（机械工程专业论文）大型套管式换热器关键问题研究.pdf

摘要 摘要 氧化铝高压溶出工段需要在l o m p a 的压力下，把原矿浆从9 0 最终加热到 2 9 0 。经工艺核算，需要热交换器换热面积为3 0 0 0 m 2 ，加热介质从1 7 0 c 一直 上升到4 0 0 。研究表明：由于线膨胀量较大，温差应力较高，传统两端固支为 模型的热交换设备无法满足使用要求。现我突破传统局限，以一端固支一端简 支为模型，自主研发内管连通外管独立的换热器称之为大型套管式换热器。 本论文分大型套管式换热器结构设计、设备制作和现场组焊及选材三个主 要章节。结构设计章节，本文论述了热补偿结构设计、内管管承之间允许跨距 的计算、换热器两相邻蒸汽进口间的改造设计和堵板有限元分析。其中堵板有 限元分析小节，采用仿真模拟的方法，最终得出堵板边缘是应力最薄弱的地方。 我们在此处进行结构开槽处理，成功降低局部应力集中，为下一步焊接打下基 础。制造方面采用先部件后整体，车间制造和现场组焊相结合的方法完成复杂 设备的制作。选材方面实践证明，选用低合金钢焊接再进行热处理的工艺，比 选用高合金钢焊接再采用高水平的焊接和热处理工艺，更适合我国国情。 成功的设计方法，经受住氧化铝高压溶出工段生产实践的检验，为我厂自 行设计大型套管式换热器打下基础。 关键词：大型套管式换热器允许跨距温差应力热补偿装置开孔 补强现场组焊封闭环 a b s t r a c t a bs t r a c t a l u m i n ah i g h - p r e s s u r es t r i p p i n gs e c t i o ni nt h ei n10 m p ap r e s s u r e ，t h eo r i g i n a l s l u r r yf r o m9 0 cf i n a lh e a t i n gt o2 9 0 c p r o c e s sa c c o u n t i n g ，t h eh e a te x c h a n g e r h e a t p a n s f e ra r e ao f3 0 0 0 m 2 t h eh e a t i n gm e d i u mh a sb e e no nt h er i s ef r o m17 0 t o 4 0 0 ，t h es t u d ys h o w st h a t ：d u et ot h el a r g ea m o u n to fl i n e a re x p a n s i o n ，h i g h t h e r m a ls t r e s s ，t h et r a d i t i o n a lf i x e da tt w oe n d so ft h em o d e lo fh e a te x c h a n g e e q u i p m e n tc a l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fn o w i nc h a l q oh e n a nb r a n c ht ob r e a k t h r o u g ht h et r a d i t i o n a ll i m i t a t i o n so ft h em o d e l a to n ee n dc l a m p e da to n ee n ds i m p l y s u p p o s e d ，i n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc o n n e c t e di n d e p e n d e n to f t h eo u t e r t u b eh e a te x c h a n g e rt u b ec a l l e dt h el a r g ep i p eh e a te x c h a n g e r t h i st h e s i si sd i v i d e di n t oal a r g ep i p eh e a te x c h a n g e rs t r u c t u r ed e s i g n , p r o d u c t i o na n ds i t ew e l d i n ge q u i p m e n ta n ds e l e c t i o n o ft h r e em a i nc h a p t e r s s t r u c t u r a ld e s i g ns e c t i o n , t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h et h e r m a l c o m p e n s a t i o na l l o w st h ec a l c u l a t i o no f t h es p a nw i t h i nt h ep i p eb e a r i n gb e t w e e nt h e t