第二篇-過程裝備制造工藝-8典型壓力容器

第Ⅱ篇過程裝備制造工藝

8典型壓力容器

主要內(nèi)容:8.1管殼式壓力容器8.2高壓容器的制造8.1管殼式換熱器一、換熱器的概述

換熱器是用來完成各種不同傳熱過程的設備。

是許多工業(yè)部門廣泛應用的通用工藝設備。通常，在化工廠的建設中，換熱器約占總投資的10％～40％。為什么呢？換熱器臺數(shù)占工藝設備總臺數(shù)的25-70%；質(zhì)量占工藝設備總質(zhì)量的25-50%；檢修工作量占總檢修量的60-70%?！驊脧V泛——適用于多種目的：

熱交換，加熱，冷卻，冷凝，蒸發(fā)……3.可靠性滿足操作條件,強度足夠,保證使用壽命二、衡量標準2.合理性1.先進性可制造加工，成本可接受傳熱效率高，流體阻力小，材料省

傳熱效率，流體阻力，強度，結構可靠度，耗材量，成本，制造，安裝，檢修……管殼式換熱器的結構：三、不同目的的換熱器

冷卻器（cooler）冷凝器（condenser）蒸發(fā)器（發(fā)生相變）（evaporator）加熱器（一般不發(fā)生相變）（heater）再沸器（reboiler）廢熱鍋爐（wasteheatboiler）按傳熱方式或工作原理分類1、直接接觸式傳熱效果好，但不能用于發(fā)生反應或有影響的流體之間圖7-1直接接觸式換熱器

熱流體冷流體熱流體冷流體四、換熱器的基本類型2、蓄熱式溫度較高的場合，但有交叉污染，溫度波動大圖7-2蓄熱式換熱器

冷流體冷流體熱流體熱流體3、間壁式重點——又稱表面式換熱器利用間壁（固體壁面）進行熱交換。冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體。應用最為廣泛，形式多種多樣，如管殼式換熱器、板式換熱器等對于間壁式換熱器，按間壁形狀進一步分為(3)管殼式(1)管式(2)緊湊式螺旋板式、板式、板翅、傘板等排管、蛇管、套管重點圖7-3

換熱器構件名稱1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法蘭;3-設備法蘭;4-管板;5-殼程接管;6-拉桿;7-膨脹節(jié);8-殼體;9-換熱管;10-排氣管;11-吊耳;12-封頭;13-頂絲;14-雙頭螺柱;15-螺母;16-墊片;17-防沖板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉桿螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱殼體;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱蓋根據(jù)我們前面學習的內(nèi)容，請同學們說說序號2、3、8、12、21各代表什么零件？列管式換熱器的工作原理：列管式換熱器

管箱的作用:將進入管程的流體均勻分布到各換熱管，把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還可通過設置隔板起分隔作用。管箱五、主要零部件、分類及代號

(a)適用于較清潔介質(zhì)工況。檢查換熱管內(nèi)及清洗換熱管時，必須將連接管道一起拆下，很不方便。(b)在清洗換熱管內(nèi)時，僅將平蓋拆下，不及拆除連接管道，易清洗和檢查。目前設計中采用較多。缺點是用材較多。(c)將管箱與蓋板焊成一體?？杀苊庠诠馨迕芊馓幍男孤芟洳荒軉为毑鹣?，檢修清洗不方便，很少采用。(d)多程隔板安置的一種形式。其接管安裝形有多種。如圖。附：換熱器型號的表示方法例浮頭式換熱器平蓋管箱，公稱直徑500mm，管程和殼程設計壓力均為1.6MPa，公稱換熱面積54㎡，較高級冷拔換熱管外徑25mm，管長6m，4管程單殼程的浮頭式換熱器，其型號為：AES500-1.6-54-6/25-4Ⅰ固定管板式換熱器封頭管箱，公稱直徑700mm，管程設計壓力2.5MPa，殼程設計壓力1.6MPa，公稱換熱面積200㎡，較高級冷拔換熱管外徑25mm,管長9m，4管程單殼程的固定管板式換熱器，其型號為：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4ⅠU型管式換熱器封頭管箱，公稱直徑500mm，管程設計壓力4.0MPa，殼程設計壓力1.6MPa，公稱換熱面積75㎡，較高級冷拔換熱管外徑19mm,管長6m，2管程單殼程的U型管式換熱器，其型號為：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2ⅠⅡⅡ釜式重沸器平蓋管箱，管箱內(nèi)直徑600mm，圓筒內(nèi)直徑1200mm，管程設計壓力2.5MPa，殼程設計壓力1.0MPa，公稱換熱面積90㎡，普通級冷拔換熱管外徑25mm,管長6m，2管程釜式重沸器，其型號為：AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2Ⅱ浮頭式冷凝器封頭管箱，公稱直徑1200mm，管程設計壓力2.5MPa，殼程設計壓力1.0MPa，公稱換熱面積610㎡，普通級冷拔換熱管外徑25mm,管長9m，4管程單殼程的浮頭式冷凝器，其型號為：BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4ⅡⅡ固定管板式換熱器浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器五、管殼式換熱器的分類

