管殼式熱交換器設(shè)計(jì)常見問題淺析課件

1、管殼式熱交換器設(shè)計(jì)常見問題淺析張春燕 二O一五年五月,管殼式熱交換器是工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器，而設(shè)計(jì)是其質(zhì)量保證的首要環(huán)節(jié)，故提高換熱器的設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)于行業(yè)發(fā)展來說至關(guān)重要。 針對(duì)管殼式熱交換器設(shè)計(jì)過程中，以下五個(gè)方面的常見問題及注意事項(xiàng)，在此與在座各位同仁進(jìn)行交流和探討。 一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn) 二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定 三、管殼式換熱器材料選取 四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計(jì) 五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算,主要內(nèi)容,●固定管板式換熱器  固定管板式換熱器的型式見下圖： 固定管板式換熱器的主要特點(diǎn)：  結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、沒有殼程密封的問題，而且往往是管板兼作法蘭。 其適用于：  a)管、殼程溫差較大，但壓力不高的場合(因?yàn)闇夭畲?，要加膨脹?jié)，而膨脹節(jié)耐壓能力差，GB16749《壓力容器波形膨脹節(jié)》中規(guī)定設(shè)計(jì)壓力不大于6.4 M

3、Pa ）；  b)管、殼程溫差不大，而壓力較高的場合；  c)殼程無法機(jī)械清洗，故要求殼程介質(zhì)干凈；或雖會(huì)結(jié)垢，但通過化學(xué)清而能去除的場合；  d)布管多，鍛件少，一次性投資低；但不可更換管束，整臺(tái)設(shè)備往往由換熱管損壞而更換，故設(shè)備運(yùn)行周期短。,一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn),由于固定管板式換熱器的換熱管、管板和殼體焊在一起,故換熱管與殼體間的金屬壁溫差（實(shí)際是管、殼間的熱膨脹差）引起的

4、溫差應(yīng)力是其致命的弱點(diǎn),也是設(shè)計(jì)中的控制因素。 因?yàn)樵诠潭ü馨鍝Q熱器的管板計(jì)算中，按有溫差的各種工況校核以下應(yīng)力和力: ① 殼體軸向應(yīng)力σc, ② 換熱管軸向應(yīng)力σt, ③ 換熱管與管板之間連接拉脫力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)。,一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn),●浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的型式見下圖： 浮頭式換熱器的主要特

5、點(diǎn)如下：  a)可抽式管束，當(dāng)換熱管為正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列時(shí)，管束可抽出進(jìn)行管間機(jī)械清洗，適用于殼程易結(jié)焦及堵塞的工況；  b)一端管板夾持，一端內(nèi)浮頭型式可自由浮動(dòng)，故無需考慮溫差應(yīng)力，可用于大溫差的場合；  c)浮頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響排管數(shù)，加之處于殼程介質(zhì)內(nèi)的浮頭密封面操作中發(fā)生泄漏時(shí)很難采取措施；  d)壓力試驗(yàn)時(shí)的試壓胎具復(fù)雜。 浮頭式換熱器使用壓力和溫

6、度的限制：用于煉油行業(yè)中較多，其內(nèi)浮頭結(jié)構(gòu)限制了使用壓力和溫度,故一般情況其使用限制為Pmax≤6.4 MPa;  Tmax≤400℃。,一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn),●U形管式換熱器 U形管式換熱器的型式見下圖： 它是在換熱器中是唯一適用于高溫、高壓和高溫差的換熱器,特點(diǎn)如下：  a）以U形換熱管尾端的自由浮動(dòng)解決溫差應(yīng)力，可用于高溫差； b）只有一塊管板，加之法

7、蘭的數(shù)量也少，故結(jié)構(gòu)簡單而且泄漏點(diǎn)少；  c）可以進(jìn)行抽芯清洗（管程走清潔流體），便于清洗換熱管外壁；  d）由于彎管Rmim的限制，分程間距寬，故比固定管板換熱器排管略少。  e）管程流速太高時(shí)，將會(huì)對(duì)U形彎管段產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕，影響壽命。  f）換熱管泄漏時(shí)，除外圈U形管外，不能更換，只能堵管。,一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn),●釜式重沸器   

8、60;釜式重沸器的型式見下圖： 釜式重沸器的管程采用U形或浮頭管束（管頭試壓時(shí)，要另配試壓殼體），殼程為單（或雙）斜錐具有蒸發(fā)空間的殼體，一般為管程介質(zhì)加熱殼程介質(zhì)，故管程的溫度和壓力比殼體的高，但設(shè)計(jì)壓力一般不大于6.4Mpa。適用于：  a)管、殼程溫差大的場合；  b)一般管程壓力比殼程高，可采用T翅或表面多孔強(qiáng)化傳熱管。,一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn),●填料函式換熱器 填

9、料函式換熱器的型式見下圖： 填料函式換熱器是另一種浮頭式換熱器，它的浮動(dòng)端采用填料密封浮動(dòng)管板（裙）可在填料函內(nèi)填料的壓力下，自由滑動(dòng)，以補(bǔ)償換熱管與殼體的膨脹差量。  這類結(jié)構(gòu)直徑不能太大，壓力一般不高于2.5 MPa，且不能用于貴重介質(zhì)及危害介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)危害不是太大時(shí)，也可以采用雙填函密封加以彌補(bǔ)，之所以有使用是因其解決溫差應(yīng)力的成本較低。,一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn),1、設(shè)計(jì)條件