r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nt h et w oa d j a c e n ts t e a mi n l e to fh e a te x c h a n g e rd e s i g na n d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fb l o c kb o a r d w h i c hb l o c k i n gp l a t ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s e c t i o n , t h es i m u l a t i o nm e t h o d ，c o n c l u d e dt h a tt h ee d g eo ft h eb l o c k i n gp l a t ei st h e w e a k e s ts t r e s s h e r et h es t r u c t u r eo fs l o t t e dp r o c e s s i n g ，a n ds u c c e e d e di nr e d u c i n gt h e l o c a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o n , a n dl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h en e x tw e l d i n g t h eo v e r a l l m a n u f a c t u r i n gu s e sp a r t ss h o pm a n u f a c t u r i n ga n ds i t ew e l d i n gm e t h o do fc o m b i n i n g c o m p l e t i o no ft h ep r o d u c t i o no fc o m p l e xe q u i p m e n t t h ec h o i c eo fm a t e r i a l ，t h e p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tt h es e l e c t i o no fl o w - a l l o ys t e e lw e l d i n gh e a tt r e a t m e n t p r o c e s st h a nt h es e l e c t i o no ft h ew e l d i n go fh i g ha l l o y s t e e l 谢t l la h i 曲l e v e lo f w e l d i n ga n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s si sm o r es u i t a b l ef o rc h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n s t h es u c c e s s f u l d e s i g n h a sw i t h s t o o dt h et e s to fa l u m i n u mh i g h - p r e s s u r e s t r i p p i n gs e c t i o ni np r o d u c t i o np r a c t i c e s ，ip l a n tt ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g n o fl a r g ep i p eh e a te x c h a n g e r k e yw o r d s ：l a r g ec a n n u l ah e a te x c h a n g e r a l l o ws p a nt h e r m a ls t r e s s t r a n s f o r m a t i o no ft h es t e a mi n l e t o p e n i n g r e i n f o r c e m e n t c l o s e d l o o p i i 绪论 1绪论 拜耳法) r j q 二氧化铝生产已经有9 0 多年的历史，目前仍是世界上生产氧化 锚的主要方法。拜耳法是用苛性碱溶液溶出铝土矿中氧化铝而制得铝酸钠溶 液，在对溶液降温、加品种、搅拌的条件下，从溶液中分解出氢氧化铝，将 分解后母液( 主要成分n a o h ) 经蒸发用来重新溶出新的一批铝土矿的方法。 整个过程主要依据两个原理，一个是用氢氧化铝的晶粒作为种子，使铝酸钠 溶液分解，也就是种子法。一个是铝土矿所含氧化铝可以在氢氧化钠溶液中 溶解成钎= j 酸钠的原理。直到现在工业生产上实际使用的拜耳法工艺流程还是 以上述两个基本原理为依据的。