压差法设计高压换热器分析

邱梅唤张春飞刘雪冰

（江苏德邦工程有限公司南京211153）

摘要：近年来，由于工艺要求、能源危机和环境保护等诸多因素，传热强化技术和换热器的现代研究、设计方法获得了飞速发展，为满足各行各业的需求，已经开发了多种新型换热器。在最求高新技术的前提下，也想尽办法控制设备成本，来达到节能降耗的目的。对于高压换热器在保质保量且安全的前提下，在设计、制造、无损检测方面选取优化的方式来降低成本。

关键词：高压换热器；压差法；热处理；无损检测；水压试验

引言：换热器的主要作用是使热量从温度较高的流体传到温度较低的流体，进行热量交换，从而达到工艺目的，换热器是化工、动力、炼油、食品，制药及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。高压换热器由于管壳程压力较高，按常规设计，管板和换热管就会相对较厚。GB/T151规定，如果能保证管程压力和壳程压力在任何情况下都能同时作用，则可以按管程和壳程的压力差设计管板和换热管,来减薄承受压差元件的厚度，达到节能降耗的目的。

压差设计的换热器的结构形式有多种，但从设备的安全性能，制造的难易成度，无损检测的可操作性等方面进行比较，得出相对优化的结构，供实际生产所用。拿下面的一台高压换热器为例来阐述说明。

此高压换热器为54万吨/年合成氨、95万吨尿素项目的一台设备，工艺条件如下：

壳程设计压力（MPa）：23

管程设计压力（MPa）：23

壳程设计温度（ºC）：190

管程设计温度（ºC）：175

筒体公称直径（mm）：1370

换热面积（m²）：2333.5

换热管φ12.7X1.24X12191共4880根

壳程进出口温度（ºC）:162/44

管程进出口温度（ºC）:16.6/141

壳程物料名称：工艺出料

管程物料名称：工艺进料

壳程材质：Q345R

管程材质：Q345R、16MnⅣ、20

设备整体结构如图所示：

设备整体结构图

1.管板结构及管板和换热管的压差法设计

固定管板换热器的优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。管板和换热管作为换热器的主要受压元件，承载着整个设备的安全性，在保证其足够的强度和工作效率的前提下，尽可能的降低设备的制造成本，来节能降耗。管程和壳程的工作压力差为0.6MPa,管板和换热管采用压差法设计，设定压差为2.5MPa,温度为190ºC.

管板选用整锻件，不兼做法兰的带对接凸肩，对于确保使用安全，节约材料，降低成本都有重要意义。GB151中考虑了影响不兼做法兰的管板强度的主要因素，如：管孔对管板强度的削弱；管束对管板弹性支撑反力作用；管板周围支撑形式；温差的影响。不兼做法兰的管板厚度应该小于兼做法兰的管板厚度【1】。

另GB151中也有相应规定，当设计压力大于6.4MPa时，管板选用不兼做法兰的带对接凸肩结构【2】。

当管壳式换热器的管壳程压力都较高时，为减薄受压元件的厚度(主要是管板,换热管)可采用压差设计。以上述换热器为例，如按常规设计，管板厚度需为(90+280+90)mm，两侧长度为带肩长度，换热管壳程压力试验外压计算，按-34.2MPa，换热管计算厚度需1.8mm。但如果按压差2.5MPa来设计，管板厚度只需为(90+100+90)mm，两侧长度为带肩长度，换热管选用壁厚1.24mm就能满足要求，如此管板就节省约6吨，换热管节省约10吨，如此整台设备就节省约22万元。此数据仅对此台设备，对于不同设备节约成本不同。

2.热处理

金属材料的性能不仅与其化学成分、金相组织有关，而且与热处理的状态紧密相关。热处理是改善金属材料或其制品性能的重要工序，依不同的目的将材料或其制品加热到规定的温度、保温，随后以不同的方法冷却，以获得所要求的性能。热处理包含焊后热处理、恢复力学性能热处理、改善力学性能热处理和消氢热处理四大类【3】。

焊后热处理是指为改善焊接接头的性能和组织，消除残余应力等影响，将焊接接头及其相邻的及局部在金属相变点以下均匀加热到足够高的温度，保持一定的时间再冷却，可以松弛焊接残余应力，改变组织形态，减少含氢量，提高钢的冲击性能。

