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雙管板換熱器的設計和制造

點擊:1910 日期:[ 2014-04-26 21:35:55 ]
                           雙管板換熱器的設計和制造                                  朱冬梅                  (江蘇省化工機械研究所有限責任公司,江蘇南京 210024)     摘要:介紹了雙管板換熱器設計時的選材、管板的強度計算方法、結構設計和制造過程的脹接、水壓試驗等,指出了雙管板換熱器在設計計算和制造方面應注意的問題,供設計人員參考。     關鍵詞:換熱器;雙管板;計算;結構;制造     中圖分類號:TH12;TQ051  文獻標識碼:B  文章編號:1672-1616(2010)09-0071-03     在管殼式換熱器中,換熱管與管板的連接接頭是分隔管、殼程介質的關鍵屏障,但卻不能保證絕對不泄漏。即使制造過程中液壓試驗、氣密性試驗都合格,但由于操作過程中溫度、壓力和介質腐蝕的聯合作用或操作不當,都有可能出現部分換熱管連接接頭的失效而造成設備內介質泄漏。這樣的內泄漏會使管殼程之間的介質混合導致嚴重或災難性事故,因此雙管板換熱器便應運而生[1]。     1·雙管板換熱器的設計     1.1 雙管板換熱器的型式     雙管板換熱器一般型式為:雙管板固定管板換熱器(如圖1所示)、雙管板U形管式換熱器(如圖2所示)。固定管板換熱器在傳熱過程中,管內外介質的流動方向為逆流,傳熱系數較高。U形管式換熱器在傳熱過程中,一半管束內介質的流動方向為逆流,另一半為順流,因此其傳熱系數較低。但相比固定管板換熱器,U形管式換熱器由2塊管板組成,減少了泄漏點。一般在換熱面積較小、管束表面需經常清理或管程與殼程的溫差較大時采用U形管式結構。          1.2 選材時的考慮     設計時應注意管板與換熱管的材料必須有一定的硬度差,一般管板比換熱管硬度高HB20~HB30。應采用強度級別較高的材料作管板(如16Mn鍛件),強度級別較低的材料作換熱管(如10#無縫鋼管)。當選用的材料硬度相近時,可將管端進行退火處理,以降低換熱管的硬度[2-3]。      1.3 殼程管板與管程管板之間間隙長度L的計算   由于雙管板換熱器的2塊管板的操作溫度不同,當2塊管板的溫度從常溫升到操作溫度時將產生不同的徑向位移,它們作用在換熱管上,引起彎曲應力和剪切應力,并會使管板與換熱管的連接處產生泄漏。為了解決這個問題,可以在2塊管板之間留有適當的間隙,讓換熱管產生撓曲,從而避免管板與換熱管的連接處產生很大的應力而泄漏。管程管板與殼程管板之間間隙長度L的計算方法如下:                   式中:L為殼程管板與管程管板之間的間隙長度,mm;E為材料彈性模量,MPa;d0為換熱管外徑,mm;σs為材料彈性極限,MPa;y為換熱管撓度,mm;D為管孔直徑,mm ;t0為安裝溫度,℃;tt為管程的設計溫度,℃;ts為殼程的設計溫度,℃;αt為管程管板在設計溫度下的熱膨脹系數,℃-1;αs為殼程管板在設計溫度下的熱膨脹系數,℃-1。為安全起見,L實際取值應按計算值再放大12%左右。一般情況下,L取值在200mm ~300mm。     1.4 管板的強度計算     由于雙管板換熱器殼程和管程之間有2塊管板,由此形成了3個程,即殼程、管程和殼程管板與管程管板之間形成的聚液程。計算管板厚度時,應考慮3個程的工況,按不同工況進行計算。下面以雙管板固定管板換熱器為例,簡述管板強度計算中的參數確定原則。     a.管程管板的設計參數。     計算中主要參數確定如下:設計壓力和設計溫度分別根據管程和聚液程的工況確定;換熱管和殼程壁溫以換熱管和殼程或聚液程殼體之間的最大溫差為計算依據;管板與換熱管的連接,不論是采用強度焊加貼脹,還是采用強度焊加強度脹,亦或采用強度焊,計算時均按強度焊考慮;換熱管的有效長度為管程管板間的長度。參數確定后,按GB151計算管程管板的厚度。      b.殼程管板的設計參數。   計算中主要參數確定如下:設計壓力和設計溫度分別根據殼程和聚液程的工況確定;換熱管和殼程壁溫根據管程和殼程的工況確定;管板與換熱管的連接為強度脹;換熱管的有效長度為殼程管板間的長度。參數確定后,按GB151計算殼程管板的厚度。     c .管板計算中應注意的事項。     管板計算中應注意:管板的形式不論是延長部分兼作法蘭或是延長部分不兼作法蘭的固定式管板,計算時均可以按延長部分兼作法蘭的固定式管板進行計算,因為延長部分兼作法蘭的固定式管板的受力情況比延長部分不兼作法蘭的固定式管板更為苛刻。     因聚液程的長度較短,一般只有200mm~300mm,所以這段管束的剛度很大。校核時,經常出現管板周邊不布管區無綱量寬度k大于1的情況,降低k值的方法只能增加聚液程長度和管板厚度。管板厚度對于k比較敏感,一般k大于1時,采用增加管板厚度的方法來降低k,使其小于或略大于1。一般殼程及管程的管板厚度取相同數值[3]。d.換熱面積計算中應注意的事項。     