拜耳法用在处理低硅铝土矿( 一般要求铝硅 比 7 - - 1 0 ) ，特别足用在处理三水锚石类型的铝土矿时有流程简单、作业方 便、能量消耗低、产品质量好等优点。拜耳法处理一水硬铝石类型的锚土矿 时工艺条件要苛刻一些。因三水铝石的密度为2 3 4 、硬度为2 5 ，一水硬铝 石的密度为3 5 、硬度为7 ，一水硬铝石是氧化铝水合物巾化学性最稳定的化 合物，在酸和碱溶液中的溶解性比三水铝石差很多。几内亚、澳大利亚、巴 西等赤道地区国家有大量的三水铝石，占世界铝土矿总储量( 3 5 0 亿吨) 的 8 0 。我国乍； _ j 上矿属一水硬锚石，这取决于铝土矿矿床的成因类型，也是我 国的国情。 在氧化铝生产工艺中，高压溶出是关键的第一步。其目的就足用苛性碱 溶液迅速将铝士矿中的氧化铝溶出，制成铝酸钠溶液。处理三水锚石类型锚 土矿的溶出温度一般足1 4 0 c ，而且用低浓度的溶液( 1 0 0 克升n a ：仇) 去溶 出，这是国外拜耳法生产工艺。我国用拜耳法处理的是一水硬铝石类型的锚 土矿，溶出温度通常在2 9 0 ，溶出液浓度3 0 0 克升n a ：0 。的高浓度溶液。 近年来，管道化溶出技术大量用于拜耳法生产，溶出的压力高达i o m p a ，溶 出过羁! 町以在几分钟内完成，基础和生产费川也人i 畸下降，从而使控个j ：r ：l t 法生产的技术经济指标得到显著的改善。管道化溶出技术最重要的i 5 2 备就足 火型套管式换热器。 大型套管式换热器是氧化锚生产溶出系统中最重要、应用最广泛的设备。 它由几段独立的加热器串联而成。内管中为被加热介质( 原矿浆) ，外管中 为加热介质( 溶出矿浆、乏汽或熔盐) 。在运行过程中，每级换热器始终保 1 绪论 i i ii i i i 持外管中的介质温度高于内管中的介质温度，以便外管中的热流体经内管管 壁向内管中的冷流体进行传热。通过内、外管之间的热交换，内管原矿浆从 最初的9 0 ，最终加热成温度为2 9 0 、碱质量浓度为2 4 4 9 l 、密度为1 5 2 x 1 0 3 k g m 3 以及其他相关测定数据均合格的溶出矿浆，达到进入氧化铝生产 下一流程的工艺要求。由于每段加热器的传热面积都在l o o m 2 以上，加热器 的最大有效长度近2 0 0 m ，我们把这种流量和传热面积远远超出传统套管式换 热器的结构和尺寸的加热器称之为大型套管式换热器。 由于国外铝土矿主要是低硅三水铝石，特别适合采用拜耳法氧化 | ；f ；生产 工艺，他们一直走在间接加热强化溶出技术的前沿。大型套管式换热器是国 外目前广泛使用的高压溶出设备，但此方两的技术资料一直保密。为建设我 图现代化铝工业基地，2 0 0 0 年中铝河南分公司从国外引进一套大型套管式换 热器设备。这套设备在圈外是用低浓度：苛性碱溶液( 1 0 0 克升n a ：0 。) 迅速将 三水锚石中的氧化钒溶出，溶f j ：温度一般是1 4 0 。由于我国锃j 土矿足一水 硬舒 石，想f 】乒f 耳法工艺进行高压溶出，则需要用高浓度苛性碱溶液( 3 0 0 克升n a ：仇) ，且溶出温度通常在2 9 0 。这套原装的设备在我厂应用不到9 个月，由于内管长期工作在高温、高压、高碱恶劣的环境中，很快就需要更 换新的设备。考虑到国外的设备十分昂贵且不适应我国国情，完成圆外产品 国产化，并创新出适合我国铝土矿特点的大型套管式换热器足摆在设计人员 面前的一道难题。由于大型套管式换热器在国内有关文献中涉及较少，棚关 资料很难找剑，我们主要依靠消化闺外没备，总结出理论依据，通过公司生 产实践进行验h e ，逐渐在设计、制造、施工和选材方面摸索出一套体系化的 方案，为我厂今后自行设计大型套管式换热器打下基础。 本论文分结构设计、设备制作和现场组焊及选材三个主要章：常，每章：宵 中对其涉及到的关键点运用所学知识进行深入分析，提供理论依据。 结构设计：传统套管式换热器因为长度较短，无论是外管的膨胀量还 是内外管的膨胀差均较小，产生的温差应力一般都不会超过材料的强度极限， 不需进行热补偿，因此内管和外管之间大多采用两端焊死的不可拆结构。由 于中铝河南分公司使用的大型套管式换热器山几段独立的加热器串联而成， 由于每段加热器的传热面积都在l o o m 2 以上，加热器的最大有效长度近2 0 0 m ， 如果采用传统管式换热器内外管焊死结构，则管子就会在管壁内产生温差应 力，温差应力超过管材的强度极限时，就会造成管道的破坏。因此我们设计出 2 绪论 i i l l _ 1 可以消除温差应力的补偿结构：即对外管热膨胀的补偿和对内外管热膨胀差 的补偿。对外管的热补偿主要靠滑动管座来完成，对内外管热膨胀差的补偿 则是靠弯管结构来保证。同时由于加热器的最大有效长度近2 0 0 m ，我们需要 通过计算允许跨距l ，合理安排管承的数量。 中铝河南分公司管道化溶出系统中，因大型套管式换热器第1 0 级和第 1 1 级外管中加热介质均为1 6 m p a 、4 0 0 蒸汽，所以根据工艺需要，这两级 通过同一蒸汽管通入柏同的加热介质。在环境温度下，蒸汽进口通入高温介 质时，蒸汽管在两相邻加热管道的进口之f l j j 均存在膨胀差，使蒸汽管沿轴线 方向产生位移。