一种具有双头拉杆组件的换热器的制作方法

1.本实用新型涉及管壳式换热器技术领域，特别是涉及用于石油化工、煤炭化工、化肥工业、空调制冷、电力设施的热交换专用的一种具有双头拉杆组件的换热器。


背景技术：

2.现有技术中，管壳式换热器是应用最为广泛的一种热交换器，管壳式换热器又称为列管式换热器或者列管式冷凝器，广泛应用于化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等领域中的“液——液”、“汽——汽”、“汽——液”热交换的对流传热，以及蒸汽冷凝和液体蒸发传热等换热冷凝流程。
3.现有技术中的管壳式换热器通常的结构如图1所示，主要由管束1、壳体2、管箱3 等主要构件组成，其中管束1是管壳式换热器的核心构件，管束1通常由换热管1-1、支持板(或者折流板)1-2、定距管拉杆组件1-3和管板1-4组成，成排的换热管1-1通过支持板(或者折流板)1-2支承，其两端穿进管板的管孔中，并与管板相固定连接，从而保证接头的密封性和强度，换热管的两端连通管箱。
4.由图1可知，传统的管束只有一端管板固定有拉杆，另一端管板没有固定拉杆，拉杆只是在组装管束时起到定位折流板或支持板的作用。顾名思义拉杆只具有承受轴向拉力的功能，当受到轴向压力作用时，这根细长圆杆很容易就弯曲了。
5.一方面，随着社会经济的发展，石油化工装置的建设规模越来越大，旧装置的旧换热器的处理能力有时也要超负荷运行，换热器管束在壳程大流量强流体介质的冲击下发生振动，振动撞击不但产生噪音污染环境，还磨损破坏换热管，造成设备内漏，从而影响化工产品的生产及质量，甚至向外泄漏而污染环境。
6.另一方面，随着节能环保技术的发展，石油化工工艺深度加工的温度越来越高，余热回收充分利用的指标越来越严，薄管板在轻量化设计中替代厚壁大锻价管板越来越普遍，但是薄管板的承压能力欠缺，需要进行结构的特别加强。
7.还有一点，就是石油化工装置反向流程对换热器本质安全提升了新的要求。第一，为了维护换热器运行效果，传统上实行年度停车检修，清除长期沉积在结构角落的杂质污垢，现在为了减少或避免停车的经济损失，探索推广了一套称为流程反向冲洗的清洁技术，设备不必拆出，原来的进口、出口功能互换，送入冲洗液反向循环流通若干次，就能把大部分杂质污垢冲刷松动，带出设备外，效果良好。第二，有的装置设施技术改造，也可能需要把原来的进口改为出口，出口改为进口，但壳体内的管束难以改造。第三，换热器壳体出口管线操作不当或意外时，原来向前流动的介质遇到突然关闭的阀门或障碍物会产生反向流动的水锤，对管束强烈冲击，就像高速公路刹车对乘客的晃动一样，为了避免损伤管束，应增设管束“安全带”。
8.因此，针对上述现有技术中存在的问题进行改进具有工程意义。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在上述技术问题，本实用新型提供一种具有双头拉杆组件的换热器。
10.为实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：
11.提供一种具有双头拉杆组件的换热器，包括管壳、管束和管箱，管束包括左管板、右管板、多块内板和多条换热管，左管板和右管板固定于管壳的两端部并共同围成壳程，左管板和右管板分别与不同管箱相固定并共同围成管程，多条换热管并列地位于壳程中并穿过左管板和右管板后连通管程；内板为折流板和支持板这两者中的一者或这两者共存，多块内板沿换热管长度方向分布；其特征是：管束还包括与换热管并列布置的多条拉杆，同一条拉杆分为固定于左管板的左拉杆和固定于右管板的右拉杆，左拉杆和右拉杆一一对齐并收紧固定连接，多块内板固定连接左拉杆或右拉杆。
12.作为进一步的具体方案，左拉杆和右拉杆之间设有花篮螺栓，从而实现左拉杆和右拉杆相互牵拉收紧。
13.作为进一步的具体方案，左拉杆和右拉杆之间焊接有刚性块，从而实现左拉杆和右拉杆相互焊接收紧。
14.作为进一步的具体方案，左拉杆端部与左管板的壳程侧之间、右拉杆端部与右管板的壳程侧之间的连接方式为：螺纹连接、焊接或这两种连接方式的组合。
15.作为进一步的具体方案，左拉杆和右拉杆的数量为多条，多条左拉杆的端部沿对应左管板的整圆区域分布或非整圆区域分布，多条右拉杆的端部沿右管板的整圆区域分布或非整圆区域分布。
16.作为进一步的具体方案，所述拉杆为全长整条结构，或拉杆为分段组合结构。