10、2、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度3、腐蝕裕量4、焊接接頭系數(shù)5、設(shè)計(jì)壽命6、試驗(yàn)壓力7、類別劃分,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,1、設(shè)計(jì)條件 管殼式熱交換器的設(shè)計(jì)過程：工藝計(jì)算—設(shè)備選型—機(jī)械設(shè)計(jì)（材料選擇、強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等）。 A、工藝設(shè)計(jì)條件 工藝設(shè)計(jì)在換熱器中占有主導(dǎo)地位，工藝設(shè)計(jì)條件至少包含以下內(nèi)容： 1、操作數(shù)據(jù)，包括介質(zhì)、流量、溫度、壓力、熱負(fù)荷等； 2、物性數(shù)據(jù)，包

11、括密度、比熱、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等； 3、允許阻力降； 4、其他：如操作彈性、工況、安裝要求（幾何尺寸、管口方位）等； GB/T151-2014給出了管殼式熱交換器數(shù)據(jù)表（表B.1）P116。 設(shè)計(jì)條件應(yīng)由委托方以正式書面形式提出，并應(yīng)有條件提出方的簽署。,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,B、機(jī)械設(shè)計(jì)條件 經(jīng)工藝專業(yè)傳熱計(jì)算和管殼程壓力降計(jì)算后，確定了換熱器型式、換熱面積、換熱管管徑、管殼程數(shù)、折流板

12、形式/塊數(shù)/缺口布置及切割比例等，交由機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)完成其詳細(xì)設(shè)計(jì)。故機(jī)械設(shè)計(jì)是為了保證實(shí)現(xiàn)工藝計(jì)算中的傳熱和壓降的一種手段。機(jī)械設(shè)計(jì)條件至少包含以下內(nèi)容： 1）設(shè)計(jì)所依據(jù)的主要標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范； 2）操作參數(shù)（包括工作壓力、工作溫度范圍、液位高度、接管載荷以及疲勞工況等）； 3）使用地及其自然條件（包括環(huán)境溫度、抗震設(shè)防烈度、風(fēng)和雪載荷等）； 4）介質(zhì)組分與特性； 5）預(yù)期使用年限； 6）幾何參數(shù)和

13、管口方位； 7）鋼制管束等級(jí)； 8）設(shè)計(jì)需要的其他必要條件（如管道外推力等）。 參照GB/T151-2014附錄B中B3.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)（P115）,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,注意： 固定管板式換熱器的計(jì)算，在SW6程序中需要輸入沿筒體長度平均溫差和換熱管沿長度平均溫差，這兩項(xiàng)為金屬壁溫。 設(shè)計(jì)院做工藝計(jì)算時(shí)會(huì)有很詳細(xì)的計(jì)算過程，這兩個(gè)數(shù)據(jù)并不難得到，但對(duì)于一般的制造廠，并不具備工藝計(jì)算的能

14、力，所以，我們常采用GB/T151附錄B中給出的金屬壁溫計(jì)算方法。 但采用該方法時(shí)，需要管殼程兩側(cè)流體相關(guān)的物性參數(shù)，如對(duì)流傳熱系數(shù)，污垢系數(shù)等數(shù)據(jù)，但往往因用戶提供的數(shù)據(jù)有限，用公式計(jì)算會(huì)遇到很大的麻煩。 在工程上我們采用取平均值的方法來估算金屬壁溫： 1 沿筒體長度平均溫差：考慮有無保溫層，若有，取殼程介質(zhì)進(jìn)/出口溫度的平均值，若無，取殼程介質(zhì)進(jìn)口溫度、出口溫度及環(huán)境溫度三者的平均

15、值 2 換熱管沿長度平均溫差等于管程介質(zhì)進(jìn)/出口溫度的平均值,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,GB/T151-2104附錄B P120：,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,2、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度 1）熱交換器為多腔容器，其設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度的確定： 按“各管各”原則，即分別按各自最苛刻的工作壓力、工作溫度確定其設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度。 2）各受壓元件的計(jì)算壓力的確定：在各自的設(shè)計(jì)壓力基礎(chǔ)

16、上確定。 殼程主要受壓元件如筒體的計(jì)算壓力數(shù)值上取殼程設(shè)計(jì)壓力，管程主要受壓元件如管箱筒體、封頭/平蓋的計(jì)算壓力數(shù)值上取管程設(shè)計(jì)壓力。 但立式換熱器或直徑較大的換熱器的計(jì)算壓力應(yīng)考慮液柱（指操作介質(zhì)而不是水壓試驗(yàn)的介質(zhì)）靜壓力（當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略）。,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,3）管殼程的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)分別為殼程殼體、管箱殼體的設(shè)計(jì)溫度（選取材料的依據(jù)） 。 換

17、熱器涉及管殼程進(jìn)出口介質(zhì)4個(gè)溫度，這4個(gè)溫度是確定管殼程設(shè)計(jì)溫度和各受壓元件設(shè)計(jì)溫度的依據(jù)。 對(duì)于介質(zhì)溫度高于0 ℃者，常用管殼程進(jìn)出口介質(zhì)溫度中較大值作為設(shè)計(jì)溫度，對(duì)于介質(zhì)溫度低于0 ℃者，常用管殼程進(jìn)出口介質(zhì)溫度中較小值作為設(shè)計(jì)溫度。 4）兩側(cè)受壓的元件，如管板的計(jì)算壓力的確定，要考慮6種工況，詳見管板計(jì)算；其設(shè)計(jì)溫度應(yīng)按其金屬溫度確定。工程上，常按溫度較惡劣一側(cè)介質(zhì)溫度確定。 5）對(duì)于類似U形管式換熱器管板