当温差应力过大时，会导致蒸汽管的损坏。因此我们需要在 换热器两棚邻蒸汽进口问增设热补偿装置。 大型套管式换热器堵板结构是设计中最复杂的部分。对于两个以上相邻 了f ：孔，其中心距小于其平均直径的4 3 倍的情况，g b l 5 0 - 1 9 9 8 钢制压力容 器规定应按照标准8 8 1 c ) 的规定，将这些相邻开孔作为一个假想孔进行 补强。然f 面在标准中，这一条写的较为笼统，可操作性差。由于从堵板一l f l l i i j 的内管多达四根，我们在设计中遇到这类补强。我们通过对换热器锊板计 算的分析，发现这类开多个孔的平盖，其受力与u 型管式换热器的管板受力， 较为s r l 1 f n j , ，于是就尝试着采用了u 型管式换热器管扳的计算方法解决，嗣h 于 门】7 邝醍冗的方法验证其结构和计算的j f 确性。 设备制作和现场组焊：大型套管式换热器是安装在分有儿层的符架上女 的多层串联结构。各级内管相通，外管各自独立。因其规模庞大，免不了要 进行现场焊接。考虑到现场焊接条件难以保证，为减少现场焊接量，我们把 每级换热器以封闭坏为界分成固定端管段、直管段和弯管段这三个部件在车 间焊接并检测完成，再吊装剑现场进行组焊。封闭环应在其它零件全部组焊、 检测完毕后焊接。这里强调，我们要求内管所有对接焊缝经无损检测合格后， 应在压力试验f j i 进行焊后热处理，并保证焊接残余应力降f e n i e 常水平。设 备组装完毕后，应按外管和内管分别进行水压试验。 选材：国外这套设备引进国内使用后，因我囤铝矿石是一水硬铝石， 硬度为7 ，与国外三水铝矿石硬度为2 5 不同，使得大型套管式换热器很快 就被席蚀了。我国采用拜耳法工艺进生产时，由于我国铝矿石的客观条件， 即内管的工作环境为矿浆温度2 9 0 。c 、压力为i o m p a 、碱质量浓度为2 4 4 9 l 的高温、高压、高碱恶劣环境。管材的国产化成为制约此设备的关键。由于 3 绪论 此设备第一次改造的时候采用的是国产的1 2 c r m o v g 钢管，但很快就因应力腐 蚀不能再使用。本文从理论和实践两方面，深入讨论用困产的1 2 c r m o v g 钢管 替代的不可行性，并给出用1 6 m n ( 钢管标准g b 6 4 7 9 - 2 0 0 0 ) 钢管作为矿浆管 材料更适宜。此方案在氧化铝生产实践中证明其可行性。 现经我们自主研发的大型套管式换热器投入公司管道化溶出系统工程中 拥有良好的安全性和经济性。其成功的设计经验，对从事大型套管式换热器 研究的同仁有参考意义。 4 火刑套瞥式换热器幺。i 构设计 2 大型套管式换热器结构设计 传统的套管式换热器传热面积在2 0 m 2 以下，每段换热器的有效长度一般 不大于5 米。因长度较短，无论外管的热膨胀量还是内外管的热膨胀差也相 对较小，其温差应力一般都在允许范围，一般可不进行热补偿，所以制作成 内外管焊死的结构( 其结构示意图见图2 1 ) 。当我们要求有较大传热面积 时，还采取两端焊死的结构，内外管会山于两端均被固定而不能自由伸缩， 在管壁内产生温差应力。当温差应力过大，会导致管道及其管道固定装置的 损坏。 厂 图2 1 传统套管式换热器结构示意图 中铝河南分公司氧化锚生产管道化溶出系统中使用的自主设计的大型套 管式换热器山几段独立的加热器串联而成，各加热器均由内管和外管组成。 内管中为被加热介质( 原矿浆) ，外管中为加热介质( 溶出矿浆、乏汽或熔 盐) 。每段独立的加热器之i f i j 以内管相通，使被加热介质逐级加热。每段加 热器的外管自成体系，与其它各段不相通，由系统分别通入温度和压力不等 的加热介质。内管中的被加热介质流经各段加热器后，温度逐渐升高，最终 达到生产要求。由于每段加热器最大有效长度近1 0 0 多米，最长可达2 0 0 米， 其结构与传统的套管式换热器肯定大不相同。这种应氧化铝生产需要而产生 的换热装置，称之为大型套管式换热器。其结构示意图见图2 2 ，每段独立 加热器结构示意图见图2 3 。 5 曩羹萋霎薯i ；i 兰篡 匪垂享i f 一_ 2 - - - 摹。加热磊 一一一一 自由端 图2 2 火型套管式换热器结构示意图 图2 3 每段独立加热器结构示意图 大型套管式换热器共设1 i 级。其中外管规格吐，4 2 6 m m 1 6 r a m ，内管舰格 为l1 4 m i n x9 m m 。第一级外管中加热介质为溶出矿浆，从固定端到自由端进 行热交换的有效长度为8 0 m ，换热面积为2 3 0 m 2 ，压力为1 6 m p a ，温度为1 7 5 ；从第二级到第九级，外管中加热介质为乏汽，有效换热长度为l o o m ，换 热面积为2 8 0 m 2 ，其压力、温度从最初的0 8 6 m p a 、1 8 0 。c 升高到第九级的 5 8 6 m p a 、2 8 0 ：第1 0 级和第11 级，有效换热长度为4 0 m ，换热i 西f 积为1 2 0 m 2 ， 外管中加热介质为蒸汽，均为1 6 m p a 、4 0 0 。经过1l 级换热，内管中的被 加热介质原矿浆，其压力为i o m p a ，温度从最初的9 0 ，升高到2 9 0 。 