蚀前和腐蚀后的计算校核必须分开进行。腐蚀前工况校核，主要考虑温度因素引起的膨胀或收缩及其产生的较大应力。温差产生的壳程轴向力等于壳程轴向应变、壳程材料弹性模量以及壳程筒体截面积的乘积。相同的温差产生相同的应变，筒体越厚，截面积越大，温差产生的壳程轴向力就越大。而腐蚀后工况的计算主要考虑的是压力载荷下的强度校核，根据筒体应力公式可知，厚度越小，应力越大。同时，腐蚀前后因为壁厚的变化，还会涉及固定管板热交换器管程和壳程轴向刚度比的变化，最后通过变形协调来分配应力，各部位的计算应力水平都会有变化。因此在壳程复合板热交换器设计输入时，可以不考虑覆层的强度，但不能忽略覆层厚度在工况温度下的影响［12］。

若复合板热交换器壳程不计入覆层厚度，则可能会出现腐蚀后设备计算通过校核，而腐蚀前设备计算未通过校核的情况。同样的原因，在热交换器的设计变更中，如果涉及到材料的以厚板代薄板或材料变更，均需重新核算。然而，SW6 软件中并无复合板的计算输入选项。如果考虑复合板覆层的强度，可按GB /T 150.1—2014 中的加权平均许用应力来确定，但又存在复合板的屈服点、弹性模量、线膨胀系数等其他基础数据不易得到或数据不准确问题。因此在强度计算中，一般不考虑覆层材料强度。

上述问题可通过计算输入的简化来解决。简化方法为，计算输入时将覆层厚度计入基层厚度中，通过厚度附加量予以扣除，相当于将基层加厚，在设计温度下许用应力比真实值偏小，是偏保守的计算，这样既保证了基层腐蚀减薄后的应力强度，又考虑了覆层厚度的影响。厚度附加量= 覆层厚度+ 基层材料标准负偏差绝对值+0.5 mm（复合时基层减薄量）。在SW6 中具体输入时应做相应转换，即腐蚀余量输入值=覆层厚度+0.5 mm（复合时基层减薄量），此时板材负偏差为0 不勾选。或腐蚀余量输入值= 覆层厚度+0.5 mm（复合时基层减薄量）+ 基层标准负偏差绝对值，此时板材负偏差为0 要勾选。

4 换热管与复合管板连接的管孔结构

换热管与管板的连接方式主要有强度胀接、强度焊接以及胀焊并用。胀焊并用结合了强度焊接和强度胀接的优点，目前在复合管板与换热管的连接中应用比较广泛。胀焊并用又可根据使用场合的不同和制造加工工序的不同细分，按照使用场合可分为强度焊+ 贴胀和强度胀+ 密封焊，按照加工顺序可分为先胀后焊和先焊后胀［13-16］。因此，采用不同连接形式对应的管孔连接结构还是有区别的。

采用先胀后焊的制造工艺时，应尽量减小管板不胀管区的长度，以减少管板与换热管缝隙内气体的体积。GB/T 151—2014 中推荐胀接部分应超过复合管板覆层与基层结合界面，不胀部分仅留坡口根部3 mm 左右,原因是焊接过程中产生的高温将加热缝隙间的气体，使其体积膨胀，在间隙内形成压力，因胀后排气通道已堵死，带压气体被迫通往焊道一侧，容易在熔融状态时发生焊面逸出，致使接头焊缝产生气孔和裂纹，影响焊缝质量。采用此工艺时，应选择胀后对管接头缝隙清洁无影响的液袋胀接或橡胶胀接。同时避免采用机械滚珠胀管，否则接头的缝隙中残留的润滑油在高温的作用下会产生新的气体，焊缝质量更难得到保证。

采用先焊后胀的制造工艺时，因不需要清洗胀管后残留的油污，可用机械滚珠实施胀管。同时应深度胀，即距管接头保留足够的不胀管长度，使胀接部位避开焊道，以减小胀管时局部变形产生的应力对已完成焊道造成破坏。GB/T 151—2014中的推荐做法是，距管接头侧管板表面15 mm 范围内不胀。

5 结束语

目前复合板固定管板热交换器的设计和选材主要依据GB/T 151—2014、GB/T 150.1～150.4—2011 《压力容器》［17］、NB/T 47002.1～47002.4—2019 等标准进行，在落实标准规定和使用SW6 软件的过程中存在困惑和不同的解读及处理方式，文中选择设计中注意到的几个重点问题进行分析探讨。总结如下，在换热管承受轴向压应力时，通过控制轴向压应力在一定数值内，使用覆层和基层材料可悍性不好或不可焊的材质组成的爆炸复合管板具有在工程上应用的可行性。计算复合管板换热管的拉脱应力时，所取的管板材料许用应力应是设计温度下覆层材料的许用应力，否则可能会导致取值错误。在满足设计计算要求的前提下，将覆层厚度计入基层输入，可简化复合板热交换器的数据输入。管板与换热管的连接采用不同的连接方式和制造工艺时，应根据其特点，选择相对应的结构。