陳戰(zhàn)楊，趙 亮，朱巧家，周文學，汪祿海，韓睿超

(1.上海藍濱石化設備有限公司，上海 201518；2.蘭州傳熱與節(jié)能工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730050；3.四川空分設備(集團)有限責任公司，四川 成都 641400)

鋁制板翅式熱交換器是目前成熟熱交換器類型中單位體積換熱面積最大的一種熱交換器，其單位體積換熱面積一般可高達1 000～1 500 m2/m3，某些新型低壓翅片產(chǎn)品單位體積換熱面積更是可達1 900 m2/m3，是清潔流體和低溫介質(zhì)用熱交換設備的理想選擇之一[1]。鋁制板翅式熱交換器具有傳熱效率高、質(zhì)量輕、結構緊湊及占用空間少等特點，在飛機、汽車、軌道交通及海上平臺等場所應用廣泛。鋁制板翅式熱交換器尤其適用于小溫差工況，可在溫差低至1 ℃的換熱環(huán)境下工作[2]。單臺鋁制板翅式熱交換器能夠同時對多種介質(zhì)進行換熱，根據(jù)文獻[3]報道，2000年時我國已經(jīng)有通道數(shù)多達12個的產(chǎn)品生產(chǎn)，非常適合進行工業(yè)過程的集成。

1 國內(nèi)外鋁制板翅式熱換交換器技術標準對比

1.1 標準及其制定組織

1.1.1ALPEMA

ALPEMA(Aluminium Plate-fin Heat Exchanger Manufacturer’s Association)是由世界著名的五大鋁制板翅式熱換交換器制造商Chart公司(Chart Energy & Chemicals, Inc)、Fives Cryo公司、Kobe公司(Kobe Steel)、Linde公司和Sumitomo公司(Sumitomo Precision Products Co., Ltd.)組成的制造者協(xié)會。該協(xié)會制定過3個版本的鋁制板翅式熱換交換器標準，分別為1994年、2000年和2012年的第1版、第2版和第3版。第3版于2012-05進行了更正，更正后的第3版為現(xiàn)行版。此外，ALPEMA官方網(wǎng)站每年會更新一次標準的附錄。3個ALPEMA標準版本中，ALPEMA—2010(2012年更正)《The Standards of the Brazed Aluminium Plate-fin Heat Exchanger Manufacturers’Associatio》[4]對釬焊鋁制板翅式熱交換器(BAHXs)的規(guī)格、設計、制造、采購和使用等的規(guī)定最為全面。

1.1.2ANSI、API和ISO

美國石油學會(American Petroleum Institute,API)是國際著名的標準制定組織。2006年API 發(fā)布了第1版鋁制板翅式熱換交換器技術標準，2011年對第1版進行了確認，形成ANSI/API STD 662 PART 2 1ST ED(R 2011)《Plate Heat Exchangers for General Refinery Services—Part 2—Brazed Aluminum Plate-fin Heat Exchangers》[5]、ISO 15547-2—2005《Petroleum,Petrochemical and Natural Gas Industries—Plate-type Heat Exchangers—Part 2:Brazed Aluminum Plate-fin Heat Exchangers》》[6]。從標準全稱看出，確認后的API鋁制板翅式熱換交換器標準同時也是美國國家標準協(xié)會(American National Standard Institute，ANSI)和國際標準化組織(International Standard Organization，ISO)的鋁制板翅式熱換交換器標準。

1.1.3國內(nèi)標準

全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會熱交換器分技術委員會是我國鋁制板翅式熱交換器標準制定工作的組織者，完成的標準共有4個版本，分別是1976年版、1994年版、2009年版和2019年版，其中前2個版本由原國家機械工業(yè)部頒布實施，后2個標準為國家能源局頒布實施。4個版本的標準號及名稱依次為JB/TQ 258—76《鋁制板翅式換熱器技術條件》[7]、JB/T 7261—1994《鋁制板翅式換熱器技術條件》[8]、NB/T 47006—2009《鋁制板翅式熱交換器》[9]、NB/T 47006—2019《鋁制板翅式熱交換器》[10]。

1.2 標準規(guī)定對比

NB/T 47006—2019在主要內(nèi)容、應用范圍、設計、檢驗、案例及使用注意事項等方面與ALPEMA、API 662標準最新版本的相關內(nèi)容基本一致，但在具體規(guī)定上還有諸多不同，主要見表1。

