金雪梅, 朱海舟

(蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司,蘭州 730050,E-mail:jinxuemei0908@163.com)

可拆卸板式熱交換器其傳熱效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,維修簡(jiǎn)單等的優(yōu)點(diǎn),是加熱、冷卻、熱回收等用途的優(yōu)良節(jié)能設(shè)備[1-2]。隨著城市飛速發(fā)展的需求,可拆卸板式熱交換器在集中供熱系統(tǒng)中已被大量采用。大型熱源廠、熱電廠等供熱源離城市供熱區(qū)域均比較遠(yuǎn),供熱半徑的覆蓋范圍越來(lái)越廣。長(zhǎng)距離輸送的城市供熱管網(wǎng)直徑現(xiàn)已達(dá)到DN1400,繼續(xù)加大管徑進(jìn)行熱量輸送,必會(huì)帶來(lái)各種施工難度,面臨一系列的問(wèn)題。所以,利用現(xiàn)有的管網(wǎng),增大供回水溫差,可以提高管網(wǎng)的輸送能力,但對(duì)隔壓換熱站(隔壓站)中板式熱交換器的要求就會(huì)越來(lái)越高。隔壓站用可拆卸板式熱交換器需要滿足高溫高壓、熱端流體大溫降、冷端流體大溫升的條件,其承壓能力和組裝面積隨著隔壓站參數(shù)的需求也在不斷增大[3]。

隔壓站用板式熱交換器的設(shè)計(jì)壓力普遍為2.5 MPa～3.0 MPa(NB/T 47004.1-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高設(shè)計(jì)壓力為3.0 MPa),單臺(tái)換熱面積普遍較大,達(dá)到了2 000 m2。未來(lái)設(shè)計(jì)壓力將達(dá)到3.0 MPa～4.0 MPa,單臺(tái)組裝面積將超過(guò)3 000 m2。本文就筆者參與研制的蘭石換熱某系列承壓能力更高、組裝面積更大、熱效率更高的大型隔壓站用板式熱交換器,從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)等方面做了介紹,該板式熱交換器的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 研制的高承壓板式熱交換器參數(shù)

1 板型設(shè)計(jì)

1.1 板片局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

大型板式熱交換器由于板片的長(zhǎng)和寬的尺寸較大,板面本身的不平度大,板片成型后有不同程度的翹曲和局部應(yīng)力集中。不同板型壓制過(guò)程中,板片原材料會(huì)發(fā)生收料不一致的問(wèn)題,這不僅影響板片的成型精度,板片組裝后也會(huì)影響產(chǎn)品的密封性。板式熱交換器的板片是由介質(zhì)進(jìn)出口(角孔)、回流區(qū)、導(dǎo)流區(qū)、保護(hù)區(qū)、主傳熱區(qū)、泄漏糟、懸掛口幾部分組成[4],詳見(jiàn)圖1。

圖1 板片結(jié)構(gòu)

板片保護(hù)區(qū)的二道密封部位為承壓最薄弱的區(qū)域,它的結(jié)構(gòu)直接影響板片承壓能力。為提高承壓能力,一般是在二道密封區(qū)域點(diǎn)焊加強(qiáng)條。但由于這種結(jié)構(gòu)在熱交換器運(yùn)行時(shí)容易聚集污垢,尤其是在高溫高壓的情況下,板間流速高,運(yùn)行溫度高,該部位的污垢容易引起板片發(fā)生點(diǎn)腐蝕,造成板片穿孔。高承壓大型板式熱交換器板片設(shè)計(jì)時(shí),在二道密封區(qū)域,設(shè)計(jì)了兩道高為0.05 mm的加強(qiáng)筋,加強(qiáng)筋各部位圓滑過(guò)渡,既提高了密封槽剛性和板片的平整度,同時(shí)避免了板片在二道密封區(qū)域點(diǎn)焊加強(qiáng)條造成的板片污垢的聚集問(wèn)題,提高了整機(jī)的承壓能力。板片二道密封槽波紋截面如圖2所示。

