换热器：膨胀节的设计
更新日期：2012-07-12
波形膨胀节作为一种良好的变形补偿元件，常应用于固定管板式换热器上，能够明显降低由于换热管和壳程圆筒间热膨胀差所引起的管板应力、圆筒和换热管的轴向应力以及换热管与管板的拉脱力。
在选用GB 16749—1997《压力容器波形膨胀节》(以下简称GB 16749)标准膨胀节时，应按设备操作条件对膨胀节的基本参数(诸如轴向刚度、单波最大位移量和许用工作压力等)进行修正，并以修正后的基本参数为依据进行选用。
此外，在使用SW6软件———《过程设备强度计算软件》(以下简称SW6)进行非标膨胀节的设计计算时，膨胀节相关数据的输入应符合GB 16749的要求，从而保证设计计算结果的正确、合理。
1、是否需要设置膨胀节的判定
在固定管板换热器中，是否需要设置膨胀节，主要取决于换热器在操作条件下的实际应力状况。是否需要设置膨胀节，要考虑在温差载荷及压力载荷作用下，下述应力是否超过许用值:
(1)在壳体中引起的轴向应力σc;
(2)在换热管中引起的轴向应力σt;
(3)换热管与管板之间连接拉脱力q。
当上述三个应力超过许用值时，首先应考虑能否调整相关元件的尺寸或换热管与管板的连接方式(比如增加管板厚度，改强度胀为强度焊)，从而使各元件满足许用应力校核条件。
如果通过以上调整不能通过，或者虽然可行但不经济或不合理，则应考虑设置膨胀节，通过膨胀节吸收管壳程之间的膨胀差，从而改善和降低各元件的受力情况。
换热管和换热器壳体之间的热膨胀差是导致各项应力超标的重要因素之一，但绝不能简单地以换热管和换热器壳体之间的温差来判定是否需设置膨胀节。
一方面，热膨胀差是由材料的温度和材料的线膨胀系数共同决定的;另一方面，热膨胀差对于管板及换热管中各项应力的影响十分复杂。因此，是否需要设置膨胀节必须通过全面地计算来决定。
2、选用GB 16749标准膨胀节时应注意的问题
GB 16749标准膨胀节的结构形式及尺寸是根据美国EJMA标准相关的公式及我国自1970年代以来引进的压力容器和换热器中膨胀节的结构尺寸，参照国内外有关国家标准、行业标准及制造厂的产品样本确定的，
通常在符合标准规定的前提下可直接选用，不需计算。对选用标准膨胀节时的注意问题说明如下。
标准规定，凡符合下列条件之一的膨胀节应设置内衬套:
(1)要求流量损失小，介质流动平稳的场合;
(2)膨胀节内的介质流速超过GB 16749标准中的表6-1规定的数值。
在标准中的内衬套
是搭接在壳体内壁的，衬套内径往往会小于折流板或支持板直径，会造成管束组装困难。可以采用衬套与膨胀节对接的形式，见图1，使内衬套的内径与膨胀节直边段的内径一致。
国外也多采用这种结构，但应注意衬套的长度，避免过长阻碍膨胀节的收缩。衬套应在迎着介质流动方向的一端与膨胀节相焊。立式换热器应在内衬套与壳体相焊的一端开排气孔或排液孔(视相焊端而定)。
3、用SW6进行非标膨胀节的设计计算时应注意的问题
(1)在固定管板式换热器的设计计算中，管板的计算和膨胀节的计算相互关联，相互影响。管板要根据膨胀节的轴向刚度进行计算，膨胀节要根据管板的计算确定膨胀节总轴向力，所以在计算过程中，
这些数值的一致性对于保证计算结果的正确性是非常重要的。其中，膨胀节总轴向力应该等于壳程筒体轴向应力与壳程筒体截面积的乘积。设计者可以通过验证管板及膨胀节计算结果中的这些数值，来核实计算结果的正确性。
(2)金属材料在冷态塑性变形时会产生加工硬化现象，使金属材料的强度和硬度升高，而塑性与韧性下降。奥氏体不锈钢具有极好的塑性，对于奥氏体不锈钢膨胀节在设计计算中可以采用加工硬化后的实际屈服强度来校核各项应力。
(3)设计计算中的“膨胀节波长”，应不包括膨胀节的直边长度。
(4)对于不锈钢材料制造的膨胀节，在需要疲劳寿命校核时，膨胀节设计疲劳循环次数应根据工艺条件确定，在不明确的情况下可设定为3 000～5 000次，并在装配图纸上注明膨胀节设计疲劳循环次数，以保证设备的正确使用。
参照GB 16749标准，疲劳寿命安全系数可选定为15。
