列管式石墨换热器中温差应力分析

吴彩霞

（辽阳炭素依渤石墨设备有限公司，辽宁 辽阳 111000）

0 引言

不透性石墨换热设备有优良的耐腐蚀性和传热性能，用于腐蚀性介质的传热过程更能发挥石墨设备的优越性。

列管式石墨换热器不仅用于盐酸、硫酸、乙酸等腐蚀性介质，还广泛地应用于化肥、染料、化工、有机合成、制药等工业部门，用于加热、冷却、冷凝、蒸发和吸收等化工单元操作。

1 列管式石墨换热器结构特点及分类

列管式石墨换热器是由不透性石墨管和管板用粘接剂粘接组成管束，放置于钢制圆筒壳体内，两端设置不透性石墨材料或其他防腐材料制封头，分别用螺栓紧固。

列管式石墨换热器特点：

（1）结构简单，材料利用率高，流体阻力小，可制成较大传热面积设备；

（2）传热效率不如块孔，允许使用压力、温 度低。

列管式石墨换热器按结构形式分类：

（1）固定管板列管式石墨换热器；

（2）浮头列管式石墨换热器；

（3）单管填料密封列管式石墨换热器。

2 列管式石墨换热器中的温差应力

因列管式石墨换热器被广泛应用，工作中遇到的问题较多。曾有一用户的一批列管式石墨换热器使用当中经常出现泄漏，邀请我司技术人员到现场帮忙分析一下情况。我们到现场后了解到，当时因受现场安装条件限制，所以这批设备设计成管长只有一米多点的固定管板的，管程介质有机物，壳程介质水蒸汽。

为什么这台设备会频繁出问题，分析如下：

壳体与管子在制造装配时在装配温度下都具有一致的长度，由于操作后管子与壳体的温度都变化了，现假定管子温度高于壳体温度，管子由于热膨胀的伸长可能大于壳体的伸长，但管子与壳体是通过管板刚性连接在一起的，各自不能自由膨胀，相互之间产生变形约束。结果管子受壳体的约束而被迫减少伸长，而壳体又受管子的反作用被迫增加伸长，导致管子中受到轴向压缩应力，而壳体中受到轴向拉伸应力，这就是因温差而在管子与壳体中产生的温差应力[1]。

由此力在管子与壳体中产生的温度应力如下：

式中 σt为管子中所产生的温度应力，Pa；

σs为壳体中所产生的温度应力，Pa；

P为由于温差而作用在管子或壳体上的轴向 力，N；

Ft，Fs为分别为管子与壳体的横截面积，m2；

Et，Es为分别为管子与壳体材料的弹性模量，Pa；

αt，αs为分别为管子与壳体的材料线胀系数，1/℃；

tt，ts为分别为管子与壳体的计算温度，℃；

t0为装配温度，℃。

由以上分析可知：

（1）温差应力的大小与换热管的长度无关。改变换热器的长度无济于改善温差应力；

（2）当材料与结构已确定后，温差应力的大小主要与温度差（tt-t0）及（ts-t0）有关。两者温差愈大，温差应力也愈大。

固定管板式石墨换热器，其石墨管与两管板均采用胶粘结构，结构简单，但只适用于使用温度较低，且两种介质温度较小的场合。做冷却器时比做加热器使用时安全，石墨管可发挥抗压性能的优点，加热器不宜用固定管板式。

浮头列管式石墨换热器，其中一个管板是浮动管板。这样，由于管子和壳体材料的膨胀系数不同以及两者的温差，随着温度的变化管束与壳体的伸长和收缩量不一致时，可以通过管束的自由浮动而得到补偿，不致使管束承受温差应力而破坏。

3 结语

对石墨一类的脆性材料所制成的设备来说，温差应力对设备的安全有很大的威胁。列管式石墨换热器必须改为浮头式的结构，即使如此也要防止浮头结构中由于制造，组装不当或年久失修使浮动失效，而产生过大的温差应力导致破坏。