高压力可拆卸板式热交换器的开发研究

王晓伟，李 官，仇 颖

(上海板换机械设备有限公司，上海 201508)

随着社会的发展，城市建设速度飞速增长，供热技术和供热方式呈现多样化的趋势，且逐步发展和形成以集中供热为主导的城镇供热采暖系统。随着集中供热采暖系统供热半径的增加，通过增大供回水压差的方法来提高管网输送能力和供热总量是一种较为经济的方式。可拆卸板式热交换器以其换热效率高、结构紧凑、适应性强、热损失小、拆装维修方便等优点，广泛应用在供暖行业，但随着供暖行业对热交换器承压能力的要求越来越高，常规的可拆卸板式热交换器已不能满足供暖行业的扩大需求[1]。

目前可拆卸板式热交换器的最高设计压力为3.0 MPa，对超过3.0 MPa压力的情况只能采用焊接类热交换器或多级换热[2]的方式解决，但会大幅增加投资成本。本文将选取上海板换机械设备有限公司D15C可拆卸板式热交换器，通过研究产品设计、板片成型、产品制造、水压试验等方面规律，开发了一种高承压的可拆卸板式热交换器。

1 设计开发

1.1 板片材料的选择

1.1.1 板料的强度

表1 板料力学性能数据表

可拆卸板式热交换器在高压力下的泄漏主要是由于板片强度不足而变形、密封垫被高压挤出所致。S30400及S31603两种材料以其成型性好、性价比高等优点被大量用于供暖行业中，但其低强度导致了产品承压能力较低。为提高产品承压能力，现选取两种牌号分别S82031及S32205的高强度双相不锈钢材料用于对比，力学性能数据如表1所示。通过表1数据可看出S32205材料伸长率过低，不能满足板片的成型要求，故排除该材料。

1.1.2 板料的耐腐蚀性

供暖行业热侧水质运行温度100℃左右、氯离子含量约为40～100 mg/L，板片的腐蚀以应力腐蚀开裂和氯离子点蚀为主。临界点蚀温度(简称CPT)是判定不锈钢耐氯离子点蚀性能的重要指标，不锈钢的CPT越高，表明不锈钢耐氯离子点蚀性能越好。S30400、S31603及S82031不锈钢材料应力腐蚀试验数据和临界点时温度可参考表2、3[3]。

从腐蚀结果来看，S82031双向不锈钢的耐应力腐蚀开裂性能和耐氯离子点蚀性优于S30400和S31603两种材料，更适用于采暖行业的应用。

表2 不同板料应力腐蚀开裂数据表

表3 不同板料临界点蚀温度数据表

1.1.3 板料的最终确定

结合表1、2、3，从成型性能和耐腐蚀性两方面进行对比，同时考虑S31603材料成型性及耐腐蚀性略优于S30400材料，选用S31603和S82031两种材料进行D15C产品的对比试验。

1.2 密封垫的选择

考虑供暖行业热侧水质运行温度较高、运行压力较高等工况特性，结合密封垫使用寿命，三元乙丙(代号EPDM)密封垫以其性价比高的优点适用于供暖行业。

普通丁腈密封垫(75 Shore A)承压极限在2.1 MPa左右，而氢化丁腈密封垫(80 Shore A)承压极限在3.2 MPa左右，可看出产品的承压能力随密封垫硬度的增加而增加。常规EPDM密封垫硬度为80 Shore A，其承压极限在3.2 MPa左右，为提高产品承压能力同时匹配高强度的板片，选用一种硬度更高的特种EPDM密封垫(90 Shore A)与常规EPDM密封垫进行D15C产品的对比试验，两种密封垫的物理性能参数如表4所示。

表4 常规及特种EPDM密封垫物理性能表

1.3 产品结构设计

可拆卸板式热交换器主要零部件有：固定压紧板、活动压紧板、上导杆、下导杆、拉杆、立柱、板片及密封垫(又称垫片)等，详见图1所示。

图1 可拆卸板式热交换器装配图

为保证框架的刚性，将D15C产品设计压力定为4.0 MPa，型号定义为D15C-4.0/150，三维图纸如图2所示。该产品设计的主要依据为NB/T47004.1-2017《板式热交换器第1部分：可拆卸板式热交换器》和GB/T150《压力容器》。

图2 D15C-4.0/150产品三维图

1.3.1 夹紧螺柱设计

按设计压力4.0MPa计算夹紧螺柱的最小直径，按式(1)计算：

其中Am为预紧状态和工作状态下最小夹紧螺柱载荷总截面积的较大者，n为夹紧螺柱的数量，得出夹紧螺柱的最小直径d，选用与之匹配的夹紧螺柱。

1.3.2 压板设计

依据GB150.3-2011，非圆形平盖按式(2)计算：

计算出的压板厚度补强后，得出固定压板和活动压板的厚度。

1.3.3 夹紧螺柱长度的确定

由于D15C产品未设计中间隔板，则夹紧螺柱长度计算可简化为式(3)：

其中S1为压板厚度，S0为板片厚度，S3为密封垫厚度，NP为板片数，得出夹紧螺柱长度。

1.3.4 上导杆设计

根据NB/T47004.1-2017标准，导杆按式(4)计算：

因无中间隔板，则Ng=0，S2=0，得出上导杆的长度。

1.3.5 法兰设计

依据GB/T9119-2010标准选取DN150-PN40 PL RF II Q235A GB/T9119的法兰，但板片角孔横向间距所限导致法兰外径干涉，故将法兰设计为长短管结构的接管形式，如图2所示。

1.4 板片成型

S31603是上海板换机械设备有限公司D15C产品正常生产的材料，不存在成型问题。由于S82031材料强度高，导致其成型难度增大，对生产效率有一定影响，增加产品的制造成本。基于CAE工具进行大量的虚拟试模研究，通过对模具及生产工艺进行特殊处理，成功压制出满足NB/T47004.1-2017要求的E15C(S82031)板片[4]。

1.5 产品制造及水压试验

D15C-4.0/150产品共用一套框架，板片材料有S31603和S82031两种，密封垫有常规EPDM和特种EPDM两种，除板片材料和密封垫材料外无其他变量，共组成4种形式的D15C-4.0/150产品，详见表5所示。对4种形式的D15C-4.0/150产品按序号顺序分别进行水压试验，每次试验压力均自2.6 MPa起，按0.2 MPa压差逐级升压，直至泄漏结束。考虑预期试验压力较高，在试验过程中，将试验场地与其他生产区域分隔，操作人员及技术人员做了相关的安全防护措施。

记录各自的最高试验压力(保压30 min不泄漏的最高压力)，详见表5所示，四种形式的D15C-4.0/150产品中序号4产品承压能力最好，其最高试验压力为6.0 MPa，对应设计压力为4.6 MPa。其中设计压力(P)和试验压力(PT)对应关系如式(5)所示。

对表5进行分析可知，单独提升板片强度或密封垫硬度对可拆卸板式热交换器的承压能力提升有限，只有将板片的强度或密封垫的硬度两者结合起来共同提升，才能对可拆卸板式热交换器的承压能力提升巨大。同时也说明板片强度和密封垫硬度需匹配，才能切实提高可拆卸板式热交换器的承压能力。

表5 D15C产品组合形式

2 结论

以上对极限压力为6.0 MPa的高压力可拆卸板式热交换器的设计开发过程做了简介和分析，说明同时提高板片的强度和密封垫的硬度可以显著提高可拆卸板式热交换器的承压能力，且高强度的板片承压能力好、重复拆装不易变形，节省售后维护成本，在工况不复杂、介质腐蚀性较差的供暖行业有良好的应用前景。