【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ≥ ， sn 9 ≥ 3， 0，而現(xiàn)在則為 bn ≥ ， sn ≥ . GB150 給出了鋼板，鋼管，鍛件以及螺栓材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力同時(shí)也列出了確定鋼材許用應(yīng) 力的依據(jù)。螺栓的許用應(yīng)力應(yīng)根據(jù)材料的不同狀態(tài)和直徑大小而定。為保證螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的密封性，必須嚴(yán)格控制螺栓的彈性變形。一般情況下，螺栓材料的許用應(yīng)力取值比其他受壓元件材料低；同時(shí)為防止小直徑螺栓在安裝時(shí)斷裂，小直徑螺栓的許用應(yīng)力也比大直徑的低。 材料的選取 壓力容器材料的選取，壓力容器材料費(fèi)用占總成本的比例很大，一般超過(guò) 30%。材料性能對(duì)壓力容器運(yùn)行的安全性有顯著的影響。選材不當(dāng)，不僅會(huì)增加總成本，而且有可能導(dǎo)致壓力容器破壞事故。因此，合理選材是壓力容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。壓力容器用料多種多樣，有鋼， 有金屬，非金屬，復(fù)合材料等， 壓力容器用鋼的基本要求是有較高的強(qiáng)度，良好的塑性，韌性，制造性能和與介質(zhì)形容性。改善鋼材性能的途徑主要有化學(xué)成分的設(shè)計(jì)，組織結(jié)構(gòu)的改變和零件表面改性。 化學(xué)成分 鋼材的化學(xué)成分對(duì)其性能和熱處理有較大的影響。提高碳含量可能使強(qiáng)度 增加，但是可焊性變差，焊接時(shí)易在熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋。因此，壓力容器用鋼的含碳量一般不大于 %。在鋼中加入釩，鈦，鈮等元素，可提高鋼的強(qiáng)度和韌性。 硫和磷是鋼中最主要的有害元素。硫能促進(jìn)非金屬夾雜物的形成，使塑料和韌性降低。磷能使高鋼的強(qiáng)度 ，使會(huì)增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。將硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高鋼材的純凈度，可提高鋼材的韌性， 10 抗中子輻照脆化能力，改善抗應(yīng)變時(shí)效性能，抗回火脆化性能和耐腐蝕性能。因此，與一般結(jié)構(gòu)鋼相比，壓力容器用鋼對(duì)磷，硫，氫等有害雜質(zhì)元素含量的控制更加嚴(yán)格。例如，中國(guó)壓力容器用鋼的硫和磷含量分別應(yīng)低于 0， 020%和 %。隨著冶煉水平的提高，目前已可將硫的含量控制在 %以內(nèi)。 另外，化學(xué)成分對(duì)熱處理也有決定性的影響，如果對(duì)成分控制不嚴(yán)，就達(dá)不到預(yù)期的熱處理效果。 力學(xué)與性能 由于載荷和應(yīng)力狀態(tài)的不同，以及鋼材在受力狀態(tài)下所處的工作環(huán)境的不同，鋼材受力后所表現(xiàn)出的不同行為，稱為材料的力學(xué)行為。例如，低碳鋼拉伸試件縮頸中心部位處于三向應(yīng)力狀態(tài)，出現(xiàn)的是大體上與載荷方向垂直的纖維狀斷后，而邊緣區(qū)域接近平面應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生的是與載荷成 45176。的剪切唇。因此，鋼材的力學(xué)行為，不僅與鋼材的化學(xué)成分，組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與材料所處的應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境有密切的關(guān)系。 鋼材的力學(xué)性能主要的表征強(qiáng)度，韌性，塑性變形能力的判據(jù)，是近些設(shè)計(jì)時(shí)選材和強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)。壓力容器設(shè)計(jì)中，常用的強(qiáng)度判據(jù)包括抗拉強(qiáng)度b? ，屈服點(diǎn) s? ，持久強(qiáng)度 D? ，蠕變極限 n? 和疲勞極限 1? ；塑性判據(jù)包括延伸率5? ，斷面收縮率 ? ；韌性判據(jù)包括吸收功 AKV，韌脆轉(zhuǎn)變溫度，斷裂韌性等。 韌性對(duì)壓力容器安全 運(yùn)行具有重要意義。在載荷作用下，壓力容器中的缺陷常會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某一臨界尺寸時(shí)將會(huì)引起斷裂事故，此臨近裂紋尺寸的大小主要取決于鋼的韌性。如果鋼的韌性高，壓力容器所允許的臨界裂紋尺寸就越大，安全性也越高。