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列管式石墨換熱器中溫差應(yīng)力分析

2022-01-26 09:19吳彩霞
全面腐蝕控制 2022年1期
關(guān)鍵詞:殼體換熱器溫差

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:

(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)時因受現(xiàn)場安裝條件限制,所以這批設(shè)備設(shè)計成管長只有一米多點的固定管板的,管程介質(zhì)有機(jī)物,殼程介質(zhì)水蒸汽。

為什么這臺設(shè)備會頻繁出問題,分析如下:

殼體與管子在制造裝配時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。做冷卻器時比做加熱器使用時安全,石墨管可發(fā)揮抗壓性能的優(yōu)點,加熱器不宜用固定管板式。

浮頭列管式石墨換熱器,其中一個管板是浮動管板。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,可以通過管束的自由浮動而得到補(bǔ)償,不致使管束承受溫差應(yīng)力而破壞。

3 結(jié)語

對石墨一類的脆性材料所制成的設(shè)備來說,溫差應(yīng)力對設(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)或年久失修使浮動失效,而產(chǎn)生過大的溫差應(yīng)力導(dǎo)致破壞。

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