壓力容器波形膨脹節(jié)設計時的幾點建議

周忠義 柳 強 焦玉青

0 引言

壓力容器波形膨脹節(jié)由于撓性大、易變性、能有效地補償殼體與管束之間的變形差，達到降低因熱膨脹變形不一致引起的軸向力，避免因軸向力過大造成管板太厚影響它與換熱管的連接質(zhì)量，尤其是固定管板管殼式換熱器。然而由于殼體方面引入膨脹節(jié)，必然影響管板的撓曲變形，而管子與管板緊密連接，管子的應力狀態(tài)也將會隨管板的撓曲變形的變化而變化，因此壓力容器波形膨脹節(jié)的設置在此就顯得尤為重要。

本文基于各種形式膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)特點、承壓能力及管板所承受的應力大小進行比較說明。并簡要介紹一下壓力容器波形膨脹節(jié)的選型原則，及壓力容器波形膨脹節(jié)設計時的幾點建議。

1 壓力容器波形膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)特點及承壓能力

（1）小波高U 型膨脹節(jié)：如圖1[1]其特點是波紋管厚度薄，剛度小，可吸收較高的位移量。為滿足一定的壓力還要求足夠大位移量時，可做成多層結(jié)構(gòu)，充分注意各層間的貼合質(zhì)量即可。結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間相對要小，不會各層同時突然爆裂，不具有威脅力。承壓能力相對較低，適用壓力在6.4 Mpa 以下。

圖1

（2）大波高U 型膨脹節(jié)：如圖2[1]其特點是波紋管厚度大，剛度大，承壓能力相對較低，適用壓力在6.4 Mpa 以下。

（3）Ω 型膨脹節(jié)：如圖3[2]其特點是波紋管厚度小，剛度小，承壓能力強，對于剛度和位移應力是U 型的74.6%，內(nèi)壓應力為U 型的0.2～0.067。為滿足一定的壓力還要求足夠大位移量時，可做成多層結(jié)構(gòu)，充分注意各層間的貼合質(zhì)量即可。結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間相對要小，不會各層同時突然爆裂，不具有威脅力。適用壓力在35 Mpa 以下。

圖2

圖3

（4）小波高加強U 型膨脹節(jié)：如圖4[2]其特點是波紋管厚度小，剛度小，為滿足一定的壓力還要求足夠大位移量時，可做成多層結(jié)構(gòu)，充分注意各層間的貼合質(zhì)量即可。結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間相對要小，不會各層同時突然爆裂，不具有威脅力。承壓能力適中，適用壓力在10 Mpa 以下。此膨脹節(jié)在固定管板換熱器中已經(jīng)得到廣泛應用。建議此次修訂新標準時列入此種形式膨脹節(jié)。

圖4

2 膨脹節(jié)的設置對危險組合工況的影響

（1）根據(jù)我公司承接的某項目在固定管板換熱器上，膨脹節(jié)的選用算例進行比較說明，換熱器設計數(shù)據(jù)見表1。

（2）根據(jù)GB/T 151-2014《熱交換器》[3]計算可知，此換熱器須設置膨脹節(jié)，波紋管的設計數(shù)據(jù)見表2。

（3）設計條件下的危險組合，則應考慮下列的危險組合工況。

圖5

1）只有殼程壓力Ps，而管程壓力Pt=0，不計膨脹變形差；Ps的徑向作用，使圓筒產(chǎn)生環(huán)向應力并徑向膨脹。使圓筒軸向收縮。Ps 對管板下表面的軸向作用，使管束伸長。由于圓筒的變形須與管板的變形保持協(xié)調(diào)，變形值與圓筒、管束的軸向剛度及管板的彎曲剛度有關，膨脹節(jié)殼程壓力作用時，因膨脹節(jié)產(chǎn)生的壓力推力和Ps 在膨脹節(jié)波谷中的作用，對整個殼程圓筒軸向變形的影響，會抵消掉因壓力產(chǎn)生的圓筒軸向收縮和管束伸長而產(chǎn)生的應力，可見在殼程壓力為正壓，膨脹節(jié)適當?shù)膭偠戎岛筒ㄐ螀?shù)（如果殼程單獨作用產(chǎn)生的應力值比較大，需選用大波高膨脹節(jié)）會與殼程壓力單獨作用時產(chǎn)生的應力方向相反，管板應力反而減小，對管板強度來說不會成為危險工況。圓筒、管束和管板三者變形協(xié)調(diào)后形狀如圖5 所示[4]。

2）只有管程壓力Pt，而殼程壓力Ps=0，不計膨脹變形差；Pt沿圓筒軸向作用于封頭上，此載荷使圓筒產(chǎn)生軸向應力，此時Pt 為負壓，使圓筒軸向壓縮，同時，在Pt 徑向作用下，圓筒產(chǎn)生環(huán)向應力，發(fā)生徑向膨脹。Pt 對管板表面（不包括管孔部分）產(chǎn)生軸向載荷，使管束受到軸向拉伸。同時，Pt 徑向作用使管子產(chǎn)生環(huán)向應力，發(fā)生徑向膨脹，此時的管板變形同殼程單獨作用時變形值情況一致，故此工況設置膨脹節(jié)適當?shù)膭偠扰c波形參數(shù)（因為管程壓力較低，選用小波高膨脹節(jié)較合理）產(chǎn)生的應力與管程單獨作用時產(chǎn)生的應力方向相反，管板應力反而減小，對管板強度來說不會成為危險工況。

