CN1262423A - 一种预应力管壳式换热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种预应力管壳式换热器,由壳体、管板、换热管、折流板、拉杆等组件构成,管板和换热管二者之一或二者同时在预变形之后和其余组件通过焊接连接起来;其制造方法是对管板采用机械或液压方式及对换热管采用电加热方式加载使换热器产生整体预应力。这种预应力管壳式换热器降低了管板与管子连接区破坏的可能性,延长了使用寿命,运行可靠,且具有自净化作用,能防止换热管失稳破坏,使用方便,适用范围广,制造方便,加工精度较高。

Description

一种预应力管壳式换热器及其制造方法

本发明涉及热交换领域中的一种预应力管壳式换热器及制造该种设备的方法。

目前在工业生产领域中，常用的管壳式换热器设计理论和方法基本上没有考虑到预应力的影响，常用的设计方法建立在传统的板壳理论基础上，只考虑了压力、温度、螺栓载荷等因素，并没有考虑预应力载荷、残余应力叠加、局部峰值应力等在设计和使用中人们特别希望了解的内容；在生产实践中最为常见的而且频繁出现的问题是换热管与管板连接区的破坏及其相关的破坏，这类问题量大面广，长期得不到妥善解决，严重影响设备使用寿命和安全性，容易产生运行事故；这些问题的产生与管板与管子连接区应力状态影响因素复杂，难于量化有关，在常规设计和制造中无法很好地解决；在国外，20世纪80年代在研究管壳式换热器的流体诱导振动特性时，曾经采用预应力对管束进行动态特性实验，实验在无壳体管束上进行，用拉力机或压力机对管束施加预应力，在维持预应力的条件下进行动态激振测试，但该实验还没有考虑对管壳式换热器产品采用预应力进行设计和制造的问题；90年代，中国核动力研究院曾经在核动力设备的换热器上设计使用过预应力换热器，但该设计是通过在膨胀节上施加预应力而得到的预应力换热器，严格地讲，因为膨胀节的功能是补偿热变形的，本身是扰性构件，因此采用预应力膨胀节的换热器产生的预应力很小，对换热器的性能基本上没有多大的改善；为了解决这方面的问题，在专利申请号为96116870的专利申请中公开了一种管壳式预应力换热器的制造方法，该方法特点是在换热器壳体上预留一条环焊缝，待向换热列管施加预应力后再将环焊缝焊封，施加应力是通过向换热列管中通入热介质来实现，施加预应力的大小则通过控制封焊前热交换介质之间的温差值来实现；但这种方法仅仅控制温差应力的大小，没有提及对于其他载荷作用的预应力补偿问题，由于该专利方法产生的温差应力一般比较小，因而在生产中适用的场合不广；该专利是在两端管板与管子已固定而预留一条环焊缝的前提下，在管内通入加热介质，建立模拟实际运行条件的温差，使管束整体自由伸长来控制预变形的大小，显然，介质不同，管壳程的流动方式、状态不同，流体之间换热的情况就不同，因此对于不同的介质和不同形式的换热器需要采取不同的条件来模拟真实条件，这给换热器的制造带来较大的麻烦；此外，对于有热处理要求的换热器，这种方法由于最后焊接的环缝热处理将使预应力松弛而不能满足要求，达不到预定的指标；该发明提出施加预应力的温差要大于实际温差，原因是采用这种制造方法建立的预应力会下降，并采用设置“电阻应变片”的方式来检验在制造过程中所选定的介质间温差值是否合适，但该检验是在换热器已焊接加工完毕之后进行的，如果检验结果证明在制造过程中所选定的介质间温差值不合适，那么势必造成此换热器达不到补偿温差应力的目的，所以采用这种方法的不确定性较大，可控性较差，且操作过程比较麻烦。

本发明的目的在于针对工业生产实践中管壳式换热器最为常见而且频繁出现的换热管与管板连接区破坏及其相关破坏的问题，提供一种能够防止换热管与管板连接区由于各种载荷与温度组合作用产生的破坏，防止应力腐蚀，可省去常见的膨胀节，并可消除换热管的失稳破坏，还可达到自净化，延长使用寿命，提高工作可靠性的预应力管壳式换热器。

本发明的目的还在于提供一种能够在换热器的制造中产生预应力以防止换热管与管板连接区由于各种载荷与温度组合作用产生的破坏，防止或降低应力腐蚀，并可进行热处理，制造方便，加工精度较高的预应力管壳式换热器制造方法。

