【摘 要】主要論述了固定管板式換熱器中設(shè)置膨脹節(jié)的因素、膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算以及如何避免設(shè)置膨脹節(jié)。

【關(guān)鍵詞】固定管板式換熱器 膨脹節(jié) 設(shè)計(jì)

在固定管板式換熱器設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到需要設(shè)置膨脹節(jié)的問題，其中以固定管板換熱器殼程設(shè)置膨脹節(jié)居多，本文僅討論固定管板換熱器中膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)。

一、膨脹節(jié)的定義

由一個(gè)或幾個(gè)波紋管及結(jié)構(gòu)件組成，用來吸收由于熱脹冷縮等原因引起的設(shè)備尺寸變化的裝置。

二、設(shè)計(jì)工況

對(duì)于固定管板換熱器，一般有多種設(shè)計(jì)工況，包括正常操作工況、開車工況、停車工況、事故工況等。除非能定性判斷某些工況設(shè)計(jì)條件苛刻程度低于其他工況，否則應(yīng)對(duì)每種設(shè)計(jì)工況逐一核算，因經(jīng)常出現(xiàn)在正常操作工況下設(shè)備不需要設(shè)置膨脹節(jié)或設(shè)置膨脹節(jié)是安全的，而在其他工況下才需設(shè)置膨脹節(jié)或需改變膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。值得注意的是，如果工藝條件僅提供了正常操作工況的設(shè)計(jì)條件，應(yīng)要求工藝專業(yè)補(bǔ)充提供其他工況下的設(shè)計(jì)條件。

三、何時(shí)需設(shè)置膨脹節(jié)

在管板計(jì)算中按有溫差的各種工況計(jì)算出的殼體軸向應(yīng)力、換熱管軸向應(yīng)力、換熱管與管板之間的連接拉脫力中，有一個(gè)不能滿足強(qiáng)度條件時(shí)，就需要設(shè)置膨脹節(jié)。

四、如何避免設(shè)置膨脹節(jié)

膨脹節(jié)是固定管板換熱器中比較薄弱的環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免，可參考以下幾點(diǎn)方法。（1）首先應(yīng)從工藝流程角度考慮，工藝通過采取一定措施即可避免某些設(shè)計(jì)工況的出現(xiàn)，從而避免設(shè)備設(shè)置膨脹節(jié)。（2）在壓力降允許的情況下，減小折流板間距。（3）在費(fèi)用估算可行的情況下，可通過適當(dāng)增加管板厚度，以避免膨脹節(jié)。（4）在工藝介質(zhì)允許和經(jīng)濟(jì)合理的情況下，可通過更換殼程筒體或換熱管材質(zhì)以減小膨脹差，達(dá)到避免膨脹節(jié)的目的。

五、膨脹節(jié)的計(jì)算

GB16749—1997《壓力容器波形膨脹節(jié)》規(guī)定了金屬波紋管膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收、貯存、安裝及基本參數(shù)與尺寸等。非標(biāo)膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)可按照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，其設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)和驗(yàn)收不應(yīng)低于此標(biāo)準(zhǔn)的要求。以下討論用 SW6 程序進(jìn)行計(jì)算時(shí)的幾種情況。（1）若選用標(biāo)準(zhǔn)膨脹節(jié)，計(jì)算時(shí)只需將從標(biāo)準(zhǔn)中查出的剛度填入管板計(jì)算程序中，進(jìn)行管板強(qiáng)度計(jì)算，同時(shí)校核軸向位移（由換熱管和殼程筒體熱膨脹變形差引起的軸向位移）是否不大于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的膨脹節(jié)最大位移量。此時(shí)膨脹節(jié)本身可不用校核計(jì)算。（2）若采用非標(biāo)膨脹節(jié)，則需填入膨脹節(jié)參數(shù)，進(jìn)行膨脹節(jié)計(jì)算，以獲取剛度，再將此剛度輸入管板程序中進(jìn)行管板的計(jì)算。（3）若按標(biāo)準(zhǔn)中的普通 U 形膨脹節(jié)不易通過，可考慮采用 Ω 形膨脹節(jié)或加強(qiáng)型膨脹節(jié)，計(jì)算方法可參照 EJMA 標(biāo)準(zhǔn)。（4）若采用非標(biāo)膨脹節(jié)，無論如何調(diào)整膨脹節(jié)尺寸都很難通過，或波數(shù)太多，或尺寸不合理，此種情況可考慮請(qǐng)專業(yè)廠家進(jìn)行膨脹節(jié)的計(jì)算和設(shè)計(jì)，由專業(yè)廠家提供膨脹節(jié)剛度；若項(xiàng)目進(jìn)度較緊，可先假設(shè)一個(gè)剛度填入管板計(jì)算程序中進(jìn)行管板的計(jì)算，并在圖中規(guī)定膨脹節(jié)的剛度不大于管板計(jì)算用輸入的剛度。