基本類型（一）固定管板式換熱器優(yōu)點：結構簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換。缺點：不易清洗殼程，殼體和管束中可能產(chǎn)生較大的熱應力。圖7-4固定管板式換熱器為減少熱應力，通常在固定管板式換熱器中設置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來吸收熱膨脹差。圖7-5帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器適用場合：適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場合。折流板：提高殼程流體的流速和湍動程度。隔板：增加管程數(shù)，提高管內(nèi)流體流速。流速增加，傳熱效率提高；但流動的阻力也同時增加。膨脹節(jié)的作用：由于兩塊管板都與殼體固定，當殼體、換熱管受熱、受壓都會發(fā)生變形，加入膨脹節(jié)減少熱應力來吸收熱膨脹差。當殼體和管子之間的溫差較大(60~70℃)且殼體承受壓力不太高時，可采用補償圈（又稱膨脹節(jié)）。特點1.一個大管板，一個小管板，小管板在殼體內(nèi)滑動——無溫差應力；2.管束可以抽出，清洗；3.結構復雜，浮頭內(nèi)漏不便檢查；4.管束與殼體間隙較大——影響傳熱。.（二）浮頭式換熱器（二）浮頭式換熱器優(yōu)點：

管內(nèi)和管間清洗方便，不會產(chǎn)生熱應力。缺點：

結構復雜，設備笨重，造價高，浮頭端小蓋在操作中無法檢查。適用場合：殼體和管束之間壁溫相差較大，或介質(zhì)易結垢的場合。圖7-6浮頭式換熱器特點：1.一端可自由伸縮—不產(chǎn)生熱應力；2.管束可以抽出，管內(nèi)外均易清洗；3.填料將殼程介質(zhì)與外界隔開，易外漏，介質(zhì)受限制；（三）U形管式換熱器U形管式換熱器圖7-8

U型管式換熱器優(yōu)點：結構簡單，價格便宜，承受能力強，不會產(chǎn)生熱應力。缺點：布板少，管板利用率低，管子壞時不易更換。適用場合：特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。U形管式換熱器特點：1.只有一個管板，結構簡單；2.管子可以抽出，管間易清洗；3.管子可以自由膨脹；4.管內(nèi)不便清洗，不易更換；5.結構不緊湊。（四）填料函式換熱器填料函式換熱器優(yōu)點：結構簡單，加工制造方便，造價低，管內(nèi)和管間清洗方便。

缺點：填料處易泄漏。

適用場合：

4MPa以下，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度受填料的物性限制。填料函式密封圖7-9填料函式換熱器列管式換熱器種類優(yōu)

點缺

點固定管板式結構較簡單，造價較低，相對其它列管式換熱器其管板最薄。管外清洗困難；管殼間有溫差應力存在；當兩種介質(zhì)溫差較大時必須設置膨脹節(jié)。浮頭式一端管板固定，另一端管板可在殼體內(nèi)移動；管殼間不產(chǎn)生溫差應力；管束可抽出，便于清洗。結構較復雜，金屬耗量較大；浮頭處發(fā)生內(nèi)漏時不便檢查；管束與管體間隙較大，影響傳熱。填料函式管束一端可自由膨脹；造價比浮頭式低；檢修、清洗容易；填函處泄漏能及時發(fā)現(xiàn)。殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能；殼程中不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的介質(zhì)。U型管式只有一個管板；管程至少為兩程；管束可以抽出清洗；管子可自由膨脹。管內(nèi)不便清洗；管板上布管少，結構不緊湊，管外介質(zhì)易短路，影響傳熱效果；內(nèi)層管子損壞后不易更換。六、管子與管板的連接

（一）脹接

利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時產(chǎn)生彈性變形，取去脹管器后，管板與管子產(chǎn)生一定的擠壓力，貼在一起達到密封緊固連接的目的。

圖7-14脹管前后示意圖（a）脹管前（b）脹管后脹管結束後：

管板孔邊緣彈性回復，擠壓管端并貼緊。脹管過程發(fā)生：管子端部——塑性變形；管板孔邊緣——彈性變形。優(yōu)點：工藝簡單方便；消除間隙——避免間隙腐蝕。缺點：溫度升高時，管端會發(fā)生松弛