本发明的技术方案是基于对换热器组件加载使其产生预应力的同一构思来提出的。

本发明预应力管壳式换热器，由壳体、管板、换热管、折流板(杆)、拉杆、管箱、接管、支座等组件构成，对所述的换热器组件管板加载产生预变形至预定值时焊接未焊的管板与换热管，冷却后撤去加载。

所述的加载是通过机械或液压方式施加压力。

本发明预应力管壳式换热器亦可以对所述的换热器组件换热管电加热产生预变形至预定值时焊接未焊的管板与换热管。

本发明预应力管壳式换热器还可以对所述的换热器组件管板加载，同时对换热器组件换热管电加热产生预变形至预定值时焊接未焊的管板与换热管，冷却后撤去加载。

所述的加载是通过机械或液压方式施加压力。

本发明预应力管壳式换热器制造方法包括下列步骤：(一)焊接一端的壳体与管板、管板与换热管；(二)焊接另一端的壳体与管板；(三)对管板与换热管焊接完毕端的管板加载施加预变形至预定值；(四)维持预变形状态焊接未焊的换热管与管板；(五)冷却后撤去加载。

所述的加载是通过机械或液压方式施加压力。

本发明预应力管壳式换热器制造方法包括下列步骤：(一)焊接一端的壳体与管板，管板与换热管(也可不焊)；(二)焊接另一端的壳体与管板；(三)对换热管电加热产生预变形至预定值；(四)维持预变形状态焊接未焊的换热管与管板；(五)停止电加热。

本发明预应力管壳式换热器制造方法包括下列步骤：(一)焊接一端的壳体与管板、管板与换热管；(二)焊接另一端的壳体与管板；(三)对管板与换热管焊接完毕一端的管板加载，同时对换热管与管板未焊接一端的换热管电加热施加预变形至预定值；(四)维持预变形状态焊接未焊的换热管与管板；(五)冷却后撤去加载。

所述的加载是通过机械、液压方式施加压力。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1)在换热器制造过程中预先施加了预变形，实施完毕后产生了壳体、换热管和管板之间的约束，在本预应力管壳式换热器实际工作时，当管程和壳程的操作条件建立后，在温度和压力作用下，壳体伸长量与换热管的伸长量不同，此伸长量的差别可与制造时的约束相抵消，使得约束缓解，从而大大缓和了管板与管子连接区苛刻的受载条件，降低了破坏的可能性，使本预应力管壳式换热器处于结构性能最优或近优的工作状态，因而可保证其长期安全稳定工作。

2)由于在设计中考虑了各种载荷及温度因素的影响，所以本预应力管壳式换热器的制造可以减薄常规管壳式换热器的管板或壳体厚度，节约用材的同时可降低实际受载，从而减少了最常见的管板与管子连接区的破坏，降低了应力腐蚀的可能性，因而实现了工作状态下结构性能最优设计，并延长了换热器的使用寿命，提高了换热器的运行可靠性；

3)在实际使用中，常规换热器在管壳程压力或其它载荷的协同作用下常常会产生很大的轴向压缩力，造成换热管失稳破坏，而本预应力管壳式换热器由于在工作状态下约束缓解，所以产生的轴向压缩力很小，可以较好地消除换热管的失稳破坏。

4)利用本制造方法生产的换热器可以在预变形状态进行焊后局部热处理，以消除局部焊接残余应力，保留整体预应力，因此，可以实现产品的分步整体热处理，且产品的抗疲劳性能和抗腐蚀性能更好。

5)利用本制造方法产生的预应力不仅仅限于控制温差应力，还可以控制其他载荷产生的应力大小，从而突破了以往只控制温差应力的缺陷，据此，可以根据设计目标制造出性能更为优越的产品。

6)本制造方法可以对制造过程中产生的预应力数值进行精确的控制，因而可保证产品性能的良好及其稳定性，而且加工设备简单，操作比较方便。

7)本预应力管壳式换热器由于管束在停工状态和工作状态的伸长量不同，所以在实际使用中可产生自净化作用，即通过使用状态和停工状态下的伸长量变化，产生对表面积垢层的剪切力，导致在换热器上产生的运行积垢(通常是脆性的)自行剥离、破裂、脱落，从而实现暴露换热管新鲜表面的自净化，免去了换热器的管束定期清洗的麻烦，缩短了检修时间，同时可减薄垢层热阻，提高换热器的传热效率；

