列管式石墨換熱器中溫差應力分析

吳彩霞

（遼陽炭素依渤石墨設備有限公司，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

不透性石墨換熱設備有優良的耐腐蝕性和傳熱性能，用于腐蝕性介質的傳熱過程更能發揮石墨設備的優越性。

列管式石墨換熱器不僅用于鹽酸、硫酸、乙酸等腐蝕性介質，還廣泛地應用于化肥、染料、化工、有機合成、制藥等工業部門，用于加熱、冷卻、冷凝、蒸發和吸收等化工單元操作。

1 列管式石墨換熱器結構特點及分類

列管式石墨換熱器是由不透性石墨管和管板用粘接劑粘接組成管束，放置于鋼制圓筒殼體內，兩端設置不透性石墨材料或其他防腐材料制封頭，分別用螺栓緊固。

列管式石墨換熱器特點：

（1）結構簡單，材料利用率高，流體阻力小，可制成較大傳熱面積設備；

（2）傳熱效率不如塊孔，允許使用壓力、溫 度低。

列管式石墨換熱器按結構形式分類：

（1）固定管板列管式石墨換熱器；

（2）浮頭列管式石墨換熱器；

（3）單管填料密封列管式石墨換熱器。

2 列管式石墨換熱器中的溫差應力

因列管式石墨換熱器被廣泛應用，工作中遇到的問題較多。曾有一用戶的一批列管式石墨換熱器使用當中經常出現泄漏，邀請我司技術人員到現場幫忙分析一下情況。我們到現場后了解到，當時因受現場安裝條件限制，所以這批設備設計成管長只有一米多點的固定管板的，管程介質有機物，殼程介質水蒸汽。

為什么這臺設備會頻繁出問題，分析如下：

殼體與管子在制造裝配時在裝配溫度下都具有一致的長度，由于操作后管子與殼體的溫度都變化了，現假定管子溫度高于殼體溫度，管子由于熱膨脹的伸長可能大于殼體的伸長，但管子與殼體是通過管板剛性連接在一起的，各自不能自由膨脹，相互之間產生變形約束。結果管子受殼體的約束而被迫減少伸長，而殼體又受管子的反作用被迫增加伸長，導致管子中受到軸向壓縮應力，而殼體中受到軸向拉伸應力，這就是因溫差而在管子與殼體中產生的溫差應力[1]。

由此力在管子與殼體中產生的溫度應力如下：

式中 σt為管子中所產生的溫度應力，Pa；

σs為殼體中所產生的溫度應力，Pa；

P為由于溫差而作用在管子或殼體上的軸向 力，N；

Ft，Fs為分別為管子與殼體的橫截面積，m2；

Et，Es為分別為管子與殼體材料的彈性模量，Pa；

αt，αs為分別為管子與殼體的材料線脹系數，1/℃；

tt，ts為分別為管子與殼體的計算溫度，℃；

t0為裝配溫度，℃。

由以上分析可知：

（1）溫差應力的大小與換熱管的長度無關。改變換熱器的長度無濟于改善溫差應力；

（2）當材料與結構已確定后，溫差應力的大小主要與溫度差（tt-t0）及（ts-t0）有關。兩者溫差愈大，溫差應力也愈大。

固定管板式石墨換熱器，其石墨管與兩管板均采用膠粘結構，結構簡單，但只適用于使用溫度較低，且兩種介質溫度較小的場合。做冷卻器時比做加熱器使用時安全，石墨管可發揮抗壓性能的優點，加熱器不宜用固定管板式。

浮頭列管式石墨換熱器，其中一個管板是浮動管板。這樣，由于管子和殼體材料的膨脹系數不同以及兩者的溫差，隨著溫度的變化管束與殼體的伸長和收縮量不一致時，可以通過管束的自由浮動而得到補償，不致使管束承受溫差應力而破壞。

3 結語

對石墨一類的脆性材料所制成的設備來說，溫差應力對設備的安全有很大的威脅。列管式石墨換熱器必須改為浮頭式的結構，即使如此也要防止浮頭結構中由于制造，組裝不當或年久失修使浮動失效，而產生過大的溫差應力導致破壞。