(5)在设计非标膨胀节时，由于膨胀节的实际位移量没有“单波最大位移量”进行比对，常常令人困惑。
按GB 16749标准释义的介绍，出于安全考虑，各种材料的标准膨胀节在设计温度下的单波最大位移量e1是采用EJMA标准中的公式计算得出的，是各项应力及疲劳寿命达到临界值时所对应的单波最大位移量。
GB 16749及EJMA标准中都将膨胀节位移量作为产生应力的因素，位移量是否合格完全是通过应力校核及疲劳寿命校核决定的，没有其他的限制条件。因此在设计非标膨胀节时，只要计算结果完全符合标准的规定，
那么无论是压力还是位移量就都在允许的范围。当然，保留必要的余量还是应该的。
(6)当各项应力超标时，按下述原则调整结构尺寸，并重新进行应
力计算。
①当轴向位移引起的应力过大时，宜适当增加波数或减小波纹管的壁厚;
②当内压引起的应力过大时，则应减小波高，或增加波纹管壁厚;
③增加波纹管的波数或层数可改善膨胀节的应力状态。膨胀节的耐压性能对壁厚的要求与补偿性对壁厚的要求是完全相反的，需要通过设计找出一个恰当的关系，使之既能保证强度，又能有足够的伸缩补偿性能。
(7)在立式换热器中，膨胀节最好设置在支座下方。当膨胀节位于支座的上方时，膨胀节承受由换热器自重产生的附加轴向力并降低了设备的稳定性。
(8)水压试验工况下的膨胀节强度问题。有些情况下需要提高壳程的水压试验压力。此时有必要对膨胀节进行水压试验工况下的强度校核，此时，腐蚀余量为零，设计温度为常温。
在EJMA标准中，为防止膨胀节在实验条件下发生屈曲，试验压力应低于或等于柱失稳或平面失稳的极限设计压力的1．5倍(柱失稳是指波纹管中部整体的侧向偏移，只有当波纹管的长度与直径之比比较大时，这种现象才会发生。
GB 16749未考虑柱失稳)。对于平面失稳，GB 16749规定，膨胀节在试验压力下，最大波距与受压前波距之比不得超过1．15，如果大于1．15，则认为膨胀节产生了平面失稳。
在固定式管板换热器设计过程中，膨胀节的设计计算是一个难点，设计者需要考虑多种因素，合理输入数据，以使设计结果更为精确合理。
换热器：膨胀节的设计
更新日期：2012-07-12
波形膨胀节作为一种良好的变形补偿元件，常应用于固定管板式换热器上，能够明显降低由于换热管和壳程圆筒间热膨胀差所引起的管板应力、圆筒和换热管的轴向应力以及换热管与管板的拉脱力。
在选用GB 16749—1997《压力容器波形膨胀节》(以下简称GB 16749)标准膨胀节时，应按设备操作条件对膨胀节的基本参数(诸如轴向刚度、单波最大位移量和许用工作压力等)进行修正，并以修正后的基本参数为依据进行选用。
此外，在使用SW6软件———《过程设备强度计算软件》(以下简称SW6)进行非标膨胀节的设计计算时，膨胀节相关数据的输入应符合GB 16749的要求，从而保证设计计算结果的正确、合理。
1、是否需要设置膨胀节的判定
在固定管板换热器中，是否需要设置膨胀节，主要取决于换热器在操作条件下的实际应力状况。是否需要设置膨胀节，要考虑在温差载荷及压力载荷作用下，下述应力是否超过许用值:
(1)在壳体中引起的轴向应力σc;
(2)在换热管中引起的轴向应力σt;
(3)换热管与管板之间连接拉脱力q。
当上述三个应力超过许用值时，首先应考虑能否调整相关元件的尺寸或换热管与管板的连接方式(比如增加管板厚度，改强度胀为强度焊)，从而使各元件满足许用应力校核条件。
如果通过以上调整不能通过，或者虽然可行但不经济或不合理，则应考虑设置膨胀节，通过膨胀节吸收管壳程之间的膨胀差，从而改善和降低各元件的受力情况。
换热管和换热器壳体之间的热膨胀差是导致各项应力超标的重要因素之一，但绝不能简单地以换热管和换热器壳体之间的温差来判定是否需设置膨胀节。
一方面，热膨胀差是由材料的温度和材料的线膨胀系数共同决定的;另一方面，热膨胀差对于管板及换热管中各项应力的影响十分复杂。因此，是否需要设置膨胀节必须通过全面地计算来决定。
2、选用GB 16749标准膨胀节时应注意的问题
GB 16749标准膨胀节的结构形式及尺寸是根据美国EJMA标准相关的公式及我国自1970年代以来引进的压力容器和换热器中膨胀节的结构尺寸，参照国内外有关国家标准、行业标准及制造厂的产品样本确定的，
