淺談鈦制U形管換熱器設計注意事項

邢亞恒* 付啟輝 劉鴻彥 吳丕杰

（南京寶色股份公司）

0 引言

隨著石油化工行業不斷發展，化工設備的耐腐蝕性能和承壓能力需要滿足越來越高的要求。鈦材是一種常用的耐腐蝕材料，尤其對中性、氧化性、弱還原性介質有著較好的耐腐蝕性，而鈦-鋼復合板兼具鈦材料優秀的耐腐蝕性能和低合金鋼的力學性能，既能降低材料成本，又能保證設備本體的強度和剛度，因此鈦-鋼復合板已成為化工設備中最常用的材料。

由于鈦材不能與鋼材直接焊接，鈦-鋼復合板設備在設計、制造、檢驗等方面，都與常規的鋼制壓力容器有較大的區別。本文以鈦-鋼復合板作為主體材料的U 形管換熱器為例，介紹了管箱分程隔板和鈦U 型管束在制造、組裝過程中，與筒體內部鈦貼條、鈦蓋板產生干涉，使得殼體內部鈦貼條、鈦蓋板焊縫被破壞的問題。在不影響設備換熱效率和結構強度的前提下，提出了管束制造以及組裝的相應解決方案，保證分程隔板和U 型管束順利安裝。

1 設備基本參數及結構特點

該U 形管換熱器主要設計參數可見表1。

表1 主要設計參數

1.1 材料選用

設備管、殼程介質均具有弱酸性，且設計壓力和設計溫度較高，筒體和封頭材料選用TA10+Q345R（正火）復合板，設備法蘭材料為16Mn Ⅲ鍛件襯TA10 板，管板采用純TA10 鍛件，拉桿、定距管、折流板材料均采用TA10，管箱和殼程側墊片采用柔性石墨復合墊，緊固件材料采用35CrMoA。

1.2 結構特點

TA10 板作為設備耐腐蝕層，不參與強度計算，設備主要承壓是基層鋼板。根據GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3 部分：設計》中內壓圓筒和封頭的計算公式，該設備經過計算并圓整取筒體基層厚度為28 mm，封頭基層厚度為26 mm（成形后），覆層采用厚度為3 mm 的TA10 板作為耐腐蝕層，鈦-鋼復合板按標準NB/T 47002.3—2019《壓力容器復合板 第3部分：鈦一鋼復合板》標準中B1 級的規定，鈦-鋼復合板焊接接頭按HG/T 20583—2020 附錄E（規范性）執行，基層焊接完畢后焊縫內側設置焊接鈦墊板和貼條，并在貼條拼接處設置蓋板（詳見圖1）；環向焊接接頭鈦貼條端部和縱、環焊接接頭連接處的T形接頭采用鈦制蓋板覆蓋（詳見圖2）；該設備焊接接頭用鈦墊板、貼條及蓋板厚度均為3 mm，因此縱環焊縫處的鈦貼條較設備內徑凸起為3 mm，蓋板凸起為6 mm。

圖1 鈦復合板對接接頭

圖2 T形焊接接頭

2 分程隔板設計

2.1 厚度計算

根據GB/T 151—2014《熱交換器》，分程隔板厚度δ計算公式為：

式中：b——隔板長度；

B——尺寸系數；

Δp——隔板兩側壓力差；

[σ]t——隔板材料設計溫度下的許用應力。

分程隔板兩側均考慮1 mm 腐蝕，通過計算并圓整后該隔板厚度取16 mm。分程隔板與管箱采用焊接連接，在管箱法蘭密封面處分程隔板端部厚度應比管板上對應的隔板槽寬度小2 mm 便于組裝。當分程隔板厚度根據強度計算需要比較厚，且管板分程處隔板槽尺寸限制時，對分程隔板端部結構進行削?。ㄔ斠妶D3），并在分程隔板上設置6 mm 的排凈孔，同時分程隔板端部需與管箱設備法蘭的密封面進行二次加工，保證隔板端部與管箱法蘭端部密封面粗糙度一致。

圖3 分程隔板端部結構詳圖（單位：mm）

2.2 結構設計

鈦復合板設備的分程隔板與管箱殼體覆層焊接，管箱筒體環向焊接接頭處鈦貼條較管箱內壁凸出3 mm，分程隔板與環向鈦貼條干涉無法安裝，如果直接減小分程隔板的寬度避開鈦貼條，將會造成分程隔板與管箱復層焊接間隙太大無法保證焊接質量。

