銅管—管殼式換熱器的設計

 田永利

(山西省晉興創業有限公司,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的受力情況同鋼制管殼式換熱器中鋼管與管板連接時的受力情況的區別及鋼管—管殼式換熱器的特點出發,提出銅管—管殼式換熱器的設計方法。

    關鍵詞:銅管管板管殼式換熱器

    中圖分類號:TK172.4文獻標識碼:A

    文章編號:1672-1152(2006)01-0035-02

    換熱器在生產中應用很廣,它是實現傳熱過程的基本設備。它的類型很多,其中以管殼式換熱器應用最為廣泛。它具有單位體積傳熱面積大、傳熱效果好、結構簡單、制造材料范圍廣、操作彈性較大等優點。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熱性和塑性及黃銅對大氣、海水和氨以外的堿性溶液的耐蝕性高等優點,在電力、化工等行業應用較多,如電廠凝汽器和熱網加熱器等。然而,目前我國只有鋼制的管殼式換熱器設計標準GB 151-89《鋼制管殼式換熱器》,還沒有關于銅管換熱器的設計標準。下面就有關銅管換熱器設計過程中遇到的一些問題進行分析和討論。

    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度脹接、強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,焊接時存在下列問題:①熔點差別較大,當銅合金熔化時,鋼還處于與其熔點相差甚遠的溫度上;②收縮率相差懸殊,由于銅和鋼的線膨脹系數差別較大,使得銅—鋼過渡區產生相當大的熱應力;③導熱系數相差較大,造成兩者對熱功率要求的差別,并使熔合困難;④銅對氧的化學親和力很大,易產生夾渣和熱裂紋;⑤銅具有較強的吸氣能力,易產生氣孔。由于氫在銅合金焊接熔池中的溶解量極大,加之銅焊縫凝固結晶過程太快,極易形成擴散氣孔;另外氫和銅的氧化物反應生成水蒸氣,而形成反應氣孔;⑥近縫區滲透裂紋傾向大,在高溫下鋼與銅合金焊接處,液態銅合金會滲透到鋼中微觀裂口處,再與拉伸熱應力的共同作用下,產生滲透裂紋。它可單獨存在,也可沿晶界網狀分布。

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

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

    在設計銅管—管殼式換熱器時,銅管與管板之間的具體脹接結構,是參照GB 151-89《鋼制管殼式換熱器》中強度脹接結構進行設計的。

    2·管板的設計

    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,板上開孔裝設管束,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調作用。管板受力情況比較復雜,影響管板應力大小的主要因素有:①管束對管板的支承作用。管束對管板在外載荷作用下的撓度和轉角都有約束作用,管束的約束作用可以減小管板中的應力。如果管板的直徑與管子直徑相比足夠大,而管子數量又足夠多,則管子可簡化為均勻連續支撐管板的彈性基礎。②管孔對管板的削弱作用。由于管板上管孔的存在,不僅使管板的整體剛度和強度減小,而且在管孔邊緣還產生局部的應力集中。③管板的周邊固定形式。實際上,管板周邊有各種不同的固定結構,如周邊固定、周邊簡支和周邊半固定等,它們對管板強度有直接影響。④殼壁和管壁的溫度差。由于殼壁和管壁的溫度差而產生的溫差應力,不僅使管子和殼體的應力顯著增加,而且使管子的應力也有很大增加。另外,還有當管板作為法蘭使用時產生的法蘭彎矩以及折流板間距等等對管板強度也均有影響。

    由于上述影響管板強度的因素很多,要想精確地計算管板強度,既困難又復雜。目前,各國使用的管板強度計算公式均為在某種假定條件下的近似計算公式,概括起來主要有兩種:第一種是先將管板作為受均布載荷的實心園板,根據彈性理論計算園平板最大應力,然后再計入適當的修正系數,以考慮開孔對管板的影響。這種方法對管板作了很大簡化,對管束的支承作用考慮不夠,屬于半經驗公式。第二種是將管束視為彈性支承,而管板則作為彈性基礎上的園平板,然后根據載荷大小、管束剛度、周邊固定情況及孔的削弱影響來確定管板的最大彎曲應力。這種方法比較全面地考慮了管束的支承和溫差的影響,較接近實際情況,比較精確。我國GB 151-89和大多數國家都是以此法為依據進行管板設計的。在我國GB 151-89中基于第二種方法分別根據固定管板式、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的管板應力計算公式和校核公式。

    銅管—管殼式換熱器,除其換熱管材質為銅管外,其結構、受力模式和影響管板強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》規定它只適用于鋼制的管殼式換熱器,實際上在其管板推導過程中并未限制管子和管板的材質,所以說GB 151-89標準中管板的強度設計公式同樣適用于銅管—管殼式換熱器,設計時只需把與換熱管材質有關的值換為銅管材料相應的值即可。

    另外,需要說明的一點是銅管與管板連接的許用拉脫力[q]的取值。當管子與管板采用脹接時,管子端部產生塑性變形,管板孔產生彈性變形,因銅管與鋼管的屈服極限和彈性模數不同,脹管時它們的脹壓力和脹管后在管子與管板間產生的脹緊力也不同,即它們的許用拉脫力[q]的值亦應不同,一般銅管較軟,易發生塑性變形,銅管—管殼式換熱器的[q]值應比鋼制管殼式換熱器的[q]值大。但實際設計中,考慮它目前只是根據一些經驗確定的,還沒有一個較為合理的推導公式,我們近似的按GB 151-89中規定的許用拉脫力[q]的取值,這是比較保守的,偏于安全的。

     3·銅管的受壓失穩   銅管較軟,其穩定許用壓應力比鋼管小,易受壓失穩。在進行銅管—管殼式換熱器設計時,為避免銅管的受壓失穩,常采用一些減小折流板間距,即減小換熱管受壓失穩當量長度和在管板間增加剛性支撐等方法來提高銅管的穩定性。如:太原第一電廠設計的熱網加熱器,采用的是在兩管板間增加剛性支撐的結構;原蘇聯設計的熱網加熱器采用的是在管箱封頭上設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結構。

     4·結語   在銅管—管殼式換熱設計中,管子和管板的連接應采用脹接,管板的強度仍應按GB 151-89規定進行設計,同時要注意銅管的受壓失穩。最后,希望有關部門編制一套有關銅管換熱器的設計、制造標準,以滿足設計、制造的需要。

    參考文獻

    [1]GB151-89鋼制管殼式換熱器[S].北京:中國標準出版社,1989.1-2.(責任編輯:苗運平)