立式换热器的膨胀节位置及其设置问题

点击：3059 日期：[ 2014-04-26 21:08:17 ]

立式换热器的膨胀节位置及其设置问题干斌（自贡鸿鹤化工股份有限公司四川自贡643000）【摘要】本文通过对其在非工作状态和工作状态两种情况下的受力进行分析，指出了立式换热器膨胀节位置确定应考虑其受力情况和自身结构影响等因素。【关键词】膨胀节蔼稳定性刚体轴向载荷补偿变形 1.问题提出我公司在2004年的压力容器设计资质换证审核人员考试中，曾有这样一道考题，“请问立式换热器的膨胀节设置在耳座上方还是下方更合理”，其答案为“立式换热器的膨胀节应设置在耳座下方更合理”。笔者查阅了大量资料，未得确切的理论依据，仅在2000年《化肥设计》增刊（总第198期）——《压力容器设计和制造常见问题》中找到这样一段解释，“支座在膨胀节之下，致使膨胀节承受由换热器自重产生的附加轴向力并降低了设备的稳定性。合理的设计是膨胀节应设在支座的下方，……，以提高设备的稳定性”。笔者在实际工作中曾遇到类似问题，当时从设备具体的运行工况及自身结构考虑，将膨胀节设置在支座上方。带着这个问题，笔者查阅了大量的基础资料，并对立式换热器的不同截面进行了仔细的受力分析后认为：忽略设置膨胀节的目的而仅从设备稳定性考虑其位置设置，且笼统的将膨胀节设置在耳座下方的观点值得商榷。 2.问题的分析 2.1膨胀节的设置需要在固定管板换热器中，由于壳程流体和管程流体之间存在温差，致使壳体和管束在工作状态与非工作状态的温度变化不一致，造成工作状态时壳体和管束的热变形量不相同。而壳体和管束通过刚性较高的管板固定在一起，必然造成在工作状态时，壳体和管束之间彼此约束着对方的变形，从而产生轴向载荷。为了避免壳体破坏、管子失稳、换热管从管板上拉脱，就必须考虑在壳体设置一个良好的变形补偿元件——膨胀节，以降低壳体和管束的轴向载荷。在固定管板换热器的设计中，若设备在低温差应力状况运行，一般不需考虑设置膨胀节；若壳体和换热管壁温差异较大时，则应考虑是否设置膨胀节。其具体依据为壳体轴向应力、换热管轴向应力和换热管与管板间的连接拉脱力三方面，若其中有一个不能满足强度条件时，就必须设置膨胀节。由于膨胀节在设备运行中起变形补偿的作用，所以膨胀节通常选用耐腐蚀材料，以减小腐蚀裕量，降低膨胀节厚度，提高单波补偿量，故其刚度相对较差。 2.2膨胀节的刚度差但不会影响（立式）换热器的稳定性膨胀节的壁厚小、刚度低，若将其布置在耳座上方，会不会因自重产生的轴向载荷而降低设备的稳定性呢？笔者认为，设备自重（指可能对膨胀节产生影响的局部自重）对膨胀节的影响应从非工作状态和工作状态两种情况进行考虑。下面分别对非工作状态自重不可能导致膨胀节失稳和工作状态应根据壳体受力情况确定膨胀节位置才能避免膨胀节因承受由自重产生的附加轴向载荷而降低设备稳定性两个方面进行分析。 2.2.1非工作状态自重不可能导致膨胀节失稳 2.2.1.1在不考虑加工因素的前提下，立式换热器的管束和壳体（包括膨胀节）均处于立置自由状态，由于管束通过管板与壳体连接固定在一起，若将管束和壳体简化成为一个刚体来考虑，则在换热器的任何一水平截面上，都是壳体和管束共同承受着设备的部分自重，即耳座上方截面管束和壳体共同承受该截面上方因自重而产生的压载荷，耳座下方截面管束和壳体共同承受该截面下方因自重而产生的拉载荷。但由于客观上壳体和管束是分开的，故外部对设备的支承是通过壳体来传递的，即耳座上、下方均是由壳体承受着设备的部分自重。为了便于说明以图1为例，分别在换热器的耳座上方、下方和中部取三个截面进行受力分析。由于设备处于立置自由状态可知，在2—2截面（将耳座支承段假象为一个截面）上，壳体处于自由状态，不受因自重产生的轴向载荷；在1—1截面，壳体处于被压状态，承受因该截面以上壳体和2—2截面上方管束（包括管板）两部分自重产生的轴向压载荷，其受力情况如图2；在3—3截面，壳体处于被拉状态，承受因该截面以下壳体和2—2截面下方管束（包括管板）两部分自重产生的轴向拉载荷，其受力情况如图3。由上可知，在非工作状态，任何截面上壳体均只承受部分设备自重，膨胀节亦如此。如果因自重产生的载荷已影响到设备的稳定性，即膨胀节已有较大变形，那么由于通过刚性管板和壳体连接在一起的管束势必约束其变形，其受力状况也相应发生变化，直至平衡为止。故膨胀节不会因承受自重的原因降低稳定性。 2.2.1.2在考虑加工因素时，换热器通常是卧置加工，若无折流板或其它类似结构的支承，加工时，管束中单根换热管因刚度低而造成由自重产生的弯曲挠度远大于壳体的弯曲挠度，一旦设备竖立安装，其自重对换热管的作用将由弯曲载荷转变为轴向载荷，换热管也将出现弹性恢复趋势，但由于通过管板与壳体刚性连接在一起，从而受到壳体的约束。