表1 ALPEMA、API和我國鋁制板翅式熱交換器標準規(guī)定對比

分析表1可知，國外標準與我國標準的側重點不同，ALPEMA標準強調(diào)個性化產(chǎn)品，API標準強調(diào)貿(mào)易、相關方技術、溝通及系統(tǒng)集成，我國標準強調(diào)質(zhì)量、安全與技術成熟性。這些不同體現(xiàn)了ALPEMA代表的制造商群體，API代表的用戶群體和熱交換器分會代表的第三方機構對鋁制板翅式熱交換器的不同需求，也為標準需要者提供了多種選擇。相對而言，NB/T 47006—2019對釬焊工藝評定、干燥度測試、氣阻試驗方法及無損檢測方法等的講述更加詳盡，具有更強的可執(zhí)行性，也更符合我國的國情。

2 NB/T 47006—2019主要修訂情況介紹

2.1 溫度和壓力范圍調(diào)整

近年來鋁制板翅式熱交換器的設計和制造技術進步顯著，其應用范圍不斷擴大，市場對設備的大型化需求增長迅速，這些促進了鋁制板翅式熱交換器的實際發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了超出標準范圍的壓力更高、溫度范圍更廣、使用新材料制造的一系列鋁制板翅式熱交換器[11]。2010年，杭州杭氧股份有限公司為上海賽科石化公司119萬t/a乙烯板翅式熱交換器配套項目進行了設計、制造，該項目的設計壓力達到8.0 MPa,產(chǎn)能達到80 000 m3/h。國內(nèi)乙烯板翅式熱交換器設計、制造能力也已提升到百萬噸級，并且具備了設計、制造10.0 MPa 高壓鋁制板翅式熱交換器的技術條件[12-13]。

經(jīng)全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會熱交換器分技術委員會鋁制板翅式熱交換器標準工作組實地調(diào)查，各主要制造企業(yè)10.0 MPa高壓鋁制板翅式熱交換器制造條件已經(jīng)相對成熟，本次修訂根據(jù)鋁制板翅式熱交換器近年來的發(fā)展，將設計壓力上限從8.0 MPa調(diào)整為10.0 MPa。調(diào)整后的壓力與ALPEMA 2010版的規(guī)定一致。

據(jù)有關文獻報道，杭氧股份有限公司12.8 MPa高壓板翅式換熱器已經(jīng)于2016年年底研制成功。在標準編制組委托的檢驗實踐中，某公司生產(chǎn)的鋁制板翅式熱交換器在高壓通道水壓試驗壓力17.7 MPa(其它通道根據(jù)設計水壓分別為1.4 MPa和3.9 MPa)條件下，保壓時間均超過30 min，水壓試驗過程中均無滲漏，無異常響聲，無可見變形，而且抽取的3個焊接翅片爆破件最終爆破試驗壓力分別為55.6 MPa、54.1 MPa、53.6 MPa。但在爆破試驗確定翅片最高允許設計壓力時，仍然根據(jù)工況不同在4～6選取安全系數(shù)，因此盡管有水壓試驗高于10 MPa的案例，在爆破試驗確認設計壓力安全系數(shù)未做變動，或沒有其他新的方法時，本版標準確認的常規(guī)產(chǎn)品設計壓力上限仍保持在10.0 MPa。

NB/T 47006—2019未改變NB/T 47006—2009確定設計溫度范圍的基本準則，即按材料允許的使用溫度范圍確定。因此，一般情況下的設計溫度范圍為-269～200 ℃(這個溫度范圍與ALPEMA 2010規(guī)定的-269～204 ℃基本一致)。在此基礎上NB/T 47006—2019提出還應考慮相關法規(guī)的規(guī)定，如TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》[14]規(guī)定，含鎂量(質(zhì)量分數(shù))大于或者等于3%的鋁合金(如5083、5086)，其設計溫度范圍為-269～65 ℃。此外，工藝設計時還應考慮材料在不同溫度相鄰流體作用下的熱應力，一般要求流體間最大允許溫差不超過50 ℃。當出現(xiàn)兩相流、溫度瞬間變化大或周期性變化時，該允許溫差一般不能超過20～30 ℃。

2.2 高壓產(chǎn)品技術審查

天然氣液化、二氧化碳制冷等行業(yè)都需要使用高壓板翅式熱交換器,部分設備設計參數(shù)高達14～15 MPa,遠超過國內(nèi)標準的適用范圍[3,15]。雖然此類產(chǎn)品整體釬焊，難于打開結構檢驗，設計開發(fā)過程不確定性大限制了其在重要場合或高參數(shù)工況下的應用和推廣，但其高效的性能、緊湊的結構又吸引工程技術人員不斷嘗試挑戰(zhàn)其新的應用。

