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双管板换热器的设计和制造点击：2525 日期：[ 2014-04-26 21:35:55 ] |
| 双管板换热器的设计和制造 朱冬梅 (江苏省化工机械研究所有限责任公司,江苏南京 210024) 摘要:介绍了双管板换热器设计时的选材、管板的强度计算方法、结构设计和制造过程的胀接、水压试验等,指出了双管板换热器在设计计算和制造方面应注意的问题,供设计人员参考。 关键词:换热器;双管板;计算;结构;制造 中图分类号:TH12;TQ051 文献标识码:B 文章编号:1672-1616(2010)09-0071-03 在管壳式换热器中,换热管与管板的连接接头是分隔管、壳程介质的关键屏障,但却不能保证绝对不泄漏。即使制造过程中液压试验、气密性试验都合格,但由于操作过程中温度、压力和介质腐蚀的联合作用或操作不当,都有可能出现部分换热管连接接头的失效而造成设备内介质泄漏。这样的内泄漏会使管壳程之间的介质混合导致严重或灾难性事故,因此双管板换热器便应运而生[1]。 1·双管板换热器的设计 1.1 双管板换热器的型式 双管板换热器一般型式为:双管板固定管板换热器(如图1所示)、双管板U形管式换热器(如图2所示)。固定管板换热器在传热过程中,管内外介质的流动方向为逆流,传热系数较高。U形管式换热器在传热过程中,一半管束内介质的流动方向为逆流,另一半为顺流,因此其传热系数较低。但相比固定管板换热器,U形管式换热器由2块管板组成,减少了泄漏点。一般在换热面积较小、管束表面需经常清理或管程与壳程的温差较大时采用U形管式结构。 1.2 选材时的考虑 设计时应注意管板与换热管的材料必须有一定的硬度差,一般管板比换热管硬度高HB20~HB30。应采用强度级别较高的材料作管板(如16Mn锻件),强度级别较低的材料作换热管(如10#无缝钢管)。当选用的材料硬度相近时,可将管端进行退火处理,以降低换热管的硬度[2-3]。 1.3 壳程管板与管程管板之间间隙长度L的计算 由于双管板换热器的2块管板的操作温度不同,当2块管板的温度从常温升到操作温度时将产生不同的径向位移,它们作用在换热管上,引起弯曲应力和剪切应力,并会使管板与换热管的连接处产生泄漏。为了解决这个问题,可以在2块管板之间留有适当的间隙,让换热管产生挠曲,从而避免管板与换热管的连接处产生很大的应力而泄漏。管程管板与壳程管板之间间隙长度L的计算方法如下: 式中:L为壳程管板与管程管板之间的间隙长度,mm;E为材料弹性模量,MPa;d0为换热管外径,mm;σs为材料弹性极限,MPa;y为换热管挠度,mm;D为管孔直径,mm ;t0为安装温度,℃;tt为管程的设计温度,℃;ts为壳程的设计温度,℃;αt为管程管板在设计温度下的热膨胀系数,℃-1;αs为壳程管板在设计温度下的热膨胀系数,℃-1。为安全起见,L实际取值应按计算值再放大12%左右。一般情况下,L取值在200mm ~300mm。 1.4 管板的强度计算 由于双管板换热器壳程和管程之间有2块管板,由此形成了3个程,即壳程、管程和壳程管板与管程管板之间形成的聚液程。计算管板厚度时,应考虑3个程的工况,按不同工况进行计算。下面以双管板固定管板换热器为例,简述管板强度计算中的参数确定原则。 a.管程管板的设计参数。 计算中主要参数确定如下:设计压力和设计温度分别根据管程和聚液程的工况确定;换热管和壳程壁温以换热管和壳程或聚液程壳体之间的最大温差为计算依据;管板与换热管的连接,不论是采用强度焊加贴胀,还是采用强度焊加强度胀,亦或采用强度焊,计算时均按强度焊考虑;换热管的有效长度为管程管板间的长度。参数确定后,按GB151计算管程管板的厚度。 b.壳程管板的设计参数。 计算中主要参数确定如下:设计压力和设计温度分别根据壳程和聚液程的工况确定;换热管和壳程壁温根据管程和壳程的工况确定;管板与换热管的连接为强度胀;换热管的有效长度为壳程管板间的长度。参数确定后,按GB151计算壳程管板的厚度。 c .管板计算中应注意的事项。 管板计算中应注意:管板的形式不论是延长部分兼作法兰或是延长部分不兼作法兰的固定式管板,计算时均可以按延长部分兼作法兰的固定式管板进行计算,因为延长部分兼作法兰的固定式管板的受力情况比延长部分不兼作法兰的固定式管板更为苛刻。 因聚液程的长度较短,一般只有200mm~300mm,所以这段管束的刚度很大。校核时,经常出现管板周边不布管区无纲量宽度k大于1的情况,降低k值的方法只能增加聚液程长度和管板厚度。管板厚度对于k比较敏感,一般k大于1时,采用增加管板厚度的方法来降低k,使其小于或略大于1。一般壳程及管程的管板厚度取相同数值[3]。d.换热面积计算中应注意的事项。 