銅管—管殼式換熱器的設(shè)計(jì)

 銅管—管殼式換熱器的設(shè)計(jì)

 田永利

(山西省晉興創(chuàng)業(yè)有限公司,山西太原030002)

    摘要:從銅管—管殼式換熱器中銅管與管板連接時(shí)的受力情況同鋼制管殼式換熱器中鋼管與管板連接時(shí)的受力情況的區(qū)別及鋼管—管殼式換熱器的特點(diǎn)出發(fā),提出銅管—管殼式換熱器的設(shè)計(jì)方法。

    關(guān)鍵詞:銅管管板管殼式換熱器

    中圖分類號(hào):TK172.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

    文章編號(hào):1672-1152(2006)01-0035-02

    換熱器在生產(chǎn)中應(yīng)用很廣,它是實(shí)現(xiàn)傳熱過(guò)程的基本設(shè)備。它的類型很多,其中以管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛。它具有單位體積傳熱面積大、傳熱效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造材料范圍廣、操作彈性較大等優(yōu)點(diǎn)。它的基本型式有固定管版式、U型管式、浮頭式和填料函式。

     銅管—管殼式換熱器作為管殼式換熱器,是因銅管具有良好的導(dǎo)熱性和塑性及黃銅對(duì)大氣、海水和氨以外的堿性溶液的耐蝕性高等優(yōu)點(diǎn),在電力、化工等行業(yè)應(yīng)用較多,如電廠凝汽器和熱網(wǎng)加熱器等。然而,目前我國(guó)只有鋼制的管殼式換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 151-89《鋼制管殼式換熱器》,還沒(méi)有關(guān)于銅管換熱器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。下面就有關(guān)銅管換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行分析和討論。

    1·銅管與管板的連接

    在鋼制管殼式換熱器中,換熱管與管板的連接主要有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接和脹焊并用三種型式。而在銅管—管殼式換熱器中,銅管與管板的連接,一般均采用脹接型式。其原因是:

    (1)銅合金與鋼的可焊性較差,焊接時(shí)存在下列問(wèn)題:①熔點(diǎn)差別較大,當(dāng)銅合金熔化時(shí),鋼還處于與其熔點(diǎn)相差甚遠(yuǎn)的溫度上;②收縮率相差懸殊,由于銅和鋼的線膨脹系數(shù)差別較大,使得銅—鋼過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生相當(dāng)大的熱應(yīng)力;③導(dǎo)熱系數(shù)相差較大,造成兩者對(duì)熱功率要求的差別,并使熔合困難;④銅對(duì)氧的化學(xué)親和力很大,易產(chǎn)生夾渣和熱裂紋;⑤銅具有較強(qiáng)的吸氣能力,易產(chǎn)生氣孔。由于氫在銅合金焊接熔池中的溶解量極大,加之銅焊縫凝固結(jié)晶過(guò)程太快,極易形成擴(kuò)散氣孔;另外氫和銅的氧化物反應(yīng)生成水蒸氣,而形成反應(yīng)氣孔;⑥近縫區(qū)滲透裂紋傾向大,在高溫下鋼與銅合金焊接處,液態(tài)銅合金會(huì)滲透到鋼中微觀裂口處,再與拉伸熱應(yīng)力的共同作用下,產(chǎn)生滲透裂紋。它可單獨(dú)存在,也可沿晶界網(wǎng)狀分布。

    (2)脹接是采用脹管器將伸入管板孔中的管子端部直徑擴(kuò)大,使管子產(chǎn)生一定的塑性變形,同時(shí)管板孔產(chǎn)生彈性變形對(duì)管子產(chǎn)生一定的回彈力來(lái)保證連接處的強(qiáng)度和嚴(yán)密性的方法。在銅管—管殼式換熱器中管板的硬度高,在脹接時(shí)管板不易產(chǎn)生塑性變形而影響脹接的強(qiáng)度和嚴(yán)密性,能保證脹接質(zhì)量。

    (3)換熱器管子與管板的脹接目前常使用電動(dòng)自動(dòng)控制式脹管器。這種脹管器可使管子與管板之間的脹緊度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,消除了由于欠脹造成滲漏或過(guò)脹而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力所引起的裂痕和管板的翹曲變形等弊病,脹接質(zhì)量和強(qiáng)度比較可靠。

    在設(shè)計(jì)銅管—管殼式換熱器時(shí),銅管與管板之間的具體脹接結(jié)構(gòu),是參照GB 151-89《鋼制管殼式換熱器》中強(qiáng)度脹接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

    2·管板的設(shè)計(jì)

