特殊條件下?lián)Q熱管與管板的一種連接方式

趙金勇 何金玉 任艷芳

（三門(mén)峽化工機(jī)械有限公司)

特殊條件下?lián)Q熱管與管板的一種連接方式

趙金勇*何金玉 任艷芳

（三門(mén)峽化工機(jī)械有限公司)

GB 151中換熱管與管板的連接方式有強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹、脹焊并用等幾種。主要討論了另外一種連接方式，即采用O形橡膠圈的連接方式，并對(duì)這種連接方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及管板的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)論述。

O形橡膠圈 壓縮率 密封 管板 換熱管 換熱器

0 前言

換熱管與管板常用的連接方式有強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹和脹焊并用等多種方式。在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)可以按照不同的設(shè)計(jì)條件和工況選擇相應(yīng)的連接方式[1]。然而，在有些特殊的條件下，選用上述幾種連接方式將會(huì)使設(shè)計(jì)和制造的難度大大增加，甚至很難保證產(chǎn)品質(zhì)量。例如，由于材質(zhì)原因管板與換熱管之間無(wú)法焊接；管板為鑄鐵件，管板與換熱管之間無(wú)法使用強(qiáng)度脹。因此，在這些特殊的情況下只得選用特殊的連接方式。本文通過(guò)一換熱器設(shè)計(jì)實(shí)例，討論一種特殊連接方式的設(shè)計(jì)與計(jì)算。

1 連接方式簡(jiǎn)介

圖1所示為一波紋管氨氣冷凝冷卻器。已知管程介質(zhì)為母液，設(shè)計(jì)壓力0.4 MPa，工作溫度進(jìn)口/出口30/50℃，設(shè)計(jì)溫度80℃；殼程介質(zhì)為氨氣，設(shè)計(jì)壓力0.1 MPa，工作溫度進(jìn)口/出口82/74℃，設(shè)計(jì)溫度110℃。管程側(cè)介質(zhì)對(duì)普通碳鋼、低合金鋼、不銹鋼均有較強(qiáng)的腐蝕性，鑄鐵在這種環(huán)境下有獨(dú)特的耐腐蝕優(yōu)勢(shì)，而且使用鑄鐵管板比較經(jīng)濟(jì)合理，故管板材料選用HT250。換熱管選用在該介質(zhì)下不腐蝕的鈦材TA1波紋管，規(guī)格為?32 mm×0.8 mm。管、殼程殼體采用低合金鋼Q345R，內(nèi)壁進(jìn)行防腐處理。該換熱器大部分的結(jié)構(gòu)和普通換熱器相同，但由于管板選用了特殊的材料鑄鐵件，因此換熱管與管板的連接方式以及管板的計(jì)算方法與普通換熱器完全不同。該換熱器詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該設(shè)備中，鑄鐵焊接性能太差，管板與換熱管間焊接難度較大，保證不了焊接質(zhì)量，因此管板與換熱管間無(wú)法采用強(qiáng)度焊；同時(shí)由于鑄鐵硬度低，且材料脆性大，滿足不了強(qiáng)度脹接對(duì)材料的要求，因此管板與換熱管間也無(wú)法采用強(qiáng)度脹。采用本文所述的連接方式可以避免以上問(wèn)題。該連接方式是將具有彈性的3個(gè)O形橡膠圈裝入管板管孔與換熱管外壁形成的環(huán)形腔內(nèi)，擠壓緊密，再塞入止推環(huán)。裝入時(shí)，由于擠壓作用O形橡膠圈形成一定量的彈性變形，裝入后橡膠圈回彈，從而緊密擠壓在管板和換熱管之間，形成密封帶，同時(shí)密封了管板兩側(cè)的介質(zhì)。這種連接方式避免了管板與換熱管間的焊接或者強(qiáng)度脹接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)

圖2 換熱管與管板連接

2 關(guān)鍵尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算

要確保上述這種密封方式的密封有效性，必須對(duì)其相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。需要確定的主要尺寸有：O形橡膠圈自由狀態(tài)下直徑d，管孔內(nèi)徑d3。這些尺寸決定了橡膠圈的壓縮率，而橡膠圈的壓縮率直接影響其密封性能。國(guó)內(nèi)外根據(jù)大量試驗(yàn)得出了許多壓縮率的數(shù)據(jù)。表1所示為國(guó)內(nèi)采取的壓縮率推薦值，可以根據(jù)不同工況進(jìn)行選取[2]。

其他相關(guān)參數(shù)如下：

O形橡膠圈自由狀態(tài)下橫截面直徑ω=4 mm;

O形橡膠圈自由狀態(tài)下直徑d;

表1 O形橡膠圈截面壓縮率k（%）推薦值

O形橡膠圈自由狀態(tài)下內(nèi)直徑d1;

換熱管外徑d2=32 mm;

管孔大端內(nèi)徑d3;

O形橡膠圈拉伸率α=1.020～1.025[2];