圖2 板片二道密封槽波紋截面

1.2 板片成型(強(qiáng)度)模擬分析

板片設(shè)計(jì)使用沖壓分析仿真軟件,對(duì)板片沖壓成型過(guò)程中的成型、起皺、回彈等方面進(jìn)行模擬分析(見(jiàn)圖3、圖4),通過(guò)補(bǔ)償技術(shù)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)保證成型后的平面度。分析結(jié)果表明:優(yōu)化后板片二道密封處的強(qiáng)度明顯增加,優(yōu)化后板片平整度較優(yōu)化前明顯改觀,板片平整度較好,精度更高。

圖3 板片減薄率分析云圖

圖4 板片成型性分析云圖

對(duì)板片模型進(jìn)行流場(chǎng)分析,通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示,板片模型的流速和壓力分布均勻,綜合性能較好,見(jiàn)圖5。

圖5 板片流場(chǎng)分析云圖

1.3 板片材料選擇

高承壓大型板式熱交換器主要應(yīng)用于隔壓站,介質(zhì)一般為水-水換熱。一般情況下,介質(zhì)中Cl-濃度小于200 mg/L時(shí),可選用316/316L或304/304L型不銹鋼。幾種不銹鋼在含氯離(Cl-)的水溶液中的適用條件見(jiàn)表2[5]。

表2 不銹鋼在含氯離(Cl-)的水溶液中的適用條件/(mg·L-1)

根據(jù)隔壓站所用介質(zhì)工況,選用成型性能和耐腐蝕性能較優(yōu)的ASME SA-240 316L[6]材料。考慮到設(shè)計(jì)壓力為3.5 MPa,為了提高產(chǎn)品的承壓能力,板片厚度保守選用0.8 mm,材料硬度不能低于HB150。常規(guī)材料與研制產(chǎn)品板片的性能對(duì)比,見(jiàn)表3。

表3 常規(guī)材料與研制產(chǎn)品板片的性能對(duì)比

2 密封墊的設(shè)計(jì)

橡膠密封墊是板式熱交換器的核心零部件,決定了板式熱交換器的使用壽命。橡膠密封墊片的結(jié)構(gòu)和材料性能直接影響板式熱交換器的承壓能力。研制的某系列板型由于長(zhǎng)寬比大,密封周長(zhǎng)較長(zhǎng),又要承受高壓力,對(duì)墊片的要求較高。為此,我們對(duì)墊片截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),選用了密封性能更佳的線密封結(jié)構(gòu),墊片與板片連接采用鑲嵌墊結(jié)構(gòu)。 墊片材料選用了高硬度三元乙丙橡膠{7}。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,常規(guī)三元乙丙橡膠密封墊硬度為80IRHD,承壓能力極限在3.9 MPa左右,而高硬度三元乙丙橡膠密封墊硬度為90RHD,承壓能力更高。

利用軟件對(duì)橡膠墊片模型的力學(xué)特性進(jìn)行有限元分析,對(duì)橡膠密封墊片截面形狀和厚度以及摩擦系數(shù)與介質(zhì)壓力載荷(初壓和增壓)對(duì)密封性能的影響分析[8-10]。初壓縮后等效應(yīng)力云圖(圖6)、增大加壓后等效應(yīng)力云圖(圖7)和初壓縮后接觸應(yīng)力云圖(圖8) 、增大加壓后接觸應(yīng)力云圖(圖9)為其中一種密封墊截面初壓和增壓的分析對(duì)比情況。

圖6 初壓縮后等效應(yīng)力云圖

圖7 增大加壓后等效應(yīng)力云圖

圖8 初壓縮后接觸應(yīng)力云圖

圖9 增大加壓后接觸應(yīng)力云圖

分析表明,相同厚度的線密封截面、梯形截面、弧形截面,其厚度壓縮比相同,面積壓縮比隨著形狀變化而增大,接觸應(yīng)力大致相當(dāng)。即在保證有效密封的情況下,線密封截面的等效應(yīng)力最小,密封效果最佳。通過(guò)試驗(yàn),筆者推薦的設(shè)計(jì)(試驗(yàn))壓力和截面形狀對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 推薦設(shè)計(jì)(試驗(yàn))壓力和截面形狀對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 框架設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

高承壓大型板式熱交換器由七大部件構(gòu)成,主要是帶墊板片(板片和密封墊組合)、固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板、拉桿、上導(dǎo)桿、下導(dǎo)桿和立柱,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖如圖10。