18、兩側(cè)成對(duì)法蘭的設(shè)計(jì)，由于兩側(cè)的壓力和溫度及所用墊片可能不同，因此在螺栓的設(shè)計(jì)中應(yīng)兼顧兩側(cè)的條件，要求以較大的螺栓載荷和較高的設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)，且對(duì)法蘭設(shè)計(jì)力矩應(yīng)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。（GB150.3-2011 P194 注）,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,6）介質(zhì)為飽和蒸汽時(shí)，壓力-溫度要相對(duì)應(yīng)。 注：正常工作情況，包括正常操作、開車和停車、熱循環(huán)、不正常操作、間斷操作、環(huán)境溫度等。各種工況：正常操作工況、開停車工況、水壓試驗(yàn)工

19、況。 其中開車和停車，對(duì)換熱器是有專門規(guī)定的。如開車時(shí)要求用溫度較低的介質(zhì)對(duì)管殼程進(jìn)行熱循環(huán)，停車時(shí)要求先停熱側(cè)，后停冷側(cè)等。因此，那些將換熱器的一側(cè)的壓力和溫度為設(shè)計(jì)值，而另一側(cè)的壓力為零，溫度為常溫的工況是違反換熱器操作規(guī)程的，是不允許存在的。(一個(gè)設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)管板計(jì)算的6中工況，此工況非彼工況，不是一個(gè)概念) GB/T151-2014 P111中：,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,3、腐蝕裕量 凡與介

20、質(zhì)接觸的受壓元件（除傳熱元件換熱管外），都應(yīng)考慮腐蝕裕量。 a. 兩面應(yīng)考慮腐蝕裕量：管板、浮頭法蘭、球冠形封頭、分程隔板。 b. 殼體內(nèi)表面應(yīng)考慮腐蝕裕量：管箱平蓋、凸形封頭、管箱/殼體。 c. 設(shè)備法蘭、管法蘭內(nèi)徑面應(yīng)考慮腐蝕裕量。 （計(jì)算時(shí)應(yīng)注意大小端厚度減去腐蝕裕量，但常常帶來結(jié)果不合格。處理：選用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備法蘭可不計(jì)算，但需要保留基本計(jì)算數(shù)據(jù)，如：螺柱材質(zhì)、規(guī)格及數(shù)量，墊片材質(zhì)等）

21、 d. 換熱管、鉤圈、浮頭螺栓、縱向隔板一般不考慮腐蝕裕量。 TEMA標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于腐蝕裕量的條文中明確規(guī)定，鉤圈及其內(nèi)部螺栓連接件，是不必考慮腐蝕裕量。鉤圈是一個(gè)非受壓件，且是可拆卸件，按TEMA規(guī)定，對(duì)其不考慮腐蝕裕量是合理的。 拉桿、定距管、折流板和支持板等非受壓件，一般不考慮腐蝕裕量。,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,3、焊接接頭系數(shù)： a）GB/T151的焊接接頭系數(shù)取自GB150；

22、  b）GB/T151-2014中4.6.4 P9： “對(duì)于無法進(jìn)行無損檢測的固定管板換熱器殼程圓筒的環(huán)向接頭，當(dāng)采用氬弧焊打底或沿焊接接頭根部全長有緊貼基本金屬的墊板，其焊接接頭系數(shù)取φ=0.6”（注意這是B類焊接接頭—不能作為筒體壁厚計(jì)算用）。 其原因?yàn)椋?—取φ=0.6是為了在計(jì)算固定管板換熱器殼程圓筒軸向應(yīng)力σc時(shí)，確定φ［σ］c和tc3值用；(由換熱管與殼程筒體產(chǎn)生的熱膨脹差引起的）

23、 具體做法：在SW6計(jì)算中，固定管板換熱器筒體的環(huán)向焊接接頭系數(shù)即指該道焊接接頭，此時(shí)應(yīng)輸入φ=0.6。 —當(dāng)此類焊接接頭因無法進(jìn)行無損檢測時(shí)，給出φ=0.6是要求焊接應(yīng)按焊接工藝施焊，避免隨意性，因不探傷，取值保守。（壓力容器工程師培訓(xùn)手冊P463）,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,4、設(shè)計(jì)壽命： 1) 設(shè)計(jì)壽命在一般壓力容器中基本上只考慮腐蝕速率及使用年限即可，但對(duì)管殼式換熱器來說，這一

24、原則只能體現(xiàn)在外殼（包括管箱及頭蓋）及需考慮C2的元件上，對(duì)于管殼式換熱器占主要地位的換熱管由于從傳熱角度出發(fā)不考慮C2，故設(shè)計(jì)壽命應(yīng)如下確定：  a) 對(duì)于可抽芯(管束)換熱器，換熱器壽命指殼體；  b) 對(duì)于不可抽芯(管束)，而且不能更換換熱管的換熱器，換熱器壽命指換熱管。   2) 管殼式換熱器屬兩腔容器，管、殼程介質(zhì)不盡相同，因此除換熱管外，管、殼程若要保持相