双管板换热器的换热面积计算公式为: A = n×π×d0×l 式中:n为换热管数量;d0为换热管外径,m;l为两壳程管板内侧的间距,m。 由此可见,双管板换热器的换热面积对于换热管整体长度的利用率较低,设计时应予注意。 1.5 结构设计 a.双管板固定管板换热器用作冷却器或加热器时,壳程介质最好为水或水蒸汽,这样可以不设聚液壳同时也可以避免壳程水压试验后烘干的麻烦。 b.双管板U形管式换热器的两管板之间一般采用聚液壳彼此连接。聚液壳可以用来调整管板间距且保证两管板相互平行。同时聚液壳用来封闭相邻两管板之间泄漏出的气(液)体,防止有毒气(液)体的外溢。聚液壳最高和最低处需分别设置放空口和放净口,用于及时导出泄漏出的气(液)体。如果壳程与管程之间的温差很大,为了降低壳程与管程管板与换热管连接处的应力,应尽量降低短节的壁厚,必要时可增加一个膨胀节[1]。 c.壳程管板设计时,壳程管板壳体的焊接结构尽量采用GB151-1998附录G图G1(b)中的结构,要注意的是减小焊接变形,因为焊接变形会导致管孔与管板不垂直,使强度胀不能达到预期的效果。 2 双管板换热器的制造 2.1 管板加工 最好采用数控钻床加工管板孔,以保证管孔直径、垂直度及管口间距。钻孔时,切削和退刀速度应尽量慢,以保证管孔的表面粗糙度不低于Ra6·3,钻孔时还应留有0.1mm的铰孔余量。钻孔后对管板进行铰孔,以消除管孔上的纵向划痕,保证管口的表面粗糙度不低于Ra3.2。 铰孔完成后,按图样规定的管孔公差要求,用止规和通规对每块管板的管孔进行检测。应特别注意的是,对于有强度胀或贴胀要求的管板,管孔内不允许存在贯通的螺旋形或纵向条痕。 2.2 折流板加工 将管板与折流板电焊固定并做好方位标记,以管板孔作为导向,钻折流板管孔。为便于穿管,钻孔方向应与穿管方向保持一致。每块折流板正、反两面的管孔均要仔细倒角并清除毛刺,防止穿管时损伤换热管的外表面。 2.3 壳程管板与换热管的强度胀 a.壳程管板与换热管的强度胀应采用液压胀。液压胀可靠性好,换热管不易产生过胀,胀接的部位不产生窜动,换热管与管板的连接处在整个长度上应力分布较为均匀。 b.为了保证胀接质量,一般在胀管前应做胀接评定试验。 (1)首先制作模拟换热器,如图3所示。管板厚度t1,t2按产品实际管板厚度确定,管板尺寸按图3确定。壳程管板与管程管板之间的间隙长度L、管孔直径D、换热管外径d0、换热管壁厚t、管间距S均与产品一致。模拟换热器壳程筒体的厚度要能承受产品双管板换热器的壳程试验压力,试板的剖切位置可参照GB151-1999的附录B执行。以液压胀管为例,按照过去经验设定胀管机控制仪的液压值,再进行胀管。 (2)在穿孔前,先测量壳程管板的管孔直径、胀管前换热管外径、换热管内径di和换热管壁厚,按所要求的胀管率及实际测量的尺寸,再根据胀管率计算公式推算出胀管后换热管内径d的范围。对于材质为碳钢和不锈钢的换热管,强度胀管率KD应为10%~20%。胀管率计算公式为: (3)按照图3,先对管程管板进行强度焊,再对壳程管板按d值进行强度胀,在胀接时,记录下胀管器的胀接力数值N。 (4)按产品图样要求,对模拟换热器进行壳程水压试验及氨渗漏试验,检查是否有泄漏现象。如水压试验及氨渗漏试验合格,表明此胀接工艺能够满足被模拟的双管板换热器的强度胀接要求。 c.按胀接评定试验中取得的胀接力数值N,对壳程管板与换热管的连接接头进行强度胀。为防止漏胀,操作时应对胀接接头进行逐个标记。 2.4 水压试验和气密性试验 双管板换热器的压力试验要按规定的步骤进行。首先按设计图样要求的压力试验值进行壳程的水压试验,通过聚液腔的空间检查换热管与内侧壳程管板的连接质量。壳程水压试验合格后,组焊聚液腔的短节使之成为密闭的腔体。按设计图样要求的压力试验值对壳程进行气密性试验,并分别在聚液腔下方的2个排泄孔安装透明的U形管检验工装,在U形管内加水,保持一定的水平液位。若有试验气体微泄漏时,则U形管内的水平液位就会发生变化,以气密性试验时U形管内仍保持液位水平为合格。如设计图样要求需进行壳程氨渗漏试验,则在聚液腔的排泄孔采用试纸试漏,以试纸不变色为合格。然后再按设计图样要求对聚液腔进行气密性试验,检查管程管板与换热管接头的连接质量。最后对管程进行水压试验和气密性试验。 3·结束语 双管板换热器作为一种特殊的换热器结构,能很好地解决管程和壳程中的介质相互泄漏的问题,但前提是双管板换热器的制造质量要过关,特别是换热管的质量,必须保证换热管在使用中不出现管壁破裂的情况。 参考文献: [1]秦叔经,叶文邦.换热器[M].北京:化学工业出版社,2003:65-68. [2]彭 翔.双管板换热器的制造[J].石油化工设备,1998(5):46-47. [3]GB151-1999,钢制管壳式换热器[S]. |
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