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波纹管换热器设计标准

  摘要:波纹管换热器是一种高效管壳式换热器,为推广其应用范围,对其进行强度和安全性研究十分必要。介绍了波纹管换热器强度设计的方法和主要内容,对波纹管换热器运行中出现的问题进行归纳总结,通过设计计算实例分析,说明波纹管换热器设计和选用应注意的问题,以供波纹管换热器设计、制造、安全监察和使用部门参考。

  1、概述

  20世纪90年代初,我国开发研制出一种高效换热组件——波纹换热管。波纹换热管是由波纹管和接头两部分组成。

  用波纹管代替光滑直管制成的波纹管换热器,其传热效率可提高2~4倍,这种高效换热器还具有不易结垢、温差应力小等优点。然而,由于波纹管是由薄壁(壁厚为05~10mm)光滑管加工而成,成型后其应力状态复杂化。其管束的强度和刚度都与光滑管有很大差别,致使这种换热器的管束和管板的应力分析困难。由于管束和管板强度问题没有解决,使得这种高效设备的应用范围受到限制,同时也有安全隐患。为使这种高效节能产品能应用于石油、化工等更广泛的工业领域,对波纹管换热器进行强度研究,建立相应的设计标准是非常必要的。

  这项工作于2002年纳入锅炉压力容器标准化技术委员会项目,由沈阳化工学院和沈阳市特种设备检测研究院(原沈阳市锅检所)等单位负责起草,将波纹管换热器设计方法列为GB151《管壳式换热器》的附录,(螺旋板换热器)并于2004年以名为“奥式体不锈钢波纹管换热器设计标准案例”(以下简称“标准案例”)正式颁布。

  本文对标准案例的主要内容进行了介绍,针对波纹管换热器十几年运行中出现的问题进行总结、归纳分析,并通过设计实例分析,说明波纹管换热器的设计和选用应注意的问题。

  2、标准案例简介

  波纹管换热器也是管壳式换热器的一种,其总体设计、制造、检验是符合GB151中要求的,只是由于管束刚度变化,使得与其相关的受压组件设计计算有所不同。标准案例以理论分析和试验研究为基础,本着安全可靠、经济合理、技术先进三者的原则,规定了波纹管换热器管束和管板的设计计算方法,以作为GB151的补充。

  2-1 适用范围

  换热器型式与GB151相同。设计压力PN≤40MPa,考虑波纹换热管是由薄壁管加工而成,成型的残余应力较大,为避免应力腐蚀和疲劳破坏,其工作压力不能太高。标准案例规定两种换热管公称直径,即波峰/波谷外径为32/25mm和42/33mm,其管坯外径为25mm和33mm,这是目前工程中通用的两种规格。折流板间距根据工程实践经验而定,其超大间距尺寸大约为GB151中5953条规定的超大间距的2/3,且不考虑流体诱导振动。

  考虑波纹管成型和十几年的实际使用情况,标准案例只适用于波纹管材料为奥氏体不锈钢。

  2-2 波纹换热管设计

  光滑管通过胀型成型为波纹管后,由于残余应力和局部应力集中现象的存在,波纹管的承载能力远低于相应的光管(即管坯)。相应波纹管的轴向刚度和稳定性也大大降低。标准案例第3条中给出了波纹管的许用内压力、许用外压力、轴向刚度和临界压力的计算公式,这些公式是根据试验和理论分析整理而成。

  2-2-1 波纹换热管的许用内压力

  对于波纹管各部位的应力进行详细计算,目前仍在研究之中。在内压作用下的应力分布状态已通过应力测试方法进行了大量的试验测定,同时进行了爆破试验,爆破压力的实际值与相应管坯按中径公式计算的理论值较为接近,且实测值大于理论值。

  2-2-2 波纹换热管许用外压力

  管壳式换热器中的管子同时承受管程和壳程的压力,所以对于管子承受外压的稳定性能也要考虑。波纹管多数呈波节形状,即由一直段和球面波峰部分组成。直段部分刚性远小于波峰部分,试验也证明波纹管受外压时直边部分首先失稳。对整根波纹管来讲可视为承受外压的圆筒,波峰部分相当于刚性构件。这样,管子承受外压的计算长度就大大地减小了,标准案例中取单根管中超大波距作为计算长度是偏于安全的。根据工程实践经验和试验研究,标准案例引用了GB150中第六章的外压圆筒的设计计算方法。

  根据L/d1和d1/δt直接利用GB150中第六章的外压计算图,查出A值和B值,便可得到波纹管许用外压力,即:

  2-3管板设计计算

  到目前为止,大多数换热器标准中关于管板强度计算,基本都是把管板作为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔削弱的当量圆平板来考虑。GB151中的管板设计也是基于这种考虑。对于波纹管换热器,相对于常规(光滑管)管壳式换热器来讲,超主要的差别就是换热管的刚度问题。标准案例基于这种考虑,规定了与管子轴向刚度有关的参数引入波纹管刚度计算值,然后直接利用GB151中相应管板类型的计算公式进行波纹管换热器管板的设计计算。

  3、波纹管换热器常见失效形式及其原因分析

  (1)波纹换热管波谷或波峰波谷过渡部位减薄开裂。波纹管换热器运行中,波纹换热管波谷及其附近部位减薄开裂,造成内部泄漏是其失效的主要形式。失效原因是在壳程折流板处波纹管的波谷与折流板管孔产生振动摩擦、磕碰,使波纹管壁减薄,以致开裂泄漏。现在有些生产厂采用加厚折流板,使波纹管的波峰与管孔接触,以保证管与孔间隙超小,防止振动摩擦;还有的在折流板处给波纹管加套。这些都是避免和降低这种波纹管失效形式的较好措施。

  (2)波纹换热管扁塌(周向失稳)。波纹管失稳发生周向扁塌,是波纹管换热器另一失效形式。这主要是由于波纹管的壁厚较薄,一般在1mm以下,其自身抗外压失稳的能力就很低。在换热器的设计中,一般都不进行换热管的承压能力的校核和计算,所以,当壳程压力达到和超过换热管本身的临界压力时,管子就产生失稳扁塌。标准案例中规定了波纹换热管许用外压的计算方法。

  (3)波纹换热管轴向弯曲变形过大(轴向失稳)。产生这种失效形式是由管程压力和温差应力的作用所致。波纹管材料为奥氏体不锈钢,其线膨胀系数比碳钢大得多,在管程和壳程温度相同时也能产生温差应力,再有波纹管的轴向刚度很小,所以,当管程压力较大或管壁温度高于壳壁温度时,都易发生波纹换热管轴向弯曲变形过大的失效现象。标准案例中规定的折流板无支撑跨距比GB151中规定值小,就是考虑防止换热管的轴向失稳。

  (4)波纹换热管腐蚀断裂和整体脆化失效。这种失效形式主要是由于介质的腐蚀造成的。奥氏体不锈钢超易产生晶间腐蚀,当波纹管换热器用在含氯离子高和含硫化氢等介质时,就出现了波纹换热管腐蚀断裂。实际中已发现有的换热管产生了整体脆化现象。

  (5)波纹管与厚壁管接头连接处开裂。波纹换热管由波纹管和两端接头组成,接头处的环焊缝,由于焊接工艺和焊接技术水平的差异,焊缝质量难以保证,从而造成此处开裂。