——泄漏。適用條件：p≤4.0MPa,t≤350℃。注意：管端硬度＜管板硬度。為什麼？如何實現(xiàn)？

保證緊密性的方法：管板孔開槽；脹接周邊保證清潔；管子硬度低于管板孔周邊硬度。保證管端硬度較低并且低于管板硬度的方法：管端退火處理。選材考慮。脹管率就是管子、管板的變形率；就要控制合理的脹管率，保證脹接質(zhì)量。脹管率的計算推薦兩種計算方法：管子內(nèi)徑增大率K；管子壁厚減薄率W。計算脹管率需要測量的數(shù)據(jù)測量管板孔徑D測量脹接前管子外徑dw測量脹接前管子內(nèi)徑d1測量脹接后的管子內(nèi)徑

d2計算脹管率的公式管子內(nèi)徑增大率

K=[(d2－dl)－(D－dw)]／D×100%管子壁厚δ減薄率

W=[(d2－dl)－(D－dw)]／2δ×100%脹管率的合理值它與脹接接頭的形式、管子的規(guī)格及材質(zhì)、

管板尺寸、材質(zhì)等有關，不宜做統(tǒng)一要求。例如：20鋼，Φ25×2.5mm鋼管脹接取內(nèi)徑增大率K=0.8%~1.6%,相當于壁厚減薄率W=4%~8%。若管子直徑大、管壁薄，脹管率取小值;管子直徑小,管壁厚，脹管率取大值。

過脹

a脹管率過大,它可能使管子壁厚減薄量過大，硬化現(xiàn)象嚴重，甚至產(chǎn)生裂紋；

b還可能使管板產(chǎn)生塑性變形，使脹接強度下降。

c過脹后很難修復。注意:欠脹

脹管率過小,不能保證必要的連接強度和密封性。液壓脹管器液壓脹接

機械脹接

適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設計壓力≤4MPa，設計溫度≤300℃，且無特殊要求的場合。原因：溫度升高，殘余應力減小，使管子與管板間的脹接密封性能、緊固性能都下降，故設計溫度≤300℃。要求管板硬度大于管子硬度，否則將管端退火后再脹接。脹接時管板上的孔可以是光孔，也可開槽(開槽可以增加連接強度和緊密性)。（二）焊接

優(yōu)點：在高溫高壓條件下，焊接連接能保持連接的緊密性，管板加工要求可降低，節(jié)省孔的加工工時，工藝較脹接簡單，壓力較低時可使用較薄的管板。缺點：在焊接接頭處產(chǎn)生的熱應力可能造成應力腐蝕開裂和疲勞破裂，同時管子、管板間存在間隙，易出現(xiàn)間隙腐蝕。圖7-16焊接間隙示意圖管板間隙換熱管強度低強度高減小焊接應力焊接形式：（三）脹焊并用脹焊并用連接主要有：強度焊＋貼脹………………先焊后脹強度脹＋密封焊………………先脹后焊概念解釋：密封焊—不保證強度，只防漏；強度焊—既防漏，又保證抗拉脫強度；貼脹—只消除間隙，不承擔拉脫力；強度脹—既消除間隙，又滿足脹接強度。目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學說仍處于爭議之中。

脹焊并用克服了單純的焊接及脹接的缺點，主要優(yōu)點是：連接緊密，提高抗疲勞能力；消除間隙腐蝕和應力腐蝕；提高使用壽命。施工方式：先脹後焊；先焊後脹。脹接——貼脹；強度脹。焊接——密封焊，強度焊。根據(jù)不同情況具體制定施工工藝。七、管程的分程及管板與隔板的連接

當換熱器所需的換熱面積較大，而管子做得太長時，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時，為了增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管子。（一）分程原因

（二）分程原則

（三）分程隔板

圖7-21雙層隔板與管板的密封①各程換熱管數(shù)應大致相等；②相鄰程間平均壁溫差一般不應超過28℃；③各程間的密封長度應最短；④分程隔板的形狀應簡單。圖7-22單層隔板與管板的密封隔板管板封頭隔板管板（四）分程方式

表7－2管程布置表（一）工藝計算

八、管殼式換熱器設計內(nèi)容

選型；確定管、殼程；通過化工工藝計算，確定換熱器的傳熱面積，同時選擇管徑、管長，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)

。（二）機械設計

1）殼體直徑的決定和殼體厚度的計算；2）換熱器封頭選擇，壓力容器法蘭選擇；3）管板尺寸確定；4）折流板的選擇與計算；5）管子拉脫力的計算；6）溫差應力計算。1.殼體直徑及壁厚；2.封頭法蘭、管件及補強；

3.管板結構及強度；4.細部連接結構；

5.附件結構；6.管子拉脫力驗算；

7.殼體熱應力校核；8.支座設計。管殼式換熱器機械設計內(nèi)容總結說出換熱器類型固定管板式換熱器浮頭式換熱器U形管式換熱器填料函式換熱器8.2高壓容器的制造1、結構細長