因此，為防止發(fā)生脆性斷裂和裂紋快速擴(kuò)展，壓力容 11 器常選用韌性好的鋼材。 制造工藝性能 材料制造工藝性能的要求與容器結(jié)構(gòu)形式和使用條件緊密相關(guān)。制造過(guò)程中進(jìn)行冷卷，冷沖壓加工的零部件，要求鋼材有良好的冷加工成型性能和塑性，其延伸率 5? 應(yīng)在 15%20%以上。為檢驗(yàn)鋼板承受彎曲變形能力，一般應(yīng)根據(jù)鋼板的厚度，選用合適的彎心直徑，在常溫下做彎曲角度為 180176。的彎曲實(shí)驗(yàn)。試樣外表面無(wú)裂紋的鋼材方可用于壓力容器制造。 壓力容器各零件間主要采用焊接連接，良好的可焊性是壓力容器用鋼一項(xiàng)極其重要的指標(biāo)?？珊感允侵冈谝欢ê附庸に嚄l件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。鋼材的可焊性主要取決于它的化學(xué)成分，其中影響最大的是碳含量。含碳量越低，越不容易產(chǎn)生裂紋，可焊性越好。 管程結(jié)構(gòu) 流體流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相通部分稱為管程。 換熱管 （ 1） 換熱管形式 除光管外，換熱管還可采用各種各樣的強(qiáng)化換熱管，如翅片管，螺旋槽管，螺紋管等。當(dāng)管內(nèi)外兩側(cè)給熱系數(shù)相差較大時(shí)，翅片管的翅片應(yīng)布置在給熱系數(shù)低的一側(cè)。 換熱管尺寸換熱管尺寸主要為 φ 19mm 2mm, φ 25mm , φ 38mm,無(wú)縫鋼管以及 φ 25mm 2mm, φ 38mm 的不銹鋼管。標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)有 ，, 等。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大，結(jié)構(gòu)緊 12 湊，金屬耗量減少，傳熱系數(shù)提高。據(jù)估算，將同直徑換熱器的換熱管有 25mm 改為 19mm， 其傳熱面積可增加 40%左右，節(jié)約金屬 20%以上。但小管徑流體大，不便清洗，易結(jié)垢堵塞。一般大直徑管子用于粘性大或污濁的流體，小直徑管子用于較清潔的流體。 （ 2） 換熱管材料 常用材料有碳素鋼，低合金鋼，不銹鋼，銅銅鎳合金，鋁合金，鈦等。此外還有一些非金屬材料，如石墨，陶瓷，聚四氟乙烯等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)工作壓力，溫度和介質(zhì)腐蝕性等選用合適材料。 （ 3） 換熱管排列形式及中心距 換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形，正方形和轉(zhuǎn)角三角形，轉(zhuǎn)角正方形。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用的最為普遍，但管外不一清洗。為便于管外清洗，可以采用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。 管板 管板是管殼式換熱器最重要的零件之一，用來(lái)排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開(kāi)來(lái)，避免冷熱流體混合，并同時(shí)受管程，殼程壓力和溫度的作用。 （ 1） 管板材料 在選擇管板材料時(shí)除力學(xué)性能外，還應(yīng)考慮管程和 殼程的流體的腐蝕性，以及管板和換熱管之間的電位差對(duì)腐蝕的影響。當(dāng)流體物腐蝕性或有輕微腐蝕時(shí)，管板一般采用壓力容器用碳素鋼或低合金鋼板或鍛件制造。 當(dāng)流體 腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，管板應(yīng)采用不銹鋼，銅，鋁，鈦等耐腐蝕材料。但對(duì) 13 于較厚的管板，若整體采用價(jià)格昂貴的耐腐蝕性，造價(jià)很高。例如，高溫，高壓換熱器中，管板厚度達(dá) 300mm 以上，有的甚至達(dá)到 50mm。為節(jié)約耐腐蝕材料，工程上常采用不銹鋼 +鋼，鈦 +鋼，銅 +鋼等符合板，或堆焊襯里。 （ 2） 管板結(jié)構(gòu) 當(dāng)換熱器承受高溫，高壓時(shí)，高溫和高壓對(duì)管板的要求的矛盾的。增大管板厚度，可以提高承受能力，但當(dāng)管板兩側(cè)流體溫差很大時(shí)，管板內(nèi)部沿厚度方向的熱應(yīng)力。當(dāng)迅速停車(chē)或進(jìn)氣溫度突然變化時(shí)，熱應(yīng)力往往會(huì)導(dǎo)致管板和換熱管在連接處發(fā)生破壞。因 此，在滿足強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減少管板厚度。薄管板顧名思義是指相對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范計(jì)算所得的管板厚度要薄很多的管板，一般厚度為 820mm。 