近年來隨著產(chǎn)品開發(fā)技術的進步，壓力等級高、換熱面積及體積大、工作溫度極高或極低的板翅式熱交換器陸續(xù)投入使用。國外氣體公司已陸續(xù)開發(fā)了高壓的翅片結構形式，并已經(jīng)有部分產(chǎn)品得到了實際應用[15]。強烈的產(chǎn)品需求和國外成熟的應用業(yè)績都是國內(nèi)板翅式熱交換器迎頭趕上國外設計制造水平的動力。通過對國外標準的研究和對國外進口設備的檢驗發(fā)現(xiàn), 國外進口的高壓產(chǎn)品同樣采用驗證校核的方式進行設計，但其對具體的驗證試驗方案和驗收準則細節(jié)保密。

國內(nèi)企業(yè)參考進口板翅式熱交換器產(chǎn)品的結構陸續(xù)開發(fā)了一些高壓產(chǎn)品，但由于目前普遍參照GB 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》[16]附錄C中以驗證性爆破試驗確定容器設計壓力為設計驗收準則，開發(fā)的高壓產(chǎn)品的設計壓力提高到12～13 MPa后無法繼續(xù)突破更高的壓力限制，如前述焊接翅片爆破件盡管爆破壓力已經(jīng)高達約55 MPa，但依據(jù)常規(guī)準則確定設計壓力時也不能高于13.5 MPa。因此提高產(chǎn)品的設計壓力不僅要在產(chǎn)品設計上用功，更要在驗收理念的設計上突破固有思維。為此，全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會授權熱交換器分技術委員會組織和開展相關專項技術審查工作。

目前NB/T 47006—2019將設計壓力的范圍從8.0 MPa調(diào)整為10.0 MPa，但爆破試驗確定翅片最高允許設計壓力時的安全系數(shù)的選取方式并未做相應調(diào)整，仍然根據(jù)工況不同在4～6中選取。這種情況導致安全系數(shù)選取方式與產(chǎn)品應用壓力之間的適配性逐漸變差，調(diào)整高壓板翅強度計算方法已經(jīng)成為需要，但國內(nèi)對其相關設計的技術細節(jié)知之甚少。

目前國內(nèi)高壓板翅式熱交換器產(chǎn)品的生產(chǎn)采取企業(yè)申請審核制，即由全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會及其熱交換器分會對存在的高壓板翅產(chǎn)品進行產(chǎn)品專項評審。面對高壓產(chǎn)品已經(jīng)在用而高壓板翅設計、制造技術滯后的現(xiàn)狀，這種做法是一種權宜之計。

2.3 釬焊工藝評定

鋁制板翅式熱交換器焊接要求高，芯體結構復雜，焊接時要將各流體的通道按要求依次疊置、在真空或可控氣氛釬焊爐中釬焊成一個完整的剛性熱交換器塊。每層流體通道由隔板(側板)、堆疊的翅片(導流片)及封條等零件組成，其焊接接頭特別長，流道結構多樣，焊接時需要根據(jù)流體的流動形式(包括逆流、交叉流、平行流、多通道等)確定流道結構和焊接影響因素。因此，釬焊工藝評定內(nèi)容及釬焊工藝影響因素的確定對釬焊質(zhì)量起著決定性作用。

NB/T 47006—2009中6.1.3.2條規(guī)定釬焊工藝的制定應按合格的釬焊工藝評定進行，此規(guī)定未明確釬焊工藝評定應包含的具體內(nèi)容。NB/T 47006—2019對此進行了修訂，增加了附錄F，用圖表方式給出了典型釬焊工藝規(guī)程和釬焊工藝評定報告應包含的內(nèi)容。根據(jù)該附錄表格，編制釬焊工藝規(guī)程時主要應考慮接頭形式、釬焊間隙、搭接長度、母材及厚度偏差、釬料、漫流、真空度、設備泄漏率、升溫速度、穩(wěn)定溫度、穩(wěn)定溫度下的保溫時間、釬焊溫度、釬焊溫度下的保溫時間、冷卻速度及釬焊后熱處理以及環(huán)境氣候等因素。當某個主要影響因素發(fā)生變化時，應考慮重新進行釬焊工藝評定。在釬焊工藝評定及釬焊設備過程中還應注意保證零件及真空爐的清潔度。

2.4 氣阻試驗

板翅式熱交換器的板翅結構緊湊，流體阻力高，其氣阻性能是反映板翅式熱交換器性能的重要指標之一。

NB/T 47006—2009中沒有對氣阻試驗進行詳細規(guī)定，導致以往氣阻試驗沒有統(tǒng)一的方法和要求，試驗過程復現(xiàn)性差，精度低。這種情況下的氣阻試驗作為機理性研究尚可,但用于表征產(chǎn)品性能則由于較大的誤差難于區(qū)分不同產(chǎn)品的性能特點，產(chǎn)品之間的性能差異會被較大的誤差所掩蓋。