通常在符合标准规定的前提下可直接选用，不需计算。对选用标准膨胀节时的注意问题说明如下。
标准规定，凡符合下列条件之一的膨胀节应设置内衬套:
(1)要求流量损失小，介质流动平稳的场合;
(2)膨胀节内的介质流速超过GB 16749标准中的表6-1规定的数值。
在标准中的内衬套
是搭接在壳体内壁的，衬套内径往往会小于折流板或支持板直径，会造成管束组装困难。可以采用衬套与膨胀节对接的形式，见图1，使内衬套的内径与膨胀节直边段的内径一致。
国外也多采用这种结构，但应注意衬套的长度，避免过长阻碍膨胀节的收缩。衬套应在迎着介质流动方向的一端与膨胀节相焊。立式换热器应在内衬套与壳体相焊的一端开排气孔或排液孔(视相焊端而定)。
3、用SW6进行非标膨胀节的设计计算时应注意的问题
(1)在固定管板式换热器的设计计算中，管板的计算和膨胀节的计算相互关联，相互影响。管板要根据膨胀节的轴向刚度进行计算，膨胀节要根据管板的计算确定膨胀节总轴向力，所以在计算过程中，
这些数值的一致性对于保证计算结果的正确性是非常重要的。其中，膨胀节总轴向力应该等于壳程筒体轴向应力与壳程筒体截面积的乘积。设计者可以通过验证管板及膨胀节计算结果中的这些数值，来核实计算结果的正确性。
(2)金属材料在冷态塑性变形时会产生加工硬化现象，使金属材料的强度和硬度升高，而塑性与韧性下降。奥氏体不锈钢具有极好的塑性，对于奥氏体不锈钢膨胀节在设计计算中可以采用加工硬化后的实际屈服强度来校核各项应力。
(3)设计计算中的“膨胀节波长”，应不包括膨胀节的直边长度。
(4)对于不锈钢材料制造的膨胀节，在需要疲劳寿命校核时，膨胀节设计疲劳循环次数应根据工艺条件确定，在不明确的情况下可设定为3 000～5 000次，并在装配图纸上注明膨胀节设计疲劳循环次数，以保证设备的正确使用。
参照GB 16749标准，疲劳寿命安全系数可选定为15。
(5)在设计非标膨胀节时，由于膨胀节的实际位移量没有“单波最大位移量”进行比对，常常令人困惑。
按GB 16749标准释义的介绍，出于安全考虑，各种材料的标准膨胀节在设计温度下的单波最大位移量e1是采用EJMA标准中的公式计算得出的，是各项应力及疲劳寿命达到临界值时所对应的单波最大位移量。
GB 16749及EJMA标准中都将膨胀节位移量作为产生应力的因素，位移量是否合格完全是通过应力校核及疲劳寿命校核决定的，没有其他的限制条件。因此在设计非标膨胀节时，只要计算结果完全符合标准的规定，
那么无论是压力还是位移量就都在允许的范围。当然，保留必要的余量还是应该的。
(6)当各项应力超标时，按下述原则调整结构尺寸，并重新进行应
力计算。
①当轴向位移引起的应力过大时，宜适当增加波数或减小波纹管的壁厚;
②当内压引起的应力过大时，则应减小波高，或增加波纹管壁厚;
③增加波纹管的波数或层数可改善膨胀节的应力状态。膨胀节的耐压性能对壁厚的要求与补偿性对壁厚的要求是完全相反的，需要通过设计找出一个恰当的关系，使之既能保证强度，又能有足够的伸缩补偿性能。
(7)在立式换热器中，膨胀节最好设置在支座下方。当膨胀节位于支座的上方时，膨胀节承受由换热器自重产生的附加轴向力并降低了设备的稳定性。
(8)水压试验工况下的膨胀节强度问题。有些情况下需要提高壳程的水压试验压力。此时有必要对膨胀节进行水压试验工况下的强度校核，此时，腐蚀余量为零，设计温度为常温。
在EJMA标准中，为防止膨胀节在实验条件下发生屈曲，试验压力应低于或等于柱失稳或平面失稳的极限设计压力的1．5倍(柱失稳是指波纹管中部整体的侧向偏移，只有当波纹管的长度与直径之比比较大时，这种现象才会发生。
GB 16749未考虑柱失稳)。对于平面失稳，GB 16749规定，膨胀节在试验压力下，最大波距与受压前波距之比不得超过1．15，如果大于1．15，则认为膨胀节产生了平面失稳。
在固定式管板换热器设计过程中，膨胀节的设计计算是一个难点，设计者需要考虑多种因素，合理输入数据，以使设计结果更为精确合理。