管壳式换热器中不同外导流筒结构型式的应用

管壳式换热器中不同外导流简结构型式的应用李廷华【摘要】摘要:介绍了管壳式换热器中三种不同形式的外导流筒结构，结合工程实践的运用，总结出不同外导流筒结构形式应用的优缺点，并给出具体的计算方法，或者是制造要点，或者是设计思路，为实际工程设计提供借鉴。【期刊名称】广州化工【年(卷)，期】2014(000)012【总页数】3【关键词】关键词:外导流筒;结构设计;强度管壳式外导流换热器是一种对普通管壳式换热器壳体做了改进的结构。设置导流筒不仅可以防止进出口处高速流体对管束的直接冲击，并且可以使得壳体流体达到较均匀分布，从而使得壳体进口段管束的传热面积得到充分利用，同时还起到减少传热死区及防止进口段可能会出现的流体振动的作用，有时导流筒还具有一定的温差补偿作用，在一定程度上起到膨胀节的作用。因此，在石油石化装置中外导流筒结构在管壳式换热器中的应用较广泛。本文主要结合在工程实践中的应用，对比分析，为实际工程设计提供借鉴。1适用于低压工况的结构在工程实际中适用于压力较低工况的结构型式主要有以下两种结构型式比较常见，如图1所示。图1(a)所示是传统的外导流筒结构，不带过渡圆弧，由大、小圆柱壳和锥壳组合而成，在导流筒内的内衬筒起到防冲作用，流体在内衬筒端部均匀进入壳程。图1(b)所示是国外引入的新结构，也称环形分布器或蒸汽环形分布器，它实际上是一种开槽式外导流筒结构，壳程筒体与管板的连接不断开，在导流筒位置内的壳体加开两槽型入口(现在也有在此开栅板式槽的入口结构)，这种结构制造简单，结构紧凑，在国内近几年的乙烯装置以及其他装置的低压工况中应用广泛。1.1强度计算图1(a)所示结构可以按照GB150-2011《压力容器》中无折边锥壳的计算方法做近似计算，对于固定管板换热器还需考虑壳体轴向力(按《管壳式换热器》GB151计算)对变径段大、小端的影响。图1(b)所示结构中环形导流内、外卜筒及封板的强度计算可按GB150-2011《压力容器》或GB151-1999《管壳式换热器》进行。如图所示的关键尺寸B、H、 b以及。等可根据设计分析取值［1］。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。在工程中，封板的厚度一般是环形导流夕卜筒厚度的2倍左右［2］o2制造要点这种环形外导流筒的焊接在制造中应注意组装焊接顺序、圆筒圆度要求以及焊缝检验实现的问题。经验表明如果从工艺上保证焊缝4，按以上的顺序焊接更容易组装制造。一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，最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，而焊缝4是最后一道焊缝，无法清理和检测，须从工艺上保证全焊透。图2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，但只要在焊接工艺、筒体圆度、组对间隙、焊工水平等方面采取措施，可以消除和减少缺陷的产生。2适用于较高压力工况的结构当压力较高时，宜采用带折边导流筒的结构型式。如图3所示:这种结构型式是由大、小圆柱壳和锥壳三部分组成。由于在各部分壳体连接处采用了圆弧过渡，使得连接处的弯曲应力减小，有交攵避免了压力较高时各壳体直接连接边缘产生很大的弯曲应力。采用圆弧过渡，壳体的受力情况大大改善，其使用范围也进一步扩大，但同时也增加了这种夕卜导流筒结构强度计算的复杂性。在国内乙二醇装置中，由于压力较高，多采用这种结构。下面简单介绍这种结构的设计要点。通常，H值工艺专业已给出，但要注意满足流通面积的要求，以及h值的确定。进口流体的面积：出口流体的面积:A2=n(D2i+282)・h系数K1为经验取值:K1=1.6~2.0满足流通面积至少保证:A2=K1・A1图3所示结构可以按照HG/T20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》中作用有内压和轴向载荷的带折边变径段的设计进行计算。该计算方法对于固定管板换热器还需考虑壳体轴向力(按《管壳式换热器》GB151计算)对变径段大、小端的影响。标准中内压和轴向载荷共存时变径段厚度的计算公式[3-5]:其中系数K是计算带折边变径段厚度时的系数，表示小端折边上的周向总应力对小端圆筒周向薄膜应力的比值，也就是以小端的薄膜应力来确定厚度。由于小端的应力控制值为1.1的许用应力，因此在设计中可以修正厚度公式为：式中:P——设计压力，MPaD2i——变径段小端内直径，mmM——钢材泊松比，一般取p=0.3F——轴向载荷，NRc2——小端折边段中心至圆筒轴线的距离，mmK—计算带折边变径段厚度时的系数（详细见HG/T20582-211）［。］t——变径段材料在设计温度下的许用应力，MPa——变径段上A类焊缝的焊接接头系数，按《钢制压力容器》GB150由焊缝结构型式和探伤要求确定根据JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》中的相关规定，这种修正是合理的。该结构的制造并无难点，在此不再螯述。3夹套式变截面外导流筒结构这种结构大大简化了传统的导流筒，而且考虑到流体等压降流动的特点，流体在从接管进入夹套再流入壳程的过程中，沿周向的分布是不均匀的，尝试采用了变截面结构，克服等直导流筒装置存在的介质进入壳程时流体阻力不同的缺点，从而保证流体沿周向均匀进入壳体。在某些工程项目中也采用过图4所示的结构，但在设计上有难度，比较耗时，因为在设计中需要建立一系列不同结构参数的简化模型，利用数值计算方法，从对导流筒内流体流动情况的分析模拟入手，通过对不同结构参数的变截面导流筒的流场分析及内筒进口截面的速度均布性的分析、计算与比较，以确定流体流动的规律性并最终确定具有何种具体结构形式的导流筒才能使得其内部流体的运动情况达到最优，从而确定导流筒的结构形式。相对前两种结构，图4的结构使得管板的直径增大很多，制造费用相应增加，所以此结构在工程项目中应用较少。4结论由于外导流的设计是一个复杂的过程，需要工艺和设备两个专业的共同参与才能最终确定优化的方案，所以深入理解外导流的各种结构形式，紧密结合工程实际情况是成功设计的关键。本文介绍了三种外导流筒的结构，都有各自的适用范围以及优缺点，对具体工程设计有一定的启示作用。参考文献[1]郭雪华，段瑞.换热器外导流筒的结构设计分析与改进[J].石油化工设备技术，2007,28(4):1-3.[2]张