双管板换热器管板的设计与制造

双管板换热器管板的设计与制造

2结构简单的图像3垫片连接结构该换热器是一种带有四个管板的固体双管换热器。两块管程侧管板(法兰型式)与管箱法兰采用螺柱、垫片连接结构并连同管箱、换热管组成管程,管程侧管板与换热管之间采用强度焊加贴账的连接方式,适宜较苛刻的介质。壳程侧管板(非法兰型式)与壳体采用焊接连接结构组成壳程,壳程侧管板与换热管之间采用强度胀接。管、壳程管板之间又分别组成两腔积液程,形成特殊的四腔结构。4换热管与管板材料硬度的要求压力容器设计的首要问题就是选材,根据用户提供的条件并充分考虑到介质特性(主要是腐蚀性)、操作温度和压力等使用工况并结合材料的相容性及制造加工的工艺性能,确定壳程壳体、管程短节及封头均选用0Cr17Ni12Mo2、管板选用0Cr17Ni12Mo2锻件。管程侧管板与换热管间的连接采用强度焊加贴胀,此锻件级别选定Ⅱ级。而壳程侧管板与换热管间的连接为强度胀接,对此管板的制造加工质量要求较高,此锻件级别选定Ⅲ级。考虑到双管板换热器的胀接要求,换热管材料的硬度值应低于管板材料的硬度值HB20-30。理论上不锈钢换热管与不锈钢管板的硬度值所差无几,但通过不锈钢换热器制造过程中的实际硬度值测试经验,通过合理选材和材料的供货状态要求实现换热管与管板的硬度差是可行的。在实际设计制造过程中也要通过严格控制管板管孔与换热管的径向间隙,采用“特殊紧配合”以弥补换热管与管板材料无硬度差的欠缺。确定换热管材质选用00Cr17Ni14Mo2固溶状态,材料标准为GB13296-2007,并需在技术要求中明确换热管HBW硬度试验要求。5结构的确定5.1管板管接膨胀接胀接用户给定布管间距为23.75,排列方式为转角正三角形,理论孔桥宽度仅为4.75,胀接难度较大。根据我公司制造加工能力和双管板换热器的制造经验,管板与换热管的胀接采用液袋柔性胀接,其胀接原理是通过不断升高的液体压力使换热管向外扩张,换热管在液体压力作用下产生弹性变形,然后产生塑性变形而被挤压到管板孔壁上。随着压力的不断增加,在换热管与管板之间的接触压力作用下,管板首先产生弹性变形,然后产生塑性变形。如果管板孔桥宽度过小,相邻换热管接头胀管的塑性区域相互之间就会发生干涉而使接头松动,降低换热管接头胀接。所以在满足换热器工艺计算的情况下,考虑到胀接因素,应确定合理的布管间距,达到最佳的胀接效果。最后通过工艺设计计算,确定换热管布管间距调整为25,管板孔桥理论宽度为6mm,保证换热面积不变。5.2管板间距的计算两管板间的距离主要考虑以下几方面:1、固定双管板换热器的结构复杂,在结构设计时管程管板与壳程管板的间距选取要适当,避免由于两块管板使用温度不同产生位移,管板与换热管的连接处产生过大的弯曲应力和热应力而引起介质泄漏。2、由于两块管板间的管束不能用于传热,过大的间距会浪费管子的表面积。3、液压胀管器的胀杆长度。4、两块管板间距能够保证在管壳程压力试验和气密性试验时,用于观察检漏的最小空间。根据文献两块管板间的间距G值由下式计算:式中:d0——换热管外径,mm;E——换热管弹性模量,MPa;Rel——换热管的下屈服极限,MPa;△——换热管的偏移,mm;式中:OTL——最外圈换热管的外切圆直径,mm;t——管程侧管板温度,℃;T——壳程侧管板温度,℃;at——管程侧管板材料的线膨胀系数,℃-1;as——壳程侧管板材料的线膨胀系数,℃-1;t0——制造环境温度,℃;根据本换热器的设计条件,查得换热管、管板材料在设计条件下的物理性能和力学性能的相关数据,按上述公式进行计算所得壳程侧管板和管程侧管板的间距G值为93.8,确定壳程侧管板与管程侧管板的间隙为100mm。