    管板是換熱器的重要零件。管殼式換熱器管板一般為平管板,板上開(kāi)孔裝設(shè)管束,管板又與殼體相連(法蘭連接或焊接)。管板所受的載荷除管程和殼程壓力外,還承受管壁和殼壁溫差引起的變形和不協(xié)調(diào)作用。管板受力情況比較復(fù)雜,影響管板應(yīng)力大小的主要因素有:①管束對(duì)管板的支承作用。管束對(duì)管板在外載荷作用下的撓度和轉(zhuǎn)角都有約束作用,管束的約束作用可以減小管板中的應(yīng)力。如果管板的直徑與管子直徑相比足夠大,而管子數(shù)量又足夠多,則管子可簡(jiǎn)化為均勻連續(xù)支撐管板的彈性基礎(chǔ)。②管孔對(duì)管板的削弱作用。由于管板上管孔的存在,不僅使管板的整體剛度和強(qiáng)度減小,而且在管孔邊緣還產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中。③管板的周邊固定形式。實(shí)際上,管板周邊有各種不同的固定結(jié)構(gòu),如周邊固定、周邊簡(jiǎn)支和周邊半固定等,它們對(duì)管板強(qiáng)度有直接影響。④殼壁和管壁的溫度差。由于殼壁和管壁的溫度差而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力,不僅使管子和殼體的應(yīng)力顯著增加,而且使管子的應(yīng)力也有很大增加。另外,還有當(dāng)管板作為法蘭使用時(shí)產(chǎn)生的法蘭彎矩以及折流板間距等等對(duì)管板強(qiáng)度也均有影響。

    由于上述影響管板強(qiáng)度的因素很多,要想精確地計(jì)算管板強(qiáng)度,既困難又復(fù)雜。目前,各國(guó)使用的管板強(qiáng)度計(jì)算公式均為在某種假定條件下的近似計(jì)算公式,概括起來(lái)主要有兩種:第一種是先將管板作為受均布載荷的實(shí)心園板,根據(jù)彈性理論計(jì)算園平板最大應(yīng)力,然后再計(jì)入適當(dāng)?shù)男拚禂?shù),以考慮開(kāi)孔對(duì)管板的影響。這種方法對(duì)管板作了很大簡(jiǎn)化,對(duì)管束的支承作用考慮不夠,屬于半經(jīng)驗(yàn)公式。第二種是將管束視為彈性支承,而管板則作為彈性基礎(chǔ)上的園平板,然后根據(jù)載荷大小、管束剛度、周邊固定情況及孔的削弱影響來(lái)確定管板的最大彎曲應(yīng)力。這種方法比較全面地考慮了管束的支承和溫差的影響,較接近實(shí)際情況,比較精確。我國(guó)GB 151-89和大多數(shù)國(guó)家都是以此法為依據(jù)進(jìn)行管板設(shè)計(jì)的。在我國(guó)GB 151-89中基于第二種方法分別根據(jù)固定管板式、U型管式、浮頭式和填料函式換熱器的受力情況分別給出了相應(yīng)的管板應(yīng)力計(jì)算公式和校核公式。

    銅管—管殼式換熱器,除其換熱管材質(zhì)為銅管外,其結(jié)構(gòu)、受力模式和影響管板強(qiáng)度的主要因素均同一般管殼式換熱器一樣,雖然GB 151-89《鋼制管殼式換熱器》規(guī)定它只適用于鋼制的管殼式換熱器,實(shí)際上在其管板推導(dǎo)過(guò)程中并未限制管子和管板的材質(zhì),所以說(shuō)GB 151-89標(biāo)準(zhǔn)中管板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式同樣適用于銅管—管殼式換熱器,設(shè)計(jì)時(shí)只需把與換熱管材質(zhì)有關(guān)的值換為銅管材料相應(yīng)的值即可。

    另外,需要說(shuō)明的一點(diǎn)是銅管與管板連接的許用拉脫力[q]的取值。當(dāng)管子與管板采用脹接時(shí),管子端部產(chǎn)生塑性變形,管板孔產(chǎn)生彈性變形,因銅管與鋼管的屈服極限和彈性模數(shù)不同,脹管時(shí)它們的脹壓力和脹管后在管子與管板間產(chǎn)生的脹緊力也不同,即它們的許用拉脫力[q]的值亦應(yīng)不同,一般銅管較軟,易發(fā)生塑性變形,銅管—管殼式換熱器的[q]值應(yīng)比鋼制管殼式換熱器的[q]值大。但實(shí)際設(shè)計(jì)中,考慮它目前只是根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)確定的,還沒(méi)有一個(gè)較為合理的推導(dǎo)公式,我們近似的按GB 151-89中規(guī)定的許用拉脫力[q]的取值,這是比較保守的,偏于安全的。

     3·銅管的受壓失穩(wěn)   銅管較軟,其穩(wěn)定許用壓應(yīng)力比鋼管小,易受壓失穩(wěn)。在進(jìn)行銅管—管殼式換熱器設(shè)計(jì)時(shí),為避免銅管的受壓失穩(wěn),常采用一些減小折流板間距,即減小換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度和在管板間增加剛性支撐等方法來(lái)提高銅管的穩(wěn)定性。如:太原第一電廠設(shè)計(jì)的熱網(wǎng)加熱器,采用的是在兩管板間增加剛性支撐的結(jié)構(gòu);原蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的熱網(wǎng)加熱器采用的是在管箱封頭上設(shè)置拉桿與管板連接和在兩管板間增加剛性支承的雙重加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

     4·結(jié)語(yǔ)   在銅管—管殼式換熱設(shè)計(jì)中,管子和管板的連接應(yīng)采用脹接,管板的強(qiáng)度仍應(yīng)按GB 151-89規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)要注意銅管的受壓失穩(wěn)。最后,希望有關(guān)部門編制一套有關(guān)銅管換熱器的設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn),以滿足設(shè)計(jì)、制造的需要。

    參考文獻(xiàn)

    [1]GB151-89鋼制管殼式換熱器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1989.1-2.(責(zé)任編輯:苗運(yùn)平)