當(dāng)要求嚴(yán)格禁止管程和殼程中的介質(zhì)互相混合時(shí)，可采用雙管板結(jié)構(gòu)。在雙管板結(jié)構(gòu)中管子分別固定在兩塊管板上，兩塊管板保持一定距離，如果管子與管板連接處有少量流體漏出，可讓其從連管板之間的空隙泄放之外界，也可利用一薄壁圓筒將此空隙封閉起來(lái)，充入惰性氣體，使其壓力高于管程和殼程的壓力，達(dá)到避免兩種介質(zhì)混合的目的。 管箱 殼體 直徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。管箱位于管殼式換熱器的兩端，管箱的作用是把管道輸送來(lái)的流體均勻的分布到各換熱管的把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起改變流體流向的作用。 管箱的結(jié)構(gòu)形式主要以換熱器是否需要清洗或管束是否需要分程等原因來(lái)決定。 14 管束分程 在管內(nèi)流動(dòng)的流體從管子的一端流到另一端，稱為一個(gè)管程。在管殼式換熱器中，最簡(jiǎn)單最常用的是單管程的換熱器。如果根據(jù)換熱器工藝設(shè)計(jì)要求，需要加大換熱器面積時(shí)，可以采用增加管長(zhǎng)或者管數(shù)的方法。但前者受到加工，運(yùn)輸，安裝以及維修等當(dāng) 面的限制，故經(jīng)常采用后一種方法。增加管數(shù)可以增加換熱面積，但介質(zhì)在管束中的流速隨著換熱管數(shù)的增多而下降，結(jié)果反而使流體的傳熱系數(shù)降低，故不能僅采用增加換熱管數(shù)的方法來(lái)達(dá)到提高傳熱系數(shù)的目的。未解決這個(gè)問(wèn)題，使流體在管束中保持較大的流速，可將管束分成若干程數(shù)，使流體一次流過(guò)各程管子，以增加流體速度，提高傳熱系數(shù)。管束分程可采用多種不同的組合方式，對(duì)于每一程中的管數(shù)應(yīng)大致相等，且程與程之間溫度差不易過(guò)大，溫差以不超過(guò) 20℃左右為宜，否則在管束與管板中將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。 對(duì) 4程分法來(lái)說(shuō)。有平行和工字形兩種，一般 為了接管方便，選用平行分法較合適，同時(shí)平行分法亦可使管箱內(nèi)殘液放盡。工字型排列的優(yōu)點(diǎn)是比平行法密封線短，且可排列更多管子。 換熱管與管板連接 換熱管與管板連接時(shí)管殼式換熱器設(shè)計(jì)，制造最關(guān)鍵的技術(shù)之一，是換熱器事故率最多的部位。所以換熱管與管板連接質(zhì)量的好壞，直接影響換熱器的壽命。 換熱管與管板的鏈接方法主要有強(qiáng)度脹接，強(qiáng)度焊和脹焊并用。 （ 1） 強(qiáng)度脹接 是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的脹接。常用的脹接有非均勻脹接和均勻脹接兩大類。強(qiáng)度脹接的結(jié)構(gòu)形式和尺寸見(jiàn)圖 4。圖中 l1為換熱 15 管 伸出管板的長(zhǎng)度， K為槽深，它們隨換熱管外徑的大小而改變； l 為最小脹接長(zhǎng)度，其值與管板名義厚度有關(guān)。 機(jī)械滾珠脹接為最早的脹接方法，目前熱在大量使用。他利用滾脹管深入插在管板孔中的管子的端部，旋轉(zhuǎn)脹管器使管子直徑增大并產(chǎn)生塑性變形，而管板只產(chǎn)生彈性變形。取出脹管器后，管板彈性恢復(fù)，使館板與管子間產(chǎn)生一定的擠壓力而貼合在一起，從而達(dá)到緊固的密封的目的。 液壓脹接與液袋脹接的基本原理相同，都是利用液體壓力使換熱管產(chǎn)生塑性變形。橡膠脹接是利用機(jī)械壓力是特種橡膠長(zhǎng)度縮短，直徑變大，從而帶動(dòng)管熱管擴(kuò)張達(dá)到脹接目的這些 脹接方法具有生產(chǎn)率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，密封性能好等優(yōu)點(diǎn)。 強(qiáng)度脹接主要適用于設(shè)計(jì)壓力小于等于 ；設(shè)計(jì)溫度小于等于 300℃；操作中無(wú)劇烈震動(dòng)，無(wú)過(guò)大溫度波動(dòng)及無(wú)明顯應(yīng)力腐蝕等場(chǎng)合。 （ 2） 強(qiáng)度焊 是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的焊接。由于管孔不需要退火和磨光，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)。在高溫高壓下也能保證連接處的密封性能和抗拉脫能力。管子焊接處如有滲漏可以補(bǔ)焊或利用專用工具拆卸后予以更換。 當(dāng)換熱管與管板連接處的焊接之后，管板與管子中存在的殘余熱應(yīng)力與應(yīng)力集中，在運(yùn)行時(shí) 可能引起應(yīng)力腐蝕與疲勞。