一种预应力管壳式换热器及其制造方法技术

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。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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；该专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭崇志，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]