25、同的壽命時(shí)，則C2也應(yīng)分別取值。 如材質(zhì)為碳鋼與不銹鋼，分別取2/0mm；或介質(zhì)為循環(huán)水與工藝介質(zhì)，分別取3/2mm。,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,《固容規(guī)》問題解答：,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,HG/T20580-2011《鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定》：,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,5、試驗(yàn)壓力： a. 按GB150.1-2011中4.6要求。 b. 一般情況下，管殼程按各自設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、材料

26、分別確定其耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力值。 c. GB/T151-2014中4.7.4 P9 ： 為了檢查換熱管與管板連接接頭的質(zhì)量，可能遇到下列4種情況： 1）管殼程均為正壓，且殼程試驗(yàn)壓力高于管程試驗(yàn)壓力。 處理：管殼程按各自設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、材料分別確定其耐壓試驗(yàn) 的試驗(yàn)壓力值。 2）管殼程均為正壓，且殼程試

27、驗(yàn)壓力低于管程試驗(yàn)壓力。 處理：將殼程試驗(yàn)壓力提高至管程試驗(yàn)壓力，并應(yīng)對(duì)殼程圓筒進(jìn)行校 核。 在此，往往會(huì)忽視其他受壓元件的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)等問題，下面分別討論：,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,——管法蘭的壓力等級(jí)問題：管法蘭的壓力等級(jí)一般按殼程正常操作工況根據(jù)材料及升溫降壓原則選取，但殼程試驗(yàn)壓力如果提高較大時(shí)，應(yīng)注意其壓力值是否超過管法蘭標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2

28、0 ℃時(shí)最高無沖擊工作壓力的1.5倍。 ——管板的強(qiáng)度問題：殼程試驗(yàn)壓力提高后，應(yīng)對(duì)管板進(jìn)行校核?？闪顨こ淘O(shè)計(jì)壓力為管程試驗(yàn)壓力，管程設(shè)計(jì)壓力為零，且無溫差進(jìn)行校核，計(jì)算模型可按不帶法蘭的固定管板進(jìn)行。 ——?dú)こ涕_孔補(bǔ)強(qiáng)問題：此時(shí)圓筒開孔處的計(jì)算厚度可表達(dá)為： —— 殼程圓筒與管板的連接結(jié)構(gòu)問題：如殼程設(shè)計(jì)壓力原本不到4.0MPa，而管程設(shè)計(jì)壓力大于4.0MPa，殼程試驗(yàn)壓力提高后，殼程圓筒與管板

29、的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)選用GB/T151-2014附錄I中如下圖結(jié)構(gòu)，且因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)管板具有凸肩，并與殼程圓筒對(duì)接連接，應(yīng)采用鍛件。,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,TCED 41002-2012《化工設(shè)備圖樣技術(shù)要求》,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,HG/T20584-2011《鋼制化工容器制造技術(shù)要求》,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,3）管程是正壓，殼程是真空。 4）管程是真空，殼程

30、是正壓。 這兩種情況，管殼程試驗(yàn)壓力值的確定都要考慮“真空”這一特殊工況條件下各種情況的組合。,6、類別劃分： GB/T151類別劃分遵循“固容規(guī)”的規(guī)定，但因其是二腔容器（管程和殼程），故分類、設(shè)計(jì)與制造應(yīng)遵守下列規(guī)定：  a)應(yīng)分別按管、殼程的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行劃類，并分別提相應(yīng)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收的要求；如固容規(guī)問題解答中：,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,b)熱交換器總類別，

31、應(yīng)以管、殼程中高的類別確定；  注意: 1、容積的概念。在固容規(guī)問題解答中：,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,2、氣相空間?！豆倘菀?guī)》P1中： 但在《化工壓力容器設(shè)計(jì)——方法、問題和要點(diǎn)》（P55）,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,3、質(zhì)檢總局關(guān)于修訂《特種設(shè)備目錄》的公告(2014年第114號(hào)) 根據(jù)《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的規(guī)定，質(zhì)檢總局修

32、訂了《特種設(shè)備目錄》，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，現(xiàn)予以公布施行。同時(shí)，《關(guān)于公布的通知》（國質(zhì)檢鍋〔2004〕31號(hào)）和《關(guān)于增補(bǔ)特種設(shè)備目錄的通知》（國質(zhì)檢特〔2010〕22號(hào)）予以廢止。《特種設(shè)備目錄》由質(zhì)檢總局負(fù)責(zé)解釋。特此公告。 質(zhì)檢總局 （2014-10

33、-30） 附：特種設(shè)備目錄,二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定,1、殼體材料 2、換熱管材料 3、管板、管箱平蓋材料,三、管殼式換熱器材料選取,1、殼體材料 按GB150.2-2011 《壓力容器 第2部分：材料》。 注意：小直徑換熱器用無縫鋼管作殼體時(shí)，應(yīng)遵循HG/T20581-2011中規(guī)定：,三、管殼式換熱器材料選取,2、換熱管材料 A GB150.2-2011中5.1中

34、規(guī)定： a) GB/T8163 《流體輸送用無縫鋼管》 GB/T14976《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》 GB/T12771《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》 不得用于管殼式換熱器的換熱管； b) GB9948 《石油裂化用無縫鋼管》 GB6479 《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》 GB13296 《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無

