波紋管換熱器設計標準

　摘要：波紋管換熱器是一種高效管殼式換熱器，為推廣其應用范圍，對其進行強度和安全性研究十分必要。介紹了波紋管換熱器強度設計的方法和主要內容，對波紋管換熱器運行中出現(xiàn)的問題進行歸納總結，通過設計計算實例分析，說明波紋管換熱器設計和選用應注意的問題，以供波紋管換熱器設計、制造、安全監(jiān)察和使用部門參考。

　　1、概述

　　20世紀90年代初，我國開發(fā)研制出一種高效換熱組件——波紋換熱管。波紋換熱管是由波紋管和接頭兩部分組成。

　　用波紋管代替光滑直管制成的波紋管換熱器，其傳熱效率可提高2～4倍，這種高效換熱器還具有不易結垢、溫差應力小等優(yōu)點。然而，由于波紋管是由薄壁(壁厚為05～10mm)光滑管加工而成，成型后其應力狀態(tài)復雜化。其管束的強度和剛度都與光滑管有很大差別，致使這種換熱器的管束和管板的應力分析困難。由于管束和管板強度問題沒有解決，使得這種高效設備的應用范圍受到限制，同時也有安全隱患。為使這種高效節(jié)能產(chǎn)品能應用于石油、化工等更廣泛的工業(yè)領域，對波紋管換熱器進行強度研究，建立相應的設計標準是非常必要的。

　　這項工作于2002年納入**鍋爐壓力容器標準化技術委員會項目，由沈陽化工學院和沈陽市特種設備檢測研究院(原沈陽市鍋檢所)等單位負責起草，將波紋管換熱器設計方法列為GB151《管殼式換熱器》的附錄，(螺旋板換熱器)并于2004年以名為“奧式體不銹鋼波紋管換熱器設計標準案例”(以下簡稱“標準案例”)正式頒布。

　　本文對標準案例的主要內容進行了介紹，針對波紋管換熱器十幾年運行中出現(xiàn)的問題進行總結、歸納分析，并通過設計實例分析，說明波紋管換熱器的設計和選用應注意的問題。

　　2、標準案例簡介

　　波紋管換熱器也是管殼式換熱器的一種，其總體設計、制造、檢驗是符合GB151中要求的，只是由于管束剛度變化，使得與其相關的受壓組件設計計算有所不同。標準案例以理論分析和試驗研究為基礎，本著安全可靠、經(jīng)濟合理、技術先進三者統(tǒng)一的原則，規(guī)定了波紋管換熱器管束和管板的設計計算方法，以作為GB151的補充。

　　2-1 適用范圍

　　換熱器型式與GB151相同。設計壓力PN≤40MPa，考慮波紋換熱管是由薄壁管加工而成，成型的殘余應力較大，為避免應力腐蝕和疲勞破壞，其工作壓力不能太高。標準案例規(guī)定兩種換熱管公稱直徑，即波峰/波谷外徑為32/25mm和42/33mm，其管坯外徑為25mm和33mm，這是目前工程中通用的兩種規(guī)格。折流板間距根據(jù)工程實踐經(jīng)驗而定，其**da間距尺寸大約為GB151中5953條規(guī)定的**da間距的2/3，且不考慮流體誘導振動。

　　考慮波紋管成型和十幾年的實際使用情況，標準案例只適用于波紋管材料為奧氏體不銹鋼。

　　2-2 波紋換熱管設計

　　光滑管通過脹型成型為波紋管后，由于殘余應力和局部應力集中現(xiàn)象的存在，波紋管的承載能力遠低于相應的光管(即管坯)。相應波紋管的軸向剛度和穩(wěn)定性也大大降低。標準案例第3條中給出了波紋管的許用內壓力、許用外壓力、軸向剛度和臨界壓力的計算公式，這些公式是根據(jù)試驗和理論分析整理而成。

　　2-2-1 波紋換熱管的許用內壓力

　　對于波紋管各部位的應力進行詳細計算，目前仍在研究之中。在內壓作用下的應力分布狀態(tài)已通過應力測試方法進行了大量的試驗測定，同時進行了爆破試驗，爆破壓力的實際值與相應管坯按中徑公式計算的理論值較為接近，且實測值大于理論值。

　　2-2-2 波紋換熱管許用外壓力

　　管殼式換熱器中的管子同時承受管程和殼程的壓力，所以對于管子承受外壓的穩(wěn)定性能也要考慮。波紋管多數(shù)呈波節(jié)形狀，即由一直段和球面波峰部分組成。直段部分剛性遠小于波峰部分，試驗也證明波紋管受外壓時直邊部分首先失穩(wěn)。對整根波紋管來講可視為承受外壓的圓筒，波峰部分相當于剛性構件。這樣，管子承受外壓的計算長度**大大地減小了，標準案例中取單根管中**da波距作為計算長度是偏于安全的。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗和試驗研究，標準案例引用了GB150中第六章的外壓圓筒的設計計算方法。