在运行过程中，每级换热器始终保持外管中的介质温度高于内管中的介 质温度，以便外管巾的热流体经内管管壁向内管中的冷流体进行传热。通过 内、外管之问的热交换，内管原矿浆最终加热成温度为2 9 0 。c 、碱质量浓度 为2 4 4 9 l 、密度为1 5 2 1 0 3 k g m 3 以及其他相关测定数据均合格的溶出矿浆， 进入氧化铝生产的下一流程。下面详细介绍大型套管式换热器结构设计方面 的关键点。 6 火7 f i ! 食瞥式换热器结构设计 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 叠 2 1大型套管式换热器的热补偿设计 山于中铝河南分公司使用的套管式换热器结构复杂、体积庞大、介质温 度较高，且内管和外管内的介质温差大，其热补偿设计较为繁琐。我们的补 偿从结构上可以分为两类：即对外管热膨胀的补偿和对内外管热膨胀差的补 偿。对外符的热补偿主要靠滑动管座来完成，对内外管热膨胀差的补偿则足 靠弯铃结构来保证。 2 1 1外管的热补偿结构 为保证加热器外管受热膨胀时能有合理的伸缩空间，避免结构应力，外 管支座采用一端固定一端自由的结构( 图2 3 ) 。该结构在固定端用堵板将 内管和外管焊接，并用固定式管座与支架焊在一起。除固定端外，其余部分 外管管段全部采用滑动式支座支承，允许加热器沿轴向移动，以消除因内、 外管受热膨胀变形不同而产生较大的附加应力。 2 1 2 内外管热膨胀差的补偿结构 设备带料试车时，我们先给内管打压到操作压力。此时内管充满了被加 热介质，而外管中没有加热介质。内管首先受热膨胀，而外管不变。而后我 们给外管打压，并加入加热介质。这时外管与内管共同受热膨胀后发生相对 位移。最后经过一段时问后运行到正常操作模式下。 为避免弯管结构中内弯管与外弯管、内弯管与内弯管受热膨胀接触后产 生接触应力，我们精心设计了弯管内部结构，消除接触隐患。 7 人掣食管式换热器结构设计 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l l i l ll l i i i i i i i i i i i i i i i i i 莓i i i i i i i i i i i 图2 4 弯管结构示意图 2 1 2 1内管受热膨胀，而外管不变时补偿量a 值： 在设备运转的初期，即带料试车的时候，我们先给内管打压到操作压力， 然后再给套管加压。在套管中没有加热介质时，内管中已经加入了被加热介 质。因为被加热介质比环境温度要高，内管首先发生了热膨胀，外管不变。 为避免内弯管1 外壁与外弯管内壁之f n j 发生接触，我们为其留下线膨胀位移 量a ，见图2 4 所示，其最小值按下式计算： a m i n = 乩( t t 。) ( 2 1 ) 式中： a 平均壁温下材料的线膨胀系数，( m m m ) ： 卜管道的长度( m ) ； t 一管道初始温度( ) ； t 一管道加热后温度( ) 。 2 1 2 2内管与外管共同受热膨胀时补偿量b 值 由于外管中介质的温度比内管中介质温度要高，外管受热的膨胀量比内 管受热的膨胀量要大，因此外管与内管共同受热膨胀后将发生相对的位移。如 果内弯管2 外壁与外弯管内壁的问隙不够，外弯管内侧管壁将与内弯管2 发 生接触。为避免接触应力的产生，我们为其留下线膨胀位移量b ，见图8 所 示，其最小值按下式计算： 8 簦攀通叁警立 ，。- ，。7 “一“。- i ： 虢- 。- i 眵瓣薹羹奠 j j ) f ，- 髻| | 毪i 夕 | | | | 一j t j 、。，：j 2 2 1内管管承之间允许跨距l 的计算 由于加热器从固定端到臼山端进行热交换的有效长度最长为l o o m ，管承 的数量由起支撑作用的内管管承间的允许跨距l 的大小决定( 图2 7 ) 。内管 管道的允询：跨距太小会造成管承布置过密，影响加热器的经济性。因此，要 9 人，弘癸臀式抉热： 结构没汁 在确保安全和管道正常运行的前提下，通过计算允许跨距l ，合理安排管承 的数量。 内管管承之间的允许跨距l 先按内管管道的强度和刚度两个条件计算， 得到按强度条件计算的允许跨距l 。和按刚度条件计算的允许跨距l 2 ，然后取 其中的最小值乘以安全系数作为最大允许跨距。即 l ( 0 8 0 6 5 ) m i n l ，、l ：】。对于两端直管的跨距，可近似取最大允许跨距 的0 8 倍，即l 0 8 m i n l 。、l2 】；对于水平弯管的跨距，可近似取最大允许 跨距的0 6 5 倍，l 0 6 5 m i n l 。、l2 】。用以上方法计算出的l 值歧i 】为内管管 承之间的允许跨距值。 一 l i 豆r 亡= 二二二二二夏 二二二二二二圈二一j i，： ：a ，一一1 一二二二二盟磊 f 1、 澎 、二童蛔二= = 二：二二二卫二 ：= = ：= 二二卫二 磐 图2 7 直管段内管管承结构乃：意图 2 2 2 按管道强度条件确定允许跨距l 1 内管管道断面上的最火应力不得超过管材的许用应力，以保证管道强度 的安全。根据这一原则所确定的管道允许跨距，称为按强度条件确定的管道 跨距。按强度条件确定的管道跨距l 。