下面将参照附图描述本发明的三个实施方式。

图1是本发明预应力管壳式换热器实际工作时的结构示意图。

图2是本发明预应力管壳式换热器制造完毕时的结构示意图。

图3是本发明预应力管壳式换热器壳程段在施加预应力前的结构示意图。

图4是本发明预应力管壳式换热器的制造原理图。

图5是本发明预应力管壳式换热器另一种方式的制造原理图。

图6是本发明预应力管壳式换热器又一种方式的制造原理图。

实施例1：

图1和图2示出了本发明预应力管壳式换热器的结构，由图1和图2可见，本预应力管壳式换热器由壳体5、管板1、7、换热管3、折流板(杆)2、拉杆4、管箱8、接管6、支座9构成，其中主要由壳体5、管板1、7和换热管3构成的壳程段在制造完毕时的结构如图2所示，实际工作时的结构如图1所示，在制造过程中对管板7通过机械或液压方式加载产生预变形至预定值时焊接管板1与换热管3，冷却后撤去加载；在制造完毕之后，壳体5、管板1、7和换热管3之间由于预变形而产生约束，在三者之间产生预应力；当由此壳程段组成的预应力管壳式换热器正常使用时，在管程内通入高温热介质，在壳程内通入低温热介质，换热管3由于受热膨胀而相对壳体伸长量大，此相对变形量与制造时产生的预变形相互抵消，因而可以使约束缓解的同时避免了常规换热器中换热管3在操作状态下受热压缩导致的管板1、7与换热管3连接区的受力破坏，此时管壳式换热器处于最佳工作状态；当本预应力管壳式换热器在停工状态时，由于温度、压力等载荷的降低，换热管3冷却收缩拉紧管板1、7和壳体5又恢复约束，由于换热管3在停工状态和工作状态的伸长量不同，可以使换热器管束产生自净化作用，即通过使用状态和停工状态下的伸长量变化，产生对表面积垢层的剪切力，导致在换热管3上产生的运行积垢(通常是脆性的)自行剥离、破裂、脱落，从而实现暴露换热管3新鲜表面的自净化，免去了换热器管束定期清洗的麻烦，同时可减薄垢层热阻，提高换热器的传热效率；

图3与图4示出了本发明预应力管壳式换热器的制造方法。本预应力管壳式换热器可采用如图4所示的施工方式来进行制造，预变形成型夹具11有3～8个夹持钩，采用焊接或其他可拆连接装配组合，螺杆12的前端采用铰链式的接触头13，以免造成接触头13旋转，擦伤管板1的接触面。接触头13与管板1的接触面采用曲面形状，保证压力增大时，逐步接触，使得载荷分布均匀。预变形成型夹具11的驱动可以采用手动机械方式、也可以采用液压电动方式，主要由预变形施工精度要求和生产的批量大小和机械化、自动化程度决定，通过采用手动或电动方式使得接触头13移动从而形成设计规定的预变形。本预应力管壳式换热器具体的加工过程如下：(一)按照常规管壳式换热器的制造工艺组装壳体5、管板1和7、换热管3、折流板2、拉杆4；(二)将换热器一端的壳体5与管板7、管板7与换热管3焊接完毕，将另一端的壳体5与管板1焊接完毕，此外，换热器上的接管6、支座9等附件亦全部焊接安装完毕，安装完成后的结构如图3所示；(三)根据设计要求可选择进行热处理以消除焊接残余应力；(四)热处理完毕后，将换热器以卧式支撑于滚轮架10或其它支架上，管板7与换热管3焊接好的一端装夹到预变形成型夹具11上，通过曲面形状的铰链式接触头13在夹持端对管板7均匀施加预变形至预定值；(五)夹持端保持预变形的同时焊接另一端的换热管3与管板1；(六)如果需要进行热处理，在夹持端保持预变形加载的条件下，根据设计要求进行换热管3与管板1焊接区的局部热处理，达到热处理要求并且冷却后，撤去夹持端的预变形载荷，实现整体的预变形(预应力)；否则在夹持端保持预变形加载的条件下进行焊后冷却，然后撤去夹持端的预变形载荷，实现整体的预变形(预应力)；(七)安装两端管箱8等构件以完成预应力管壳式换热器的制造。