為了克服原有氣阻試驗方法的不足，同時通過氣阻試驗了解產(chǎn)品性能特點，指導設計與選型制造，NB/T 47006—2019對此進行了修訂。修訂后采用標準風量測量箱+多噴嘴組合方式對氣體流量進行測量，并采用智能PID算法使風量快速達到穩(wěn)定，實現(xiàn)換熱器氣阻的高效測量(圖1)。圖1中各量及符號的含義與文獻[10]相同。

圖1 氣阻試驗裝置簡圖

NB/T 47006—2019參考GB/Z 33875—2017《GB/T 2624—2006使用指南》[17]，采用GB/T 2624—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》[18]所規(guī)定的具體測試方法對壓力/壓差、密度、流量及溫度進行測量。

2.4.1增加壓力測量

如圖1所示，采用壓差傳感器測量壓差(壓力)，除NB/T 47006—2019附錄I規(guī)定內(nèi)容外，亦可把4個取壓口相互連接取得裝置的上下游壓力(壓差)，此時最好將其相互連接成1個三重T型結構(圖2)，即將取壓口連接成1個靜壓環(huán)取壓，具體方法參見文獻[19]。

圖2 取壓口的三重T型結構示圖

2.4.2增加密度計算

氣阻測量時需要的濕空氣密度和濕空氣的氣體常數(shù)采用下式計算。

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，ρa為試驗環(huán)境下空氣密度，kg/m3；pa為大氣壓，pv為水蒸氣分壓，Pa；R為干空氣的氣體常數(shù)，Rv為水蒸氣的氣體常數(shù)，Rw為濕空氣氣體常數(shù)，試驗條件下R=287 J/(kg·K)、Rv=461 J/(kg·K)；Θa為環(huán)境絕對溫度，K。

2.4.3增加流量計算

在多噴嘴組合使用情況下，總質(zhì)量流量的計算公式如下。

(3)

(4)

rd=(pu-Δp2)/pu=1-Δp2/pu

(5)

式(3)～式(5)中，qm為質(zhì)量流量，kg/s;ε為膨脹系數(shù)，n為噴嘴數(shù)，j為噴嘴次序數(shù)，Cj為第j噴嘴流出系數(shù);dj為第j噴嘴喉部直徑，m;ρ6為流經(jīng)噴嘴上游測量截面的氣體密度，kg/m3；Δp2為壓差，pu為管路流量計上游的平均壓力，Pa；κ為等熵指數(shù)，對于理想氣體κ=cp/cV；rd為靜壓比，β為噴嘴內(nèi)徑與上游段直徑之比，其值可取0,1。

β的取值與GB/T 2624—2006中的公式(1)不同，因為使用噴嘴，1-β4≈1，所以對于風室，β可取0，Cj=αj。噴嘴流出系數(shù)αj計算如下。

當噴嘴喉部的長度L與喉部的直徑d之比為0.6時，有：

(6)

當L/d=0.5時，有：

(7)

式(6)和式(7)中，Red為對應于噴嘴出口直徑的雷諾數(shù)，C為排出系數(shù)。對于每一個噴嘴，喉道的雷諾數(shù)Redj為：

(8)

式(8)中，t6為風室中流經(jīng)噴嘴的空氣溫度，℃。計算時，Cj初始值取0.95，第一次估計質(zhì)量流量之后，Cj可以根據(jù)計算結果修正。

2.4.4改進溫度測量

為了獲得較準確的溫度值，NB/T 47006—2019推薦在穩(wěn)定條件下采用多次測量取平均值和同時測量噴嘴前后溫度后取平均值的方式測量流經(jīng)噴嘴的氣體溫度，此種做法克服了氣體溫度測量過程中氣體與探頭之間的熱傳遞及探頭與周圍環(huán)境熱傳遞過于相近的問題。

3 結語

NB/T 47006—2019增加了通過爆破試驗驗證翅片最高允許設計壓力的具體操作方法、釬焊工藝評定內(nèi)容、壓力試驗、泄漏試驗、干燥度試驗、典型封頭結構的應力分析案例等內(nèi)容，這些修訂提高了測試精度，保證了試驗結果的復現(xiàn)性，使得鋁制板翅式熱交換器產(chǎn)品性能指標得到量化，產(chǎn)品性能之間的比較變得可行，更符合國內(nèi)鋁制板翅式熱交換器行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和需求。