波紋管換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)介紹及其相關(guān)探討

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    摘要：波紋管換熱器是一種高效管殼式換熱器，為推廣其應(yīng)用范圍，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度和安全性研究十分必要。介紹了波紋管換熱器強(qiáng)度設(shè)計(jì)的方法和主要內(nèi)容，對(duì)波紋管換熱器運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸納總結(jié)，通過設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例分析，說明波紋管換熱器設(shè)計(jì)和選用應(yīng)注意的問題，以供波紋管換熱器設(shè)計(jì)、制造、安全監(jiān)察和使用部門參考。

    1、概述

    20世紀(jì)90年代初，我國開發(fā)研制出一種高效換熱組件―――波紋換熱管。波紋換熱管是由波紋管和接頭兩部分組成。

    用波紋管代替光滑直管制成的波紋管換熱器，其傳熱效率可提高2～4倍，這種高效換熱器還具有不易結(jié)垢、溫差應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于波紋管是由薄壁（壁厚為05～10ｍｍ）光滑管加工而成，成型后其應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜化。其管束的強(qiáng)度和剛度都與光滑管有很大差別，致使這種換熱器的管束和管板的應(yīng)力分析困難。由于管束和管板強(qiáng)度問題沒有解決，使得這種高效設(shè)備的應(yīng)用范圍受到限制，同時(shí)也有安全隱患。為使這種高效節(jié)能產(chǎn)品能應(yīng)用于石油、化工等更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)波紋管換熱器進(jìn)行強(qiáng)度研究，建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是非常必要的。

    這項(xiàng)工作于2002年納入國家鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目，由沈陽化工學(xué)院和沈陽市特種設(shè)備檢測(cè)研究院（原沈陽市鍋檢所）等單位負(fù)責(zé)起草，將波紋管換熱器設(shè)計(jì)方法列為ＧＢ151《管殼式換熱器》的附錄，并于2004年以名為“奧式體不銹鋼波紋管換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)案例”（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)案例”）正式頒布。

    本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)案例的主要內(nèi)容進(jìn)行了介紹，針對(duì)波紋管換熱器十幾年運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)、歸納分析，并通過設(shè)計(jì)實(shí)例分析，說明波紋管換熱器的設(shè)計(jì)和選用應(yīng)注意的問題。

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    2、標(biāo)準(zhǔn)案例簡介

    波紋管換熱器也是管殼式換熱器的一種，其總體設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)是符合ＧＢ151中要求的，只是由于管束剛度變化，使得與其相關(guān)的受壓組件設(shè)計(jì)計(jì)算有所不同。標(biāo)準(zhǔn)案例以理論分析和試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)三者統(tǒng)一的原則，規(guī)定了波紋管換熱器管束和管板的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以作為ＧＢ151的補(bǔ)充。

    2-1  適用范圍

    換熱器型式與ＧＢ151相同。設(shè)計(jì)壓力ＰＮ≤40ＭＰａ，考慮波紋換熱管是由薄壁管加工而成，成型的殘余應(yīng)力較大，為避免應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞，其工作壓力不能太高。標(biāo)準(zhǔn)案例規(guī)定兩種換熱管公稱直徑，即波峰/波谷外徑為32/25ｍｍ和42/33ｍｍ，其管坯外徑為25ｍｍ和33ｍｍ，這是目前工程中通用的兩種規(guī)格。折流板間距根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而定，其z*大間距尺寸大約為ＧＢ151中5953條規(guī)定的z*大間距的2/3，且不考慮流體誘導(dǎo)振動(dòng)。

    考慮波紋管成型和十幾年的實(shí)際使用情況，標(biāo)準(zhǔn)案例只適用于波紋管材料為奧氏體不銹鋼。

    2-2  波紋換熱管設(shè)計(jì)

    光滑管通過脹型成型為波紋管后，由于殘余應(yīng)力和局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在，波紋管的承載能力遠(yuǎn)低于相應(yīng)的光管（即管坯）。相應(yīng)波紋管的軸向剛度和穩(wěn)定性也大大降低。標(biāo)準(zhǔn)案例第3條中給出了波紋管的許用內(nèi)壓力、許用外壓力、軸向剛度和臨界壓力的計(jì)算公式，這些公式是根據(jù)試驗(yàn)和理論分析整理而成。

    2-2-1  波紋換熱管的許用內(nèi)壓力

    對(duì)于波紋管各部位的應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，目前仍在研究之中。在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布狀態(tài)已通過應(yīng)力測(cè)試方法進(jìn)行了大量的試驗(yàn)測(cè)定，同時(shí)進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，爆破壓力的實(shí)際值與相應(yīng)管坯按中徑公式計(jì)算的理論值較為接近，且實(shí)測(cè)值大于理論值。

    2-2-2  波紋換熱管許用外壓力

    管殼式換熱器中的管子同時(shí)承受管程和殼程的壓力，所以對(duì)于管子承受外壓的穩(wěn)定性能也要考慮。波紋管多數(shù)呈波節(jié)形狀，即由一直段和球面波峰部分組成。直段部分剛性遠(yuǎn)小于波峰部分，試驗(yàn)也證明波紋管受外壓時(shí)直邊部分s*先失穩(wěn)。對(duì)整根波紋管來講可視為承受外壓的圓筒，波峰部分相當(dāng)于剛性構(gòu)件。這樣，管子承受外壓的計(jì)算長度就大大地減小了，標(biāo)準(zhǔn)案例中取單根管中z*大波距作為計(jì)算長度是偏于安全的。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究，標(biāo)準(zhǔn)案例引用了ＧＢ150中第六章的外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

    根據(jù)Ｌ/ｄ1和ｄ1/δｔ直接利用ＧＢ150中第六章的外壓計(jì)算圖，查出Ａ值和Ｂ值，便可得到波紋管許用外壓力，即：

    2-3管板設(shè)計(jì)計(jì)算

    到目前為止，大多數(shù)國家換熱器標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于管板強(qiáng)度計(jì)算，基本都是把管板作為承受均布載荷、放置在彈性基礎(chǔ)上且受管孔削弱的當(dāng)量圓平板來考慮。ＧＢ151中的管板設(shè)計(jì)也是基于這種考慮。對(duì)于波紋管換熱器，相對(duì)于常規(guī)（光滑管）管殼式換熱器來講，z*主要的差別就是換熱管的剛度問題。標(biāo)準(zhǔn)案例基于這種考慮，規(guī)定了與管子軸向剛度有關(guān)的參數(shù)引入波紋管剛度計(jì)算值，然后直接利用ＧＢ151中相應(yīng)管板類型的計(jì)算公式進(jìn)行波紋管換熱器管板的設(shè)計(jì)計(jì)算。

　　?“集中供熱”歷年數(shù)據(jù)分析

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