换热器膨胀节的设计.pdf
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- 换热器 膨胀 设计
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第 4 8卷第 3 期 2 0 1 1 年 6月 化工设备与管道 P R O C E S S E QU I P ME N T&P I P I N G Vo 1 48 Nn 3 J u n 2 01 I 换热器膨胀节的设计 李春涛, 周伟光, 陆旭 ( 中航黎 明锦西化工机械( 集团) 有 限责任公司 , 辽宁 葫芦 岛 1 2 5 0 0 1 ) 摘要 : 重点讲述在 固定管板换热器设计过程 中, 在什 么奈件下需要设置膨胀节 , 以及膨胀 节在设计计 算过程 中易 出现的一些 问题 , 提 请设计者注意。 关键词 : 膨胀节 ; 换热 器; 设计计算 中图分类 号: T Q 0 5 1 5 ; T H 1 2 2 文献标识码 :A 文章编号:1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 1 1 ) 0 3 -0 0 0 8 - 0 3 De s i g n o f E x p a n s i o n J o i n t Us e d i n He a t Ex c h a n g e r LI Chu n- t a o; ZHOU W e i g u an g;LU Xu ( A V I C J i n x i C h e mi c a l Ma c h i n e r y ( G r o u p) C o ,L t d,Hu l u d a o 1 2 5 0 0 1,C h i n a) Ab s t r a c t : I n t h i s a r t i c l e ,t h e c o n d i t i o n u n d e r wh i c h e x p a n s i o n j o i n t i s n e c e s s a r y i n t h e d e s i g n o f f i x e d t u b e s h e e t h e a t e x c h a n g e r wa s s t a t e d S o me p r o b l e m s w h i c h a r e e n c o u n t e r e d i n t h e c a l c u l a t i o n o f e x p a n s i o n j o i n t w e y e a l s o p o i n t e d o u t Ke y wo r d s : e x p a n s i o n j o i n t ;h e a t e x c h a n g e r ;d e s i g n a n d c a l c u l a t i o n 波形膨胀节作为一种 良好 的变形补偿元件 , 常 应用于固定管板式换热器上, 能够 明显降低 由于换 热管和壳程圆筒问热膨胀差所引起 的管板应力 、 圆 筒和换热管的轴向应力 以及换热管与管板的拉脱 力。在选用 G B 1 6 7 4 9 -1 9 9 7 压力 容器波形膨胀 节 ( 以下简称 G B 1 6 7 4 9 ) 标准膨胀节时, 应按设 备操作条件对膨胀 节的基本参数 ( 诸如轴向刚度 、 单波最大位移量 和许用工作压力等) 进行修正 , 并 以修正后的基本参数为依据进行选用 。此外 , 在使 用 S W6软件 过程设备强度计算 软件( 以下 简称 S W6 ) 进行非标膨胀 节的设计计算时 , 膨胀节 相关数据的输入应符合 G B 1 6 7 4 9的要求 , 从而保证 设计计算结果的正确 、 合理 。下面是笔者在近年 来校审图纸中遇到的一些问题 , 提醒设计者在设计 工作 中引起重视。 1 是否需要设置膨胀节 的判定 在固定管板换热器中, 是否需要设置膨胀节 , 主 要取决于换热器在操作条件下的实际应力状况。