浮头换热器结构优化与传热性能提升研究

浮头换热器作为炼油工业的关键传热设备，承担着原油加热、油气冷凝、余热回收等多重任务，其运行效率，不仅与能耗直接相关，更影响着产品质量[1]。当前，浮头换热器的结构设计并不理想，面临着管板应力集中、壳程流场死区、振动磨损等问题。结构层面的缺陷，不仅严重降低了浮头换热器的传热性能，也增加了设备损坏的风险，缩短了设备的使用寿命。因此，要从炼油工业的实际工况出发，以结构优化为核心，多维采取策略，实现设备性能提升与运行稳定性改善。

1.管板与浮头非对称锥形过渡优化

管板、浮头的连接部位，是浮头换热器的力学薄弱环节。以往，连接部位的设计方案，多采用直角过渡结构。直角过渡结构存在着很大的局限性，一方面，流体经过连接部位时，易发生局部涡流，另一方面，直角结构也使得应力无法有效分散，增加了连接部位裂纹、泄漏等故障，危害设备安全。对此，可通过非对称锥形过渡结构来优化连接部位的设计。非对称锥形过渡结构的核心是通过渐变式的锥形面替代传统直角面，从而使连接部位形成平滑过渡。浮头换热器运行时，管板承受的轴向力与径向力分布并不均匀。非对称锥形过渡结构将锥形面的主倾斜方向对准应力集中的高发区域，通过增大过渡区域的受力面积，实现应力的均匀传递，从而解决应力集中的问题[2]。锥角参数确定是非对称锥形过渡结构设计的重点，锥角过小或过大，均不利于充分发挥浮头换热器的传热作用，锥角过小，会使得阻流增大，而锥角过大，则会增加锥角应力集中残留问题。可通过ANSYS 模拟原油工况下 20^∘ 、 30^∘ 、 40^∘ 锥角应力分布，确定最优锥角参数。管板与浮头非对称锥形过渡优化在解决连接部位应力集中问题中，具有良好的效果。测试结果显示，优化后管板应力峰值从 218MPa 降至126MPa，疲劳寿命从 5× 10⁴ 次循环提升至 2× 10⁵ 次循环，完全适配炼油厂3 年检修周期要求。

2.壳程流场复合强化技术运用

壳程作为浮头换热器实现传热的核心区域，其流场分布的均匀性以及湍流程度，对传热系数有着重要的影响。以往，浮头换热器的折流板，多采用弓形设计。弓形设计虽然具有引导流体的作用，却易在折流板缺口处形成低速区与死区，从而降低传热效率，乃至引发局部过热的问题。对此，可通过壳程流场复合强化技术，解决传热效率低的问题[3]。首先，以螺旋折流板替代弓形折流板。为适配高粘度原油的流动特性，采用 25^∘ 连续螺旋倾角、螺距与壳程直径比设 1.2 的设计方案，将折流板设计为螺旋形，如此，能够延长原油流动路径，大幅降低低速区占比，并有效控制结构速率。其次，布置Delta 翼型涡发生器。遵循沿轴向每 10 倍管径设置一组，每组 2 个对称分布的布置方案，于管束迎流面安装高度为管径 1/3 的涡发生器。利用涡发生器，扰动原油边界层，破坏粘性底层，使局部换热系数得到提升。壳程流场复合强化技术在提升换热性能中，具有良好的表现。

试验结果显示，采用复合强化方案后，换热器热负荷从 2.8×10⁶kJ/h 提升至 3.6×10⁶kJ/h_o 。原油处理量不变的情况下，采用壳程流场复合强化技术的改造方案，可将加热炉出口温度可降低 8–12^∘C ，年减少天然气消耗约 9.2万 m³ 。

3.分级刚度弹性支撑防振设计

在浮头换热器运行的过程中，壳程流体的流动，会对管束产生周期性激励，而当激励频率与管束自身的固有频率趋同时，会引发共振现象，继而导致管束磨损、泄露乃至断裂的问题，严重危害设备运行的稳健性、安全性。对此，可根据炼油厂壳程流体脉动特性，设计弹性支撑栅架，通过分级刚度优化，提升管束固有频率，避开激振频带，达成防振目标。支撑栅架方面，选用1Cr18Ni9Ti 不锈钢制成的支撑栅架，同时，与接触管束部位加装邵氏70 度氟橡胶垫，防范磨损问题。采用高强度螺栓，连接栅架与壳程壳体，并预留 2mm 热膨胀间隙，以适配炼油厂温度波动工况。刚度分级方面，将支撑栅架划分为中部、边缘两大区域，中部为高刚度区域（ 200N/mm ），抵抗原油主流脉动，边缘为低刚度区域（ 50N/mm ），吸收局部振动能量，刚度过渡区域则采用线性渐变的设计方案，以抵御应力突变[4]。基于分级刚度的弹性支撑防震设计，在破解管束振动失效问题中，表现突出。振动测试的结果显示，优化后管束一阶固有频率从 12.5Hz 提升至 18.7Hz ，避开激振频带；振动加速度从 0.8g 降至 0.2g ，这对于降低管束磨损泄漏故障，有着重要的意义。

4.结语

以某炼油厂 3 台 DN800×6000mm 浮头换热器为例，结构优化取得了良好的效益。传热性能方面，原油加热效率提升 31% ，在处理量相同时，管程蒸汽消耗量从 18t/h 降至 14t/h ，年减少能耗126 万 kWh 。运行稳定性方面，设备振动值稳定在 0.15-0.2g ，管板连接部位无泄漏，结垢厚度，较改造前下降 62% ，化学清洗周期则从原先的6 个月延长至21 个月。经济效益方面，单台设备年节省能耗成本8.9 万元，节省检修费用4.8 万元，3 台设备年均总收益41.1 万元。

参考文献

[1]许蕾，钱才富，刘久逸.浮头换热器管板热应力分析[J].压力容器，2015（06）：55-60.

[2]朱志颖，于洪杰，朱国栋.管壳式换热器管束有限元模拟合理性研究及失稳分析[J].压力容器， 2024(09):39-47 .

[3]陈光.原油稳定装置换热器运行节能探讨与实践[J].石油石化节能，2023（07）：44-48.

[4]宋利滨，朱国栋，李涌泉.浮头端管板边缘结构对管板弯曲应力和换热管轴向应力的影响[J].压力容器，2022（12）：44-53，70.