知识城邦丨换热器中常用元件的选材及设计

时间：2020-04-06  编辑：

导读

膨胀节是固定管板换热器中重要的挠性补偿元件。膨胀节可以避免壳体和换热管拉伸破坏，换热管失稳，换热管从管板上拉脱等问题，不仅可以降低壳体与换热管的轴向载荷，且可降低热膨胀差所引起的管板应力，从而适当地减薄管板厚度。因此，膨胀节在壳体和换热管之间的连接起着重要作用。下面小七带你了解一下固定管板换热器中膨胀节的选材及设计依据。

 

膨胀节在固定管板换热器中的位置如图所示：

 

固定管板换热器结构示意图

 

膨胀节形式

 

 

膨胀节的形式较多，按截面的形状，有U 型、Ω形，S 型等，在固定管板式换热器中，采用最多也最普遍的是U 形波形膨胀节，如下图所示。

 

U形波形膨胀节结构示意图

 

设置膨胀节的条件

 

➽ 在进行固定管板换热器的管板计算时，按有温差的各种工况计算出的壳体轴向应力σc，换热管的轴向应力σt，换热管与管板之间的拉应力q 中有一个不能满足强度（或稳定）条件时，就需要考虑设置膨胀节。

 

➽ 在管板强度校核计算时，可能需要很厚的管板，此时可考虑设膨胀节以减薄管板，但要从材料情况，制造难度，经济合理综合评估而定。

 

膨胀节的波数

 

在固定管板换热器的工程设计中，常采用单波膨胀节，当要求补偿能力较大时，可采用双波或多波膨胀节（最多可同时设置6 个波），如下图所示。

 

 

当由于所需轴向补偿量很大时，可以增加膨胀节的波数（最多可同时设置6 个波）。此外，为减小膨胀节的设置数量而又能保证满足较大补偿量的要求，可在室温状态下安装时对膨胀节采取预拉或预压措施。

 

如在工作状态下膨胀节为轴向拉伸，则在安装时对其进行预压缩，反之预拉伸，使其在工作状态时由安装时的预变形值进行回弹而减少膨胀节在工作时轴向位移量e 过大而引起较大的应力。

 

波形膨胀节的成形方法与热处理

 

 

压力容器用膨胀节波纹管的成形方法

 

 整体成形方法：

 

(a) 液压成形，包括多波一次成形和半波连续成形；

 

(b) 机械成形，包括胀接、液压和旋压成形。

 

半波成形组焊方法：

 

此方法系采用板料分瓣拼焊，半波整体冲压成形，然后采用两个半波件焊接而成。如GB16749中的HF 型和HZ 型的半层波纹管。

 

热处理

 

(a) 冷作成形的碳素钢、低合金钢膨胀节需进行消除冷作残余应力热处理。

 

(b) 奥氏体不锈钢膨胀节冷成形后不做热处理。热成形的不锈钢膨胀节应进行固溶化处理。

 

压力容器波形膨胀节类型

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压力容器波形膨胀节主要有ZD 型、ZX 型膨胀节，HF 型膨胀节和HZ 型膨胀节，它们结构图如下：

 

 

 

(a) ZD 型膨胀节系大波高（h），大波距（W），厚壁的单层膨胀节，其h/w＝ 0.5～1.0。这种膨胀节在换热器设计中最常采用的一种型式。

 

(b) ZX 型膨胀节系小波高，单层或多层的薄壁膨胀节，共h/w＝0.8～1.2。

 

(c) ZD 型、ZX 型膨胀节采用整体方法成形，此时波形管毛坯用钢板卷制，不得有环焊缝。见图a）

 

(d) HF 型膨胀节的波纹管型式与ZD 型、ZX 型一样，都是U 形波纹管，其不同之处是成形方法，ZD、ZX 型采用整体成形，波峰处无环焊缝。HF 型是采用半波整体冲压后，两半波焊接而成，即波峰处有环焊缝。见图b）。

 

(e) HZ 型膨胀节的成形方法与HF 相同，但其膨胀节是由带直边两半波焊接而成，即膨胀节是凸缘形，见图c）。

 

附：GB 16749《压力容器波形膨胀节》的标准膨胀节型式代号见表1 、规格系列见表2。

 

表1 膨胀节型式代号

表2 标准膨胀节型式规格

 

波形膨胀节的材料选用

 

 

(a) 在静载荷作用或是循环次数很少的载荷作用下，且没有特殊的耐腐蚀要求的一般工况，可采用碳钢、低合金钢作为膨胀节的材料。

 

但是如果其腐蚀裕量（C₂）较大时，将增加碳钢或低合金钢膨胀节的厚度，而使其抗拉（或抗压）的刚度K 值增大，其轴向补偿能力减小，因此，GB 16749 标准提到当腐蚀裕量C₂＞1mm 时，一般不采用碳钢或低合金钢制膨胀节，宜采用奥氏体不锈钢制的膨胀节。

 

(b) 当符合下面情况时，宜采用奥氏体不锈钢制的膨胀节：

 

➽ 壳程壳体腐蚀裕量C₂＞1mm；

 

➽ 循环次数较多的载荷作用；

 

➽ 低温或高温工况。

 

因此，奥氏体不锈钢在一般工况下，具有优良的耐腐蚀性，是常用的膨胀节材料。

 

(c) 但当工作介质中含有一定的氯化物，硫化氢，酸，碱等或工作温度超出奥氏体不锈钢使用温度时，应选用耐蚀合金或高温合金来制造膨胀节。如Incoloy 800、825 和Inconel 600、625。我国相应牌号为GB/T 15010 中的NS111，NS142 和NS312,NS336。

 

附: 中国和部分国家常用钢材钢号近似对照表

 

表3 钢管钢号

续表3 钢管钢号

表4 锻件

续表4 锻件

 

膨胀节与容器壳体的连接结构

 

 

波形膨胀节与容器壳体的连接，一律采用全焊透的对接焊,在日本JIS B 8277—2003《压力容器的膨胀节》标准中给出了波形膨胀节与容器壳体的不同连接结构，共有5类，如下图所示。

 

 

 

 

 

 

设计者可根据设计的实际选取相应的结构。当圆筒体厚度与膨胀节厚度之差大于3mm 时，应在壳体一侧按1∶3 的斜度削薄过渡。

 

不知道听完这期小七给你介绍的换热器中膨胀节的内容，你有收获吗？当然，小七能力有限，文中不免出现纰漏，欢迎各位七友留言讨论。

 

接下来，我们换热器技术众筹团队会对换热器中的每个知识点进行梳理，小七的能力是有限的，希望广大七友积极参与，贡献自己的力量，让知识产生价值，我们相约换热器技术众筹团队。