表1 換熱器設計計算基本數(shù)據(jù)表

表2 波紋管設計計算基本數(shù)據(jù)表

3）殼程壓力Ps=0，管程壓力Pt=0，計入管殼熱膨脹差作用。管子材料沿長度平均金屬溫度為t1，殼體材料沿長度平均金屬溫度為ts，設ts＞t1，即管殼間將產(chǎn)生熱膨脹差（換熱管變形伸長大于圓筒變形伸長）。管程由于熱膨脹將自由變形伸長，圓筒由于熱膨脹產(chǎn)生軸向伸長，因此管殼的自由變形必須進行協(xié)調(diào)。此種工況設置膨脹節(jié)，也起到了減小管板應力的作用。如圖6所示[4]。

圖6

圖7

4）法蘭力矩作用情況，設有延長部分兼作法蘭的管板，管板將直接受到法蘭力矩的作用。在法蘭力矩作用下，管箱法蘭和管板法蘭將直接產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。如圖7 所示[4]。

（4）組合載荷下的應力，即在Pt、Ps、管殼熱膨脹差及法蘭力矩同時作用時的變形與應力，可按其分別作用的情況進行疊加。依照GB/T 151-2014《熱交換器》要求的六種工況分析，此算例中最危險工況組合如下所示。

1）對Pt 與Ps 同時作用的情況。由于其管板的變形方向是相同的，即作用于管板周邊的橫剪力及彎矩是趨于一致的，管板應力反而增大，對管板強度來說，成為危險工況。換熱管的軸向應力也隨之增大，選用小波高膨脹節(jié)，因其剛度小，波峰內(nèi)直徑相對較小，在Ps 作用下因其自身的軸向力和波谷效應使殼程伸長，軸向力和波谷效應引起的軸向變形較小，如若選用大波高膨脹節(jié)，其剛度大，波峰內(nèi)直徑相對大，在Ps 作用下其自身的軸向力和波谷效應使殼程伸長。其軸向力和波谷效應引起的軸向變形較大，固然根據(jù)管板的變形協(xié)調(diào)可以減小換熱管軸向拉伸應力和降低管板的應力。

2）對Pt 與管殼熱膨脹差同時作用的情況。Pt 為負壓，管束熱膨脹大于殼體熱膨脹時，其管板變形方向相同，則兩種載荷對管板產(chǎn)生的應力將發(fā)生疊加，因此可能構(gòu)成管板應力的危險工況。

3）對于Ps 與管殼熱膨脹差同時作用的情況。Ps 為正值并且管束熱膨脹差大于殼體熱膨脹時，其管板周邊受力及管板變形趨于一致，故管板應力增大，可能成為管板強度的危險工況。

4）對于Ps 與Pt 及管殼熱膨脹差同時作用的情況。Ps 為正值，Pt 為負壓，且管束熱膨脹差大于殼體熱膨脹時，其管板周邊受力及管板變形趨于一致，故管板應力增大，可能成為管板強度的危險工況。

壓力組合作用工況，殼程有膨脹節(jié)的換熱器在壓力作用下的管板變形和危險工況組合，當換熱器殼程設置膨脹節(jié)后，殼程壓力的波谷效應，將膨脹節(jié)軸向拉長，結(jié)果使整個殼程筒體產(chǎn)生軸向伸長，他們間變形協(xié)調(diào)的結(jié)果，會使管板產(chǎn)生與不帶膨脹節(jié)時相反的彎曲變形，同時使周邊管子收到拉伸。其情形與管程壓力作用下的管板、管子的變形及應力情況相反。為此殼程壓力與管程壓力共同作用，此危險工況的管板應力可比較壓力單獨作用工況的應力低許多。因此膨脹節(jié)的剛度產(chǎn)生的軸向力和壓力作用下波谷產(chǎn)生的軸向變形應足夠大，以緩解組合工況下的應力問題。比較算例中兩個形式膨脹節(jié)，選用大波高膨脹節(jié)尤為合理。帶有薄壁波紋管的換熱器在制造、運輸、安裝和維修中的不當處理都會損壞膨脹節(jié)，在大型設備上此類薄壁膨脹節(jié)特別易于受損，某些設計人員更樂于使用厚壁膨脹節(jié)，這是次要的，關鍵是使膨脹節(jié)的安裝有益于管板的變形協(xié)調(diào)等綜合因素。

3 結(jié)語

通過以上比較分析，應用于這種工況條件下的換熱器，選用大波高厚壁膨脹節(jié)應力分布較合理。說明在選用壓力容器波形膨脹節(jié)時，每種結(jié)構(gòu)形式都有其優(yōu)越性，希望廣大同仁設計帶膨脹節(jié)的設備時，能充分考慮膨脹節(jié)所獨有的特點，雖然不同形式的膨脹節(jié)都有可能達到設備的應力要求，但考慮經(jīng)濟、安全等綜合因素的影響，使其安裝后的應力狀態(tài)處于最佳，應選擇一個較為合理的膨脹節(jié)，這何嘗不是一個理想的設計。并結(jié)合近些年壓力容器波形膨脹節(jié)的設計，提出新版修訂的建議共同行討論其可行性。