過程裝備制造工藝-典型壓力容器

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第Ⅱ篇 過程裝備制造工藝 8 典型壓力容器,主要內容: 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？換熱器臺數占工藝設備總臺數的25-70%；質量占工藝設備總質量的25-50%；檢修工作量占總檢修量的60-70%。,◎應用廣泛——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（waste heat boiler）,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,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,——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,特點：1、傳熱效率高 2、結構緊湊、質量輕，對于鋁制板翅式換熱器而言，單位體積的傳熱面積為1500～2500m2/m3，相當于管殼式換熱器的8－20倍，重量僅為相同換熱面積的管殼式換熱器的1/10。3、適應范圍廣，4、制造工藝復雜，要求嚴格。5、容易堵塞，清洗和檢修較困難，若因腐蝕產生內漏，則很難修理。,優(yōu)點：結構簡單，造價低，操作管理方便，蛇管內可承受高壓，還可用在傳熱面積不大的反應釜內作換熱構件。 缺點：通常容器內的流體流速很低，故管外給熱系數小，加之容器內各處溫度大致接近，因而平均溫差不大，所以換熱效果差，設備笨重，不適于作為需要換熱面積很大的換熱設備。,,套管式換熱器是將傳熱管（內管）以同心圓狀插入外管中，它的傳熱面積是由成組排列的管子所組成，從上到下、從左至右由許多U形彎頭連接在一起，然后采用角鋼或槽鋼焊成支架，組裝而成。套管式換熱器一般適用于傳熱面積較小的場合，它比同樣傳熱面積的管殼式換熱器所需的空間容積要大，但其結構簡單，制造方便等優(yōu)點而廣泛的用作冷卻裝置。,,,,,,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,根據我們前面學習的內容，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)適用于較清潔介質工況。檢查換熱管內及清洗換熱管時，必須將連接管道一起拆下，很不方便。,,,,(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。,,,,◆ 換熱器的型號 ××× DN — -- A-- -- --Ⅰ或Ⅱ 管束的級別 管程/殼程數，單殼程時只寫Nt 公稱長度/換熱管外徑，m 公稱換熱面積 管程/殼程設計壓力，MPa；壓力相等時只寫pt 公稱直徑，mm； 分別表示前端管箱、殼體、后端結構形式,,,,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： BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4Ⅰ,U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： BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2Ⅰ,Ⅱ,Ⅱ,釜式重沸器 平蓋管箱，管箱內直徑600mm，圓筒內直徑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： BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4Ⅱ,Ⅱ,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，提高管內流體流速。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，小管板在殼體內滑動 ——無溫差應力； 2.管束可以抽出，清洗； 3.結構復雜，浮頭內漏不便檢查； 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： 管內和管間清洗方便，不會產生熱應力。,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— 不產生熱應力； 2.管束可以抽出，管內外均易清洗； 3.填料將殼程介質與外界隔開，易外漏，介質受限制；,（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 1—縱向隔板；2—浮動管板；3—活套法蘭；4—部分剪切環(huán)； 5—填料壓蓋；6—填料； 7—填料函,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，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,,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，管板孔同時產生彈性變形，取去脹管器后，管板與管子產生一定的擠壓力，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？,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，保證脹接質量。 脹管率的計算 推薦兩種計算方法： 管子內徑增大率K； 管子壁厚減薄率W。,計算脹管率需要測量的數據,測量管板孔徑D,測量脹接前管子外徑dw,測量脹接前管子內徑d1,測量脹接后的管子內徑 d2,計算脹管率的公式,管子內徑增大率 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、 管板尺寸、材質等有關，不宜做統(tǒng)一要求。 例如： 20鋼，Φ25×2.5mm鋼管脹接 取內徑增大率 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，硬化現象嚴重，甚至產生裂紋； b 還可能使管板產生塑性變形，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,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、管程數和殼程數 。,（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、生產效率較高。 ◆多層容器工藝過程較復雜,工序較多,生產周期長。,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,質量不易保證,價格昂貴。 ◆多層容器所用鋼板相對較薄,質量均勻易保證,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,若內筒發(fā)生腐蝕破壞,介質由透氣孔泄出易于發(fā)現。,,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,在內壁面產生預壓縮應力,達到均化應力沿壁厚分布的目的。 多層也采用內層預緊，改善受力。,⑦單層厚壁容器在內壓作用下,筒體沿壁厚方向的應力分布很不均勻,筒體內壁面應力大、外壁面應力小,隨著簡體外直徑和內直徑之比的增大,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 地包扎在內筒上； 借縱焊縫的焊接收縮力使 層板和內筒、層板與層板 之間互相貼緊，產生一定 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； 對介質適應性強，可選擇合適的內筒材料。,,,,,,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、制造和使用經驗最為豐富的組合式筒體結構。,1、結構，制造： 內筒（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： 內筒與多層包扎式內筒相同，外層是在內筒外面連續(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結構。 2、制造： ? 將內筒拼接到所需的長度，兩端焊上法蘭或封頭； ? 在整個長度上逐層包扎層板，待全長度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二層，直至所需厚度。,3、優(yōu)點： 環(huán)、縱焊縫錯開，筒體與封頭或法蘭間的環(huán)焊縫為一定角度的斜面焊縫，承載面積增大。,,整體多層包扎式厚壁容器筒體,（5）繞帶式,以鋼帶纏繞在內筒外面獲得所需厚度筒壁,兩種結構,,型槽繞帶式,扁平鋼帶傾角錯繞式,型槽繞帶式 用特制的型槽鋼帶螺旋纏繞在特制的內筒上，端 面形狀見圖4-4（a），內筒外表面上預先加工有 與鋼帶相嚙合的螺旋狀凹槽。,纏繞時，鋼帶先經電加熱，再進行螺旋纏繞，繞 制后依次用空氣和水進行冷卻，使其收縮產生預 緊力，可保證每層鋼帶貼緊；各層鋼帶之間靠凹 槽和凸肩相互嚙合，纏繞層能承受一部分由內壓 引起的軸向力。,,（a）型槽繞帶式筒體 （b）型槽鋼帶結構示意圖,縮套環(huán),雙錐面墊片,焊縫,（a）,（b）,（5）繞帶式,過 程 設 備 設 計,優(yōu)點： 筒體具有較高的安全性，機械化程度高，材料損耗少，且由于存在預緊力，在內壓作用下，筒壁應力分布較均勻。,缺點： 鋼帶需由鋼廠專門軋制，尺寸公差要求嚴，技術要求高；為保證鄰層鋼帶能相互嚙合，需采用精度較高的專用纏繞機床。,,（2）扁平鋼帶傾角錯繞式 中國首創(chuàng)的一種新型繞帶式筒體；該結構已被列入ASME Ⅷ-1和ASME Ⅷ-2標準的規(guī)范案例，編號分別為 2229和2269。,（c） 扁平鋼帶傾角錯繞式筒體,與其它類型厚壁筒體相比，扁平鋼帶傾角錯繞式筒體結構具有設計靈活、制造方便、可靠性高、在線安全監(jiān)控容易等優(yōu)點。,結構：,內筒厚度約占總壁厚的1/6～1/4， 采用 “預應力冷繞”和“壓棍預彎貼緊”技術，環(huán)向15°～30°傾角在薄內筒外交錯纏繞扁平鋼帶。,鋼帶寬約80-160mm、厚約4-16mm，其始末兩端分別與底封頭和端部法蘭相焊接。,,,