圖10 隔壓站用大型板式熱交換器結(jié)構(gòu)圖

高承壓大型板式熱交換器采用了大長(zhǎng)寬比及大單板換熱面積的系列型產(chǎn)品,組裝板片數(shù)可達(dá)1 000片,有充足的換熱流道長(zhǎng)度及換熱面積,實(shí)現(xiàn)了高溫高壓、熱端流體大溫降、冷端流體大溫升的換熱。因設(shè)計(jì)壓力3.5 MPa超出了NB/T47004.1-2017《板式熱交換器第1部分:可拆卸板式熱交換器》的范圍(≤3.0 MPa),參考該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。

固、活壓緊板材料選用Q345B,應(yīng)有足夠的厚度,保證產(chǎn)品在高壓狀態(tài)下不發(fā)生可見(jiàn)變形;拉桿的材料(夾緊螺柱材料為35CrMoA)高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼并調(diào)質(zhì)處理;上、下導(dǎo)桿和立柱材料為Q235B,是框架穩(wěn)定的主要支撐件,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性[11-12]。因產(chǎn)品重心偏高,產(chǎn)品底部應(yīng)設(shè)置安裝底座,便于起吊、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝。

3.2 應(yīng)力分析計(jì)算

3.2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

某系列高承壓大型板式熱交換器換熱面積大、板片數(shù)多、承壓高,其自身的凈重超過(guò)30噸,按照常規(guī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法不能完全滿足對(duì)框架剛性的校核?？紤]到產(chǎn)品的在框架組裝、水壓試驗(yàn)過(guò)程中由于框架剛性不夠會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象而變形。所以,對(duì)產(chǎn)品整機(jī)建模,用軟件進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算[13]。

內(nèi)部載荷:設(shè)計(jì)壓力、產(chǎn)品自重和充水重外載荷:接管載荷見(jiàn)表5。

表5 研制產(chǎn)品的接管載荷[4]

3.2.2 計(jì)算模型

用殼單元模擬固定壓緊板與活動(dòng)壓緊板,將板片質(zhì)量平均分配到固定壓緊板與活動(dòng)壓緊板上;用梁?jiǎn)卧M上導(dǎo)桿、下導(dǎo)桿、立柱、拉桿。有限元模型見(jiàn)圖11。

圖11 有限元模型圖

3.2.3 板殼型構(gòu)件的評(píng)定限值

按照ASME B&PVC-Ⅷ-1 UG-23,板式熱交換器板殼型構(gòu)件的容許一次應(yīng)力限制如表6所示。

表6 板殼型構(gòu)件應(yīng)力限值

3.2.4 線型構(gòu)件的評(píng)定限值

按照ASME B&PVC-Ⅲ-NF,線型構(gòu)件的容許一次應(yīng)力限制及相關(guān)材料的應(yīng)力限值列于表7。

表7 線型構(gòu)件的容許一次應(yīng)力值[6]

3.2.5 計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力評(píng)定[14]

按照ASME B&PVC-Ⅷ-1分卷的相關(guān)規(guī)定對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。如果應(yīng)力計(jì)算值與規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力限值之比小于等于1,則設(shè)備應(yīng)力分析結(jié)果滿足規(guī)范要求。

通過(guò)計(jì)算,固定壓板、活動(dòng)壓板在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 固定壓板、活動(dòng)壓板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

評(píng)定結(jié)果表明該板式熱交換器在內(nèi)、外部載荷組合(設(shè)計(jì)壓力、接管載荷、自重和充水重)作用下滿足ASME規(guī)范的相關(guān)要求。

利用軟件對(duì)上導(dǎo)桿、下導(dǎo)桿進(jìn)行試驗(yàn)壓力下的穩(wěn)定性計(jì)算。經(jīng)計(jì)算,上導(dǎo)桿的第一階屈曲模態(tài)如圖12所示。上導(dǎo)桿的第一階屈曲載荷因子為3.3,大于1。下導(dǎo)桿的第一階屈曲模態(tài)如圖13所示。下導(dǎo)桿的第一階屈曲載荷因子為10.2,大于1,均滿足穩(wěn)定性要求。

圖12 上導(dǎo)桿第一階屈曲模態(tài)

圖13 下導(dǎo)桿第一階屈曲模態(tài)

4 制造和試驗(yàn)要求

4.1 制造

高承壓大型板式熱交換器的制造應(yīng)滿足圖紙、工藝、規(guī)程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(1) 板片