17.作为进一步的具体方案，沿长度方向拉杆的横截面形状和尺寸是变化的，且朝靠近左管板或右管板方向拉杆的横截面增大。
18.作为进一步的具体方案，所述换热管为直管束，换热管的两端分别连接管壳两端的管箱；或所述换热管为u形管束，换热管迂回穿过左管板和右管板且连通同一个管箱，从而使得换热管的两节直管位于同一管壳内；或所述换热管为u形管束，换热管的两节直管位于不同的管壳中。
19.作为进一步的具体方案，左管板和右管板的厚度不相等。
20.作为进一步的具体方案，拉杆套设有多节定距管；或拉杆为不带定距管的杆体，管壳内设有定距件，定距件穿过多块内板且其两端部分别连接左管板和右管板。
21.本实用新型的有益效果：
22.本实用新型的具有双头拉杆组件的换热器，与传统的单向拉杆管束相比具有如下优点：
23.(1)内板(折流板或支持板)抗振能力强。同一块折流板或支持板同时受到左管板的拉紧和右管板的拉紧，内板被牢固地定位在管束上的一个位置。
24.(2)管束整体强度和刚度高。管束两端的管板上都连接有拉杆，左端管板连接的拉杆把内板往左边拉紧，右端管板连接的拉杆把内板往右边拉紧，左拉杆和右拉杆相互收紧在一起，形成相当于一条全长从左管板连接到右管板的整体拉杆，却优于整体拉杆，被双头拉紧的内板显著提高了管束的整体强度和刚度，管束在装运吊卸过程，在组装进壳体或抽
出检修的过程能更好地保持原有的结构尺寸精度。
25.(3)管束适用场合广，而且特别适用于薄管板。
26.第一，流态上适用于介质冲击。既可以在左拉杆的加强下承受从左往右流动介质的冲击，也可以在右拉杆的加强下承受从右往左流动介质的冲击，内板和拉杆不会在反向流动介质的冲击下振动磨损换热管或弯曲失稳。
27.第二，结构上适用于壳体大直径、薄管板、超长换热管的蒸汽发生器、废热锅炉、冷却器等换热器结构。左拉杆和右拉杆组成的双向拉杆组件在对管板的支持上相当于换热管对管板的支持，因此可以明显缩小管板布管区内计算管板厚度的假想圆直径，按假想圆直径的缩小程度同等比例地减薄管板的厚度。
28.第三，工艺上适用于壳程大流量、非稳定流态以及气液混合两相流或气流高弹性的场合。
29.(4)管束具有高温自紧功能。当管束的管程温度高于壳程温度时，换热管的热伸长比同类钢材的拉杆的热伸长稍长，双向拉杆受到换热管的带动作用，具有分别向管束两端相对位移的趋势，产生拉紧折流板或支持板的效应。反之，当管束的管程温度低于壳程温度时，双向拉杆产生推紧折流板或支持板的效应。
30.(5)管束性价比高。管束只增加一些拉杆这一常见的传统零件，就获得了良好的性能，具有结构简单、质量高及使用寿命长的特点。
31.先分开两段再连接到一起的双头拉杆组件，相较于全长整体拉杆，优点在于：
32.一、不但起到搭架子组装管板和内板的作用，还能拉紧内板，而且能实现双向拉紧，固定内板在同一个位置。
33.二、拉杆分为左拉杆和右拉杆这两段再连接到一起后就相当于gb/t 150—2014《热交换器》标准中附录l中的拉撑，可使两端管板之间增强连接，使管束各零件固定到一起构成一个紧固的整体，提高结构强度和刚性，即便是薄壁厚的管板也适用于壳体压力较高的工况。
34.三、拉杆两端不必穿过管板厚度，对管板的整体强度没有损伤，管板适用于压力较高的工况。
35.四、管束在壳体高温下运行时，内部零部件之间具有热自紧作用，密封可靠，适用于大直径的石油化工换热器。
附图说明
36.图1是现有技术中的一种管壳式换热器的结构示意图。
37.图2是本技术的一种具有双头拉杆组件的换热器的管束第一种结构示意图。
38.图3是本技术的一种具有双头拉杆组件的换热器的管束第二种结构示意图。
39.图4是本技术的一种具有双头拉杆组件的换热器的管束第三种结构示意图。
具体实施方式
40.以下结合具体实施例及附图对本实用新型进行详细说明。
41.本实施例的具有双头拉杆组件的换热器，包括传统结构：管壳、管束和管箱，管束包括左管板、右管板、多块内板和多条换热管，左管板和右管板固定于管壳的两端部并共同
围成壳程，左管板和右管板分别与不同管箱相固定并共同围成管程，多条换热管并列地位于壳程中并穿过左管板和右管板后连通管程，换热管与左右管板相焊接固定，换热管间隙配合穿过内板。内板为折流板和支持板这两者中的一者或这两者共存，多块内板沿换热管长度方向分布，每块内板沿管壳径向布置或相对管壳轴线倾斜布置。本技术改进的是：