是 否需要设 置膨胀 节 , 要 考虑 在 温 差 载荷 及压 力 载 荷 作用下 , 下述应力是否超过许用值 : ( 1 )在壳体 中引起的轴向应力 ; ( 2 )在换热管中引起的轴 向应力 ; ( 3 )换热管与管板之间连接拉脱力 q 。 当上述三个应力超过许用值时 , 首先应考虑能 否凋整相关元件的尺寸或换热管与管板的连接方式 ( 比如增加管板厚度 , 改强度胀为强度焊 ) , 从而使 各元件满足许用应力校核条件。如果通过以上调整 不能通过 , 或者虽然可行但不经济或不合理, 则应考 虑设置膨胀节 , 通过膨胀节吸收管壳程之间的膨胀 差 , 从而改善和降低各元件的受力情况。 特别是 当换热管轴向应力 超标时, 此时通过 设置膨胀节来降低换热管轴 向应力更为切实可行。 G B 1 5 1 1 9 9 9 管壳式换热器 表 3 0中给出的换 热管轴向应力 。 的计算公式为 : 1 r G 2 一 v Q , 、 Or t 一 a J 【 1 ( 2 ) 式中 a为换热管管壁金属的截面积。其他符号 的意义 同 G B 1 5 1 。 从上述两公式中不难看出, 增加换热管的壁厚 可降低换热管轴向力 , 但换热管壁厚是 由工艺条件 收稿 日期 : 2 0 1 1 4 ) 3 1 7 作者简介 : 李 春涛 ( 1 9 7 5 一) , 男 , 蒙古族 , 内蒙古 赤峰市人 , 工程师。 主 要从事压力容 器设 讣和 制造工作。 2 0 1 1 年 6月 李春涛 , 等 换 热器膨胀 节的设 计 9 确定的, 从工艺角度看增加换热管 的壁厚势必影响 热交换效果 , 故设备专业不能再做调整。 此外在进行管板计算过程 中, 当换热管轴 向应 力 z i 时 , o - 1一 ( 5 ) 其中, f 为换热管受压失稳 当量长度 , 是 由折流 板间距按 G B 1 5 1图 3 2确定的, 并与折流板 间距成 正 比。式( 4 ) 、 ( 5 ) 反 映出换热管稳 定许用 压应力 是随换热管受压失稳 当量长度的减小而增加 的, 因此通过减小折流板间距可 以提高换热管稳定 许用压应力 , 进而使换热管轴 向应力 满 足式 ( 3 ) 的校核条件 。但折流板间距是由工艺专业计算决定 的, 如果要调整可能还会影响到相关的工艺参数 , 在 这种情况下 , 往往需要通过设置膨胀节来 降低换热 管轴向力 , 使之满足强度要求 。 换热管和换热器壳体之间的热膨胀差是导致各 项应力超标的重要因素之一 , 但绝不能简单地 以换 热管和换热器壳体之间的温差来判定是否需设置膨 胀节。一方面 , 热膨胀差是 由材料 的温度和材料 的 线膨胀系数共同决定的 ; 另一方面 , 热膨胀差对于管 板及换热管 中各项应力 的影响十分复杂。因此 , 是 否需要设置膨胀节必须通过全面地计算来决定 。 2 选用 GB 1 6 7 4 9标准膨胀节时应注意的问题 G B 1 6 7 4 9标准膨胀节的结构形式及尺寸是根 据美 国 E J MA标准相关 的公式及 我国 自 1 9 7 0年代 以来引进的压力容器和换热器 中膨胀 节的结构尺 寸 , 参照国内外有关国家标准 、 行业标准及制造厂的 产品样本确定的, 通常在符合标准规定 的前提下可 直接选用 , 不需计算。对选用标准膨胀节时的注意 问题说 明如 下 。 2 1 标准膨胀节轴向刚度的修正 G B 1 6 7 4 9标准中给出膨胀节在 2 0 c c时的轴向 刚度值 , 而膨胀节的轴向刚度是随着温度而变化的 , 所 以膨胀节在设备操作条件下的轴向刚度必须根据 设计温度按 G B 1 6 7 4 9附录 A中的图 A 4 “ 温度对单 波刚度的修正曲线 ” 进行修正。 2 2标 准膨 胀节 实 际位 移量 的确定 单波膨胀节产生的实际位移量应小于标准中规 定的“ 单波最大位移量” , 否则应设置两个或两个 以 上 的膨胀节 。 在 G B 1 6 7 4 9标 准 中 , “ 单 波最 大 位 移 量 ” 对 于 碳钢膨胀节是以 2 0 0 o C为基础确定 的, 对于奥氏体 不锈钢 膨胀 节是 以 3 0 0 q C 及 3 0 0 0次循 环 为基 础确 定 的。