膨胀节的设计要点分析

 　　【摘 要】主要论述了固定管板式换热器中设置膨胀节的因素、膨胀节的设计计算以及如何避免设置膨胀节。
中国
　　【关键词】固定管板式换热器 膨胀节 设计
　　在固定管板式换热器设计中，经常会遇到需要设置膨胀节的问题，其中以固定管板换热器壳程设置膨胀节居多，本文仅讨论固定管板换热器中膨胀节的设计。
　　一、膨胀节的定义
　　由一个或几个波纹管及结构件组成，用来吸收由于热胀冷缩等原因引起的设备尺寸变化的装置。
　　二、设计工况
　　对于固定管板换热器，一般有多种设计工况，包括正常操作工况、开车工况、停车工况、事故工况等。除非能定性判断某些工况设计条件苛刻程度低于其他工况，否则应对每种设计工况逐一核算，因经常出现在正常操作工况下设备不需要设置膨胀节或设置膨胀节是安全的，而在其他工况下才需设置膨胀节或需改变膨胀节的结构参数。值得注意的是，如果工艺条件仅提供了正常操作工况的设计条件，应要求工艺专业补充提供其他工况下的设计条件。
　　三、何时需设置膨胀节
　　在管板计算中按有温差的各种工况计算出的壳体轴向应力、换热管轴向应力、换热管与管板之间的连接拉脱力中，有一个不能满足强度条件时，就需要设置膨胀节。
　　四、如何避免设置膨胀节
　　膨胀节是固定管板换热器中比较薄弱的环节，在设计中应尽量避免，可参考以下几点方法。（1）首先应从工艺流程角度考虑，工艺通过采取一定措施即可避免某些设计工况的出现，从而避免设备设置膨胀节。（2）在压力降允许的情况下，减小折流板间距。（3）在费用估算可行的情况下，可通过适当增加管板厚度，以避免膨胀节。（4）在工艺介质允许和经济合理的情况下，可通过更换壳程筒体或换热管材质以减小膨胀差，达到避免膨胀节的目的。
　　五、膨胀节的计算
　　GB16749―1997《压力容器波形膨胀节》规定了金属波纹管膨胀节的设计、制造、检验、验收、贮存、安装及基本参数与尺寸等。非标膨胀节的设计可按照此标准进行计算，其设计、制造、检验、试验和验收不应低于此标准的要求。以下讨论用 SW6 程序进行计算时的几种情况。（1）若选用标准膨胀节，计算时只需将从标准中查出的刚度填入管板计算程序中，进行管板强度计算，同时校核轴向位移（由换热管和壳程筒体热膨胀变形差引起的轴向位移）是否不大于标准中规定的膨胀节最大位移量。此时膨胀节本身可不用校核计算。（2）若采用非标膨胀节，则需填入膨胀节参数，进行膨胀节计算，以获取刚度，再将此刚度输入管板程序中进行管板的计算。（3）若按标准中的普通 U 形膨胀节不易通过，可考虑采用 Ω 形膨胀节或加强型膨胀节，计算方法可参照 EJMA 标准。（4）若采用非标膨胀节，无论如何调整膨胀节尺寸都很难通过，或波数太多，或尺寸不合理，此种情况可考虑请专业厂家进行膨胀节的计算和设计，由专业厂家提供膨胀节刚度；若项目进度较紧，可先假设一个刚度填入管板计算程序中进行管板的计算，并在图中规定膨胀节的刚度不大于管板计算用输入的刚度。
　　六、计算应注意的事项
　　6.1许用工作压力。按 GB 16749 选用标准膨胀节，应根据选用的膨胀节材料、公称压力，以及工作温度按附录 A 表 A5查取膨胀节的许用工作压力，以判断初选的公称压力是否合适。有相当一部分许用工作压力大于公称压力，因此可以适当选用较低档压力的膨胀节。
　　6.2温度与刚度。附录 A 表 A1、表 A2 中膨胀节的轴向刚度是指膨胀节在20 ℃时单波的轴向刚度，其他温度下膨胀节的单波轴向刚度应在表 A1、表 A2 规定值的基础上乘以系数 Ck，然后得到温度变更情况下的相应刚度。Ck按附录 A 图 A4 查取。
　　6.3许用循环次数、温度与位移量。附录 A 表 A1、表 A2 中单波最大位移量，碳钢膨胀节以200 ℃ 计算；奥氏体不锈钢膨胀节以 300℃计算，其安全系数取 15、许用循环次数为3000次。当膨胀节实际设计温度不是以上数值或不锈钢膨胀节实际需要的累计许用循环次数不等于3 000次，则位移量应在表 A1、表 A2 规定值的基础上乘以系数 CN、或 Ct进行校正，CN、Ct按图 A2、图 A3 查取。
　　6.4腐蚀裕量。附录 A 表 A1、表 A2 中所列膨胀节的壁厚，碳钢已包括 1 mm 腐蚀裕量，奥氏体不锈钢未考虑腐蚀裕量。若腐蚀裕量与标准规定的不同，应按非标膨胀节考虑。
　　6.5波纹管一层材料的厚度 Sp。Sp在标准中的定义为：考虑成形过程中厚度减薄时，波纹管一层材料的厚度；公式为 Sp= （Db/Dm）0. 5× S，亦可采用成形减薄后的实测值，其中 S为波纹管一层材料的名义厚度。个人认为此公式存在一定问题：（1）由于材料存在厚度负偏差，计算 Sp时应考虑材料的厚度负偏差 C1；（2）对于考虑腐蚀裕量 C2的材料，计算 Sp时应考虑材料腐蚀前和腐蚀后两种情况。
　　6.6膨胀节材料在设计温度下的实际屈服点。关于膨胀节材料在设计温度下的实际屈服点，SW6 程序注明“应变硬化状态下应不大于标准中表列值的 2. 0 倍，退火状态时可取约为标准中表列值的 0. 75 倍”。由于膨胀节在成形或热处理后，其屈服强度发生了改变，没有一个具体数值的规定。根据一些专家的建议，除非有实测数据，设计取值时应尽可能不要靠近上限，可按应变硬化状态下不大于标准中表列值的1.5倍。
　　综上所述，由于膨胀节受力较为复杂，其设计存在一定难度，其标准也存在一些疑点，但膨胀节作为压力容器的重要受压元件，设计人员应对其计算方法不断理解和完善。
　　参考文献：
　　[1]全国压力容器标准化技术委员会.GB 151―1999 管壳式换热器[S].北京：中国标准出版社，2000.
　　[2]全国压力容器标准化技术委员会.GB 16749―1997 压力容器波形膨胀节[S].北京：中国标准出版社，1997
　　[3]全国压力容器标准化技术委员会.GB/T 12777―2008金属波纹管膨胀节通用技术条件.[S].北京：中国标准出版社，2008.