论膨胀节在换热器中的应用

论膨胀节在换热器中的应用

在换热器的设计和使用中，我们经常要碰到带有膨胀节的换热器。这些膨胀节应用到换热器中到底能起到什么作用。

首先，膨胀节是一种能自由伸缩的弹性补偿元件，能有效的起到补偿轴向变形的作用。当管束和壳体由于温差和压力作用变形不一致时，能吸收变形能，自动调节壳体和管束中的应力大小。

其次，在筒体上加上一个波纹膨胀节来吸收换热管和筒体的变形差，将会改善管板受力状况，减小管板的厚度。

应用到膨胀节最多的换热器是固定管板式换热器。

在哪些情况下，我们需要在换热器上设置膨胀节。在设置膨胀节的时候，我们需要注意些什么。膨胀节在应用时应该注意得事项。

我们现在用实际项目中出现的案例分析一下，见下图：

本设备为硫回收项目中三级硫冷凝器。本设备为BKM形式的换热器。其壳程工作压力为0.15MPa，设计压力为0.4MPa，工作温度104~127.5°C，设计温度160°C，材质为Q345R；其管程工作压力为0.075MPa，设计压力为0.4MPa，工作温度228.4~130°C，设计温度250°C，材质为Q345R/0Cr18Ni9（其换热管材质为0Cr18Ni9）。在使用SW6计算的时候，计算显示需要设置膨胀节。

让我们来分析一下此换热器需要设置膨胀节的原因。我认为换热器温度高时、壳程管程受热金属材料变形膨胀速度不一致或膨胀量相差太大时就要加膨胀节。其壳程材料为Q345R，其换热管材料为0Cr18Ni9，这两种材料的线性膨胀系数不同，从而导致膨胀量相

差太大。

GB151中规定，当下述三个条件中任何一个不满足时，需要考虑加膨胀节。

1.换热器的壳体和管束的轴向应力满足强度条件，即

壳体轴向应力σs≤3[σ]sτ φ

管束轴向应力σb≤3[σ]bτφ

2.换热器的壳体和管束的轴向压缩应力应满足稳定条件：

壳体的压缩应力︱Nσs + Tσs︱≤B

管束的压缩应力︱Nσb + Tσb︱≤[σcr]

3.管板与换热管间的拉脱力q不得大于许用拉脱力[q](胀接)或3[q](焊接)

过去有用管程平均金属温度和壳程平均金属温度差50℃作为设置换热器膨胀节简单依据，但是这种判断方法并不科学。只是过去在没有计算软件，而使用手算的时候的一种简单的判据，从而减少手算时候的计算量。而且我在使用SW6计算时发现，壳程材料如果与换热管材料不一样的时候，一般就需要设置膨胀节了。如本设备其管程材质与壳程材质不一样，其线性膨胀系数相差太大，这样在两程温度相差并不是太大的时候，而膨胀量相差太大。

卧式换热器膨胀节的设置：

在《GB151》当中并没有提到膨胀节的安放位置。本人认为，只要将膨胀节设置在两个支座之间就可以。是否靠近其中一侧对膨胀节的受力影响微弱，可以不用考虑。膨胀节与折流板位置在一起，换热器中介质就会沿巨大的缝隙流动，使折流板的作用减弱，所以需要在

设计过程中避免这种情况。这个问题也是带膨胀节换热器都会遇到得共同问题。在换热器制造过程中，膨胀节的设置也要充分考虑到钢板的下料，以提高其经济性，减少工作量，减少材料浪费。

立式换热器膨胀节的设置：

立式换热器膨胀节的设置，人们分成两种观点。一种观点如上图左所示，膨胀节设置在耳座的下面。他们认为这样设置，膨胀节就不会承受设备的自重。对膨胀节的使用非常有利。第二种观点如上图右所示，膨胀节设置在耳座的上面。他们认为这样设置，并不影响膨胀节的正常使用，而且在换热器的安装过程中能有效的避免膨胀节与结构梁的冲突。

我认为这两种设置方式都是可以的。如果我们完全把膨胀节看成是一个柔性体，把它看成一个气球，或者是一个能承受内压的肥皂泡。上图左边这种设置方式，我们分析由上下管板和换热管、上半部分筒体组成的刚形体。这种结构的危险点是换热管与上下管板的连接处。换热管与上管板的连接要承受的拉脱力，是换热管和下管板下管箱的重量。换热管与下管板的连接要承受的拉脱力，是下管板和下管箱的重量。膨胀节会帮助换热管与下管板连接处分担下管板下管箱的重量。现在，我们分析上图右边这种设置方式，这种结构的危险点一样是换热管与上下管板的连接处。换热管与上管板的连接要承受的拉脱力，是上管板和上管箱的重量。换热管与下管板的连接要承受的拉脱力，是上管板和上管箱以及上管箱的重量。膨胀节会帮助换热管与上管板连接处分担上管板和上管箱的重量。

由此，我们可以看出两种方式，膨胀节所要承受的应力基本一样。

而从安装角度看，左边的方案需要换热器在设计时使用B或C型耳座，这样才会避免在设备吊装过程中与结构梁的冲突。如果结构空间有限，这种方案就不太适用了。右边的方

案在安装的时候就不要考虑这种情况，换热器在设计时可以使用A,B或C型耳座。由此可见两种方案都是可行的。