35、縫鋼管》 用作換熱管應(yīng)選用高精度級(jí)的冷拔或冷軋鋼管。 c）GB/T24593 《鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管》使用規(guī)定： 應(yīng)逐根進(jìn)行渦流檢測，符合GB/T7735《鋼管渦流探傷檢驗(yàn)方法》中驗(yàn)收等級(jí)B規(guī)定； 設(shè)計(jì)壓力小于10.0MPa； 不得用于毒性程度為極/高度危害的介質(zhì)。,三、管殼式換熱器材料選取,B 換熱管訂貨技術(shù)條件 無縫鋼管按

36、NB/T47019.1～8-2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件》 奧氏體不銹鋼焊接鋼管按GB/T24593 《鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管》 C 管束級(jí)別 GB151-1999分Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)管束，主要取決于管子精度，僅僅針對(duì)碳鋼、低合金鋼換熱管當(dāng)時(shí)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還存在“較高級(jí)”和“普通級(jí)”制訂的。對(duì)于不銹鋼換熱管，只有Ⅰ級(jí)管束。 Ⅰ、Ⅱ管束的區(qū)別主要在于換熱管的外徑、壁厚偏差不同，相應(yīng)地管孔

37、尺寸和偏差不同。GB/T151仍將鋼制管束分為Ⅰ、Ⅱ級(jí)管束，但整體提高了管束的內(nèi)在質(zhì)量,對(duì)管板、折流板管孔尺寸偏差進(jìn)行了修訂，Ⅰ級(jí)管束配合精度與TEMA-2007版相當(dāng)，Ⅱ級(jí)管束配合精度與GB151-1999版Ⅰ級(jí)管束相當(dāng)， 但GB150.2-2011中5.1中：鋼管用作換熱管均應(yīng)選用高精度級(jí)的冷拔/軋鋼管。 根據(jù)NB/T47019.1-2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件第一部分通則》中表1、表2：,三

38、、管殼式換熱器材料選取,三、管殼式換熱器材料選取,三、管殼式換熱器材料選取,可知：普通級(jí)和高級(jí)鋼管的外徑、壁厚偏差均一致，與GB/T151中I級(jí)管束也一致，故均應(yīng)設(shè)計(jì)為I級(jí)管束。 GB/T151 P21中： 注：在GB/T151 6.6.1.3 P25 換熱管與管板采用強(qiáng)度脹接時(shí)： 如：16Mn管板與10#換熱管之間的脹接要好于20#換熱管，因?yàn)樵贕B9948-2013中10

39、#管C含量為0.07-0.13，而20 #管C含量為0.17-0.23。C的含量越高,它的硬度及強(qiáng)度越高。所以10#管會(huì)比20#管在脹接時(shí)可靠些,不容易出現(xiàn)裂。,三、管殼式換熱器材料選取,3、管板、管箱平蓋材料 A 管板、平蓋一般情況用鍛件優(yōu)于用鋼板，但用鍛件的成本要高很多，故在條件不苛刻時(shí)，用板材作管板、平蓋依然很多。一般規(guī)定如下： 1）鋼板厚度δ＞60mm時(shí)，宜采用鍛件（因厚鋼板會(huì)有分層、夾雜等缺陷及性能指標(biāo)波

40、動(dòng)大等問題）。（GB/T151不限制大于60mm鋼板的使用，但需附加要求） 2）帶凸肩的管板，一般選用鍛件； 3）管板、平蓋用鍛件，其級(jí)別不得低于Ⅱ級(jí)； 4）帶凸肩的管板、內(nèi)孔焊管板和管箱平蓋采用軋制板材直接加工制造時(shí)，碳素鋼、低合金鋼厚度方向性能級(jí)別不應(yīng)低于GB/T5313-2010（厚度方向性能鋼板）中的Z35級(jí)，并在設(shè)計(jì)文件上提出附件檢驗(yàn)要求。 5）采用鋼板作管板和平蓋時(shí)，厚度大于50mm的Q245R、Q3

41、45R，應(yīng)在正火狀態(tài)下使用。 6）管板采用爆炸焊接復(fù)合板時(shí)，應(yīng)符合NB/T47002.1～4中B1級(jí)要求。 注：厚度方向性能級(jí)別是針對(duì)鋼板的抗層狀撕裂的能力提供的一種量度，厚度方向性能采用厚度方向拉伸試驗(yàn)的斷面收縮率來評(píng)定。,三、管殼式換熱器材料選取,B 材料代用　 a)由于各種原因，制造廠臨時(shí)用板材代替鍛件，或者是由鍛件代替板材，這種做法是不可取的。因?yàn)橥徊牧?，同一厚度，同一設(shè)計(jì)溫度下板材與鍛件的許用應(yīng)力是不

42、同的。 《化工壓力容器設(shè)計(jì)——方法、問題和要點(diǎn)》P216,三、管殼式換熱器材料選取,b) 殼體厚度發(fā)生變化，須校核管板的強(qiáng)度。如某固定管板式換熱器殼程筒體圖紙名義厚度為10mm，在制造時(shí)，廠家用厚度為12mm同材質(zhì)的庫存鋼板代替。設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，以厚代薄，沒有用12mm的板厚重新去校核管板的強(qiáng)度。但由于換熱器殼程筒體厚度增加后，相應(yīng)的溫差應(yīng)力、殼體軸向應(yīng)力σc等都發(fā)生變化，故必須重新核算。 《化工壓力容器設(shè)

