三套管換熱器熱膨脹拉脫應(yīng)力的確定

易 剛

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

三套管換熱器熱膨脹拉脫應(yīng)力的確定

易 剛

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

通過建立三套管換熱器內(nèi)外管及管板的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)計算出由于熱膨脹差產(chǎn)生的拉脫應(yīng)力公式，從而避免了諸如邊緣力矩系數(shù)等眾多難以確定的參數(shù)，找到一種實際可操作的，基本反映氧化鋁生產(chǎn)溶出車間現(xiàn)場實際的三套管換熱器熱膨脹拉脫應(yīng)力的計算公式。并根據(jù)某氧化鋁廠三套管換熱器的物料及運行參數(shù)，應(yīng)用該公式進行了熱膨脹拉脫應(yīng)力的計算，且進行了管板與換熱管焊縫的剪切強度計算。

三套管換熱器;熱膨脹拉脫應(yīng)力;焊縫剪切強度計算

0 引 言

氧化鋁生產(chǎn)中，特別是在管道化溶出生產(chǎn)工藝里，溶出車間的三套管換熱器作為溶出車間的核心設(shè)備，起著舉足輕重的作用。該設(shè)備類似固定管板式熱交換器，其特點為單程換熱器管程較長(一般為65～85 m)，內(nèi)外管溫差大。其工作原理為：內(nèi)管(管程)輸送低溫料漿，內(nèi)外管間(殼程)為高溫二次蒸汽和新蒸汽，通過換熱將料漿從90℃加熱到260℃左右，才能充分進行溶出反應(yīng)。

由于每程套管長度較長且內(nèi)外管溫差較大，導(dǎo)致內(nèi)外管熱膨脹量差異較大，因此在兩端管板處會產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力。如果兩端管板處溫差應(yīng)力過大，在生產(chǎn)過程中會導(dǎo)致?lián)Q熱管與管板處焊縫被拉裂，從而導(dǎo)致高溫高壓物料泄漏，造成嚴重的生產(chǎn)安全隱患。

三套管換熱器類似固定式管板熱交換器，但由于三套管換熱器管板與換熱管連接的力學(xué)模型與GB/T 151-2014《熱交換器》管板計算方法的力學(xué)模型不太一致，因此只能采用該標準的管板計算方法進行類似計算，僅供參考之用，且由于該方法計算起來非常復(fù)雜，需要確定很多系數(shù)，但這些系數(shù)在實際生產(chǎn)中很難準確確定，甚至無法確定。故有的設(shè)計只根據(jù)生產(chǎn)情況粗略地確定某些數(shù)據(jù)，誤差很大，既不經(jīng)濟也滿足不了生產(chǎn)需要，有時甚至?xí)o生產(chǎn)帶來安全隱患?；诖?，該文通過對三套管熱交換器計算模型的建立和理論公式的推導(dǎo)以及生產(chǎn)實踐的反復(fù)摸索，得到一個適應(yīng)氧化鋁生產(chǎn)中各種套管熱交換器熱膨脹拉脫應(yīng)力的計算公式，然后才能進行管板與換熱管焊縫的剪切強度計算。

1 計算模型的建立和理論公式的推導(dǎo)

1.1計算模型的建立

在氧化鋁生產(chǎn)中，套管換熱器的種類、規(guī)格及用途有很多種，但其結(jié)構(gòu)基本相同。為便于問題的說明，首先需給出單程套管的基本結(jié)構(gòu)簡圖，見圖1。

圖1 單程套管基本結(jié)構(gòu)簡圖

單程套管為外管中間采用固定約束，三根內(nèi)管的兩端通過管板與外管共同組成換熱器主體部分，工作時，內(nèi)外管分別進入料漿和蒸汽，內(nèi)外管開始膨脹，由于料漿與蒸汽溫差較大，內(nèi)管和外管的熱膨脹量產(chǎn)生差異，因此內(nèi)外管存在相對運動的趨勢。由于外管介質(zhì)溫度較高，其線膨脹量大于內(nèi)管，但由于兩端管板的約束存在，最終可視為兩端管板將外管超過內(nèi)管的那段線膨脹量給壓縮了，因此外管承受壓應(yīng)力，內(nèi)管承受拉應(yīng)力，兩者數(shù)值相同，即為溫差應(yīng)力。此時，該模型可視為兩段固定的鋼管。

1.2兩端固定鋼管溫度應(yīng)力計算公式推導(dǎo)

已知：長L的桿BC，截面積為A，二端支承，見圖2。已知材料彈性模量E和溫度改變時的線膨脹系數(shù)α，當溫度升高ΔT后，求約束反力和桿的內(nèi)應(yīng)力。

圖2 兩端固定鋼管溫度應(yīng)力計算模型簡圖

求解：盡管桿上無外力作用，但當溫度升高時，桿BC要伸長。二端固定約束限制其伸長，引起約束反力作用。約束反力作用的結(jié)果是使桿在軸向受壓縮短，故二端約束反力也如圖2所示。

