列管式石墨換熱器中溫差應(yīng)力分析

吳彩霞

（遼陽炭素依渤石墨設(shè)備有限公司，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

不透性石墨換熱設(shè)備有優(yōu)良的耐腐蝕性和傳熱性能，用于腐蝕性介質(zhì)的傳熱過程更能發(fā)揮石墨設(shè)備的優(yōu)越性。

列管式石墨換熱器不僅用于鹽酸、硫酸、乙酸等腐蝕性介質(zhì)，還廣泛地應(yīng)用于化肥、染料、化工、有機(jī)合成、制藥等工業(yè)部門，用于加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)和吸收等化工單元操作。

1 列管式石墨換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分類

列管式石墨換熱器是由不透性石墨管和管板用粘接劑粘接組成管束，放置于鋼制圓筒殼體內(nèi)，兩端設(shè)置不透性石墨材料或其他防腐材料制封頭，分別用螺栓緊固。

列管式石墨換熱器特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，材料利用率高，流體阻力小，可制成較大傳熱面積設(shè)備；

（2）傳熱效率不如塊孔，允許使用壓力、溫 度低。

列管式石墨換熱器按結(jié)構(gòu)形式分類：

（1）固定管板列管式石墨換熱器；

（2）浮頭列管式石墨換熱器；

（3）單管填料密封列管式石墨換熱器。

2 列管式石墨換熱器中的溫差應(yīng)力

因列管式石墨換熱器被廣泛應(yīng)用，工作中遇到的問題較多。曾有一用戶的一批列管式石墨換熱器使用當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)泄漏，邀請我司技術(shù)人員到現(xiàn)場幫忙分析一下情況。我們到現(xiàn)場后了解到，當(dāng)時(shí)因受現(xiàn)場安裝條件限制，所以這批設(shè)備設(shè)計(jì)成管長只有一米多點(diǎn)的固定管板的，管程介質(zhì)有機(jī)物，殼程介質(zhì)水蒸汽。

為什么這臺(tái)設(shè)備會(huì)頻繁出問題，分析如下：

殼體與管子在制造裝配時(shí)在裝配溫度下都具有一致的長度，由于操作后管子與殼體的溫度都變化了，現(xiàn)假定管子溫度高于殼體溫度，管子由于熱膨脹的伸長可能大于殼體的伸長，但管子與殼體是通過管板剛性連接在一起的，各自不能自由膨脹，相互之間產(chǎn)生變形約束。結(jié)果管子受殼體的約束而被迫減少伸長，而殼體又受管子的反作用被迫增加伸長，導(dǎo)致管子中受到軸向壓縮應(yīng)力，而殼體中受到軸向拉伸應(yīng)力，這就是因溫差而在管子與殼體中產(chǎn)生的溫差應(yīng)力[1]。

由此力在管子與殼體中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力如下：

式中 σt為管子中所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，Pa；

σs為殼體中所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，Pa；

P為由于溫差而作用在管子或殼體上的軸向 力，N；

Ft，F(xiàn)s為分別為管子與殼體的橫截面積，m2；

Et，Es為分別為管子與殼體材料的彈性模量，Pa；

αt，αs為分別為管子與殼體的材料線脹系數(shù)，1/℃；

tt，ts為分別為管子與殼體的計(jì)算溫度，℃；

t0為裝配溫度，℃。

由以上分析可知：

（1）溫差應(yīng)力的大小與換熱管的長度無關(guān)。改變換熱器的長度無濟(jì)于改善溫差應(yīng)力；

（2）當(dāng)材料與結(jié)構(gòu)已確定后，溫差應(yīng)力的大小主要與溫度差（tt-t0）及（ts-t0）有關(guān)。兩者溫差愈大，溫差應(yīng)力也愈大。

固定管板式石墨換熱器，其石墨管與兩管板均采用膠粘結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，但只適用于使用溫度較低，且兩種介質(zhì)溫度較小的場合。做冷卻器時(shí)比做加熱器使用時(shí)安全，石墨管可發(fā)揮抗壓性能的優(yōu)點(diǎn)，加熱器不宜用固定管板式。

浮頭列管式石墨換熱器，其中一個(gè)管板是浮動(dòng)管板。這樣，由于管子和殼體材料的膨脹系數(shù)不同以及兩者的溫差，隨著溫度的變化管束與殼體的伸長和收縮量不一致時(shí)，可以通過管束的自由浮動(dòng)而得到補(bǔ)償，不致使管束承受溫差應(yīng)力而破壞。

3 結(jié)語

對(duì)石墨一類的脆性材料所制成的設(shè)備來說，溫差應(yīng)力對(duì)設(shè)備的安全有很大的威脅。列管式石墨換熱器必須改為浮頭式的結(jié)構(gòu)，即使如此也要防止浮頭結(jié)構(gòu)中由于制造，組裝不當(dāng)或年久失修使浮動(dòng)失效，而產(chǎn)生過大的溫差應(yīng)力導(dǎo)致破壞。