雙管板換熱器管板的設(shè)計(jì)與制造

雙管板換熱器管板的設(shè)計(jì)與制造

2結(jié)構(gòu)簡單的圖像3墊片連接結(jié)構(gòu)該換熱器是一種帶有四個(gè)管板的固體雙管換熱器。兩塊管程側(cè)管板(法蘭型式)與管箱法蘭采用螺柱、墊片連接結(jié)構(gòu)并連同管箱、換熱管組成管程,管程側(cè)管板與換熱管之間采用強(qiáng)度焊加貼賬的連接方式,適宜較苛刻的介質(zhì)。殼程側(cè)管板(非法蘭型式)與殼體采用焊接連接結(jié)構(gòu)組成殼程,殼程側(cè)管板與換熱管之間采用強(qiáng)度脹接。管、殼程管板之間又分別組成兩腔積液程,形成特殊的四腔結(jié)構(gòu)。4換熱管與管板材料硬度的要求壓力容器設(shè)計(jì)的首要問題就是選材,根據(jù)用戶提供的條件并充分考慮到介質(zhì)特性(主要是腐蝕性)、操作溫度和壓力等使用工況并結(jié)合材料的相容性及制造加工的工藝性能,確定殼程殼體、管程短節(jié)及封頭均選用0Cr17Ni12Mo2、管板選用0Cr17Ni12Mo2鍛件。管程側(cè)管板與換熱管間的連接采用強(qiáng)度焊加貼脹,此鍛件級(jí)別選定Ⅱ級(jí)。而殼程側(cè)管板與換熱管間的連接為強(qiáng)度脹接,對(duì)此管板的制造加工質(zhì)量要求較高,此鍛件級(jí)別選定Ⅲ級(jí)?？紤]到雙管板換熱器的脹接要求,換熱管材料的硬度值應(yīng)低于管板材料的硬度值HB20-30。理論上不銹鋼換熱管與不銹鋼管板的硬度值所差無幾,但通過不銹鋼換熱器制造過程中的實(shí)際硬度值測(cè)試經(jīng)驗(yàn),通過合理選材和材料的供貨狀態(tài)要求實(shí)現(xiàn)換熱管與管板的硬度差是可行的。在實(shí)際設(shè)計(jì)制造過程中也要通過嚴(yán)格控制管板管孔與換熱管的徑向間隙,采用“特殊緊配合”以彌補(bǔ)換熱管與管板材料無硬度差的欠缺。確定換熱管材質(zhì)選用00Cr17Ni14Mo2固溶狀態(tài),材料標(biāo)準(zhǔn)為GB13296-2007,并需在技術(shù)要求中明確換熱管HBW硬度試驗(yàn)要求。5結(jié)構(gòu)的確定5.1管板管接膨脹接脹接用戶給定布管間距為23.75,排列方式為轉(zhuǎn)角正三角形,理論孔橋?qū)挾葍H為4.75,脹接難度較大。根據(jù)我公司制造加工能力和雙管板換熱器的制造經(jīng)驗(yàn),管板與換熱管的脹接采用液袋柔性脹接,其脹接原理是通過不斷升高的液體壓力使換熱管向外擴(kuò)張,換熱管在液體壓力作用下產(chǎn)生彈性變形,然后產(chǎn)生塑性變形而被擠壓到管板孔壁上。隨著壓力的不斷增加,在換熱管與管板之間的接觸壓力作用下,管板首先產(chǎn)生彈性變形,然后產(chǎn)生塑性變形。如果管板孔橋?qū)挾冗^小,相鄰換熱管接頭脹管的塑性區(qū)域相互之間就會(huì)發(fā)生干涉而使接頭松動(dòng),降低換熱管接頭脹接。所以在滿足換熱器工藝計(jì)算的情況下,考慮到脹接因素,應(yīng)確定合理的布管間距,達(dá)到最佳的脹接效果。最后通過工藝設(shè)計(jì)計(jì)算,確定換熱管布管間距調(diào)整為25,管板孔橋理論寬度為6mm,保證換熱面積不變。5.2管板間距的計(jì)算兩管板間的距離主要考慮以下幾方面:1、固定雙管板換熱器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)管程管板與殼程管板的間距選取要適當(dāng),避免由于兩塊管板使用溫度不同產(chǎn)生位移,管板與換熱管的連接處產(chǎn)生過大的彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力而引起介質(zhì)泄漏。2、由于兩塊管板間的管束不能用于傳熱,過大的間距會(huì)浪費(fèi)管子的表面積。3、液壓脹管器的脹桿長度。4、兩塊管板間距能夠保證在管殼程壓力試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)時(shí),用于觀察檢漏的最小空間。根據(jù)文獻(xiàn)兩塊管板間的間距G值由下式計(jì)算:式中:d0——換熱管外徑,mm;E——換熱管彈性模量,MPa;Rel——換熱管的下屈服極限,MPa;△——換熱管的偏移,mm;式中:OTL——最外圈換熱管的外切圓直徑,mm;t——管程側(cè)管板溫度,℃;T——?dú)こ虃?cè)管板溫度,℃;at——管程側(cè)管板材料的線膨脹系數(shù),℃-1;as——?dú)こ虃?cè)管板材料的線膨脹系數(shù),℃-1;t0——制造環(huán)境溫度,℃;根據(jù)本換熱器的設(shè)計(jì)條件,查得換熱管、管板材料在設(shè)計(jì)條件下的物理性能和力學(xué)性能的相關(guān)數(shù)據(jù),按上述公式進(jìn)行計(jì)算所得殼程側(cè)管板和管程側(cè)管板的間距G值為93.8,確定殼程側(cè)管板與管程側(cè)管板的間隙為100mm。