43、計(jì)——方法、問題和要點(diǎn)》P219,三、管殼式換熱器材料選取,c) 《化工壓力容器設(shè)計(jì)——方法、問題和要點(diǎn)》P216 GB150.2-2011,三、管殼式換熱器材料選取,1、管程2、管板3、殼程4、其他,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),1、管程 1）布管 換熱管的布置排列是管殼式換熱器設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，必須考慮以下因素： a. 換熱管排列形式。

44、 換熱管排列形式：GB/T151 P17圖示正三角排列（30°）、轉(zhuǎn)角正三角形排列（60°）、轉(zhuǎn)角正方形排列（45°）、正方形排列(90°)四種。 圖中流向箭頭表示殼程物料橫向流動(dòng)方向，箭頭方向是與折流板缺邊垂直的。設(shè)計(jì)中的換熱管排列圖，應(yīng)據(jù)設(shè)計(jì)條件要求的排列形式和折流板缺邊位置進(jìn)行排列。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如何在圖紙上表現(xiàn)出正確的換熱管排列形式？ 主要是折流板上換熱管的

45、排列及其缺口方向。如下圖： b.換熱管的中心距，一般不宜小于1.25倍的換熱管外徑，常用換熱管中心距見GB/T151-2014表6-2。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),GB/T151 6.3.1.2-c規(guī)定：對(duì)于外徑為25mm的換熱管采用轉(zhuǎn)角正方形排列時(shí)，其分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn可取（GB151-1999為應(yīng)）32x32正方形的對(duì)角線，即Sn=32√2=45.25mm。

46、（設(shè)計(jì)中常常會(huì)忽視） 如此要求使換熱管各方向看都成行成列，便于清洗。,c.排管區(qū)域，即布管限定圓直徑。 ——管束最外層換熱管外壁與殼體內(nèi)表面間的最小距離B 固定管板、U形管換熱器， 取B=b3。b3為換熱管外徑的0.25倍，且?8mm。 浮頭換熱器， B=b+b1+b2，b、b1、b2按GB/T151中6.3.1.3規(guī)定。 ——換熱器的管束最外

47、層換熱管的限定圓尺寸為：,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),——當(dāng)管板為帶凸肩、應(yīng)力釋放槽結(jié)構(gòu)時(shí)，注意布管限定圓的確定應(yīng)考慮躲開應(yīng)力釋放槽。 d.管程分程。 在管殼式換熱器中，流體流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相貫通的部分稱為管程。在管內(nèi)流動(dòng)的流體從換熱管的一端流到另一端，稱為一個(gè)管程。 在殼程直徑已確定，滿足流量和壓降的前提下，在換熱器一端或兩端的管箱內(nèi)分別配置一定數(shù)量

48、的隔板，并使每一程中的換熱管數(shù)量大致相等，使流體依次流過各程換熱管，可提高流體流速，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。 GB/T151給出了1，2,4,6,8,10，12程等7種分程布置形式，見圖6-12 P19。不同的分程布置會(huì)有不同的換熱管排列。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),管程分程原則： ①應(yīng)盡量使各管程換熱管數(shù)大致相等，其相對(duì)誤差（△N）應(yīng)控制在10%以內(nèi)，最大不得超過20%。

49、 ②分程隔板槽形狀簡單，以利加工，密封面長度較短，減少泄漏和用料。 注意： ——當(dāng)管程流體進(jìn) 、出口溫度變化很大時(shí)，應(yīng)盡量避免流體溫差較大的兩部分管束相鄰，否則管束與管板中將產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力，容易引起換熱管變形或拉脫等故障。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，管程溫差以不超過20℃為宜，程數(shù)小于4時(shí)，采用平行的隔板更為有利。 ——對(duì)于4管程的分法，有平行、工字、十字形三種。一般為了接管方便，選

50、用平行分法較合適，同時(shí)平行分法亦可使管箱內(nèi)殘液放盡。工字形排列法的優(yōu)點(diǎn)是比平行法密封線短，而且可排列更多的換熱管，而十字形排列法更適用于4管程的U形管式換熱器，但相鄰管程間溫差較大，并接管為非徑向接管，且需另設(shè)放空、排凈口（如圖所示）。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),e.殼程進(jìn)出口位置。 排管后應(yīng)滿足GB/T151中6.8.1.2 P29規(guī)定的流通面積的要求。 GB/T151中6.8.

51、1.2規(guī)定:殼程進(jìn)口或出口區(qū)域面積As和管束進(jìn)口或出口區(qū)域面積At應(yīng)使ρv^2值不超過5950kg/(m·s^2)”（與老標(biāo)準(zhǔn)相比，刪除了As和At應(yīng)不小于進(jìn)、出口接管截面積 ）。 此處v是按As和At的計(jì)算流體速度，即v=Q/（ρAs), v=Q/（ρAt)。 (Q為流量),四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),GB/T151附錄J P225中：As和At計(jì)算公式可見： 由As可確定管束上方或防沖板上方

52、自由高度平均值h，即確定了管束上方的最高一層換熱管的位置。 由At可確定進(jìn)口或出口處折流板間距，即確定了第一塊折流板的位置。 （尤其對(duì)于殼程進(jìn)口管較大的情況，必須要核算As和At ）,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),f. 換熱管與防沖板間的距離。（鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊 P51） 換熱管外表面與鄰近防沖板表面的距離，一般取為6mm（如圖所示）。 g. 管