板片的精度直接影響產(chǎn)品的承壓能力和熱工性能,板片精度的控制是板式熱交換器制造的核心。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),越大型的板片,精度要求應(yīng)該越高,采用多缸壓機(jī)壓制大型板片,板片精度優(yōu)于單缸或雙缸壓機(jī)壓制的板片。因316L材料板片原材料表面有鈍化膜保護(hù),但由于化學(xué)侵蝕、或剪板、壓制過(guò)程中保護(hù)不當(dāng),產(chǎn)生機(jī)械損傷,表面鈍化膜被破壞,受到破壞的部位在這種高溫高壓的環(huán)境下更易產(chǎn)生局部應(yīng)力腐蝕[15]。所以,板片制造過(guò)程中,應(yīng)采取板片雙面貼膜進(jìn)行保護(hù),延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。

(2) 密封墊

控制密封墊的厚度和硬度,硬度對(duì)承壓能力影響很大,硬度高,承壓能力越強(qiáng)。

(3) 上、下導(dǎo)桿

由于產(chǎn)品板片數(shù)較多,上下導(dǎo)桿應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度容納所需板片,并能夠在維修時(shí)輕松拆裝板片,導(dǎo)桿的長(zhǎng)度會(huì)超過(guò)6 m,甚至更長(zhǎng),在加工制造過(guò)程中必須控制其直線度,保證板片定位準(zhǔn)確。

(4) 板片組裝

對(duì)于大型板片,板片的組裝是制造過(guò)程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)。因?yàn)榘迤蠖?上面覆有密封墊,組裝時(shí)需多人協(xié)作完成,以防止板片和密封墊的磕碰和劃傷。組裝過(guò)程中應(yīng)逐張檢查板面清潔度、密封墊的復(fù)位情況及有無(wú)其他夾雜物等,任何一點(diǎn)的疏忽都將會(huì)導(dǎo)致超高水壓試驗(yàn)的失敗。

4.2 水壓試驗(yàn)

為了充分驗(yàn)證某系列高承壓大型板式熱交換器的承壓能力和板片的耐壓極限,筆者編制了《高承壓大型板式熱交換器水壓試驗(yàn)操作規(guī)程》,規(guī)定了水壓試驗(yàn)的安全操作要求及試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)步驟等。對(duì)某系列樣機(jī)進(jìn)行了多次試驗(yàn),試驗(yàn)壓力從4.21 MPa開(kāi)始,逐步上升,每次試驗(yàn)合格后上升0.1 MPa,單側(cè)循環(huán)試壓,直至產(chǎn)品發(fā)生泄漏。通過(guò)多次試驗(yàn),某系列樣機(jī)(板片數(shù)800片)兩側(cè)的試驗(yàn)壓力最高為4.81 MPa合格,對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力為3.7 MPa。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某系列高承壓大型板式熱交換器的研制,說(shuō)明了高承壓大型板式熱交換器的設(shè)計(jì)和制造不同于常規(guī)產(chǎn)品,設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)要充分考慮框架的剛度和穩(wěn)定性,加工制造過(guò)程中要保證細(xì)長(zhǎng)桿的直線度,組裝過(guò)程中要檢查仔細(xì),大型板式熱交換器底部應(yīng)設(shè)置底座,在產(chǎn)品的組裝和調(diào)運(yùn)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性有很重要的作用。某系列高承壓大型板式熱交換器的研制成功,為高承壓領(lǐng)域熱交換設(shè)備的研發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障,說(shuō)明國(guó)內(nèi)換熱器的生產(chǎn)正在逐步縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距,中國(guó)板式熱交換器正在沿著大型化、國(guó)產(chǎn)化、高參數(shù)化方向不斷前進(jìn)[16]。

可拆卸板式熱交換器有其自身的缺陷,金屬板片之間安裝橡膠密封墊,橡膠密封墊通過(guò)夾緊螺柱和壓板的壓緊力實(shí)現(xiàn)密封。若組裝面積過(guò)大,板片數(shù)過(guò)多、壓力過(guò)高,其密封失效風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)會(huì)增加,不利于后期的檢維修。所以,筆者建議用戶在隔壓站設(shè)計(jì)初期,綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的情況,采用多臺(tái)并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)換熱需求,減小風(fēng)險(xiǎn)。