中压低温大直径换热器的设计

栾金红

（河北都邦石化工程设计有限公司，河北石家庄 050000）

1 设计条件

某化工装置现有换热器为固定管板型式，其特点为大直径、中压、工况温差大和需要满足高低温要求，无论是前期选材、确定管板结构，还是拟定制造方案，难度均较传统设备更大。表1为本项目对大直径换热器所提出设计要求，表2为其运行工况。

表1 项目设计要求

表2 换热器运行工况

2 设计要求

2.1 管板

对管板检验项目进行取样时，技术人员应注意区分其与其他锻件需要满足的要求。这是因为对管板进行检验的目的，主要是对锻件中心附近区域所用材料展现出低温冲击及相关力学性能加以了解。冲击试验的温度以-70℃为宜，此外，要提前预留符合冲击吸收能量所提出要求的余量，保证对接接头具有理想冲击韧性。

2.2 管程筒体

管程筒体基层锻件应具备符合行业规定的力学性能与化学性能，先锻造再进行热处理，满足快冷处理条件，对其进行冲击试验的温度以-70℃为宜。按照要求在特定位置对锻件进行取样。冲击吸收能量应预留相应裕量，确保对接接头所展现出冲击韧性，可最大限度满足管程筒体、管板所提出要求。堆焊的盖面层及过渡层厚度均应被控制在3mm左右，待堆焊作业结束后，通过热处理的方式，确保应力可被尽数消除。

2.3 管程封头

管程封头所用复合板应符合B1级的相关要求。在正火结束的第一时间，便进入冷却及回火状态，通过超声波检测的方式，确保其各项性能均满足Ⅱ级所提出要求。在低温冲击性能、化学成分以及力学性能与行业规定相符的前提下，对钢板1/2厚度处进行冲击试验。管程封头同样需要对冲击吸收能量相应裕量进行预留。除此之外，还要注意一点，即复合板爆炸前后所用检验标准有所不同。

2.4 焊接材料

管程侧安装不锈钢盖面层所用焊接材料的含碳量，通常不得超过0.025%，这是因为堆焊会使基层碳大量析出，随着面层含碳量提高，其耐腐蚀性能会有所减弱。而对含碳量严加控制，可最大程度保证S31603和最终面层具有大致相同的含碳量。

2.5 制造技术

对管板和换热管进行自动焊接，保证渗透检测结果符合Ⅰ级要求。

经过堆焊的管板与管程筒体、封头和管程筒体以及封头，通常要先经由热处理技术将应力消除，再投入试运行和正常运行。

壳程和管程都要经过水压试验，若试验结果为合格，再由技术人员对壳程氦泄漏情况进行试验，通常将试验压力控制在0.08MPa左右，旨在对管板和换热管连接处的密封性进行检验。此外，管程还要经过气密试验，其压力以8MPa为宜。

无损检测现行标准所提出规定如下：

（1）管程侧焊接处接头需要经过射线检测，其质量等级应为Ⅱ级或以上，技术等级则要达到相关类别要求。

（2）管程侧焊接所形成接头应进行磁粉检测，关于检测结果的要求为“满足Ⅰ级合格条件”。

（3）未经过堆焊的管板和管程筒体，先对表面做磁粉检测，待堆焊结束后，再对不锈钢表面做渗透检测，上述检测均应达到Ⅰ级合格标准。

（4）对壳程侧接头进行射线检测的规格应被控制在20%，其余检测均为100%，质量等级一般为Ⅲ级或Ⅲ级以上。

3 确定材料

3.1 初选材料

结合管程设计条件可知，封头及管程筒体的首选材料，均为低合金钢与S31603堆焊的组合或低合金钢与复合板的组合。考虑到设备需要在中压低温环境下运行，因此，在确定管程筒体所用基层材料时，设计人员优先考虑低温用钢，包括09MnNiDR、15MnNiDR和15MnNiNbDR，其中，后两种材料能够发挥出应有作用的温度上限是200℃，与项目所要求250℃不符，遂决定使用09MnNiDR。壳程介质相对干净，且设计温度及设计压力普遍较低，因此，可使用Q345R。在确定管板材料时，由于该元件运行环境的温度为-45℃，设计人员初步计划使用S31603和09MnNiDR的组合。