实施例2：

图1和图2示出了本发明预应力管壳式换热器的结构，由图1和图2可见，本预应力管壳式换热器由壳体5、管板1和7、换热管3、折流板(杆)2、拉杆4、管箱8、接管6、支座9构成，其中主要由壳体5、管板1、7和换热管3构成的壳程段在制造完毕时的结构如图2所示，实际工作时的结构如图1所示，在制造过程中对换热管3电加热产生预变形至预定值时焊接未焊的换热管3与管板1，冷却后撤去加载；在制造完毕之后，壳体5、管板1、7和换热管3之间由于预变形而产生约束，在三者之间产生预应力；当由此壳程段组成的预应力管壳式换热器正常使用时，在管程内通入高温热介质，在壳程内通入低温热介质，换热管3由于受热膨胀而相对壳体伸长量大，此相对变形量与制造时产生的预变形相互抵消，因而可以使约束缓解的同时避免了常规换热器中换热管3在操作状态下受热压缩导致的管板1、7与换热管3连接区的受力破坏，此时管壳式换热器处于最佳工作状态；当本预应力管壳式换热器在停工状态时，由于温度、压力等载荷的降低，换热管3冷却收缩拉紧管板1、7和壳体5又恢复约束，由于换热管3在停工状态和工作状态的伸长量不同，可以使换热器管束产生自净化作用，即通过使用状态和停工状态下的伸长量变化，产生对表面积垢层的剪切力，导致在换热管3上产生的运行积垢(通常是脆性的)自行剥离、破裂、脱落，从而实现暴露换热管3新鲜表面的自净化，免去了换热器管束定期清洗的麻烦，同时可减薄垢层热阻，提高换热器的传热效率；

图3与图5示出了本发明预应力管壳式换热器的制造方法。本预应力管壳式换热器可采用如图5所示的施工方式来进行制造，本预应力管壳式换热器具体的加工过程如下：(一)按照常规管壳式换热器的制造工艺组装壳体5、管板1和7、换热管3、折流板2、拉杆4；(二)焊接换热器一端的壳体5与管板7、管板7与换热管3，焊接另一端的管板1与壳体5，此外，换热器上的接管6、支座9等附件亦全部焊接安装完毕，安装完成后的结构如图3所示；(三)根据设计要求可选择进行热处理以消除焊接残余应力；(四)利用电热管14对换热管3进行管内电加热，使换热管3伸长，控制管板1中心沿半径方向不同区域的加热温度，以获得换热管3不同的伸长量；(五)控制加热量使得各区域的换热管3伸长量达到设计要求后，维持该条件，对换热管3与管板1进行焊接；(六)焊接施工完毕后，停止电加热，产品缓慢冷却，此时，依靠换热管3的收缩作用将产生整体的预变形(预应力)；(七)安装两端管箱8等构件以完成预应力管壳式换热器的制造。

实施例3：

图1和图2示出了本发明预应力管壳式换热器的结构，由图1和图2可见，本预应力管壳式换热器由壳体5、管板1和7、换热管3、折流板2、拉杆4、管箱8、接管6、支座9构成，其中主要由壳体5、管板1、7和换热管3构成的壳程段在制造完毕时的结构如图2所示，实际工作时的结构如图1所示，在制造过程中对管板7通过机械或液压方式及对换热管3通过电加热方式同时加载产生预变形至预定值时焊接未焊的管板1与换热管3，冷却后撤去加载；在制造完毕之后，壳体5、管板1、7和换热管3之间由于预变形而产生约束，在三者之间产生预应力；当由此壳程段组成的预应力管壳式换热器正常使用时，在管程内通入高温热介质，在壳程内通入低温热介质，换热管3由于受热膨胀而相对壳体伸长量大，此变形量与制造时产生的预变形相互抵消，因而可以使约束缓解的同时避免了换热管3受热压缩导致的管板1、7与换热管3连接区的受力破坏，此时管壳式换热器处于最佳工作状态；当本预应力管壳式换热器在停工状态时，由于温度、压力等载荷的降低，换热管3冷却收缩拉紧管板1、7和壳体5又恢复约束，由于换热管3在停工状态和工作状态的伸长量不同，可以使换热器产生自净化作有，即通过使用状态和停工状态下的伸长量变化，产生对表面积垢层的剪切力，导致在换热管3上产生的运行积垢(通常是脆性的)自行剥离、破裂、脱落，从而达到暴露换热管3新鲜表面的自净化，免去了换热器的管束定期清洗的麻烦，同时可减薄垢层热阻，提高换热器的传热效率；