42.如图2所示，管束还包括与换热管14并列布置的多条拉杆，同一条拉杆分为两个节段：固定于左管板11的左拉杆131和固定于右管板12的右拉杆132，多条左拉杆131和多条右拉杆132一一对齐并收紧固定连接，多块内板16固定连接左拉杆131或右拉杆132，使得各块内板16均被左管板11经由左拉杆131以及右管板12经由右拉杆132左右拉紧，该内板16被牢固地定位在管束上的固定位置，被双向拉紧的管板和内板显著提高了管束的整体强度和刚度，既可以在左拉杆131的加强下承受从左往右流动介质的冲击，也可以在右拉杆132的加强下承受从右往左流动介质的冲击。与传统的单向拉杆管束相比，内板16 不会在反向流动介质的冲击下振动磨损换热管或弯曲失稳，管束具有结构简单、质量高及使用寿命长的特点。
43.图2所示的双头拉杆加强管束结构，管程流体从左端箭头方向进入换热管14，经过换热管14换热后从右端箭头方向离开管束，图中左拉杆131的左端螺纹连接或焊接固定在左管板11的壳程侧，能承受壳程流体从左到右的冲击作用，而右拉杆132的右端固定在右管板 12的壳程侧，能承受壳程流体从右到左的冲击作用，还能承受壳程流体轴向的振动。
44.每条左拉杆131和对应右拉杆132的连接方式：左拉杆131和右拉杆132之间设有作为中间件的花篮螺栓15，从而实现左拉杆131和右拉杆132相互牵拉收紧；或者改为左拉杆131和右拉杆132之间焊接有刚性块，从而实现左拉杆131和右拉杆132相互焊接收紧。
45.实际中，左拉杆131端部与左管板11的壳程侧之间、右拉杆131端部与右管板12的壳程侧之间的连接方式为：螺纹连接、焊接或这两种连接方式的组合，即部分拉杆焊接，部分拉杆螺纹连接，根据不同位置的工况决定。拉杆与管板的连接常用螺纹连接，如图2 所示带定距管的拉杆131/132与内板16的连接可用端部螺纹紧固连接，图3和图4所示不带定距管的拉杆133/134与内板16的连接可用焊接连接。
46.实际中，图2左拉杆131和右拉杆132的数量为多条，多条左拉杆131的端部沿对应左管板11的整圆环轨迹分布或非整圆区域分布，多条右拉杆132的端部沿右管板12的整圆区域分布或非整圆区域分布，具体视管板上的布管区域而定。
47.实际制造时，所述拉杆为全长整条结构，或拉杆为分段组合结构。全长整条的拉杆其中只有一端需要穿过工况相对良好的那一端的管板到管程一侧再焊接固定，对于另一端工况相对恶劣的那一端的拉杆则不需要穿过管板。分段组合结构通过中间件或者焊接连接到一起，中间件可以收紧两段拉杆。左拉杆和右拉杆的端部在中间通过花篮螺栓收紧到一起，必要时设置更强的刚性件把左拉杆和右拉杆的端部焊接在一起，形成一条全长从左管板连接到右管板的整体拉杆。
48.实际可进一步优化的：沿长度方向拉杆的横截面形状和尺寸是变化的，且朝靠近左管板或右管板方向拉杆的横截面增大。位于管壳两端的左管板和右管板的厚度不相等，使得管束属于挠性薄管板或拉撑管板，薄管板适用于管板两侧流体温度差异较大的一端，厚管板适用于管板两侧流体温度差异较小的一端。
49.作为可选的方案，如图2和图3所示所述换热管为直管束，换热管14的两端分别穿
过左管板11和右管板12连通管壳两端的管箱；或如图4所示所述换热管为u形管束，换热管迂回穿过左管板11和右管板12且端口连通同一个管箱，从而使得换热管14的两节直管位于同一管壳内。或改为所述换热管为u形管束，换热管的两节直管位于不同的管壳中。图4所示，图中等效右管板12实际上相当于一块较厚的折流板或支持板，由于管板定距件 17强度和刚度足够，使等效右管板12也能作为右拉杆134拉紧内板的基础。
50.作为可选的方案，如图2所示拉杆外侧穿设有多节定距管，相邻两块内板16之间、内板16与左管板11/右管板12之间通过定距管相固定，定距管端部螺纹连接或焊接；或如图3或4所示拉杆为不带定距管的光杆体，管壳内另外设有定距件17，定距件穿过多块内板16且其两端部分别连接左管板11和右管板12。
51.现有技术中，有的其它类型的换热器为了便于维护，在管板之间设置整条拉杆，本技术相较于此类换热，具有以下明显优点：
52.1.本技术目的在于提高换热器的运行效率和安全性，与现有技术的便于维护目的不同。
53.2.本技术的双头拉杆起到组装管板和内板(折流板或支持板)的作用。
54.3.本技术的双头拉杆能把任一块折流板或支持板往两端的管板方向拉紧，可防止折流板或支持板在壳程介质作用下振动。