　　根據(jù)L/d1和d1/δt直接利用GB150中第六章的外壓計算圖，查出A值和B值，便可得到波紋管許用外壓力，即：

　　2-3管板設計計算

　　到目前為止，大多數(shù)**換熱器標準中關于管板強度計算，基本都是把管板作為承受均布載荷、放置在彈性基礎上且受管孔削弱的當量圓平板來考慮。GB151中的管板設計也是基于這種考慮。對于波紋管換熱器，相對于常規(guī)(光滑管)管殼式換熱器來講**的差別**是換熱管的剛度問題。標準案例基于這種考慮，規(guī)定了與管子軸向剛度有關的參數(shù)引入波紋管剛度計算值，然后直接利用GB151中相應管板類型的計算公式進行波紋管換熱器管板的設計計算。

　　3、波紋管換熱器常見失效形式及其原因分析

　　(1)波紋換熱管波谷或波峰波谷過渡部位減薄開裂。波紋管換熱器運行中，波紋換熱管波谷及其附近部位減薄開裂，造成內部泄漏是其失效的主要形式。失效原因是在殼程折流板處波紋管的波谷與折流板管孔產(chǎn)生振動摩擦、磕碰，使波紋管壁減薄，以致開裂泄漏?，F(xiàn)在有些生產(chǎn)廠采用加厚折流板，使波紋管的波峰與管孔接觸，以保證管與孔間隙**xiao，防止振動摩擦;還有的在折流板處給波紋管加套。這些都是避免和降低這種波紋管失效形式的較好措施。

　　(2)波紋換熱管扁塌(周向失穩(wěn))。波紋管失穩(wěn)發(fā)生周向扁塌，是波紋管換熱器另一失效形式。這主要是由于波紋管的壁厚較薄，一般在1mm以下，其自身抗外壓失穩(wěn)的能力**很低。在換熱器的設計中，一般都不進行換熱管的承壓能力的校核和計算，所以，當殼程壓力達到和超過換熱管本身的臨界壓力時，管子**產(chǎn)生失穩(wěn)扁塌。標準案例中規(guī)定了波紋換熱管許用外壓的計算方法。

　　(3)波紋換熱管軸向彎曲變形過大(軸向失穩(wěn))。產(chǎn)生這種失效形式是由管程壓力和溫差應力的作用所致。波紋管材料為奧氏體不銹鋼，其線膨脹系數(shù)比碳鋼大得多，在管程和殼程溫度相同時也能產(chǎn)生溫差應力，再有波紋管的軸向剛度很小，所以，當管程壓力較大或管壁溫度高于殼壁溫度時，都易發(fā)生波紋換熱管軸向彎曲變形過大的失效現(xiàn)象。標準案例中規(guī)定的折流板無支撐跨距比GB151中規(guī)定值小**是考慮防止換熱管的軸向失穩(wěn)。

　　(4)波紋換熱管腐蝕斷裂和整體脆化失效。這種失效形式主要是由于介質的腐蝕造成的。奧氏體不銹鋼**易產(chǎn)生晶間腐蝕，當波紋管換熱器用在含氯離子高和含硫化氫等介質時**出現(xiàn)了波紋換熱管腐蝕斷裂。實際中已發(fā)現(xiàn)有的換熱管產(chǎn)生了整體脆化現(xiàn)象。

　　(5)波紋管與厚壁管接頭連接處開裂。波紋換熱管由波紋管和兩端接頭組成，接頭處的環(huán)焊縫，由于焊接工藝和焊接技術水平的差異，焊縫質量難以保證，從而造成此處開裂。

鋁材質(含鑄鋁和鋁合金)散熱器的優(yōu)勢

用鋁材質(含鑄鋁和鋁合金)做散熱器，與其它材質的比較有哪些優(yōu)勢：比如節(jié)能性、節(jié)材性、裝飾性、價格、重量、其他等等方面。

　　鋁合金的高效導熱性，是保持良好散熱功能的決定因素和熱能轉換的**介質。特點是：用時少，供熱快，效率高。輕巧伶俐，便于加工是一大特點。同等規(guī)格的散熱器，鋁合金的重量是鋼制散熱器的1/3。

　　鋁合金散熱器在多種散熱器中是**的，搬運安裝方便，同時它的導熱性好，散熱量大，散熱也快，金屬熱強度高，由于它易擠壓成形，會擠壓成各種形狀散熱器，因此外觀新穎美觀，裝飾性強。由于鋁氧化后生成氧化鋁是**hao的保護膜，能避免它進一步氧化，因此它不怕氧化腐蝕，價格適中很受工薪階層的歡迎。

壓鑄鋁的采暖散熱器認識誤區(qū)解析

 一般來講，銅比鋼的耐腐蝕性能要好，但在一定環(huán)境下，銅制散熱器也會有腐蝕，譬如系統(tǒng)中如果有淤泥、含硫量過多，或者選用的銅表面附有碳化層等都會造成銅制散熱器的腐蝕。由于材質的腐蝕原理不同，雖然鋁制散熱器抗氧化腐蝕能力較強，但卻容易發(fā)生堿腐蝕和氯離子腐蝕，所以當一個供熱系統(tǒng)的水質呈堿性，或氯離子含量較高時，散熱器**存在腐蝕漏水的隱患。

　　另外