此外，管子與管板孔之間的間隙中存在的不流動(dòng)的液體與間隙的液體有著濃度上的差別，還容易產(chǎn)生間隙腐蝕。 除有較大振動(dòng)及有間隙腐蝕的場(chǎng)合，只要材料可焊性好，強(qiáng)度焊可用其他任 16 何場(chǎng)合。管子與薄管板的連接應(yīng)采用焊接方法。 （ 3） 脹焊并用 脹接與焊接方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在有些情況下，例如高溫，高壓換熱器管子與管板的連接處，在操作中受到反復(fù)熱變形，熱沖擊，腐蝕及介質(zhì)壓力的作用，工作環(huán)境極其苛刻，很容易發(fā)生破壞。無(wú)論單獨(dú)采用焊接或是脹接都難以解決問(wèn)題。如果采用脹焊并用的方法，不僅能改善連接處的 抗疲勞性能，而且還可消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。因此目前脹接并用方法已得到比較廣泛的應(yīng)用。 脹焊并用的方法，從加工工藝過(guò)程來(lái)看，主要有強(qiáng)度焊 +密封焊，強(qiáng)度焊 +貼脹，強(qiáng)度焊 +強(qiáng)度脹等幾種形式。這里所說(shuō)的密封焊是指保證換熱管與管板連接密封性能的焊接，不保證強(qiáng)度；貼脹是指為消除換熱管與管孔間隙并不承擔(dān)拉托力的輕度脹接。如強(qiáng)度脹和密封焊相結(jié)合，則脹接承受拉脫力，焊接保證緊密性。如強(qiáng)度焊與貼脹相結(jié)合，則焊接承受拉脫力，脹接消除管子與管板間的間隙。至于脹焊的先后順序，雖無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，但一般認(rèn)為以先焊后脹為宜。因 為當(dāng)采用脹管器時(shí)需用潤(rùn)滑油，脹后難以洗凈，在焊接時(shí)存在于縫隙中的油污在高溫下生成氣體從焊面逸出，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔，嚴(yán)重影響焊縫的質(zhì)量。 脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動(dòng)或疲勞載荷；有間隙腐蝕；需采用復(fù)合管板等的場(chǎng)合。 殼程結(jié)構(gòu) 殼程主要由殼體，折流板或折流桿，支持板，縱向隔板，拉桿，防沖擋板，防短路結(jié)構(gòu)等元件組成 17 殼體 殼體一般是一個(gè)圓筒，在殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。為防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和振動(dòng)，在殼程進(jìn)口接管 處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。當(dāng)殼體法蘭采用高頸法蘭或殼程進(jìn)出口接管直徑較大或采用活動(dòng)管板時(shí)，殼程進(jìn)出口接管距管板較遠(yuǎn)，流體停滯區(qū)過(guò)大，靠近兩端管板的傳熱面積利用率很低，為克服這一缺點(diǎn)，可采用導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)。導(dǎo)流筒除可以減小流體停滯區(qū)，改善兩端流體的分布，增加換熱管的有效換熱長(zhǎng)度，提高傳熱效率外，還起防沖擋板的作用，保護(hù)管束免受沖擊。 折流板 設(shè)置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動(dòng)程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時(shí)減少結(jié)構(gòu)。在臥式換熱器中，折流板還起 支撐管束的作用。當(dāng)工藝上無(wú)需折流板要求，而換熱管有比較細(xì)長(zhǎng)時(shí)，以及浮頭式換熱器的浮頭端重量較重時(shí)或 U 形管換熱器的管束較長(zhǎng)，則應(yīng)考慮設(shè)置支持板，以起到防止換熱管變形的目的。 常用的折流板形式有弓形和圓盤(pán) 圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形，雙弓形和三弓形三種，根據(jù)需要也可采用其他形式的折流板與支持板，如堰形折流板。 弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過(guò)缺口時(shí)與橫向流過(guò)管束時(shí)的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占?xì)んw內(nèi)直徑的百分比來(lái)確定。如單弓形折流板，缺口弦高宜取 倍的殼體內(nèi)直徑，最常用的是 倍殼體內(nèi)直徑。 對(duì)于臥式換熱器，殼程為單相