双管板换热器的结构及制造工艺合理设计

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摘 要：本文首先简单阐述了双管板换热器的适用范围，分析了结构设计前准备工作，研究了结构设计要点以及制造工艺，并在此基础上提出了几点注意事项。旨在完善双管板换热器制造模式，提升其使用安全性与稳定性。

关键词：双管板换热器 结构设计 制造工艺

双管板换热器主要适用于壳程与管程介质严格禁止混合使用的场所。还有一种认为双管板换热器可用于管、壳程间介质压差很大的场合，设计在内外管板之间的空腔中加入一种介质，来减小管壳程间介质的压差。目前双管板换热器在防止管、壳程介质串流的问题上有着明显的优势。

一、双管板换热器结构设计准备工作

（一）结构初步规划

对于一项双管板换热器而言，其结构主体上有4块管板，主要结构状态如下：首先是法兰式管程侧管板，有两块，其与管箱法兰之间的连接使用垫片以及螺柱，同时联通换热管、管道共同组成管程。换热管与管程侧管板之间的连接可采用贴胀与强度焊联合方式，在介质选择上也适应于条件偏向苛刻程度的介质。非法兰式的壳程侧管板与壳体之间的的连接让壳程更具完整性，在换热管与壳程侧管板之间的连接方式为强度胀接。在结构中，壳程管板与换热管之间又可以构成两腔积液程，由此产生形态特殊的四腔结构。

（二）选材控制

材料的选择关系到双管板换热器的使用稳定性以及安全性，因此选材是结构设计的关键。在材料选择方面，首先应考虑介质特性，重点放在抗腐蚀方面，并根据用户需求加以调整，保障在压力以及操作温度方面不会对工艺性能产生不良影响。

换热管与管程侧管板之间的连接使用贴胀加强度焊型式，锻件级别为Ⅱ级。由于换热管与壳程侧管板之间的连接属于强度胀接，因此要求管板质量高，故锻件级别为Ⅲ级。同时，鉴于管板材料在硬度值方面要与双管板换热器约在HB20-30之间，从理论上来说不锈钢管板与换热管之间的硬度应属于同一水平，但在实际硬度测量中发现，硬度变化能够通过材料供应以及材料选择实现。在具体设计制造环节中，设计人员同样需要对换热管与管板管孔之间的间隙严格把关，利用“特殊紧配合”原则减少管板材料与换热管之间由于硬度差带来的不良影响。需要注意的是，换热管HBW硬度要求应在评定实验中明确指出。

二、结构设计要点

（一）布管操作

以某实际设计为例，换热管外径19mm用户将布管间距设置为23.75mm，将排列方式要求为转角正三角形，因此理论上来说孔桥宽度只能够为4.75mm，在制造中胀接环节操作具有一定难度。按照双管板换热器传统经验结合相关企业自行加工制造能力，可将换热管与管板之间的胀接设定为液袋柔性胀接，其作用原理如下：当液体压力不断上升过程中，换热管受到压力后会出现变形，并且随着压力的增大变形程度也会加大（此变形属于弹性变形），之后在达到塑性变形程度时会被挤压至管板孔壁部位。在之后压力不断增加条件下，管板与换热管之间会产生接触压力，当压力逐步上升时管板会出现弹性变形，之后一段时间完成到塑性变形的转变。

若管板孔桥宽度比较小，超出了正常值范围，换热管与周边换热管之间的胀管接头在塑性区域会产生反作用力造成接头逐渐松动，让换热管胀接接头下降。因此在符合相关工艺条件下，理应将胀接因素同时归为考虑范围，在之后工艺设计计算环节将换热管布管间距设定为25，理论上管板孔桥宽度为6毫米，才能够确保换热面在面积上处于不变状态。

（二）管板间距设计

这里的间距设计指的是管程侧管板与壳程侧管板之间的间距。在这一项设计环节中，间距设置若不明确、缺乏有效性会直接影响到双管板换热器使用效率与稳定性，因此设计人员需从以下几个方面因素着手考虑：