53、束的排管范圍，就是在布管限定圓范圍內(nèi)扣除e和f所要求部分的整個(gè)范圍。 注：對(duì)于U形管、浮頭式換熱器要考慮留出下部滑道的空間。2）換熱管排列原則 a. 換熱管排列，應(yīng)符合設(shè)計(jì)條件中規(guī)定的換熱管排列形式和折流板缺邊位置的要求。 b. 換熱管排列，應(yīng)在排管范圍內(nèi)排滿管子，并盡可能使整個(gè)管束對(duì)稱。 c. 換熱管排列出的管子數(shù)量，應(yīng)滿足設(shè)計(jì)條件中換熱面積的要求。 如果排

54、列出的管子數(shù)量，超過換熱面積的要求的數(shù)量，則可在殼程接管進(jìn)出口部位適當(dāng)減少管排；如果排列出的管子數(shù)量，小于換熱面積的要求的數(shù)量，且又超過工藝專業(yè)允許的范圍，則應(yīng)考慮設(shè)置導(dǎo)流筒等。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),d. 多管程換熱器的換熱管排列，還應(yīng)滿足下列各條： ——換熱管排列的分程，應(yīng)符合設(shè)計(jì)條件中的分程數(shù)量和布置要求。 ——各程管數(shù)應(yīng)盡可能相等，其相對(duì)誤差應(yīng)控制在5～10%以內(nèi)（換熱器直徑小時(shí)，取較大值）。

55、3）管箱 a. 常用管箱結(jié)構(gòu)： ——平蓋管箱： 優(yōu)點(diǎn)——便于清洗管程，清洗時(shí)只需要拆開平蓋即可，而不必拆卸整個(gè)管箱和與管箱相連的管路。 缺點(diǎn)——平蓋結(jié)構(gòu)用材較多，尺寸較大時(shí)需用鍛件，提高制造成本，并增加了一道密封的泄漏可能。一般用于壓力較低、直徑較?。―N≤900）的換熱器。 ——封頭管箱： 優(yōu)點(diǎn)——結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，適于高壓、清潔介質(zhì)，可省掉造價(jià)較高的平蓋

56、、法蘭及緊固件，且橢圓封頭受力情況好于平蓋。 缺點(diǎn)——檢查換熱管和清洗管箱時(shí)必須拆下連接管道和管箱，需要一定的檢修空間。但這種形式用的最多。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),b. 管箱長度 1) 筒節(jié)（管箱圓筒）： —原GB150規(guī)定“筒節(jié)長度不小于300mm”，對(duì)換熱器管箱等部件上僅有一個(gè)筒節(jié)的情況下，這一要求是不合理的。GB150.4-2011中6.5.5 條c）款將其修改為：“組裝筒體中，任何單個(gè)筒節(jié)

57、的長度不得小于300mm”。 所謂組裝筒體是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上筒節(jié)組成的一個(gè)筒體，對(duì)僅有一個(gè)筒節(jié)的換熱器管箱筒節(jié)不限制筒節(jié)長度。（GB150-2011標(biāo)準(zhǔn)釋義P229） —立式換熱器管箱設(shè)備法蘭與封頭連接應(yīng)按HG/T20583-2011《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》P436—其他：GB/T151 中6.10.3 P43,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),HG/T20583-1998

58、 2)管箱接管的有效補(bǔ)強(qiáng)寬度： 管箱筒節(jié)的長度應(yīng)滿足接管按等面積法或分析法補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算所需的有效補(bǔ)強(qiáng)寬度。 設(shè)計(jì)中常常會(huì)忽視這個(gè)問題。對(duì)于受工藝條件的限制，管箱長度不夠又不能隨意增加管箱長度的情況，接管雖然設(shè)了補(bǔ)強(qiáng)圈，但補(bǔ)強(qiáng)效果可能不能滿足要求，此時(shí)，應(yīng)按實(shí)際的補(bǔ)強(qiáng)寬度進(jìn)行核算。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),3) 管箱結(jié)構(gòu)尺寸（GB151-1999為最小內(nèi)側(cè)深度）： 規(guī)定管箱的最小內(nèi)

59、側(cè)深度，目的是為使流體均勻流入換熱管及減少流動(dòng) 的壓力降。 GB/T151 6.3.4 P20： 但很多設(shè)計(jì)人員對(duì)此的理解有些模糊，在此推薦《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》P165中有詳細(xì)解釋計(jì)算方法（同時(shí)了解管箱最大長度的確定原則，帶分程隔板的多管程管箱，其內(nèi)側(cè)最大深度，主要應(yīng)考慮分程隔板的焊接可能性）,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),c. 管箱法蘭 NB/T470

60、20-2012 《壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件》：d. 管箱熱處理 管箱組焊后，管箱部件的熱處理，應(yīng)符合GB/T151中8.10的規(guī)定，還應(yīng)符合固容規(guī)、GB150.4對(duì)焊后熱處理的要求（如：有應(yīng)力腐蝕的、盛裝極度或高度危害介質(zhì)的碳鋼、低合金鋼制管箱等）。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,4）分程隔板 a. 厚度確定： 除滿足GB/T151中表7-3規(guī)定的最小名義厚度