的计算公式如下： l i = 1 5 6 q w 9 c m 其中b 。】= 0 0 0 8 7 o ( 2 - 3 ) 。一p d 。一( s c ) 】 2 0 0 ( 0 一c ) r 、 s a 1 + a 式中，【o 。】为许用外载综合应力，o 。为内压折算应力，【o 】为额定许用 应力，p 为管道介质工作压力，m p a ；d 。为管道外径，m i l l ；s 为管道名义厚 度，c 为管道厚度附加量，m i l l ；a 为管子厚度的偏差系数，困产无缝钢管壁厚 公差一般取1 5 ，本例h = o 2 3 9 ；w 为管子抗弯截面系数，r a i n 3 ：由为管道横 大型套箭式换热器结构设计 i i i i i 向焊接接头系数，本例取0 7 ；q 为管子单位长度的重力，n m m 。 按以上方法，计算并修j f 可得第1 级第11 级换热器的l = 1 8 3 5 0 m m 。 2 2 3 按管道刚度条件确定允许跨距l 2 管道在一定跨距下有一定的绕度。根据对绕度的限制所确定的管道允许 跨距叫做按刚度条件确定的管道跨距。管道通常都有扛0 0 0 2 0 0 0 3 或更大 的坡度。如果设计中不区别情况一律不允许管道存在反坡情况，就会使管架 布置过密。除有特殊要求的管道外，管道存在一定的反坡仍能正常运行。根 据管道输送介质的情况，合理地确定最大允许挠度，就能适当扩大管道的允许 跨距。 按最大允诈：挠度a m a x = 0 1 d 。的条件确定管道允诈：跨k l i t i q ，埘r 连续铺 设的水平直管，l 。分别按以下两式计算： 、，4 。2 4 e 一i 。 d g _ x x 2 4 e - x + 一+ _ _ _ 堕j 一= - l 2 = l 2 i 2 x 3 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 式中，l ：，l ：为计算跨距，d g 为管子公称直径，x 为管道支座到管子 最大绕i | l i 面的距离，m m ；e 为管材的弹性模数，b l p a ；j 为管子断面惯性矩，m m 4 ； q 为管予单位长度的重力，n m m ；i 为管子坡度，一般取0 0 0 2 - - - 0 0 0 3 。 计算时将上述2 个方程联立用试差法求解，直到l ，。= l ，为止，此时 l 2 = l 2 l2l 2 2 a 由于换热器有1 1 级，各级参数不尽一致，因此计算较复杂，所以此处只 给出第l 级和第2 级l ：的计算结果。按以上方法计算，第1 级的l 2 。= 94 6 5 m m ， l 。：= “6 3 5 m m ；第2 级换热器的l 2 1 = 1 94 1 0 m m ，l 2 2 = 1 17 2 0 r a m 。按前文所述， 直管段的跨距可近似取最大允许跨距的o 8 倍，水平弯管段的跨距可近似取 最大允许跨距的0 6 5 倍，以此确定第l 级换热器直管的跨距为7 5 7 2 m m ，第2 级换热器直管的跨距为7 5 2 7 m m ，第1 级换热器弯管段的跨距为6 1 5 2 m m ，第2 级换热器弯管段的跨距为6 11 6 m m 。 2 2 4 小结 文中所述的大型套管式换热器是一利，尺寸大、结构复杂且在特殊工况下 1 1 人7 弘套箭式换热器结构设计 使用的换热设备，它完全不同于普通工况下使用的传统式套管式换热器。因 此，在结构设计中必须保证其安全、实用以及经济合理。按文中所述方法设 计的大型套管式换热器支撑结构已在中国铝业股份有限公司河南分公司氧化 留1 1 t - 产管道化溶出系统巾应用，运行情况正常，能完全满足生产需要。 2 3 大型套管式换热器蒸汽进口改造设计 2 3 1蒸汽进口改造设计背景 中铝河南分公司管道化溶出系统中被大量应用的大型套管式换热器，因 第1 0 级和第1 1 级外管中加热介质均为1 6 m p a 、4 0 0 c 蒸汽，所以根据工艺 需要，这两级通过同一蒸汽管通入相同的加热介质。原设计因未考虑热膨胀 影响，所以此换热器两相邻蒸汽进口间的蒸汽管屡屡发生爆裂。为满足设计 产品的安全性和实用性，我们需对此处进行改造。 2 3 2 大型套管式换热器蒸汽进口改造设计方案 在环境温度下，蒸汽进口通入高温介质时，蒸汽管在两相邻加热管道的 进口之间均存在膨胀差，使蒸汽管沿轴线方向产生位移。当温差应力过大时， 会导致蒸汽管的损坏。因此我们需要在换热器两相邻蒸汽进口间增设热补偿 装置。 同时，大型套管式换热器是多层环绕组合式结构，在开车、停车、热、 冷不断的变化下，加热器各层受热膨胀，位置会产生一定的移动偏差，向四 周产生热膨j l l t t t l 缩或位移。加热器受热后受到热膨胀与重量等的综合作用力 以及变形等原因，作用在支撑架上的磨擦力不同，造成其不会稳定在一个固 定中心点位置上。因此，我们需要在蒸汽进口处设立固定点，消除其不应承 受的外力，同时又不影响大型套管式换热器的热膨胀。蒸汽进口改造结构示 意图见图2 8 。 。 1 2 火刑套符式换热器结构设计 咿 臣轳 南 淞 图2 8 蒸汽进口改造结构示意图 加犋器v 加热器 2 3 3 温差应力理论 管道一般足在大气温度下安装的，当它输送温度较高的介质时，根据热 胀冷缩性质，将引起管道的仲长。