当膨胀节的操作条件不同于上述条件时, 对 “ 单波最 大位 移量” 要按 G B 1 6 7 4 9附录 A中的图 A 2 “ 循环次数对位移量修正 曲线 ” 及 A 3 “ 温度对位 移量修正曲线” 进行修正 , 避免对标准膨胀节 的超 限使用 。 2 3 标准膨胀节的许用工作压力 直接选用标准膨胀节时, 其压力一 温度等级应按 G B 1 6 7 4 9附录 A中的表 A 5 “ 不同温度下许用工作 压力” 确 定。在较低 的设计温度下 , 奥 氏体不锈钢 膨胀节的许用工作压力可以高于标准膨胀节的公称 压力 。 2 4 膨 胀 节 内衬 套 的设置 标准规定 , 凡符合下列条件之一 的膨胀节应设 置 内衬 套 : ( 1 )要求流量损失小 , 介质流动平稳的场合 ; ( 2 )膨胀节内的介质流速超过 G B 1 6 7 4 9标准 中的表 6 - 1 规定 的数值。 在标准 中的内衬套 是搭接在壳体内壁的 , 衬套 内径往往会小于折流板或支持板直径, 会造成管束 组装困难。可以采用衬套 与膨胀节对接 的形式 , 见 图 1 , 使 内衬套 的内径与膨胀节直边段的内径一致。 国外也多采用这种结构 , 但应注意讨套的长度 , 避免 过长阻碍膨胀节的收缩。衬套应在迎着介质流动方 向的一端与膨胀节相焊。立式换热器应在内衬套与 壳体 相焊 的一 端 开 排 气孑 L 或 排 液 孑 L( 视 相 焊 端 而 定 ) 。 图 1 内衬 套与膨胀节对接 结构 1 0 化工设备与管道 第 4 8卷第 3期 3 用 S W6进行非标膨胀节的设计计算时应 注意的问题 ( 1 )在固定管板式换热器的设计计算 中, 管板 的计算和膨胀节的计算相互关联 , 相互影响。管板 要根据膨胀节的轴向刚度进行计算 , 膨胀节要根据 管板的计算确定膨胀节总轴 向力 , 所以在计算过程 中, 这些数值 的一致性对于保证计算结果 的正确性 是非常重要的。其 中, 膨胀节总轴向力应该等于壳 程筒体轴向应力与壳程筒体截面积的乘积 。设计者 可以通过验证管板及膨胀节计算 结果中的这些 数 值 , 来核实计算结果的正确性 。 ( 2 )金属材料在冷态塑性变形时会产生加工硬 化现象 , 使金属材料的强度和硬度升高, 而塑性与韧 性下降。奥氏体不锈钢具有极好的塑性 , 对于奥 氏 体不锈钢膨胀节在设计计算 中可以采用加工硬化后 的实际屈服强度来校核各项应力。 ( 3 )设计计算中的“ 膨胀节波长” , 应不包括膨 胀节的直边长度 。 ( 4 )对于不锈钢材料制造 的膨胀节 , 在需要疲 劳寿命校核时, 膨胀节设计疲劳循环次数应根据工 艺条件确定 , 在不明确 的情况下可设定为 3 0 0 0 5 0 0 0 次, 并在装配图纸上注明膨胀节设计疲劳循环 次数 , 以保证设备 的正确使 用。参照 G B 1 6 7 4 9标 准, 疲劳寿命安全系数可选定为 1 5 。 ( 5 )在设计非标膨胀节时, 由于膨胀节 的实际 位移量没有“ 单波最大位移量” 进行 比对, 常常令人 困惑。按 G B 1 6 7 4 9标准释 义的介 绍, 出于安全考 虑, 各种材料的标准膨胀节在设计温度下的单波最 大位移量 e 是采用 E J MA标准 中的公式计算得出 的, 是各项应力及疲劳寿命达到临界值时所对应的 单波最大位移量 。G B 1 6 7 4 9及 E J MA标 准中都将 膨胀节位移量作为产生应力的因素 , 位移量是否合 格完全是通过应力校核及疲劳寿命校核决定 的, 没 有其他的限制条件。因此在设计非标膨胀节时 , 只 要计算结果完全符合标准的规定 , 那么无论是压力 还是位移量就都在允许 的范围。当然 , 保留必要的 余量还是应该的。 ( 6 )当各项应力超标时 , 按下述原则调整结构 尺寸 , 并重新进行应力计算。 当轴向位移引起的应力过大时 , 宜适当增加 波数或减小波纹管的壁厚 ; 当内压引起展开阅读全文

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