1、相邻管板之间的间距需要保障在实验过程中可被有效观察，例如在气密性实验以及管壳程压力实验中，需要通过相邻管板之间的间距了解检漏最小空间范围。

2、胀杆在液压管胀气中的长度设计，影响到胀接以及构件稳定性。

3、在间距设置上，由于相邻管板之间的管束在传热性能方面存在欠缺，因此，若此间距过大会造成管板表面积浪费，达不到设计的高效性要求。

4、双管板换热器在固定方面结构复杂，因此在设计过程中间距设置需妥当，尤其是壳程管板与管程管板之间的间距，在选取时应考虑周全，切忌由于相邻管板之间由于间距设计不当导致使用温度存在差异性造成使用时发生位移，此时换热管与管板之间连接部位可能会受到热应力以及过大弯曲应力影响而出现介质泄露情况。

（三）结构设计

这里的结构设计指的是管程管板与壳程侧管板之间的结构，在连接形式方面，目前较多采用的有两种，即分离式结构以及连接式结构。若壳程、管程中的介质发生了泄露，泄露介质可直接排放出来，此时双管板之间不会产生对环境的污染，可在不封闭状态下独立分离；反之，双管板之间的连接必须使用膨胀节以及短节连接。

三、制造工艺合理性分析

（一）液压胀

对于液压胀而言，其优势较多，最为突出的便是可靠性方面。液压胀在产生胀力时不会过猛，且受力部位仍旧可保持稳定状态，不易出现攒动。同时，液压胀的换热管与管板之间的连接部位所受应力处于均匀状态，不会由于应力偏差造成结构稳定性受损情况。另外，液压胀的胀管在管板之间间距方面不会受到距离限制，最长距离可实现3米左右。

（二）机械胀

机械胀情况存在较显著不良情况，主要表现为换热管使用过程中易出现膨胀情况，影响使用安全性。具体而言，受到膨胀影响的元件部位可能出现攒动现象，其内壁会在此条件下出现可靠性降低以及加工硬化现象，不仅影响使用安全，还对之后的检测维修造成一定难度。这种现象的产生原因主要在于电动胀管要想达到管端与定位块贴紧目的，必须依靠受推力才可实现，胀管胀紧力受到内径大小尺寸影响，因此超出一定程度会产生反作用力，不利于部件稳定（胀紧力的传递利用胀管器芯轴）。相对于液压胀而言，其成本仅占到五分之一左右，且两块管板之间的距离保持在28厘米以内。

（三）制造中注意事项

在对双管板换热器制造中，不得不考虑到设备使用的安全性与稳定性，因此在制造过程中可从以下几个方面来考虑：

1、同心度

对于会影响到双管板同心度的因素需严格掌控，将因素保持在可控范围内，增加部件稳定性。

2、焊接状态

若双管板换热器为固定模式，需要先将双管板采用焊接方式连成为一个整体状态，让双管板变成单管板结构，之后再与管束与壳体一同组装。当进行壳程水压试验时，可暂时不将双管板与积液短节组焊。这样能够保障试验过程中清楚观测到内侧管板与管子之间连接部位是否存在泄露点以及真实泄漏情况。

3、使用环境

对于一些使用环境较恶劣的双管板换热器，例如作用于高温高压、腐蚀性较强、有毒或是易燃易爆环境中的换热器，其换热管与双管板外侧管板之间的连接需要利用强度焊，并且按照管子孔间距以及直径差异性调节其伸出管板面的长度，一般而言，长度会保持在4-5毫米之间。

四、结束语

双管板换热器无论是设计还是制造都难于普通换热器，因此要求设计人员在设计、制作过程要严格控制，认真把关，切忌存在一丝马虎。相关研究者在今后还可加大投入力度，通过更多层面的控制提升换热器使用稳定性与安全性。

参考文献

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