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波紋管換熱器設計標準介紹及相關問題的探討

點擊:2056 日期:[ 2014-04-26 22:14:03 ]
                            波紋管換熱器設計標準介紹及相關問題的探討                                    1.李志安  2.任克華  2.宿癡 (1.沈陽化工學院,遼寧沈陽 110142;2.沈陽市特種設備檢測研究院,遼寧沈陽 110031)     摘要:波紋管換熱器是一種高效管殼式換熱器,為推廣其應用范圍,對其進行強度和安全性研究十分必要。介紹了波紋管換熱器強度設計的方法和主要內容,對波紋管換熱器運行中出現的問題進行歸納總結,通過設計計算實例分析,說明波紋管換熱器設計和選用應注意的問題,以供波紋管換熱器設計、制造、安全監察和使用部門參考。     關鍵詞:波紋管;換熱器;設計問題     中圖分類號:TQ050 2;T-652 1  文獻標識碼:A  文章編號:1001-4837(2007)04-0061-04                                                                       1 概述     20世紀90年代初,我國開發研制出一種高效換熱組件———波紋換熱管。波紋換熱管是由波紋管和接頭兩部分組成,其結構尺寸如圖1所示。                       用波紋管代替光滑直管制成的波紋管換熱器,其傳熱效率可提高2~4倍,這種高效換熱器還具有不易結垢、溫差應力小等優點。然而,由于波紋管是由薄壁(壁厚為0 5~1 0mm)光滑管加工而成,成型后其應力狀態復雜化。其管束的強度和剛度都與光滑管有很大差別,致使這種換熱器的管束和管板的應力分析困難。由于管束和管板強度問題沒有解決,使得這種高效設備的應用范圍受到限制,同時也有安全隱患。為使這種高效節能產品能應用于石油、化工等更廣泛的工業領域,對波紋管換熱器進行強度研究,建立相應的設計標準是非常必要的。     這項工作于2002年納入國家鍋爐壓力容器標準化技術委員會項目,由沈陽化工學院和沈陽市特種設備檢測研究院(原沈陽市鍋檢所)等單位負責起草,將波紋管換熱器設計方法列為GB151《管殼式換熱器》[1]的附錄,并于2004年以名為“奧式體不銹鋼波紋管換熱器設計標準案例”[2](以下簡稱“標準案例”)正式頒布。     本文對標準案例的主要內容進行了介紹,針對波紋管換熱器十幾年運行中出現的問題進行總結、歸納分析,并通過設計實例分析,說明波紋管換熱器的設計和選用應注意的問題。     2 標準案例簡介     波紋管換熱器也是管殼式換熱器的一種,其總體設計、制造、檢驗是符合GB151中要求的,只是由于管束剛度變化,使得與其相關的受壓組件設計計算有所不同。標準案例以理論分析和試驗研究為基礎,本著安全可靠、經濟合理、技術先進三者統一的原則,規定了波紋管換熱器管束和管板的設計計算方法,以作為GB151的補充。     2 1 適用范圍     換熱器型式與GB151相同。設計壓力PN≤4 0MPa,考慮波紋換熱管是由薄壁管加工而成,成型的殘余應力較大,為避免應力腐蝕和疲勞破壞,其工作壓力不能太高。標準案例規定兩種換熱管公稱直徑,即波峰/波谷外徑為 32/25mm和 42/33mm,其管坯外徑為 25mm和 33mm,這是目前工程中通用的兩種規格。折流板間距根據工程實踐經驗而定,其最大間距尺寸大約為GB151中5 9 5 3條規定的最大間距的2/3,且不考慮流體誘導振動。     考慮波紋管成型和十幾年的實際使用情況,標準案例只適用于波紋管材料為奧氏體不銹鋼。     2 2 波紋換熱管設計     光滑管通過脹型成型為波紋管后,由于殘余應力和局部應力集中現象的存在,波紋管的承載能力遠低于相應的光管(即管坯)。