55.4.本技术的双头拉杆与管板的壳程侧螺纹连接或者焊接，或者仅一端需要穿过工况相对良好的那一端管板到管程侧再焊接固定，焊接密封性能可靠。
56.5.本技术的换热器在应用过程中，壳程侧介质是低温度高压力工况时，双头拉杆组件对管板的拉紧作用下，对管板抵抗高内压具有很好的加强作用。而现有技术为了便于维护而设置拉杆的技术其壳程冷媒出现压力升高时，端部安装板周边向封头偏转变形，管束周边两端的密封会松弛，壳程侧的热介质与管程侧的冷介质之间就会发生窜通泄漏。
57.6.本技术的管束和管壳可以分别同步制造成量大部件，再组装再一起。而现有技术如果管板与拉杆通过螺母固定，则存在组装弊端：管束零件加工好后难以独自有效组装，需要等到罐体制造完成后再在罐体的支持下组装，特别是当拉杆两端的螺母拧不紧时管束端部与安装板之间会泄漏，但是当拉杆两端的螺母拧得过紧时，两块安装板中间的间距被拉杆收近，安装板周边同样会向封头偏转变形，同样会造成管束端部与安装板之间会泄漏，这是螺母拧紧力无法调整的矛盾。
58.总之，本技术的一种具有双头拉杆组件的换热器，是一种折流板或支持板抗振能力强，管束整体强度和刚度高，管束适用场合广而且特别适用于薄管板，管束具有高温自紧功能，管束性价比高的新技术。
59.本技术具有双头拉杆组件的管束可行性分析：
60.传统的单向拉杆组件的管束高温运行中换热管的热膨胀伸长只会受到壳体的牵制，不会受到拉杆的牵制，换热管和拉杆两者之间是自由的。
61.但是本实施例的管束中，换热管和拉杆两者之间形成相互牵制，参考图2所示。在管束内部，换热管较其邻近的拉杆温度稍高，两者的热膨胀是基本协调的，如果换热管较其邻近的拉杆温度高出很多，则换热管的热膨胀受到邻近拉杆的限制，拉杆除了自身的热膨胀伸长还不够，还受到换热管热膨胀伸长的拉长，应对热自紧进行可靠性校核。同时，热膨胀引起的结构自紧与热应力校核是防护设计的两方面。从技术可靠性上还是应该对两种结
构的热应力进行校核，如果热应力较大且校核能通过，则同时满足这两方面的要求，如果热应力较大且不能通过校核，则应采取降低热应力的对策。
62.1).拉杆的安全性校核
63.管束在常温20℃装配后，在平均运行温度下换热管与其邻近拉杆的热膨胀伸长差为：
64.△
l＝l
m-lj＝βm×△
tm×
l－βj×△
tj×
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
65.式中：
△
l—全长度为l的换热管与拉杆在运行中的最大热膨胀差，mm；
66.βm—换热管在平均运行温度下的线膨胀系数，对于碳素钢和铬钼钢，取少见的极端高温350℃下运行时取1.324
×
10-5
mm/(mm
·
℃)；
67.△
tm—换热管在平均运行温度与其制造组装时的温度(一般取20℃)之差，330℃；
68.lm—换热管的最大膨胀量，mm；
69.βj—拉杆在平均运行温度下的线膨胀系数，对于碳素钢和铬钼钢高温，设拉杆较其旁边的换热管温度低及20℃，在300℃下运行时取1.29
×
10-5
mm/(mm
·
℃)；
70.△
tj—拉杆在平均运行温度与其制造组装时的温度(一般取20℃)之差，280℃；
71.lj—拉杆的最小膨胀量，mm。
72.把有关数值代入式(1)计算得：
73.△
l＝[1.324
×
10-5
(350-20)l]－[1.29
×
10-5
(300-20)l]
[0074]
＝(436.92-361.2)10-5
l
[0075]
＝7.572
×
10-4
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0076]
无论换热管取多长，热膨胀差
△
l除以l得热应变ε＝7.572
×
10-4
mm/mm，则其承受所有热应变的压应力为：
[0077]
σy＝εe
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0078]
式中：σy—拉杆承受的热应变拉应力，mpa；
[0079]
ε—热应变，取7.57
×
10-3
mm/mm；
[0080]
e—拉杆材料弹性模量，对于碳素钢和铬钼钢高温300℃下运行时取取1.83
×
105mpa；
[0081]
把有关数值代入式(3)计算得：
[0082]
σy＝7.572
×
10-4
×
1.83
×