图6示出了本发明预应力管壳式换热器的制造方法。本预应力管壳式换热器可采用如图6所示的施工方式来进行制造，预变形成型夹具11有3～8个夹持钩，采用焊接或其他可拆连接装配组合，螺杆12的前端采用铰链式的接触头13，以免造成接触头13旋转，擦伤管板1的接触面。接触头13与管板1的接触面采用曲面形状，保证压力增大时，逐步接触，使得载荷分布均匀。预变形成型夹具11的驱动可以采用手动方式、也可以采用液压电动方式，主要由预变形施工精度要求和生产的批量大小和机械化、自动化程度决定，通过采用手动或电动方式使得接触头13移动从而形成设计规定的预变形。本预应力管壳式换热器具体的加工过程如下：(一)按照常规管壳式换热器的制造工艺组装壳体5、管板1、7、换热管3、折流板2、拉杆4；(二)将换热器一端的壳体5与管板7、管板7与换热管3焊接完毕，将另一端的壳体5与管板1焊接完毕，此外，换热器上的接管6、支座9等附件亦全部焊接安装完毕，安装完成后的结构如图3所示；(三)根据设计要求可选择进行热处理以消除焊接残余应力；(四)热处理完毕后，将换热器以卧式支撑于滚轮架10或其它支架上，管板7与换热管3焊接好的一端装夹到预变形成型夹具11上，通过曲面形状的铰链式接触头13在夹持端对管板7均匀加载，同时对换热管3电加热施加预变形至预定值；(五)夹持端保持预变形的同时焊接另一端的换热管3与管板1；(六)如果需要进行热处理，在夹持端保持预变形加载的条件下，根据设计要求进行换热管3与管板1焊接区的局部热处理，达到热处理要求并且冷却后，撤去夹持端的预变形载荷，实现整体的预变形(预应力)；否则在夹持端保持预变形加载的条件下冷却，然后撤去夹持端的预变形载荷，实现整体的预变形(预应力)；(七)安装两端管箱8等构件以完成预变形管板式换热器的制造。

Claims (10)

1、一种预应力管壳式换热器，由壳体(5)、管板(1、7)、换热管(3)、折流板(杆)(2)、拉杆(4)、管箱(8)、接管(6)、支座(9)等组件构成，其特征在于：对所述的换热器组件管板(7)加载产生预变形至预定值时焊接未焊的管板(1)与换热管(3)，冷却后撤去加载。

2、根据权利要求1所述的预应力管壳式换热器，其特征在于：所述的加载是通过机械或液压方式施加压力。

3、一种预应力管壳式换热器，由壳体(5)、管板(1、7)、换热管(3)、折流板(杆)(2)、拉杆(4)、管箱(8)、接管(6)、支座(9)等组件构成，其特征在于：对所述的换热器组件换热管(3)电加热产生预变形至预定值时焊接未焊的管板(1)与换热管(3)。

4、一种预应力管壳式换热器，由壳体(5)、管板(1、7)、换热管(3)、折流板(杆)(2)、拉杆(4)、管箱(8)、接管(6)、支座(9)等组件构成，其特征在于：对所述的换热器组件管板(7)加载，同时对换热器组件换热管(3)电加热产生预变形至预定值时焊接未焊的管板(1)与换热管(3)，冷却后撤去加载。

5、根据权利要求4所述的预应力管壳式换热器，其特征在于：所述的加载是通过机械、液压方式施加载荷。

6、一种预应力管壳式换热器制造方法，其特征在于包括下列步骤：(一)焊接一端的壳体(5)与管板(7)、管板(7)与换热管(3)；(二)焊接另一端的壳体(5)与管板(1)；(三)对管板(7)与换热管(3)焊接完毕端的管板(7)加载施加预变形至预定值；(四)维持预变形状态焊接未焊的换热管(3)与管板(1)；(五)冷却后撤去加载。

7、根据权利要求6所述的预应力管壳式换热器制造方法，其特征在于：所述的加载是通过机械或液压方式施加压力。

8、一种预应力管壳式换热器制造方法，其特征在于包括下列步骤：(一)焊接一端的壳体(5)与管板(7)，管板(7)与换热管(3)(也可不焊)；(二)焊接另一端的壳体(5)与管板(1)；(三)对换热管(3)电加热产生预变形至预定值；(四)维持预变形状态焊接未焊的换热管(3)与管板(1)；(五)停止电加热。

9、一种预应力管壳式换热器制造方法，其特征在于包括下列步骤：(一)焊接一端的壳体(5)与管板(7)、管板(7)与换热管(3)；(二)焊接另一端的壳体(5)与管板(1)；(三)对管板(7)与换热管(3)焊接完毕一端的管板(7)加载，同时对换热管(3)与管板(1)未焊接一端的换热管(3)电加热施加预变形至预定值；(四)维持预变形状态焊接未焊的换热管(3)与管板(1)；(五)冷却后撤去加载。

10、根据权利要求9所述的预应力管壳式换热器制造方法，其特征在于：所述的加载是通过机械或液压方式施加压力。

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