例如一根长度为l 的管子，其温度由t 。升 高到t 时，其线膨胀量a 为： a = c t l ( t t o ) ( 2 - 6 ) 式l i j ： a 材料的线膨胀系数。 如果管道两端均被固定或不能自由伸缩时，就会在管壁内产生温羞应力。 当温差应力过大时，再叠加内压引起的应力，可能会导致管道及其管道固定 装置的损坏。下面我们介绍温差应力校核的方法。 2 3 4 蒸汽管在两相邻蒸汽进口之间温差应力校核 当管道输送温度较高介质时，管道内壁壁温高于外壁壁温，这相当与内 壁膨胀量大于外壁膨胀量，也即外壁限制了内壁的膨胀变形，于是内壁产生 了压应力，外壁产生了拉应力。温差应力和内压应力叠加的结果，使内壁应 力降低，外壁应力增加。所以此时应以外壁当量应力作为校核基准。由此可 见，温差应力足各部分变形相互牵制而产生的。所以，当器壁中的当量应力 达到材料的屈服极限而发生屈服，其温差应力不但不会继续增加，反而会在 很大程度上得到缓和。因此，温差应力对塑性材料制成的管道，其对强度的 危害性要比内压或其它机械载荷引起的应力小得多。它属于二次应力。允许 不超过两倍在设计温度下壳壁材料的许用应力，即2 b l l o 其计算公式如下： 1 3 人t ? ，0 t 丫j 【 必搬 芹；卉伊j 阪t r 旷啬帆2 时 7 ) 式中： p 一设计压力，k 哆乞z k 一外径与内径之比，即k = d ； 。叭一外壁温差应力，k 哆乞： 一焉害詈， 浯8 ， 式中： q j f 均壁温下材料的平均线膨胀系数，( c r n c m ) e 一平均壁温下材料的弹性摸数，k g r ， ， c m t 。一内壁壁温， t 。一外壁壁温， | l 一平均壁温下材料的波桑比，可近似取室温下的数据，i l = 0 3 m 一系数，所。去 s 一壁厚，c m r i 一容器内半径，c m 2 3 5 管道热补偿装置的选择 当管道温差应力校核不通过，为保证其在工作状态下的稳定和安全，消 除或减少受热膨胀h 寸产生的温差应力，我们需要在此处设罨补偿装置。方形 补偿器是管道设计中常用的一利啤 、偿器，它是由四个9 0 。弯头组成，常用的 有p 4 , r e t , 类型。方形补偿器结构示意图见图2 9 。 1 4 人删套符式换热器舅i 构设计 一0f 一、 t ! 1 啦( b = 2 a )2 塑( b = - o ) 、5 为i ( o = o 5 a ) 4 j 钽( b c ) 厂一一 l t 图2 9 方形补偿器结构示意图图2 1 0s 形补偿器 方形补偿器须用优质无缝钢管制作。整根补偿器用一根管子弯制而成。 制作尺寸大的补偿器也可以用两根或三根管子焊接制成。公称通径不大于 1 5 0 m m 的方形补偿器，用冷弯法弯制；公称通径大于1 5 0 m m 的，用热弯法弯 制。用管子弯制的弯头直径通常为3 4 d n ；急弯弯头为1 1 5d n ；焊接弯 头为1 1 5d n 。 方形补偿器安装时一般必须预拉伸，预拉伸值：当介质温度在2 5 0 c 以下 时，为计算热伸长量的5 0 ：当介质温度2 5 0 一- , 4 0 0 。c 时，为计算热仲长量的 7 0 。 一般当自然补偿能力不够时，应优先采用方形补偿器 ( 1 ) 方形补偿器补偿能力( 补偿量) 计算公式如下： l = r ( i + 6 k ) i 三 1 5 e i 乏 ( 2 9 ) 式中： a l - 两固定支架问管道热仲长量，c m l - e l 偿器的伸出距离，即为图2 9 中的外伸臂长度h ，c m l , - 睿b 偿器的开口距离，即为图2 9 中的b ，a m k - l i l r 一管子许用弯曲应力，碳钢管取r = 7 0 , - - 一8 0 ，m p a e 一管材弹性模数，m p a d w 一管子外径，a m 1 5 火喇套符式换热器纠i g , j 殴计 ( 2 ) 方j 髟, 7 t - 偿器的弹性力计算公式如下： f k ：壁榉【f k 】( 2 - 1 0 ) 式中： i i k 一方形补偿器的弹性力，n p k 一管道许用弯曲应力，碳钢管取r = 7 0 - - - 8 0 ，m p a w 一管道抗弯截面系数，c m 3 h 一方形补偿器的j r b , l i t l 臂长度，c m i f , 卜方形补偿器的弹性力，见表2 1 方( 矩) 形补懂器的弹性力( 单位：n ) 弋、d 苎，m m 2 53 24 05 07 0l 1 2 5t 5 02 d 02 5 03 0 【l3 5 0越l d5 0 06 0 0 漆 h r a m 3 2 过j 3 8 圯54 5 姐巧5 7 g j7 5鼬妇5l 蚺1 3 3 ) “1 5 9 埘j2 1 9 弼2 7 姗3 2 5 溜 3 ”蚺4 2 6 ，c 95 2 9 x 96 3 【西0 2 5 06 6 01 0 2 01 4 8 03 2 7 0一 5 3 3 05 1 07 4 01 6 3 03 0 帕4 2 5 07 2 , 5 0】1 2 1 8 1 0 04 6 0 0 08 3 ，0 d 7 2 2 03 4 05 0 01 0 9 0猢2 8 3 0船o o一 1 0 0 01 7 0 2 6 0 3 7 08 2 01 5 2 0 2 1 2 0 3 6 0 0 5 6 0 0 9 0 3 02 2 9 0 04 0 0疗”0 0i 0 ，o o 1 2 如3 0 06 5 01 2 加1 7 0 02 9 0 0 表2 1 s 形补偿器实际上就是两个方型补偿器的组合，结构示意图见2 1 0 。