本文提出的方案是將分程隔板在環向焊接接頭處進行開槽處理，避開環向鈦貼條（詳見圖4），管箱環向焊接接頭組焊完畢后，先組裝管箱內側的鈦墊板，保證鈦墊板組裝后與復合板覆層面高度一致，然后組裝分程隔板，分程隔板放入管箱后先不進行焊接，將環向鈦貼條裝入管箱并從分程隔板開槽穿過并完成鈦貼條角焊縫的焊接，最后再調整隔板方位至圖紙要求位置，并焊接分程隔板與管箱的連接焊縫。

圖4 環向焊接接頭處分程隔板開槽結構（單位：mm）

3 裝配管束

U 形管換熱器管束可拆卸，管束和殼程清洗較為方便，鈦-鋼復合板對接接頭內部鈦貼條和蓋板凸起，安裝或拆卸管束時貼條和蓋板與折流板干涉，甚至會造成貼條和蓋板焊縫被破壞。因此針對U 形管束安裝問題提出解決方案。

3.1 減小折流板外徑

常規換熱設備的折流板外徑及允許偏差按GB/T 151—2014 標準中表6-20 確定，由于鈦-鋼復合板對接接頭內部貼條貫穿筒體封頭所有的縱、環焊縫，折流板外徑比GB/T 151—2014 標準要求的尺寸減小6 mm（2 個環縫貼條厚度），保證折流板安裝時不與筒體上對接接頭貼條干涉。

3.2 設置防短路墊環

折流板作用是支撐換熱管和提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱效果，增大殼程流體 的傳熱系數，同時減少結垢，提高換熱效率。折流板直徑一般略小于設備直徑，便于管束裝配，如果折流板外徑在標準規定尺寸的基礎上再減小6 mm，將會造成折流板與殼體間的間隙過大，有害流路就會增大，部分流體短路，換熱效率被削弱。為了解決這個問題，本設備的設計方案為：在殼程筒體內部設置鈦墊環，焊接在殼程筒體內壁，墊環厚度為3 mm，墊環放置在管束穿入殼程筒體內部后，折流板所在位置。在每個折流板位置設置一圈鈦墊環（詳見圖5），確保折流板與筒體間的間隙滿足標準要求，從而保證換熱器的換熱效率。

圖5 殼程筒體焊縫和墊環布置圖

最后在環向焊接接頭鈦貼條端部和縱、環焊接接頭連接處的T 形接頭所在方位，折流板上開矩形槽，保證折流板不與鈦蓋板干涉。

3.3 支撐導軌和滑道

采用支撐導軌結構可以固定管束安裝方位，起到限位作用，避免管束安裝過程中發生角度偏轉從而造成折流板與蓋板發生碰撞。折流板與滑道配合開槽并設置滑桿（詳見圖6），保證管束能順利穿入筒體。

圖6 管束滑道安裝詳圖

為了保證管束在安裝過程中順滑平穩，支撐導軌與圓鋼滑道配合面需保持水平，導軌與殼程筒體環縫貼條干涉處應開槽錯開，導軌上筋板與滑道連接段保持連續，下筋板斷開（詳見圖7）。

圖7 支撐導軌開槽避開貼條（單位：mm）

3.4 導軌和滑道另一種設計方案

支撐導軌和圓鋼滑道配合是一種常用的管束安裝方法，該方法穩定性好，易檢修；同時也可采用滾輪式滑道，當介質為潔凈流體時也具有很高的穩定性，但對于殼程介質黏度較大或介質含有固體雜質易結垢等場合，滾輪可能會出現滾輪卡死、或阻力過大難以拆卸的情況。支撐導軌結構也可作為滾輪式導軌結構的一種補充方案,并且支撐導軌完全避開了管束直接在復合板筒體耐腐蝕層表面直接滑動，減少了耐腐蝕層的磨損，對于大型U 型管換熱器也同樣適用。

4 結語

U 形管換熱器管、殼程筒體為鈦-鋼復合板時，其在縱、環對接焊縫處存在凸起的鈦貼條和鈦蓋板，進而導致設備內件組裝無法按常規設計進行，而且設計階段容易被忽略，導致設備組裝過程時強行操作，甚至造成鈦蓋板和貼條被破壞。故本文U 形管換熱器在結構設計階段提出了關于分程隔板相應結構修改和組裝順序，及管束組裝時折流板處的結構特殊處理，既保證了換熱器正常使用和換熱效率，又能滿足設備結構強度和穩定性。