105＝138.6mpa
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0083]
因为热应力具有自限性和局部，一旦屈服其应力立即下降，这里可以放宽碳素钢的许用值，取
[0084][0085]
式(4)的拉应力只有拉杆许用应力值270mpa的一半，而铬钼钢的许用值更高。因此拉杆的弹性伸长可以消除该热应力的影响，拉杆不会被拉断，拉杆是安全的。
[0086]
2).拉杆伸长对折流板位移的影响
[0087]
常用的换热管长度l约取6000mm，代入式(2)计算得换热管与其邻近拉杆的热膨胀伸长差：
[0088]
△
l＝7.572
×
10-4
×
6000≈4.5mm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0089]
一方面，折流板或支持板之间通常的间距是400mm，对于长度l约6000mm的换热管，起码设置五块折流板或支持板，形成六等分间隔，折流板或支持板之间的平均间距1000mm，
即便是长度12000mm的换热管，折流板或支持板之间的平均间距也不会随之增大，每两块折流板或支持板之间需要协调消化的热膨胀伸长差为：
[0090]
4.5/6≈0.75mm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0091]
由于管束组装时折流板或支持板不平整、拉杆不够直以及各零件之间存在间隙，这一点微小的热膨胀伸长差很容易在每一间隔的1000mm长的范围内通过位移协调消化，不会出现折流板或支持板被拉杆定距管拉歪变形的现象。
[0092]
另一方面，按式(4)计算校核的结果可知，拉杆的弹性伸长也可以协调该热位移的影响，而且拉杆不会被拉断，总之是不会出现折流板或支持板被拉杆定距管拉歪变形的现象。
[0093]
3).控制换热管与其邻近拉杆的热膨胀伸长差的对策
[0094]
首先，要充分利用运行状态下换热管与其邻近拉杆之间热膨胀伸长差的客观存在，达到紧固管束整体结构的主要目的，其次才是通过计算校核控制热膨胀伸长差过大时的有害性。
[0095]
如果换热管与其邻近拉杆的热膨胀伸长差较大，可选用线性热膨胀系数相对换热管的线性热膨胀系数较大的材料制作拉杆，以减少热膨胀伸长差。
[0096]
可以在结构上采取对策，例如取消定距管，只采用拉杆，让拉杆更直接与壳程介质接触，从介质传热和相邻换热管的辐射中吸收热量提高温度，也减少热膨胀伸长差。
[0097]
还可以在拉杆端部紧固螺母与折流板或支持板之间增设弹性垫圈，以弹性垫圈的变形来协调消化热膨胀伸长差。
[0098]
4).控制换热管与其邻近拉杆的平均温差的对策
[0099]
基于式(2)的原理，降低拉杆所受到的换热管热膨胀拉伸应力作用的对策，除了控制换热管与其邻近拉杆的热膨胀伸长差，还可以控制换热管与其邻近拉杆的平均温差。具体就是利用式(5)的应力许可值为基础，反推算式(4)的应力计算值，再反推算式(3)的应变计算值，最后反推算式(2)的温差计算值，通过调节流量、流速或者管束及换热管结构实现温差的控制。
[0100]
总的来看，通常石油化工流程工艺下，双向拉杆的有利性显著，有害性影响很小乃至基本没有。
[0101]
实际制造时，对于固定管板式换热器，把图2、图3装配完成且检验合格的管束，让其右端管板外圆直径较左端略小的一端往管壳送进去，从管壳另一端露出来后，再把右端管板外圆与管壳相焊接形成密封的壳程即可；对于浮头式换热器，则在右端管板外圆上组装浮头盖即可。
[0102]
对于u形管束换热器，把装配完成且检验合格的管束，让其右端u形段一端往换热器壳体送进去即可。
[0103]
在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0104]
本实用新型使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图
的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
[0105]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0106]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。