其 优点：与方) r y , , f i b 缩器比较，补偿能力相同时，j , 1 - t $ 臂短( 约等于方形补偿器 的5 0 ) ；由于s 形热补偿装置两轴线对称，因而管架的单向载荷较小。具 有综合补偿能力强等优势。针对大型套管式换热器高压、高温、高碱且生产 波动大、振动频发等恶劣工作环境，我们选用综合补偿能力较强的s 形热补 偿装置。 2 3 6 大型套管式换热器两相邻蒸汽进口之间s 形热补偿装置的计算 现，f f 工程实例：周圈环境为常温( 2 0 ) 的状态下，向蒸y c 箭- l ，通入3 0 0 的加热蒸汽，工作压力为1 6 m p a 。换热器两柚邻蒸汽进口f l l ! 离为1 3 0 0 m m ， 蒸汽管规格为2 7 3 x 8 ，材质为1 6 m n 钢管，其物理特性值见表2 2 所示。工程 实例结构示意图见2 11 。两固定点之问加热补偿装置需要进行计算确定。 1 6 人艰套箭匕换热器结构设计 睡 ，瓤 l 一一m c _ 氍实例结构示意图2 1 l 表2 21 6 m n 铡箭在不同温度卜的物理特性 温度( ) 2 0 1o o 2 0 03 0 0 4 0 0 许川应 1 6 316 315 91 3 51 1 9 1 ) 1 ( m p a ) 弹性模 2 0 6 e 52 0 3 e 51 9 6 e 51 8 6 e 51 7 2 e 5 量( m p a l 线膨胀1 0 9 1e - 611 5 3e - 61 2 2 5e 61 2 9e - 6 1 3 5 8e - 6 l 系数( ) ( 1 ) 燕汽汀了i ：蚺刷邻熬厂气进h 么抒t z - 腿刀仪仫 把。i ：艺参数代入公式( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 得： = 芝篙立詈， ：o0000 129x18 6 0 0 x ( 3 0 0 - 2 0 ) ( 1 一0 0 6 2 ) 2 ( 1 0 3 ) 3 = 4 7 ( k 2 ) 。= 普帆= 熹喾+ 4 7 = 4 9 1 7 ( k ：)o 。2 订j + o 州2 而；j + 4 忙q 执【x m 2 ) 2 阱2 洲j 1 5 = 2 7 ( k ：) 为a 。= 丙4 3 p + 。2 b 】。不成立，所以需要增j l i 热补偿装胃。 假设增j l l 确j 两年“邻蒸汽管进r 之i j 增j j t l - s 形热补偿装胃，具体结构见 示意蚓2 11 。s 形热补偿装霄l n h 两个力形补偿器制成，l t ：b ：5 0 0 m m ，k = 1 。热 o rf一 火砸套臀式换热器结构没计 补偿装置规格为1 5 9 x4 5 ，抗弯截面系数为8 2 0 5 c m 3 。现校核此补偿装 置的尺寸是否满足使用要求。 ( 2 ) 两相邻蒸汽进口之间蒸汽管的热膨胀量计算 a = a l ( t t o ) = o 0 0 0 0 1 2 9 1 0 0 0 x ( 3 0 0 2 0 ) = 3 7 ( 咖) ( 3 ) 一个方形补偿器补偿能力计算 假设采用一个i i 型方形补偿器，即h = b = 5 0 0 ，k = i 则： l=r1(百l+6k)13=号妻g黑-|8600059 。2 7 c c m ，= 2 7c m m ， 凸b 一一一一 jy ，ir mj=7，tm mj 1 5 e q ， 1 5 11 因为l 为两刚定支架问管道热补偿量，此工程实例采用两个方形补偿 装置制成的s 形热补偿装置，所以产生的热补偿为5 4 咖。由于两相邻蒸汽 进口之l 、f j j 蒸汽管的热膨胀量为3 7 m m ，所以此补偿装置的设计是可以的。 ( 4 ) s 形补偿器的弹性力计算 当s 形热补偿装置产生2 a l 的热补偿量时，我们反推仪需要的一个方形 补偿器补偿就可以满足热膨胀时所要的臂长l ，即 当2 a l = 擎时， l 。= 血= 压x 5 0 0 = 7 0 7 ( 唧) 计算j ；! i ! 格为1 5 9x4 5 的方形补偿器，外伸臂长l t ：7 0 7 m m 时产生的弹性 力 r ：2 1 匕k 里：9 8 x 7 0 x8 2 0 5 ：7 9 6 2 ( n ) “ h7 0 7 山于s 形热补偿装置两轴线对称，当补偿能力相同时，s 形热补偿装置 产生的单向载倚一个方形补偿器补偿就可以满足热膨胀产生的弹性力r 。 所以用f k = 7 9 6 2 n 进行弹性力校核。 ( 5 ) 补偿装胃弹性力校核 根据方形补偿器的弹性力表2 1 ，当方形补偿器舰格为1 5 9 4 5 ，外 仲臂长h = 7 0 7 咖时，用内捅法得最大弹性力为1 4 3 4 5 n 。 因f k = 7 9 6 2 n 1 4 3 4 5