六、計(jì)算應(yīng)注意的事項(xiàng)

6.1許用工作壓力。按 GB 16749 選用標(biāo)準(zhǔn)膨脹節(jié)，應(yīng)根據(jù)選用的膨脹節(jié)材料、公稱壓力，以及工作溫度按附錄 A 表 A5查取膨脹節(jié)的許用工作壓力，以判斷初選的公稱壓力是否合適。有相當(dāng)一部分許用工作壓力大于公稱壓力，因此可以適當(dāng)選用較低檔壓力的膨脹節(jié)。

6.2溫度與剛度。附錄 A 表 A1、表 A2 中膨脹節(jié)的軸向剛度是指膨脹節(jié)在20 ℃時(shí)單波的軸向剛度，其他溫度下膨脹節(jié)的單波軸向剛度應(yīng)在表 A1、表 A2 規(guī)定值的基礎(chǔ)上乘以系數(shù) Ck，然后得到溫度變更情況下的相應(yīng)剛度。Ck按附錄 A 圖 A4 查取。

6.3許用循環(huán)次數(shù)、溫度與位移量。附錄 A 表 A1、表 A2 中單波最大位移量，碳鋼膨脹節(jié)以200 ℃ 計(jì)算；奧氏體不銹鋼膨脹節(jié)以 300℃計(jì)算，其安全系數(shù)取 15、許用循環(huán)次數(shù)為3000次。當(dāng)膨脹節(jié)實(shí)際設(shè)計(jì)溫度不是以上數(shù)值或不銹鋼膨脹節(jié)實(shí)際需要的累計(jì)許用循環(huán)次數(shù)不等于3 000次，則位移量應(yīng)在表 A1、表 A2 規(guī)定值的基礎(chǔ)上乘以系數(shù) CN、或 Ct進(jìn)行校正，CN、Ct按圖 A2、圖 A3 查取。

6.4腐蝕裕量。附錄 A 表 A1、表 A2 中所列膨脹節(jié)的壁厚，碳鋼已包括 1 mm 腐蝕裕量，奧氏體不銹鋼未考慮腐蝕裕量。若腐蝕裕量與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不同，應(yīng)按非標(biāo)膨脹節(jié)考慮。

6.5波紋管一層材料的厚度 Sp。Sp在標(biāo)準(zhǔn)中的定義為：考慮成形過程中厚度減薄時(shí)，波紋管一層材料的厚度；公式為 Sp= （Db/Dm）0. 5× S，亦可采用成形減薄后的實(shí)測(cè)值，其中 S為波紋管一層材料的名義厚度。個(gè)人認(rèn)為此公式存在一定問題：（1）由于材料存在厚度負(fù)偏差，計(jì)算 Sp時(shí)應(yīng)考慮材料的厚度負(fù)偏差 C1；（2）對(duì)于考慮腐蝕裕量 C2的材料，計(jì)算 Sp時(shí)應(yīng)考慮材料腐蝕前和腐蝕后兩種情況。

6.6膨脹節(jié)材料在設(shè)計(jì)溫度下的實(shí)際屈服點(diǎn)。關(guān)于膨脹節(jié)材料在設(shè)計(jì)溫度下的實(shí)際屈服點(diǎn)，SW6 程序注明“應(yīng)變硬化狀態(tài)下應(yīng)不大于標(biāo)準(zhǔn)中表列值的 2. 0 倍，退火狀態(tài)時(shí)可取約為標(biāo)準(zhǔn)中表列值的 0. 75 倍”。由于膨脹節(jié)在成形或熱處理后，其屈服強(qiáng)度發(fā)生了改變，沒有一個(gè)具體數(shù)值的規(guī)定。根據(jù)一些專家的建議，除非有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)取值時(shí)應(yīng)盡可能不要靠近上限，可按應(yīng)變硬化狀態(tài)下不大于標(biāo)準(zhǔn)中表列值的1.5倍。

綜上所述，由于膨脹節(jié)受力較為復(fù)雜，其設(shè)計(jì)存在一定難度，其標(biāo)準(zhǔn)也存在一些疑點(diǎn)，但膨脹節(jié)作為壓力容器的重要受壓元件，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)其計(jì)算方法不斷理解和完善。

參考文獻(xiàn)：

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