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预应力换热器的特点及其制造新方法

晨怡热管 ( 四川理工学院 机电工程系, 自贡 643000) 王维慧 胡光忠 曾 涛 2009-11-3 1:11:51

【摘要】预应力换热器是根据预应力理论, 在制造换热器的过程中引入与温差应力相反的内应力, 它是对传统换热器进行新技术改造, 提高产品可靠性、降低事故发生率的新型传热设备。本文分析了预应力换热器的特点, 结合目前的制造方法, 提出了预应力换热器制造的新方法, 并对其作了详细论述。该方法操作方便, 易于控制, 具有较高的工程应用价值。
     关键词: 预应力; 固定管板式换热器; 制造方法; 自净化
     中图分类号: TH122 文献标识码: A
     为解决固定管板式换热器的温差应力, 传统的常用方法是在壳体上增加弹性膨胀节或采用浮头式、填料函式及 U 型管式换热器结构, 这些结构的改进在消除温差应力方面有着极其重要的作用, 但是由于结构复杂, 存在可能发生泄露、结构不紧凑等缺点, 从而降低了换热器的稳定性。
    1 预应力换热器及其特点
     预应力换热器是根据预应力理论, 在制造换热器的过程中引入与温差应力相反的内应力, 使换热器在工作状态时温差应力部分抵消或完全抵消, 从而改善换热器在工作状态的应力状况。即预应力管壳式换热器是针对各行各业, 尤其是食品、轻工、石油、化工、能源、环保装置中广泛使用的热交换设备普遍产生的管子与管板连接区破坏及其相关破坏提出的, 对传统换热器产品进行新技术改造, 提高产品可靠性、降低事故发生率的新型传热设备。以管壳式换热器中应用最广的固定管板换热器为例,预应力形式与常规形式相比, 至少具有以下优点:
       ( 1) 达到同样的运行条件, 可以减小主体构件如管板、壳体的厚度( 这对于采用昂贵材料制造的换热器具有很大的意义) 。
       ( 2) 由于预应力换热器工作时约束缓解, 大大减少了高事故率的管板与管子结合区的破坏现象, 从而提高了运行的安全性和可靠性; 由于操作时约束缓解, 管板与管子连接区的局部应力和总体应力均降低, 对于具有应力腐蚀或腐蚀疲劳可能的特定介质, 无疑是去掉了产生腐蚀的条件之一, 因此对防止应力腐蚀和腐蚀疲劳具有重大作用; 由于约束的缓解, 管子和壳体上承受的温差轴向力大大降低, 从而可以去掉常规换热器为补偿过大的温差轴向应力而设置的膨胀节, 突破了大温差下壳程无法承受高压( 主要因膨胀节的承压能力低) 的限制条件。
     ( 3) 由于降低了管壳轴向力, 从而使得管束的轴向力失稳破坏大大减少。
     ( 4) 由于预应力换热器的管束在操作与停车状态的伸长量不同, 容易造成管束运行期间所沉积的污垢( 通常是脆性的) 自行破裂和脱落, 因此具有自净化作用( 这对于壳程清洗十分困难的固定管板换热器具有重大意义) 。由于自净化的特点, 可以达到暴露新鲜传热表面的目的, 一方面, 使得传热效率大大提高,降低了温差应力和管子与管板连接区的峰值应力, 为防止破裂、疲劳破坏起到很大的作用; 另一方面, 使得换热器的管束清洗变得十分容易, 大大缩短了检修时间、减少了检修工作量。
    2 预应力换热器制造方法及应用状况
    目前在国内的预应力换热器的制造过程中, 主要有两种方法即模拟工况法和机械加载或电加热法。
     模拟工况法, 制造技术专利通过在管内通入传热介质形成温差的方法造成管子产生预变形, 并进行焊接施工, 保留预变形, 这种方法的局限性在于: 1) 整个制造设备成本高, 很不经济,能提供的工艺条件有限; 2) 只能在换热管管内外生成一个温度差, 没有考虑压差和材料的膨胀系数不同而产生的膨胀差, 同时无法准确计算评价由此产生的预应力效果, 也无法进行相应的预应力设计预测, 只能做事后的测量, 因而随意性很大。
     机械加载方法, 该方法是将管板和换热管二者之一或二者同时在预变形之后( 管板弯曲变形) 和其余组件通过焊接连接起来, 其制造方法是对管板采用机械或液压方式及对换热管采用电加热方法加载, 图 1、图 2 分别为机械加载、电加热和机械加载联合示意图。该方法的不足在于变形量的计算和控制较为困难。
                 
