列管式換熱器設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的探討

1、<p>　　列管式換熱器設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的探討</p><p>　　摘要：提出了列管式換熱器設(shè)計(jì)中管接頭、管板結(jié)構(gòu)、溫差應(yīng)力、拉脫力等幾個(gè)問題的分析討論并提出在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮的一些問題。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：列管式換熱器； 設(shè)計(jì)；規(guī)則 </p><p>　　中圖分類號：S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號： </p><p>&

2、lt;b>　　前言 </b></p><p>　　換熱器是進(jìn)行熱量交換的的通用設(shè)備，在石油、化工生產(chǎn)過程中可用作加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，由于生產(chǎn)中對換熱器有不同的要求，所以換熱設(shè)備也有各種形式，但根據(jù)冷、熱流體間傳熱方式的不同可以分為三類，即間壁式、混合式和蓄熱式。在這三類換熱器中，以間壁式換熱器最為普遍。而列管式換熱器是目前化工生產(chǎn)上應(yīng)用最為廣泛的一種間壁式換熱器，與其他間壁

3、式換熱器（夾套式，蛇管式，套管式）相比，主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）單位體積所具有的傳熱面積大，并且傳熱效果好。（2）結(jié)構(gòu)較簡單，制造材料也較廣泛。（3）適應(yīng)性強(qiáng)，尤其是在高溫、高壓和大型裝置中采用更為普遍。所以我們有必要對列管式換熱器進(jìn)行探討。 </p><p>　　1．列管式換熱器的基本形式 </p><p>　　按材質(zhì)分為碳鋼列管式換熱器、不銹鋼列管式換熱器和碳鋼與不銹鋼混合式換熱器。按結(jié)構(gòu)分

4、為單管程、雙管程和多管程三種。目前廣泛使用的是，根據(jù)采取熱補(bǔ)償方法的不同主要分為以下幾種：固定管板式換熱器、U形管板換熱器、浮頭式換熱器和填料函式四種類型。選用時(shí)可根據(jù)應(yīng)用條件的不同及各自的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)適宜的換熱器。 </p><p>　　要設(shè)計(jì)一臺比較完善的換熱器，首先應(yīng)滿足工藝條件所規(guī)定的要求，如換熱效果好，傳熱面積足夠，流體阻力小等。此外，還應(yīng)滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度的要求，結(jié)構(gòu)要可靠，材料要節(jié)省，另外還要便于制造

5、、安裝和維修，成本要低。因此列管式管熱器的設(shè)計(jì)主要包括兩大部分，首先必須根據(jù)化工生產(chǎn)工藝條件的要求通過化工工藝的計(jì)算，確定換熱器的傳熱面積，同時(shí)選擇管徑、管長，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)，然后進(jìn)入機(jī)械設(shè)計(jì)，它又分為換熱器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算兩大部分，內(nèi)容包括：（1）殼體直徑的決定和殼體壁厚的計(jì)算。（2）換熱器封頭的選擇和計(jì)算。（3）法蘭的選擇及強(qiáng)度校核。（4）管板厚度的計(jì)算和尺寸的確定，管子拉脫力的校核。（5）折流板的選擇與計(jì)算。（6

6、）溫差應(yīng)力計(jì)算和波形膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)。（7）開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算。此外，還應(yīng)考慮接管、支座等的選擇。下面就列管式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)過程中應(yīng)著重考慮的幾個(gè)問題提出并分析討論。 </p><p>　　2．管子及其與管子的連接 </p><p>　　換熱器的管子構(gòu)成換熱器的傳熱面，計(jì)算換熱面積，以換熱管外徑為基準(zhǔn)，扣除深入管板內(nèi)的換熱管長度，計(jì)算得到的管束外表面積，對于U形管式換熱器，一般不包括U形彎管段的面

7、積。管子的形狀一般為光管，為提高、強(qiáng)化傳熱也可采用異性管、翅片管、螺紋管等。管子的材料要根據(jù)操作壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。管子的大小和形狀對傳熱有較大影響。針對管子中所流物體情況采用大或小直徑管子。若用小直徑管子換熱器單位體積的傳熱面積大，設(shè)備較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也稍高，但制造麻煩，且易積垢，不易清洗，應(yīng)用與清潔的流體。大管子則用于粘性大或污濁的流體。管子的尺寸規(guī)格一般按GB151標(biāo)準(zhǔn)選取。 </p&

8、gt;<p>　　換熱管與管板的連接（以下簡稱管接頭），管接頭的質(zhì)量是管殼式換熱器質(zhì)量的最重要的標(biāo)志，換熱器的失效絕大多集中在管接頭上，因此選用安全、可靠的管接頭形式，研制相應(yīng)的加工設(shè)備與技術(shù)是 換熱器制造的關(guān)鍵。管接頭的型式有以下幾種：（1）強(qiáng)度脹。（2）強(qiáng)度焊。（3）強(qiáng)度脹+密封焊。（4）強(qiáng)度焊+貼脹，最近幾年，對一些比較苛刻的使用場合也有用強(qiáng)度脹+強(qiáng)度焊的管接頭形式。管接頭失效的原因有：（1）管接頭因高溫應(yīng)力松弛失效