1)力的平衡：桿上只有二共線約束反力作用，故有：

ΣXi=RB-RC=0，即：RB=RC=R

2)溫度與變形，力與變形間的物理關(guān)系：

設(shè)鋼管在溫度升高后的伸長為ΔLT，則：

ΔLT=α·ΔT·L

注意鋼管的軸力N=RB=RC=R

故縮短量-ΔLR=NL/EA=RL/EA

3)變形幾何協(xié)調(diào)條件：

約束要保持鋼管長度不變，必須有：

ΔLT=ΔLR即:α·ΔT·L=RL/EA

可求解得兩端約束反力為:R=αΔT·EA

鋼管的內(nèi)應(yīng)力(壓應(yīng)力)為：

σ=N/A=R/A=αΔT·E

①

2 計算示例

2.1熱膨脹拉脫應(yīng)力計算

現(xiàn)用某氧化鋁廠三套管換熱器為例，應(yīng)用上述推導(dǎo)出的計算公式①進行熱膨脹拉脫應(yīng)力,見表1。

表1 各級套管內(nèi)外管數(shù)據(jù)

如表1所示，11Ra110級內(nèi)外管溫差為各級最大，△T=50℃,則由此溫差所產(chǎn)生的熱膨脹拉脫應(yīng)力為：

σ =N/A=R/A=αΔT·E

=12.73×10-6×50×1.85×1011

=117.7 MPa

2.2管板與換熱管焊縫剪切強度計算

根據(jù)《機械設(shè)計手冊 常用設(shè)計資料》中 “電弧焊接頭靜強度計算基本公式”對管板與換熱管連接焊縫的剪切強度進行計算校核：

已知三根換熱管規(guī)格均為Φ168×9，管板與換熱管連接焊縫為環(huán)焊縫，其高度a=0.008 m ,環(huán)焊縫長度 l=0.168π=0.528 m。

由上述計算得出的由于溫差所產(chǎn)生的熱膨脹拉脫應(yīng)力σ=117.7 MPa，由3根內(nèi)管共同承擔(dān)，且為拉應(yīng)力。

故作用于單根換熱管橫截面上的拉應(yīng)力：

P =σ·A

=1.76×105N

焊縫剪切強度:

故管板焊縫剪切強度校核合格。

3 結(jié) 語

氧化鋁生產(chǎn)中三套管換熱器的設(shè)計計算，重點和難點在于如何確定熱膨脹拉脫應(yīng)力：

1)通過兩端固定的單根鋼管溫度應(yīng)力計算模型推導(dǎo)出的溫差應(yīng)力計算公式，可以簡潔高效計算出由于內(nèi)外管溫差導(dǎo)致的溫差應(yīng)力，即管板與換熱管間的熱膨脹拉脫應(yīng)力。

2)根據(jù)計算得出的熱膨脹拉脫應(yīng)力，進行管板與換熱管連接焊縫剪切強度計算與校核，從而決定是否采用膨脹節(jié)等元件或者改進套管結(jié)構(gòu)來減輕溫差應(yīng)力對三套管換熱器的影響，使其控制在合理范圍之內(nèi)。

[1] 中華人民共和國國家標準.GB/T 151-2014 熱交換器[S].北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，等，2014.

[2] 成大先.機械設(shè)計手冊(第五版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3] 史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計[M].南京：東南大學(xué)出版社，1996.

[4] 劉莉娜，黃望梅，劉志春，等.氧化鋁溶出工藝中各種套管傳熱系數(shù)的比較[J].有色金屬(冶煉部分)，2011(10)：17-19.

[5] 劉莉娜，黃望梅，劉志春，等.氧化鋁生產(chǎn)中傳熱系數(shù)的研究[J].有色金屬(冶煉部分)，2011(8)：21-24.

Determination of Pulling-out Stress of Three-pipe Heat Exchangerdue to Thermal Expansion

Yi Gang

(Guiyang Aluminium & Magnesium Design and Research Institute, Guiyang 550081, China)

Through the establishment of math model of three-pipe heat exchanger's tube plate & tubes, this paper derived the calculation formula of pulling-out stress due to thermal expansion, thus avoiding to fix parameters such as edge torque. This calculation formula can reflect the actual state of three-pipe heat exchanger in digestion workshop section of alumina production. According to the material parameters & operating parameters of an alumina plant, this paper calculated the pulling-out stress due to thermal expansion using the formula deduced and calculatedshearing strength of welding seam between tube plate and tubes.

three-pipe heat exchanger; pulling-out stress due to thermal expansion ; shearing strergth calculation of welding seam

2016-02-01.

易剛(1981-)，男，貴州人，工程師.主要研究方向：氧化鋁非標設(shè)備設(shè)計.

TF801+.2

A

1004-2660(2016)01-0021-03