2、采用平蓋或球形封頭

3、密封結構特殊多樣

4、高壓筒體（身）限制開孔

高壓容器的結構特點

(長徑比可達28)(多種自緊式密封)高壓容器的結構型式筒體結構單層式組合式整體鍛造式鍛焊式卷焊式單層瓦片式無縫鋼管式層板包扎式熱套式繞板式等等……單層容器和多層容器制造工藝比較①◆單層容器制造工藝過程簡單、生產(chǎn)效率較高。◆多層容器工藝過程較復雜,工序較多,生產(chǎn)周期長。②◆單層容器使用鋼板相對較厚,而厚鋼板的軋制比較困難,抗脆裂性能比薄板差,質(zhì)量不易保證,價格昂貴?！舳鄬尤萜魉娩摪逑鄬^薄,質(zhì)量均勻易保證,抗脆裂性好。③多層容器的安全性高即使個別層板存在缺陷,也不容易延展至其他層板，不會產(chǎn)生瞬時的脆性破壞,。另外,多層容器鉆有透氣孔,可以排出層間氣體,若內(nèi)筒發(fā)生腐蝕破壞,介質(zhì)由透氣孔泄出易于發(fā)現(xiàn)。④由于層間間隙,導熱性小得多,高溫工作時熱應力大。⑤層板間隙的存在,環(huán)焊縫處必然存在缺口的應力集中⑥沒有深的縱焊縫,但它的深環(huán)焊縫難于進行熱處理。

為提高厚壁筒的承載能力,在內(nèi)壁面產(chǎn)生預壓縮應力,達到均化應力沿壁厚分布的目的。多層也采用內(nèi)層預緊，改善受力。⑦單層厚壁容器在內(nèi)壓作用下,筒體沿壁厚方向的應力分布很不均勻,筒體內(nèi)壁面應力大、外壁面應力小,隨著簡體外直徑和內(nèi)直徑之比的增大,這種不均勻性更為突出。2、組合式厚壁容器（即多層式）

2、制造：用裝置將層板逐層、同心地包扎在內(nèi)筒上；借縱焊縫的焊接收縮力使層板和內(nèi)筒、層板與層板之間互相貼緊，產(chǎn)生一定的預緊力；筒節(jié)上均開有安全孔

——報警。筒體深環(huán)焊縫筒節(jié)內(nèi)層——12～25mm外層——4～12mm為避免裂紋沿壁厚方向擴展，各層板之間的縱焊縫應相互錯開75°。筒節(jié)的長度視鋼板的寬度而定，層數(shù)則隨所需的厚度而定。（1）多層包扎式1、結構：多層包扎筒節(jié)多層包扎筒節(jié)3、優(yōu)點：制造工藝簡單，不需大型復雜加工設備；安全可靠性高，層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向擴展的能力；

減少了脆性破壞的可能性；包扎預應力改善筒體的應力分布；對介質(zhì)適應性強，可選擇合適的內(nèi)筒材料。4、缺點：筒體制造工序多、周期長、效率低、鋼材利用率低（僅60%左右）；深環(huán)焊縫對制造質(zhì)量和安全有顯著影響。①無損檢測困難，環(huán)焊縫的兩側均有層板，無法用超聲檢測，只能射線檢測；

②焊縫部位存在很大的焊接殘余應力，且焊縫晶粒易變得粗大而韌性下降；

③環(huán)焊縫的坡口切削工作量大，且焊接復雜。5、應用情況：目前世界上使用最廣泛、制造和使用經(jīng)驗最為豐富的組合式筒體結構。1、結構，制造：內(nèi)筒（厚度>30mm）卷焊成直徑不同但可過盈配合的筒節(jié)，將外層筒節(jié)加熱到計算的溫度進行套合，冷卻收縮后得到緊密貼合的厚壁筒節(jié)。熱套筒節(jié)（2）熱套式2、優(yōu)點：工序少，周期短，且具有包扎式筒體的大多數(shù)優(yōu)點。3、缺點：筒體要有較準確的過盈量，卷筒的精度要求很高，且套合時需選配套合；套合時貼緊程度不很均勻；套合后，需熱處理以除套合預應力及深環(huán)焊縫的焊接殘余應力。（3）繞板式1、結構：由內(nèi)筒、繞板層和外筒三部分組成，是在多層包扎式筒體的基礎上發(fā)展起來的。2、制造：內(nèi)筒與多層包扎式內(nèi)筒相同，外層是在內(nèi)筒外面連續(xù)纏繞若干層3～5mm厚的薄鋼板而構成筒節(jié)，只有內(nèi)外兩道縱焊縫，需要2個楔形過渡段，外筒為保護層，由兩塊半圓或三塊“瓦片”制成。3、優(yōu)點：機械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可達90%以上）。4、缺點：中間厚兩邊薄，累積間隙。繞板式（4）整體多層包扎式1、結構：錯開環(huán)縫和采用液壓夾鉗逐層包扎的圓筒