相應波紋管的軸向剛度和穩定性也大大降低。標準案例第3條中給出了波紋管的許用內壓力、許用外壓力、軸向剛度和臨界壓力的計算公式,這些公式是根據試驗和理論分析整理而成。     2 2 1 波紋換熱管的許用內壓力     對于波紋管各部位的應力進行詳細計算,目前仍在研究之中。在內壓作用下的應力分布狀態已通過應力測試方法進行了大量的試驗測定,同時進行了爆破試驗,爆破壓力的實際值與相應管坯按中徑公式計算的理論值較為接近,且實測值大于理論值。                    2 2 2 波紋換熱管許用外壓力     管殼式換熱器中的管子同時承受管程和殼程的壓力,所以對于管子承受外壓的穩定性能也要考慮。波紋管多數呈波節形狀,即由一直段和球面波峰部分組成。直段部分剛性遠小于波峰部分,試驗也證明波紋管受外壓時直邊部分首先失穩。對整根波紋管來講可視為承受外壓的圓筒,波峰部分相當于剛性構件。這樣,管子承受外壓的計算長度就大大地減小了,標準案例中取單根管中最大波距作為計算長度是偏于安全的。根據工程實踐經驗和試驗研究,標準案例引用了GB150中第六章的外壓圓筒的設計計算方法。     根據L/d1和d1/δt直接利用GB150中第六章的外壓計算圖,查出A值和B值,便可得到波紋管許用外壓力,即:                    2 3 管板設計計算     到目前為止,大多數國家換熱器標準中關于管板強度計算,基本都是把管板作為承受均布載荷、放置在彈性基礎上且受管孔削弱的當量圓平板來考慮。GB151中的管板設計也是基于這種考慮。對于波紋管換熱器,相對于常規(光滑管)管殼式換熱器來講,最主要的差別就是換熱管的剛度問題。標準案例基于這種考慮,規定了與管子軸向剛度有關的參數引入波紋管剛度計算值,然后直接利用GB151中相應管板類型的計算公式進行波紋管換熱器管板的設計計算。                                   3 波紋管換熱器常見失效形式及其原因分析     (1)波紋換熱管波谷或波峰波谷過渡部位減薄開裂。波紋管換熱器運行中,波紋換熱管波谷及其附近部位減薄開裂,造成內部泄漏是其失效的主要形式。失效原因是在殼程折流板處波紋管的波谷與折流板管孔產生振動摩擦、磕碰,使波紋管壁減薄,以致開裂泄漏?,F在有些生產廠采用加厚折流板,使波紋管的波峰與管孔接觸,以保證管與孔間隙最小,防止振動摩擦;還有的在折流板處給波紋管加套。這些都是避免和降低這種波紋管失效形式的較好措施。     (2)波紋換熱管扁塌(周向失穩)。波紋管失穩發生周向扁塌,是波紋管換熱器另一失效形式。這主要是由于波紋管的壁厚較薄,一般在1mm以下,其自身抗外壓失穩的能力就很低。在換熱器的設計中,一般都不進行換熱管的承壓能力的校核和計算,所以,當殼程壓力達到和超過換熱管本身的臨界壓力時,管子就產生失穩扁塌。標準案例中規定了波紋換熱管許用外壓的計算方法。    (3)波紋換熱管軸向彎曲變形過大(軸向失穩)。產生這種失效形式是由管程壓力和溫差應力的作用所致。波紋管材料為奧氏體不銹鋼,其線膨脹系數比碳鋼大得多,在管程和殼程溫度相同時也能產生溫差應力,再有波紋管的軸向剛度很小,所以,當管程壓力較大或管壁溫度高于殼壁溫度時,都易發生波紋換熱管軸向彎曲變形過大的失效現象。標準案例中規定的折流板無支撐跨距比GB151中規定值小,就是考慮防止換熱管的軸向失穩。     (4)波紋換熱管腐蝕斷裂和整體脆化失效。這種失效形式主要是由于介質的腐蝕造成的。奧氏體不銹鋼最易產生晶間腐蝕,當波紋管換熱器用在含氯離子高和含硫化氫等介質時,就出現了波紋換熱管腐蝕斷裂。實際中已發現有的換熱管產生了整體脆化現象。     (5)波紋管與厚壁管接頭連接處開裂。波紋換熱管由波紋管和兩端接頭組成(如圖1所示),接頭處的環焊縫,由于焊接工藝和焊接技術水平的差異,焊縫質量難以保證,從而造成此處開裂。
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