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压力容器
最典型的压力容器
过程装备中最典型的压力容器就是换热器和塔器。
8.1管壳式换热器(列管式)
过程中就包括三传:传质、传热和能量传递。这三传往往是同时进行的无法单独分开,比如传递热量不也是传递能量吗,只不过在加热炉等设备内这种能量传递更明显一些而已。
在许多过程装置中都装备有加热、冷却和冷凝设备,这些设备就称之为换热器(冷换设备)。在炼油、石油化工行业换热设备的台数、质量和检修量在总数中所占的比例是很大的,见p212和表8—1。
8.1.1结构特点
最典型的换热器是管壳式又称列管式换热器,最主要的组成部分就是里面的管束和外面的壳体。根据管板的形式、管子的形状可将换热器如下分类:
固定管板式
U形管式换热器
浮头式换热器

 
填料函式
 
 

 
固定管板式换热器的优点就是结构简单、造价低。但是两端法兰是管板兼作的,所以管束抽不出,很难清洗,壳程要走清洁的介质。另外,这种换热器管、壳程温差大了不能用,通常冷热流体温差不能超过50℃。要用U形管式或浮头式,或者在壳体上加膨胀节。
U形管式换热器有一块管板,结构简单造价低但管板上布管区小,同样体积的换热器,传热面积小;浮头式换热器有两块管板,结构较复杂,消耗材料多,浮头出泄漏不易检查。
共同的特点是管束之管板是被两块壳体法兰夹住的,管束可以抽出来清洗,浮头式换热器比U形管式换热器更便于外部清洗。
列管式换热器的外壳我们已经学过了,封头、筒体等零件的制造工艺前面讲过了,所陌生的是管子,管板,折流板等内部零件,这些将在这一章中涉及,本章还有一个重要内容就是管子和管板的连接。
8.1.2主要零部件、分类、代号
换热器型号的表示方法
Ⅰ级换热器采用较高级冷拔换热管,适用于无相变的传热和易振动场合;
Ⅱ级换热器采用普通级冷拔换热管,适用于重沸,冷凝传热和无振动的一般场合。
除换热管材料不同外,折流板孔径,允差;管板孔径允差,管桥宽度等都不同。
例如: ,
8.1.3壳体组对焊接的要求与管子管板的连接
(1)壳体制造技术要求
由于换热内部是一个管束部件,管束包括折流板,换热管,拉杆,定距管等的安装。为了防止壳程介质短路,折流板与筒体内壁间的装配间隙比较小,所以换热器壳体的制造要求比一般的容器要高一些。
主要要求有4条:
1.         筒体用板材卷制时,内直径的允许偏差可通过外圆周长加以控制,其外圆周长允差上偏差为10mm,下偏差为0。
2.         圆筒同一断面上,最大直径与最小直径之差e≤0.5%DN。并且,DN≤1200mm,其值不大于5mm;DN>1200mm,其值不大于7mm。
3.         圆筒直线度允差为L/1000(L为圆筒总长)。且L≤6000mm时,其值不大于4.5mm;L>6000mm时,其值不大于8mm。
4.         壳体内部有碍于管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至与母材表面平齐。
(2)列管式换热器的制造工艺
管板:是由机加工完成的。车床上车外圆、车端面;然后到钻床上钻孔。由于换热器换热管的孔径,孔间距和管桥的尺寸都有公差要求,而一块管板上少则几百多则几千个孔,因此钻孔的工作量很大。可以使划线钻孔、钻磨钻孔、多轴机床钻孔,最先进的是数控机床钻孔。
如果按划线钻孔,要将管板同折流板叠在一起,点焊、涂油漆来配钻,以此来保证管板的位置精度以利于穿管。
折流板下料时是整圆,钻孔后切去弓形。
管板一般用锻件A3,20#或16Mn,15MnV等低合金钢或其他低合金钢。当管板较薄或要求较低时可采用热轧钢板,原则上使用锻件。
以下是固定管板式换热器的装配过程:
1.    竖一块管板作基准件;
2.    将拉杆拧紧在管板上;
3.    穿上定距管和折流板;
4.    传入换热管;
5.    装入筒体;
6.    将另一块管板装到管束的另一端,将壳体与管板点焊;
7.    在辊轮架上焊接管板和筒体;
8.    胀管或焊管;
9.    装接管、装支座;
10.             壳程水压试验,目的是检查管板和筒体的联接情况,胀管质量,纵环焊缝;
11.             装上两端管箱(封头);
12.             管束水压试验,目的是检查管板和封头的联接情况;封头上的接管质量;
13.             清理、油漆。
(3) 管子在管板上的固定方式
根据操作情况及密封要求,管子在管板上的固定方式有4种:胀接、焊接、爆炸连接和胀焊并用(先胀后焊(重胀+密封焊,轻胀+强度焊),先焊后胀)。
管子和管板的固定要求是:①密封性能好,不致于使管程介质与壳程介质混合。②有足够的抗拉脱力,不致于由于温差应力或管程、壳程压差,使管子和管板的连接拉脱。
胀接
用胀管器在管孔内进行扩管,使管端和管板孔都产生不同程度的胀大(扩张)。管子处于塑性变形状态,管板却处于弹性变形状态。当胀管器撤出之后,管板的弹性变形恢复,而管子的恢复量则很小,于是就对管子有一个挤压力,是管子和管板紧密地结合起来,达到了既密封又抗拉脱的目的。但是与焊接相比虽然间隙没有了,耐腐蚀性提高了,章节的强度和密封性还是不如焊接;不适合于管程和壳程温差较大的场合。
    用胀管法连接时,管板的硬度要高于管子端部的硬度,必要时管子的端部要退火(差值HB26 )。
胀接时可以采取各种措施增加管子和管板的胀接强度:
A.  可以在管板孔中开槽,使胀接时管子金属嵌入槽中。管孔抓住管子从而提高胀接强度。
 