9、（多半發(fā)生在強(qiáng)度脹中）；（2）管接頭在高溫下，因腐蝕而破壞;(3)管束在橫流流體沖擊下產(chǎn)生振動，管接頭疲勞破壞；（4）制造工藝不合理，沒達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)和圖紙規(guī)定的要求，或接頭中的殘余應(yīng)力過大，在操作中引起應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞。（5）操作不當(dāng)，溫度波動過頻，引發(fā)疲勞破壞。另外，在GB151中還規(guī)定了強(qiáng)度脹接的適用范圍，設(shè)計(jì)壓力小于等于4MPa;設(shè)計(jì)溫度小于等于300℃；操作中無劇烈的振動，無過大的溫度變化及無明顯的應(yīng)力腐蝕。強(qiáng)度焊的適用范圍：可用

10、于本標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍，但不適用于有較大振動及有間隙腐蝕的場合。脹焊并用的適用范圍：密封性能要求較高的場合;承受振動或疲勞載荷的場合；有間隙腐蝕的場合；采用</p><p><b>　　3．管板結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　換熱管標(biāo)準(zhǔn)的排列形式有四種（1）正三角排列；（2）轉(zhuǎn)角正三角排列；（3）正方形排列；（4）轉(zhuǎn)角正方形排列。換熱管中心距宜不小于1.25倍的換熱管

11、外徑。因?yàn)楣荛g距的決定要考慮管板強(qiáng)度和清洗管子表面所需的間隙。當(dāng)管子采用焊接法固定時(shí)，相鄰兩管的焊縫太近，會相互受到熱影響，使焊接質(zhì)量不易保證。而采用脹接時(shí)，過小的間距會造成管板在脹接時(shí)由于擠壓作用而變形，失去了管子和管板之間的連接力。此外還要考慮布管限定圓、管程分程、管孔、拉桿孔和管板的密封等。最后管板的厚度按GB151標(biāo)準(zhǔn)公式通過計(jì)算獲得。 </p><p>　　4．溫差應(yīng)力和拉脫力 </p>

12、<p>　　在換熱器操作中，當(dāng)管程溫度較高的流體與殼程溫度較低的流體進(jìn)行換熱時(shí)，由于管壁溫度高于殼壁溫度，則管子的自由伸長量比殼體的自由伸長量大，但由于殼體與管子是剛性連接，所以管子和殼體的實(shí)際伸長必須相等，因此，就出現(xiàn)殼體被拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力，管子被壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力，此拉、壓應(yīng)力就是溫差應(yīng)力，也是熱應(yīng)力。管壁和殼壁的溫度差越大，熱應(yīng)力越大，易引起彎曲變形，造成泄漏，甚至使管子從管子從管板上拉脫。因此設(shè)計(jì)中要考慮溫差應(yīng)力，進(jìn)行溫

13、差補(bǔ)償。 </p><p>　　處于工作狀態(tài)下的換熱器，承受流體壓力和溫差應(yīng)力的聯(lián)合作用，在這兩個(gè)力的聯(lián)合影響下，管子與管板會出現(xiàn)相互脫離的趨勢，這種使管子與管板部位產(chǎn)生脫離的力即為拉脫力。 </p><p>　　由于換熱管、管板和殼體焊在一起，故換熱管與殼體間的金屬壁溫差引起的溫差應(yīng)力是其致命的弱點(diǎn)，因此在固定管板換熱器溫差應(yīng)力計(jì)算中要校核以下三個(gè)方面的應(yīng)力和力：（1）按有溫差的各種工況

14、算出殼體軸向應(yīng)力σc;(2)換熱管的軸向應(yīng)力σt；（3）換熱管和管板之間連接的拉脫力q.三項(xiàng)中有一項(xiàng)不能滿足強(qiáng)度條件時(shí)，就需設(shè)置膨脹節(jié)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)殼體與換熱管金屬溫差（注意不是介質(zhì)溫差）高于50℃時(shí)，一般應(yīng)設(shè)置膨脹節(jié)。當(dāng)然，最后還是應(yīng)該以SW6計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。 </p><p>　　除了上面提出分析討論的幾個(gè)問題外還應(yīng)考慮折流板、支持板的作用和結(jié)構(gòu)等。 </p><p>　　總而言之，

15、列管式換熱器的設(shè)計(jì)必須遵守我國GB150.1-150.4-2011《壓力容器》、《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》之外，還必須遵守GB151《管殼式換熱器》以及該標(biāo)準(zhǔn)中涉及的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和制造技術(shù)條件，對于重要容器，還應(yīng)進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。雖然現(xiàn)在一般都用SW6軟件進(jìn)行過程設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算。殼體厚度、管板厚度、膨脹節(jié)等很快就能出結(jié)果，很大程度上解放了勞動力，但對一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和概念更要注重。筆者將設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)注意的一些問題介紹給大家，以