61、外，還應(yīng)滿足設(shè)計(jì)條件所要求壓降引起的強(qiáng)度要求，即按式7-7進(jìn)行計(jì)算，然后加2C2（雙面腐蝕）。 當(dāng)計(jì)算的分程隔板厚度較厚時(shí)，如大于20mm，應(yīng)設(shè)置支撐板減小分程隔板的計(jì)算長度。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,公式中的ΔP為隔板兩側(cè)壓力差值，但對(duì)其沒有給出確定的方法。 API 660-2007版中規(guī)定：一對(duì)2管程，分程隔板兩側(cè)的壓差就是管程總壓降，取值合理；二對(duì)4或更多管程，分程隔板兩側(cè)的壓差比管程總壓降小得很多，都取為總

62、壓降，顯然不合理。 因此，對(duì)分程隔板厚度計(jì)算公式中的壓差ΔP應(yīng)取隔板兩側(cè)的壓差為宜，可按下式計(jì)算：,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,式中：ΔP——隔板兩側(cè)的計(jì)算壓降，MPa。 ΔPZ——換熱器數(shù)據(jù)表中允許總壓降，MPa。 N——管程數(shù)。 Z——從隔板一側(cè)到另一側(cè)流體的折返次數(shù)。 確定Z值舉例 管程數(shù) 流體流動(dòng)順序 入口管箱隔板布置

63、 返回管箱隔板布置 IV VI,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),系數(shù)Z值,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),b. 結(jié)構(gòu)布置 管箱分程隔板的布置，常用的Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ程，分程隔板布置見GB/T151管程分程布置形式，其布置應(yīng)與管板上的分程隔板槽相匹配。 c. 淚孔 分程隔板安裝后，凡處于水平位置的隔板，在適當(dāng)位置，應(yīng)設(shè)置一個(gè)直徑為φ

64、4～8mm的淚孔；處于豎直位置的隔板，當(dāng)其形成死腔時(shí)，應(yīng)在該隔板與殼體連接的最高和最低點(diǎn)，分別設(shè)置半徑為R5的半圓孔。 設(shè)計(jì)中往往容易忽視在分程隔板上設(shè)置淚孔。該孔有三個(gè)作用： 淚孔作用，排凈液體； 平衡作用，平衡兩腔的壓力； 排氣作用，水壓試驗(yàn)時(shí)排凈氣體。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),d. 與管箱內(nèi)壁的焊接： 采用雙面連續(xù)焊，最小焊腳尺寸為3/4倍的隔板厚度。必要時(shí)，隔板邊緣應(yīng)開坡口，允許采用

65、與焊接連接等強(qiáng)度的其他連接方式。2、管板 a.管板分程隔板槽拐角處倒角尺寸 GB/T151中6.5.3.2-c) 規(guī)定多管程的隔板槽倒角不應(yīng)妨礙墊片的安裝；隔板槽拐角處倒角一般為45°，倒角尺寸b宜大于分程墊片的圓角半徑Rg。 對(duì)4管程以上的隔板槽，因其中心線偏離管板中心線,對(duì)隔板槽之間的拐角處倒角尺寸的確定，要避免管孔被倒角切掉。 做法：隔板槽倒角尺寸確定后

66、，隔板槽之間的拐角處應(yīng)圓弧過渡，拐角的外角處圓角半徑取隔板槽寬度的1/2，拐角的內(nèi)角處圓角半徑取墊片圓角半徑加2mm（如圖所示）。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),注：1、平蓋上的分程隔板槽拐角處倒角尺寸，與管板的要求相同。 2、多管程管板上分程隔板槽與管箱分程隔板布置在不同視圖（裝配圖、部件圖及零件圖）中一定要一致。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),b. 管板零件圖的技術(shù)要求中各技術(shù)數(shù)據(jù)的填寫： 按TCED 41002-2012

67、《化工設(shè)備圖樣技術(shù)要求》,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中： 垂直度允差按下表（要清楚主參數(shù)指什么）,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中： 允許孔橋?qū)挾群妥钚≡试S孔橋?qū)挾劝碐B/T151中8.4.5及表8-2,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),注：對(duì)于換熱管中心距不同于表8-2中所列時(shí)，應(yīng)按式8-1,8-2進(jìn)行計(jì)算確定。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),c.拉桿孔 GB/T151 P24明確了鉆孔深度，如圖：

68、 新舊標(biāo)準(zhǔn)比較下： 注意：如果管板厚度較薄時(shí)，拉桿孔會(huì)或幾乎會(huì)鉆穿管板。 處理方法：可在拉桿孔處管板的背面處加一墊板，或加厚管板。,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),GB151-1999中沒有給出鉆孔深度，一般按：,四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),d. 固定管板換熱器的管板與殼體的連接 固定管板換熱器的管板與殼體的連接，在GB/T151附錄I中有提示性規(guī)定。應(yīng)注意其

69、各結(jié)構(gòu)的適用條件。 圖I1(d) 焊縫處管板頸部高度≥10mm。圖中管板頸部高度應(yīng)按相關(guān)尺寸計(jì)算得到（結(jié)構(gòu)上要滿足按δ厚度開的焊縫坡口要求），其值應(yīng)取計(jì)算值和10mm[且大于tan30°(δ-2)+5]間的較大值。對(duì)殼程設(shè)計(jì)壓力較高、管程設(shè)計(jì)壓力較低的換熱器，采用這個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)對(duì)連接管箱的螺栓中心圓直徑能否滿足安裝螺母的要求進(jìn)行核算。（按比例繪圖，較容易發(fā)現(xiàn)問題） e. 換熱管與管板