5.3網(wǎng)口及換熱器積液程設(shè)計(jì)雙管板間有連接式結(jié)構(gòu)和分離式結(jié)構(gòu)兩種形式。如果管程、殼程內(nèi)的介質(zhì)一旦泄露可直接排放,不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成危害的雙管板間可獨(dú)立分離不需封閉,相反情況雙管板之間需采用短節(jié)或膨脹節(jié)進(jìn)行連接。由于本換熱器管、殼程所走介質(zhì)均為中度危害、易燃易爆介質(zhì),一旦泄露需收集統(tǒng)一排放至安全處,所以本換熱器積液程設(shè)計(jì)為封閉結(jié)構(gòu)。正常操作中積液程屬常溫常壓工況,積液殼設(shè)計(jì)選用內(nèi)徑為殼程側(cè)管板外徑,厚度為5的HAF結(jié)構(gòu),并在管程側(cè)管板上方開設(shè)NPT1/4″的排氣孔,積液殼下方開設(shè)DN20的排液孔。6殼體及管箱法蘭雙管板換熱器的管箱殼體、封頭、殼程殼體、管箱法蘭及開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與普通固定管板式換熱器相同,關(guān)鍵是管程側(cè)管板和殼程側(cè)管板的強(qiáng)度計(jì)算。6.1管程有效長度計(jì)算不考慮兩端殼程側(cè)管板的支撐作用,將兩端積液程與殼程合并作為殼程,設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、殼程壁溫按殼程選取,管程按正常管箱設(shè)計(jì)條件確定,換熱管的有效長度按兩塊管程側(cè)管板之間的距離。根據(jù)殼程管程不同設(shè)計(jì)工況組合計(jì)算管程側(cè)管板厚度最大值為45mm;將積液程作為殼程,設(shè)計(jì)條件按常溫常壓工況,確定設(shè)計(jì)溫度50℃,設(shè)計(jì)壓力0.001MPa,殼程金屬壁溫按殼程選取,管程按正常管箱設(shè)計(jì)條件確定。根據(jù)管程1.0/FV兩種設(shè)計(jì)壓力與積液程的工況組合計(jì)算管程側(cè)管板厚度最大值為41mm。根據(jù)上述兩種計(jì)算結(jié)果,確定管程側(cè)管板設(shè)計(jì)厚度為45mm。6.2殼程、管板、管板厚度計(jì)算雖然殼程側(cè)管板與殼體間的連接方式為焊接連接,但考慮到固定管板兼作法蘭時(shí)的受力工況更為苛刻,所以殼程側(cè)管板按兼作法蘭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。將兩塊殼程側(cè)管板之間作為殼程,其設(shè)計(jì)條件按殼程設(shè)計(jì)條件,積液程與管箱合并作為管程,設(shè)計(jì)條件按管程設(shè)計(jì)條件,按管程、殼程不同設(shè)計(jì)工況組合,計(jì)算管板厚度最大值為45mm。將兩塊殼程管板之間作為殼程,設(shè)計(jì)條件按殼程設(shè)計(jì)條件,積液程作為管程,設(shè)計(jì)條件按常溫常壓工況,確定設(shè)計(jì)溫度50℃,設(shè)計(jì)壓力0.001MPa,換熱管金屬壁溫按管程選取,分別與殼程1.0/FV兩種設(shè)計(jì)壓力工況組合,計(jì)算管板厚度最大值為41mm。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,殼程側(cè)管板與換熱管為強(qiáng)度脹接結(jié)構(gòu),綜合加工制造工藝考慮確定殼程側(cè)管板設(shè)計(jì)厚度為50mm。7管板強(qiáng)度脹接的確定殼程側(cè)管板與換熱管的脹接接頭既要承受拉脫力又要保證密封性能,脹接質(zhì)量決定了雙管板結(jié)構(gòu)換熱器的整體質(zhì)量,因?yàn)榇颂幟浗咏宇^一旦發(fā)生泄露將無法彌補(bǔ),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確定管板合理的開槽深度和尺寸鏈,是為了讓換熱管與管板之間產(chǎn)生足夠的殘余接觸應(yīng)力從而保證脹接強(qiáng)度的最有效辦法。GB151管板強(qiáng)度脹接的開槽尺寸8-3-6-3mm是考慮較薄的管板開兩個(gè)槽確定的,當(dāng)管板厚度允許時(shí),這個(gè)尺寸是可以改變的。而且槽寬3mm適用于機(jī)械脹接,當(dāng)采用液壓脹接時(shí)必須加大槽的寬度。根據(jù)“壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”第105條推薦:槽寬=,開槽深度為0.5。式中:d—換熱管的直徑;t—換熱管壁厚。本換熱器換熱管規(guī)格為Φ19x2.11,計(jì)算脹接槽寬為7-8.2mm。強(qiáng)度脹接長度取管板厚度50-3mm與50mm兩者之間的較小值,即取47mm。管板開槽尺寸鏈確定為14-7.5-7-7.5-14mm,開槽深度為0.5mm。8