B.   翻边法 如图所示。用翻边胀管器在胀管的同时,将管端滚压成喇叭口形,卡在管板上以增加抗拉脱力。
 
下面介绍胀管的设备:
图示为滚柱胀管器,1是滚柱、2是胀套、3是胀杆。它是通过胀杆的不断转动且不断进给,使滚柱1来滚压换热管的管端,使管端胀大。不同的换热管有不同的胀管头,这是一种传统的胀管方法。
滚柱胀管器有前进胀接和后退胀接两种。前者适合于中厚壁直径小于38mm管子的胀接,他的胀杆成1:25—1:50的锥度,从而使工作时的轴向分力小于摩擦力,避免滚柱和胀杆间的相对滑动。后者适用于管径大于38 mm的深度胀管。
为了保证胀接质量应注意以下几点:
1.    胀管率应适当
胀管率又称胀度     胀管率 ,
d0—管板孔径,d—胀管后管子外径。
不同的材料,不同的壁厚,要求的胀管率不同,一般认为此值以1-1.9%为佳。管子直径大,壁薄取小值;管子直径大、壁厚取大值。管子的外径不如内径容易测,所以教材上推荐另外两个公式表示胀管的程度:
        
(8-1)表示的是管板孔的内径增大率;(8-2)表示的是管子壁厚减薄率。这两个参数同样能够反映胀接的程度而且d1、d2比较容易测量。
欠胀:胀管率过小,不能保证必要的连接强度和密封性。
过胀:胀管率过大,管壁减薄严重,加工硬化明显容易产生裂纹。另外,过胀时会使管板也产生塑性变形,从而降低了胀接强度,而且不可修复。
胀管的目的是要将管子贴到管板上,管子要经过一段路程才能达到管板,这段路程就是管子外壁到管板孔内壁的距离,这段距离对胀管质量的影响是可想而知的。所以,在设计时不同的管子,要对应不同的管板孔公差。
2.    硬度差必须存在
管板的硬度应比管子的硬度高HB20-30,否则管子还没有发生塑变,管板先行塑性变形了,达不到连接的目的。没有胀接强度。所以管板的机械性能应比管子高,有时管端要退火。
3.    管子与管板孔的结合面需要光洁
胀接施工前,应先检查管板孔与管端的结合表面是否有油渍和杂物存在,只有当表面清洁后才能着手胀接。通常要求管板孔表面与沟槽的光洁度为▽3-▽4(Ra)