雙管板換熱器的換熱面積計算公式為:     A = n×π×d0×l     式中:n為換熱管數量;d0為換熱管外徑,m;l為兩殼程管板內側的間距,m。     由此可見,雙管板換熱器的換熱面積對于換熱管整體長度的利用率較低,設計時應予注意。      1.5 結構設計     a.雙管板固定管板換熱器用作冷卻器或加熱器時,殼程介質最好為水或水蒸汽,這樣可以不設聚液殼同時也可以避免殼程水壓試驗后烘干的麻煩。     b.雙管板U形管式換熱器的兩管板之間一般采用聚液殼彼此連接。聚液殼可以用來調整管板間距且保證兩管板相互平行。同時聚液殼用來封閉相鄰兩管板之間泄漏出的氣(液)體,防止有毒氣(液)體的外溢。聚液殼最高和最低處需分別設置放空口和放凈口,用于及時導出泄漏出的氣(液)體。如果殼程與管程之間的溫差很大,為了降低殼程與管程管板與換熱管連接處的應力,應盡量降低短節的壁厚,必要時可增加一個膨脹節[1]。     c.殼程管板設計時,殼程管板殼體的焊接結構盡量采用GB151-1998附錄G圖G1(b)中的結構,要注意的是減小焊接變形,因為焊接變形會導致管孔與管板不垂直,使強度脹不能達到預期的效果。     2 雙管板換熱器的制造     2.1 管板加工     最好采用數控鉆床加工管板孔,以保證管孔直徑、垂直度及管口間距。鉆孔時,切削和退刀速度應盡量慢,以保證管孔的表面粗糙度不低于Ra6·3,鉆孔時還應留有0.1mm的鉸孔余量。鉆孔后對管板進行鉸孔,以消除管孔上的縱向劃痕,保證管口的表面粗糙度不低于Ra3.2。     鉸孔完成后,按圖樣規定的管孔公差要求,用止規和通規對每塊管板的管孔進行檢測。應特別注意的是,對于有強度脹或貼脹要求的管板,管孔內不允許存在貫通的螺旋形或縱向條痕。     2.2 折流板加工     將管板與折流板電焊固定并做好方位標記,以管板孔作為導向,鉆折流板管孔。為便于穿管,鉆孔方向應與穿管方向保持一致。每塊折流板正、反兩面的管孔均要仔細倒角并清除毛刺,防止穿管時損傷換熱管的外表面。     2.3 殼程管板與換熱管的強度脹     a.殼程管板與換熱管的強度脹應采用液壓脹。液壓脹可靠性好,換熱管不易產生過脹,脹接的部位不產生竄動,換熱管與管板的連接處在整個長度上應力分布較為均勻。     b.為了保證脹接質量,一般在脹管前應做脹接評定試驗。     (1)首先制作模擬換熱器,如圖3所示。管板厚度t1,t2按產品實際管板厚度確定,管板尺寸按圖3確定。殼程管板與管程管板之間的間隙長度L、管孔直徑D、換熱管外徑d0、換熱管壁厚t、管間距S均與產品一致。模擬換熱器殼程筒體的厚度要能承受產品雙管板換熱器的殼程試驗壓力,試板的剖切位置可參照GB151-1999的附錄B執行。以液壓脹管為例,按照過去經驗設定脹管機控制儀的液壓值,再進行脹管。                  (2)在穿孔前,先測量殼程管板的管孔直徑、脹管前換熱管外徑、換熱管內徑di和換熱管壁厚,按所要求的脹管率及實際測量的尺寸,再根據脹管率計算公式推算出脹管后換熱管內徑d的范圍。對于材質為碳鋼和不銹鋼的換熱管,強度脹管率KD應為10%~20%。脹管率計算公式為:          (3)按照圖3,先對管程管板進行強度焊,再對殼程管板按d值進行強度脹,在脹接時,記錄下脹管器的脹接力數值N。     (4)按產品圖樣要求,對模擬換熱器進行殼程水壓試驗及氨滲漏試驗,檢查是否有泄漏現象。如水壓試驗及氨滲漏試驗合格,表明此脹接工藝能夠滿足被模擬的雙管板換熱器的強度脹接要求。     c.按脹接評定試驗中取得的脹接力數值N,對殼程管板與換熱管的連接接頭進行強度脹。為防止漏脹,操作時應對脹接接頭進行逐個標記。     2.4 水壓試驗和氣密性試驗     雙管板換熱器的壓力試驗要按規定的步驟進行。首先按設計圖樣要求的壓力試驗值進行殼程的水壓試驗,通過聚液腔的空間檢查換熱管與內側殼程管板的連接質量。殼程水壓試驗合格后,組焊聚液腔的短節使之成為密閉的腔體。按設計圖樣要求的壓力試驗值對殼程進行氣密性試驗,并分別在聚液腔下方的2個排泄孔安裝透明的U形管檢驗工裝,在U形管內加水,保持一定的水平液位。若有試驗氣體微泄漏時,則U形管內的水平液位就會發生變化,以氣密性試驗時U形管內仍保持液位水平為合格。如設計圖樣要求需進行殼程氨滲漏試驗,則在聚液腔的排泄孔采用試紙試漏,以試紙不變色為合格。然后再按設計圖樣要求對聚液腔進行氣密性試驗,檢查管程管板與換熱管接頭的連接質量。最后對管程進行水壓試驗和氣密性試驗。      3·結束語     雙管板換熱器作為一種特殊的換熱器結構,能很好地解決管程和殼程中的介質相互泄漏的問題,但前提是雙管板換熱器的制造質量要過關,特別是換熱管的質量,必須保證換熱管在使用中不出現管壁破裂的情況。     參考文獻:     [1]秦叔經,葉文邦.換熱器[M].北京:化學工業出版社,2003:65-68.     [2]彭 翔.雙管板換熱器的制造[J].石油化工設備,1998(5):46-47.        [3]GB151-1999,鋼制管殼式換熱器[S].
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