5.3网口及换热器积液程设计双管板间有连接式结构和分离式结构两种形式。如果管程、壳程内的介质一旦泄露可直接排放,不会对周围环境造成危害的双管板间可独立分离不需封闭,相反情况双管板之间需采用短节或膨胀节进行连接。由于本换热器管、壳程所走介质均为中度危害、易燃易爆介质,一旦泄露需收集统一排放至安全处,所以本换热器积液程设计为封闭结构。正常操作中积液程属常温常压工况,积液壳设计选用内径为壳程侧管板外径,厚度为5的HAF结构,并在管程侧管板上方开设NPT1/4″的排气孔,积液壳下方开设DN20的排液孔。6壳体及管箱法兰双管板换热器的管箱壳体、封头、壳程壳体、管箱法兰及开孔补强的设计计算与普通固定管板式换热器相同,关键是管程侧管板和壳程侧管板的强度计算。6.1管程有效长度计算不考虑两端壳程侧管板的支撑作用,将两端积液程与壳程合并作为壳程,设计压力、设计温度、壳程壁温按壳程选取,管程按正常管箱设计条件确定,换热管的有效长度按两块管程侧管板之间的距离。根据壳程管程不同设计工况组合计算管程侧管板厚度最大值为45mm;将积液程作为壳程,设计条件按常温常压工况,确定设计温度50℃,设计压力0.001MPa,壳程金属壁温按壳程选取,管程按正常管箱设计条件确定。根据管程1.0/FV两种设计压力与积液程的工况组合计算管程侧管板厚度最大值为41mm。根据上述两种计算结果,确定管程侧管板设计厚度为45mm。6.2壳程、管板、管板厚度计算虽然壳程侧管板与壳体间的连接方式为焊接连接,但考虑到固定管板兼作法兰时的受力工况更为苛刻,所以壳程侧管板按兼作法兰的结构进行设计计算。将两块壳程侧管板之间作为壳程,其设计条件按壳程设计条件,积液程与管箱合并作为管程,设计条件按管程设计条件,按管程、壳程不同设计工况组合,计算管板厚度最大值为45mm。将两块壳程管板之间作为壳程,设计条件按壳程设计条件,积液程作为管程,设计条件按常温常压工况,确定设计温度50℃,设计压力0.001MPa,换热管金属壁温按管程选取,分别与壳程1.0/FV两种设计压力工况组合,计算管板厚度最大值为41mm。根据上述计算结果,壳程侧管板与换热管为强度胀接结构,综合加工制造工艺考虑确定壳程侧管板设计厚度为50mm。7管板强度胀接的确定壳程侧管板与换热管的胀接接头既要承受拉脱力又要保证密封性能,胀接质量决定了双管板结构换热器的整体质量,因为此处胀接接头一旦发生泄露将无法弥补,结构设计时确定管板合理的开槽深度和尺寸链,是为了让换热管与管板之间产生足够的残余接触应力从而保证胀接强度的最有效办法。GB151管板强度胀接的开槽尺寸8-3-6-3mm是考虑较薄的管板开两个槽确定的,当管板厚度允许时,这个尺寸是可以改变的。而且槽宽3mm适用于机械胀接,当采用液压胀接时必须加大槽的宽度。根据“压力容器安全技术监察规程”第105条推荐:槽宽=,开槽深度为0.5。式中:d—换热管的直径;t—换热管壁厚。本换热器换热管规格为Φ19x2.11,计算胀接槽宽为7-8.2mm。强度胀接长度取管板厚度50-3mm与50mm两者之间的较小值,即取47mm。管板开槽尺寸链确定为14-7.5-7-7.5-14mm,开槽深度为0.5mm。8