在这种情况下，1—1截面上的压载荷可能减小，3—3截面上的拉载荷可能增加。若换热器中有折流板等支承结构或立置加工时，其安装时的受力情况与3.1相似。故在考虑加工因素的前提下，膨胀节也不会因承受自重的原因降低稳定性。 2.2.1.3单独从膨胀节的角度考虑，膨胀节亦不会因承受自重而失稳。根据GB16749-1997《压力容器波形膨胀节》附录A中的数据计算可知，非工作状态时膨胀节因部分自重产生的轴向载荷远小于其变形量为额定位移所能承受的轴向载荷（主要指压载荷），故仅自重亦不会使其产生失稳。综上所述，在非工作状态下，膨胀节不会因承受由换热器自重产生的附加轴向力并降低了设备的稳定性，将其作为判断膨胀节位置设置的依据是不合理的。 2.2.2在工作状态下，膨胀节位置的确定应根据壳体受力情况而定，这样可避免因承受由自重产生的附加轴向载荷而降低设备稳定性膨胀节的设置是为了补偿管束和壳体的热变形不一致，因此膨胀节位置的确定应从最有利于变形补偿的角度来考虑。在工作状态下，如果考虑换热器自重对膨胀节乃至整台设备稳定性有影响，那么就更应该从设备管、壳的实际受力情况和自图身结构进行考虑，而不能笼统的认为将膨胀节设置在耳座上方将承受设备自重会降低设备稳定性，而将膨胀节设置在耳座下方。下面以壳体承受轴向拉应力为例，分别对膨胀节设置在耳座上方和耳座下方两种情况进行分析。 2.2.2.1当壳体承受轴向拉应力时，将膨胀节设置在耳座下方其受力不合理，应将其设置在耳座上方，如图4。在1—1截面上：工作状态时，管束热变形趋势大于壳体热变形趋势，但由于管板刚性连接的原因约束了管束的热变形，致使管束承受因热变形受阻而产生的轴向压载荷。此时 1—1截面的管束承受的轴向载荷包括附加热载荷和该截面以上的局部或全部自重，其受力情况如图5。即1—1截面上壳体承受小于非工作状态时承受的自重或不承受轴向压载荷而承受拉载荷。在2—2截面上：工作状态时，2 —2截面的管束承受的轴向载荷包括附加热载荷和该截面以上的管束、管板和耳座以上的壳体三部分自重，与之对应的2—2截面上壳体承受的轴向拉载荷则包括附加热载荷和除耳座与该截面之间的壳体自重外的设备自重，其受力情况如图6。当换热器需要设置膨胀节时，说明壳体轴向应力、换热管轴向应力或换热管与管板之间的连接拉脱力三者之一已经不能满足强度条件。此时因热变形产生的轴向载荷应大于耳座上方的设备自重，即整个壳体均处于被拉伸状态。如果将膨胀节设置在耳座上方，其承受的轴向拉载荷仅为管束承受因热变形受阻而产生的轴向压载荷与该截面上方设备自重的差值，从而改良了膨胀节的受5 力状况。相反将膨胀节设置在耳座下方，其承受的轴向载荷将是管束承受因热变形受阻而产生的轴向压载荷与除耳座与该截面之间的壳体自重外的设备自重之和，使膨胀节受力情况更加恶劣，对于部分大型换热器，其自重即已接近膨胀节的补偿，从而严重降低设备稳定性，导致膨胀节在工作状态产生失稳。 2.3结论根据以上分析可知，将设备自重对膨胀节受力的影响作为其位置设置的依据是不合理的，在此条件下笼统的将膨胀节设置在耳座下方更是错误的。要使膨胀节位置设置合理，必须结合换热器壳体的受力情况来确定，同时还应考虑设备自身结构和相关工艺管线是否对其存在刚性支承等因素的影响。通常情况下，当壳体承受轴向热载荷拉应力时，将膨胀节设置在耳座上方更合理；反之，当壳体承受轴向热载荷压应力时，将膨胀节设置在耳座下方更为合理。 3.结语在换热器的设计中，膨胀节位置的确定受很多因素的影响，不能单一的从某一角度考虑，笼统的将其设置在耳座的上方或下方，应根据实际情况来确定。根据以上分析，笔者认为主要应遵从以下三方面的内容： a、当壳体承受轴向拉载荷时，应将膨胀节设置在耳座上方； b、当壳体承受轴向压载荷时，应将膨胀节设置在耳座下方； c、当换热器上存在刚性支承结构（如大接管）时，尽量不要把膨胀节设置在耳座和刚性约束结构之间。参考文献： [1]化工设备设计全书编辑委员会编.换热器设计.化学工业出版社.2003年.第168~215页 [2]化学工业部基础建设司、中国五环化学工程公司编.化工压力容器设计技术问答.《氮肥设计》编辑部出版. 1993年.第105~105页 [3]国家技术监督局发布.压力容器波形膨胀节.中国标准出版社.1997年作者简介：干斌,现在自贡鸿鹤化工股份有限公司工作。

上一篇：天然气转化炉换热器泄漏的判断及处理

下一篇：内展翅片换热器在空气除湿系统中的应用

立式换热器的膨胀节位置及其设置问题

相关资讯