焊后热处理根据材料种类、设备壁厚、易操作性，并结合标准要求来选择整体热处理或分段热处理或局部热处理或现场热处理。

对于此台设备的热处理选择：换热管和管板焊缝不需要进行热处理，壳程筒体和管箱合拢缝可采用局部热处理，壳程筒体较长，如选用整体热处理，费用高且不易操作，其它焊缝应采用整体热处理。依据成形受压元件的恢复性能热处理的条件计算，管箱筒体和壳程筒体成形后需进行恢复材料性能热处理，为节约成本，且能达到性能要求，可将此热处理可与焊后热处理合并进行。

3.无损检测

无损检测是在不损坏被检物的完整结构和使用性能的情况下，利用电磁波、声、光、热、电、磁等与物质的相互作用，探测被检物的内部或表面的宏观缺陷，并做出判断【4】。

无损检测的方法有多种，主要有射线、超声、磁粉、渗透、声发射、泄漏等检测方法【5】。为提高检测结果的可靠性，应根据设备的材质、制造方法、工作介质、使用条件和失效模式及预计可能产生的缺陷种类、形状、部位和取向，选择合适的无损检测方法【6】。

高压换热器压力较高，壁厚较厚，设备的危险性较大，多数A、B类焊缝选用RT-100%+UT-100%,分别符合NB/T47013.2-IIAB级和NB/T47013.3-I级合格。

对于此台设备的无损检测,对于A、B类焊缝选用TOFD-100%+MT-100%

分别符合NB/T47013.10-IIB级和NB/T47013.4-I级合格。

TOFD衍射时差法超声检测作为一种日趋成熟的超声检测新技术，被越来越多的应用在船舶、机械、及特种设备的无损检测中。TOFD已经得到ASMEⅧCoDe2235,SATME-2373-04，BS7706(1993)等标准认可。TOFD可检出焊缝中部的缺陷，判断缺陷是否向表面延伸是它的强项。

TOFD检测可带来很大的经济效益，此检测可节省耗材消费，按一百米焊缝计算，射线检测至少需要300张的胶片，而TOFD检测除了消耗耦合剂外，没有任何其他费用；也不用采取防护措施，省去曝光室等高昂的建造费用；检测结果快，现场检测可以现场对焊缝情况评估，现场进行返修，大大加快了生产进程；采用TOFD检测，壁厚再厚也不用担心，对于厚壁容器X射线需要满足很多的现场条件，而TOFD检测能搞定12-400mm厚的工件，且能保持一样的速度。

TOFD检测可靠性好，定量精度高，简单快捷，但对被检工件的表层存在一定的盲区，所以选用TOFD检测和磁粉检测并用，来保证工件被完全检测到位。

4.水压试验

按压差设计的换热器在操作系统中应具有能确保管、壳程同时升压及降压的切实措施，并应考虑在正常工作、开车、停车，和压力试验中可能出现的压力差，且最大压力差不能大于设计时的压差，且保证设备在安全的前提下运行。

对于按压差设计的管壳式换热器，应按如下顺序试压：

先按试验压力（压力差乘以试压系数）进行壳程试压，检查换热器与管板的连接接头。然后装配好换热器，壳程与管程同时按图纸规定的试验压力加压，检查管程、壳程受压元件、焊缝及连接部位。还有要注意的一点是，在试压时候，管程和壳程两端在交替升压的过程中，压力差不能超过设计压差，直到两端压力分别达到试验压力。

6.结束语

随着化工、动力、炼油、食品，制药及其他许多工业的快速发展，及各种工艺要求的提升，对于设备设计、制造、检验等要求也相应提高。在国家能源有限的情况下，就要本着节约成本，节能降耗的原则，能符合相应标准，且能保证设备安全运行的前提下，设计及制造出经济实用性的产品。

参考文献：

[1]固定管板式换热器（不兼做法兰）管板的设计实践石油化工设计2004.21（2）.

[2]GB/T151-2014热交换器国家质量监督检验检疫总局

[3]GB150.1~150.4-2011压力容器国家质量监督检验检疫总局

[4]NB/T47013-2015承压设备无损检测国家能源局

[5]TSGR0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程国家质量监督检验检疫总局

[6]压力容器设计工程师培训教程全国锅炉压力容器标准化技术委员会