     由于换热器结构较为复杂, 约束条件多, 预应力换热器的制造受预应力的计算和制造工艺的制约, 当前工程应用很少。
    3 预应力换热器制造的新方法
     提出一种新的预应力换热器制造方法, 即首先按照常规的管壳式固定管板换热器生产工艺方法将管束组焊好后, 壳体预留一条环焊缝, 用机械或液压方式拉伸或压缩( 根据温差和压差确定) 管束, 控制所加载荷, 达到预定值后焊接环焊缝。
    由于计算机技术的发展, 仿真分析技术的准确性和可靠性得到了极大的提高。本制造方法的预应力大小值可通过有限元仿真分析计算得出。此计算方法的优点系统地考虑了温差、压差以及各种约束条件, 比较准确。
     此制造方法不仅系统地考虑了温差、压差以及各种约束条件, 而且直接控制预应力大小, 方便制造, 易于控制。它可以在保持加载状态下对环焊缝进行局部热处理, 降低因焊缝冷却收缩降低或增加预应力大小。此方法尤其适用于单壳程与单管程的固定管板式换热器。
     图 3 为预应力加载前示意图, 具体的制造工艺是: 首先将管束组件( 1.管板; 2.折流板; 3.换热管; 5.拉杆、定距管; 8.管板)组焊后, 壳体中间预留环焊缝 4, 然后壳体两端与管板焊接。图 4为带法兰管板预应力加载后焊接环焊缝示意图, 即固定一端管板, 逐渐拉伸( 或压缩) 另一端管板, 当拉伸力和压缩力达到预定值时, 焊接预留环焊缝, 焊完后, 保持外加载荷大小不变, 对焊后的环焊缝 4 进行局部热处理, 再撤除外力。此时壳体内, 在没有工作状态下, 储存了一个与工作。
            
     状态下相反的预应力。图 5 为不带法兰管板( 或管板不能直接拉伸) 预应力加载后焊接环焊缝示意图, 增加两个剖分的加载环 8 作为加载零件, 即固定一端加载环, 通过拉伸( 压缩不需要加载环) 另一端加载环实现对管束拉伸。
            
    4 结论
    通过施加预应力可以大大改善换热器的受力状态, 同时并不会对主要受压元件产生不利影响, 保留了普通换热器的结构形式, 使得换热器的可靠性大为提高, 寿命得到延长。本文结合计算机技术和当前的制造方法, 提出的制造方法简便实用, 必将获得广泛的应用。但该方法在应用中还存在以下问题需要进一步研究和完善:
     ( 1) 计算预应力大小值的研究, 尽管计算机有限元仿真方法准确可靠, 但它的可靠性是建立在准确的确立各种约束条件之上, 这对当前换热器制造装配精度普遍较低是一个挑战。
     ( 2) 本方法的载荷实质上是通过管板承载。从理论上讲, 载荷在整个管板上均布或者沿法兰环均布最理想, 但实际上几乎不可能。一般是通过几个加载点来近似实现, 所以需要研究加载点的分布( 与管板刚度密切相关) 以及如何控制各点力的一致性。
    ( 3) 在制造过程中, 壳体失稳和管子拉脱等问题需要进一步研究。
    ( 4) 预应力的补偿问题。预应力损失主要由端部壳体受热影响区的温度变形损失, 壳体环缝的焊接变形损失以及管板、壳体、列管的塑性变形损失三方面引起, 使实际预应力小于理论预应力。为了克服这种不良影响, 需要增加预应力大小。

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