3.2 计算参数

3.2.1 管板

管板的基层材料为09MnNiDR锻件，在管程侧做S31603堆焊处理。技术人员根据不同工况对其相关参数进行计算，如表3所示。

表3 不同工况下的计算结果

若工况为正常操作，可先考虑三种情况，即：仅存在管程压力，仅存在壳程压力，同时存在两种压力。随后，再加入温差压力相关参数，分别计算受压元件所承受压力。最终结果表明，在任何情况下，元件应力均未超过许用应力范围。

若工况为故障，则仅有两种情况需要考虑。在计算环节，设计人员应对此引起重视，若计算所用软件为SW6且忽略了这一要求，极易出现对压力危险进行计算的情况，最终结论往往无法准确反映实际情况。

3.2.2 管程筒体

在对管程筒体进行初步设计时，设计人员计划使用复合板，但计算所得名义厚度远超规定厚度，不具备实施条件。随后，计划人员选择用ASME对复合板进行替代，结合该材料相关性能可知，可在低温工况下使用的材料规格为SA-516Gr.60、SA-203.F。通过计算可知，上述材料的管程厚度均十分接近使用上限，在没有专家提供指导的前提下，不应自行对其加以使用。

综合考虑多方因素后，设计人员将最终方案确定如下：管程筒体基层材料选用09MnNiDR，计算结果表明，该锻件名义厚度约为115mm，考虑到管程筒体厚度与设备运行间的密切关联，最终将其厚度设定为118mm。

3.2.3 壳程筒体

该元件所用材料为Q345R，基于整体强度展开计算可知，其名义厚度应为12mm，设计人员参照现行标准将最小厚度设定为20mm，随后，考虑到筒体刚性是决定设备运行稳定性的主要因素，将最终厚度确定为25mm。

3.2.4 管程封头

由于管程压力设定为8MPa，温度设定为250℃，设计人员出于对封头厚度加以控制的考虑，遂决定对半球复合板材料加以运用，其中，基层材料为09MnNiDR，而覆层材料选择S31603。通过计算可知，其名义厚度为66mm+4mm，且确定基层厚度时，已将爆炸导致复合板减薄、钢板所存在负偏差等情况考虑在内，与设计要求相符。

3.3 确定材料

设计人员结合初选和计算结果，对换热器受压元件所用材料加以确定，最终结果如下：

管板使用Ⅳ级锻件，整体厚度为200mm，高度为320mm，内部堆焊厚度为6mm。管板周圈设有凸肩，其中，管程凸肩厚度设定为125mm，而壳程凸肩厚度以60mm为宜。

管程筒体使用Ⅳ级锻件，其厚度为118mm，内径为4 000mm，而锻后堆焊的厚度需要控制在6mm左右。

壳程筒体连接凸肩的部分，优先使用Q345R材料，厚度60mm，短节长度为750mm，剩余筒体使用相同材料，但整体厚度调整为25mm。

管程封头所使用复合板的厚度为70mm，其中，09MnNiDR的厚度为66mm，S31603的厚度为4mm。

4 设计方案

4.1 整体锻造

该方法强调先整体进行锻造，再做猝火及回火处理。其优势在于技术人员无须对焊接变形问题加以考虑，且锻件低温冲击性能、接头处的机械性能均不会受到影响。但要考虑锻机吨位和钢锭吨位，由于公称厚度远超现行标准所划定范围，因此，有一定概率出现热处理无法淬透的情况，不仅锻件性能会被影响，其芯部所展现出低温冲击等力学性能，同样存在无法满足设备要求的可能。

4.2 组合锻造

将管板拆分成中间饼形锻件和周圈环形锻件两部分，先对二者进行淬火及回火处理，再进行组焊，通过热处理的方式使应力得到消除。组合锻造的优势是能够通过分块锻造的方式，确保锻件达到设备对低温冲击韧性及其他机械性能所提出要求，为整体质量提供保证。但在焊接质量方面，组合锻造所提出要求较整体锻造更高，技术人员往往难以做到精确控制焊接变形，进而使热影响区、焊接接头处的性能受到影响。另外，由于焊接区域和高应力区重合，这也在无形中加大了应力给管板及设备所带来影响，应当引起重视。

5 结束语

本文所设计换热器的特点为大直径、高管程压力，其运行工况为高低温并存，且壳程及管程均有出现故障的可能，在设计和制造阶段，通常要对多方因素加以考虑，确保最终选用材料兼具理想的强度与低温冲击韧性。由于管板有较厚的厚度和较大的直径，因此，设计人员既要对制造成本加以考虑，还要对设备所展现出机械性能和项目要求的契合度加以考虑，只有这样才能最大程度保证所设计设备具有推广价值。