O形橡膠圈壓縮率k=15%～20%。

橡膠圈拉伸率： α=(d2＋ω）/(d1＋ω)

O形橡膠圈自由狀態(tài)下直徑d=d1+ω=35.3～35.1 mm，取d=35 mm。

管孔大端內(nèi)徑與換熱管外壁對(duì)O形橡膠圈截面的擠緊程度用壓縮率k表示。壓縮率k的選取直接影響到橡膠圈的密封性能，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并參考表1取壓縮率 k=15%～30%[2-3]。

取d3=38 mm。這樣就確定了O形橡膠圈自由狀態(tài)下直徑d=35 mm，管孔大端內(nèi)徑d3=38 mm，并可按照尺寸d3對(duì)管板進(jìn)行加工。

3 管板的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)GB 151—1999《管殼式換熱器》中的第5.6.3.2款的規(guī)定[1]，?32 mm換熱管在管板上最小中心距應(yīng)不小于40 mm，管橋?qū)挾葢?yīng)為40－32=8 mm。由于大端開(kāi)孔直徑?38 mm，大于?32 mm,若中心距取40 mm，大端側(cè)管橋?qū)挾葍H為40－38=2 mm。為了保證大端側(cè)管橋?qū)挾炔恍∮跇?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8 mm，同時(shí)考慮管板加工時(shí)的鉆孔偏差，取換熱管中心距為53 mm。這樣大端側(cè)管橋?qū)挾葹?5 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，換熱管按中心距53 mm進(jìn)行布管。

在這種連接方式下，換熱管對(duì)管板的支承作用相對(duì)于強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹以及脹焊并用的結(jié)構(gòu)可以忽略不計(jì)，管板承受的溫差應(yīng)力也可以忽略不計(jì)，因此將管板看作為圓形平蓋進(jìn)行計(jì)算。

殼程設(shè)計(jì)壓力ps=0.1 MPa；

管程設(shè)計(jì)壓力pt=0.4 MPa；

管板設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[4][σ]t=25 MPa；

平蓋計(jì)算直徑Dc=1220 mm；

管板整體鑄造焊接接頭系數(shù)φ=1。

平蓋計(jì)算厚度δp可按下述方法計(jì)算：

根據(jù)GB 150—1998可得平蓋結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K=0.351[5]。考慮到平蓋的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，需將系數(shù)K作一修正，即采用K/v進(jìn)行修正計(jì)算。經(jīng)計(jì)算v=0.709[5]，平蓋（管板）的設(shè)計(jì)壓力取管程側(cè)壓力pc=pt=0.4 MPa。因此，有

考慮到管板兩側(cè)腐蝕裕量及管程一側(cè)開(kāi)槽，最終管板設(shè)計(jì)厚度取120 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

該連接方式主要應(yīng)用于換熱管與管板不適用于強(qiáng)度焊和強(qiáng)度脹的情況。顯然這種連接方式具有下述優(yōu)點(diǎn)：

（1）解決了特殊介質(zhì)的腐蝕問(wèn)題；

（2）避免了使用貴重的耐蝕鋼材的高費(fèi)用問(wèn)題；

（3）解決了管板與換熱管之間不能焊、不能脹的連接問(wèn)題，并考慮了設(shè)備制造的工藝性，使換熱器的制造簡(jiǎn)單可行。

經(jīng)過(guò)水壓試驗(yàn)，這種結(jié)構(gòu)O形橡膠圈密封效果良好，沒(méi)有任何泄漏。

由此可以設(shè)想，將一些機(jī)械性能相對(duì)較好的其他耐蝕材料 （例如高強(qiáng)度塑料、石墨等）用作換熱器的管板材料，換熱器的其他部分也做相應(yīng)的防腐處理，相信許多因強(qiáng)腐蝕而導(dǎo)致的換熱器使用壽命短、價(jià)格高、危險(xiǎn)性大等問(wèn)題會(huì)得到很好的解決。

[1]GB 151—1999.管殼式換熱器 [S].

[2]胡國(guó)楨，石流，閻家賓.化工密封技術(shù) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990.

[3]海因茈K米勒，伯納德S納烏.流體密封技術(shù)——原理與應(yīng)用 [M].程傳慶譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4]HG 20531—1993.鑄鋼、鑄鐵容器 [S].

[5]GB 150—1998.鋼制壓力容器 [S].

A Connection Manner of Tube and Tube Sheet under Special Conditions

Zhao Jinyong He Jinyu Ren Yanfang

There are several connection manners of tube and tube sheet in GB 151,including strength welding,strength expansion,expanding and welding and so on.Mainly discusses another connection manner,using rubber O ring for connection,and reviews the structure design and the tube sheet design calculation in detail.

Rubber O ring;Compression ratio;Seal;Tube sheet;Heat transfer pipe;Heat exchanger

TQ 050.3

*趙金勇，男，1981年生，助理工程師。三門(mén)峽市，472000。

2012-04-13）