换热器环形外导流筒的设计及制造要点

　　静设备石油化工设备技术，2005，26（6）换热器环形外导流筒的设计及制造要点张立文（中国石化工程建设公司，北京100101）接结构的比较以及制造要点。这种换热器起到了保护管束和均匀分布壳程物流的作用，布管数多，满足了工艺要求的换热面积。

　　1前言通常换热器壳程物料进、出口处流通面积应不小于进、出口接管截面积；同时壳程物料人口处往往根据需要设防冲装置，以减轻物料对管束的冲刷，所有这些都要求在物料进、出口区域留出一定的空间。当壳程物料进、出口接管尺寸较大时，这个空间就要求相应加大；这样，便造成壳程空间不能充分合理利用。因此对壳程物料进、出口尺寸较大的换热器应采用外导流筒。在国内某大型乙烯装置中，共有13台换热器就因壳程物料进、出口接管尺寸太大，而采用了环形外导流筒结构。这种结构不仅起到了保护管束和均匀分布壳程物流的作用，而且实现了布管数多、充分利用壳程空间，满足了工艺要求的换热面积。本文针对此装置中换热器采用的环形外导流筒，从设计到制造作一探讨。该乙烯装置中典型的换热器壳程环形外导流筒结构如所示。

　　2结构参数的确定环形外导流筒结构尺寸应能保证壳程人口物料的流通面积和均匀分布。环形外导流筒结构如所示。各部分结构尺寸确定方法如下：径向间距是从导流筒壳体内径到换热器壳体外径间的距离，这个距离必须保证有足够的流通面积，一般不得小于50mm，可取Lr等于0.28754（4为壳体人口接管的内径，mm）。

　　导流筒内部宽度一方面要保证物料入口的流通面积，Lw可取为1. 74；另一方面还要保证环形外导流筒各焊缝间距离不得小于导流筒壳体厚度的4倍。

　　环形外导流筒结构示意一般的长孔宽度Lsw比导流筒内部宽度Lw小50mm.大Lsw可从下列公式计算得到：国石化工程建设公司从石油化工设备设计工作。工程师。

　　此项Lc应考虑焊缝间的距离不得小于换热器壳体厚度的4倍，一般设定为150mm，对于小直径换热器可减小到100mm.根据以上计算可以确定合适的Lsw，然后求出长孔开口角度：对于双弓形折流板，如果上述计算结果为160°，那么两个长孔均为80°。

　　长孔的方位对成功设计环形外导流筒是非常重要的。一般原则为对于单弓形垂直缺口折流板的换热器，长孔中心在壳体的侧（对）面上。

　　对于双弓形折流板的换热器，右侧两个长孔（在折流板的每一侧）与人口接管中心间为90°。

　　3强度计算环形导流内、外筒及封板的强度计算可按GB150―1998《钢制压力容器》或GB151―1999《管壳式换热器》进行。导流外筒的强度除了考虑自身压力外，还要考虑其上接管开孔的补强问题，而外筒长度短，接管直径大，因此一般采用整体补强，因而环形导流外筒的厚度比较厚。封板厚度的确定除了强度计算以外，也要考虑焊接结构的形式，在该装置中，封板的厚度一般是环形导流外筒厚度的2倍左右。

　　4典型焊接结构及分析在设计时，国内外相关标准，主要有以下4种典型焊接结构（见）：这4种结构，看似大同小异，但细究起来它们在组装焊接顺序、筒体圆度要求及焊缝检验实现程度上有明显的区别。各个结构的特点是：（a）：―侧封板与换热器壳体双面焊后，再焊接环形导流外筒与封板的单面焊，后另一侧封板与换热器壳体单面焊。从制造顺序来看，焊缝1、2能够清理和检测，焊缝4是后一道焊缝，无法清理和检测，须从工艺上保证全焊透。

　　（b）：环形导流外筒与封板的单面焊合格后，再整体与换热器壳体焊接，两侧封板与换热器壳体是单面焊。这个结构焊缝1、2能够清理和检测，但焊缝3、4无法清理和检测；同时对换热器壳体和环形导流外筒的圆度要求高。

　　（c）：两侧封板与换热器壳体双面焊后，环形导流外筒剖开两半再与封板单面焊。这个结构焊缝1、2能够清理和检测，但焊缝3、4以及环形导流外筒剖开两半合拢的两条纵焊缝无法清理和检测。

　　（d）：两侧封板与换热器壳体双面焊后，环形导流外筒插入再与封板焊接。这个结构焊缝1、2能够清理和检测，但焊缝3、4无法清理和检测；同时对换热器壳体和环形导流外筒的圆度要求更高，容易造成组对困难。

　　经验表明，如果从工艺上保证焊缝4，结构（a）更容易组装制造。结构U）中焊缝4可能出现的缺陷是背面焊缝未熔透、成形不良、未熔合、焊瘤、焊豆、飞溅等残留物，因此必须在焊接工艺、筒体圆度、组对间隙、焊工水平等方面采取措施，消除和减少缺陷的产生。

　　5制造要点为了环形外导流筒焊缝的强度和可靠性得到保证，减少焊缝根部背面缺陷，提出以下技术要求供同行：制定详细的焊接工艺规程并严格按焊接工艺规程施焊。焊接工艺好采用溶化极氩弧焊（下转第25页）到类似锤击的破坏，表面出现微坑、微裂纹、微块脱落。

　　（3）微坑、微裂纹的出现增加了内壁的粗糙度，反过来又促进气泡在此部位的萌生、成长和溃灭，使凹陷部位逐步减薄。在凹陷部位中心，气泡萌生和溃灭的几率高，材料因破坏而脱落明显超过其他部位，中心部位逐步形成凹坑。凹坑的出现再度提篼气泡萌生和溃灭的几率。这一过程的周而复始，后使凹坑形成穿透性破坏。

　　U）在凹陷区域出现的波纹，是长时间无数气泡溃灭产生的锤击作用的累计结果。单个气泡作用时，其冲击部位形成微坑，这是波谷；微坑受挤压，其周边出现突起的“唇片”，这是波峰。后继的气泡在波谷形成和溃灭的机率高于在波峰的几率。这种情况在不同部位长期反复进行，后形成了众多的波纹。大大小小波纹连成平行的“C”形，其大小和弧度可能与一定的流速相对应，反映弯管部位液体的某些特征。“C”形波纹形貌可能是弯管气蚀的特征形貌之一。

　　（5）波纹的大小与间距和气泡的大小相关。

　　气泡大，则对应处的波纹较粗糙，波纹间距较宽；反之亦然。在凹坑部位，气泡很小，因此在凹坑处的波纹起伏不明显，肉眼依稀可分辨。凹坑前方，即液体流出处的气泡更小，以至宏观上观察不到表面起伏。由于绝大部分的气泡在凹坑处已溃灭，凹坑前方受气泡锤击的破坏骤然减少，因此这一部位的减薄程度也骤然减少。凹坑后方，气泡较大，波纹起伏和间距随之增加，离凹坑越远，波纹越粗糙。气泡的大小和破裂位置，可能与液体中低分子量物质的沸点、含量、管内压力等多个参数相关。

　　5结论高温流动渣油在减粘加热炉中，对管壁可能造成一系列的破坏。通过宏观及微观形貌观察以及金相组织、材质成分分析，采用排除法，排除了篼温氧化腐蚀、瞬时高超温爆管、长期低超温爆管、喷砂型冲蚀、泥浆型冲蚀等失效的可能性。

　　从失效部位和微观形貌的分析，判断本起失效是以气蚀为主的破坏。通过破坏进程分析，可以解释“C”形波纹宏观形貌的形成过程。