管殼式換熱器講稿.doc

GB151-1999 管殼式換熱器換熱器是在不同溫度物料之間進行熱量傳遞的設備，其主要作用是維持或改變物料的工作溫度和相態(tài)，滿足工藝操作要求，提高過程能量利用效率進行余熱回收。 換熱器廣泛地應用在工農業(yè)各個領域，在煉油、化工裝置中換熱器占總設備量和設備投資的40左右。在換熱器設備中，管殼式換熱器又是應用最為廣泛，使用量最大的換熱器型式。GBl51-1999管殼式換熱器規(guī)定了管殼式換熱器的結構型式及其相應的設計、制造、檢驗要求。1 GBl51適用范圍1.1 適用參數(shù) GBl51規(guī)定了標準的適用參數(shù)范圍見表1.1。表中同時對比列出了美國TEMA標準的適用參數(shù)范圍。表1.1 適用參數(shù)范圍標準DN（ mm）PN（MPa）DNPN注GB 15126003517500（1）TEMA2540（100）20.684（3000psi）17500（100000）（2）（1）GB 151中1.2：超出上述參數(shù)范圍的換熱器也可參照本標準進行設計與制造。（2）TEMARCB-1.11 規(guī)定這些參數(shù)的意圖是限定殼壁最厚約為3（76mm）、雙頭螺栓的最大直徑為4（102mm）。 本標準所提出的準則，也可以用于超出上述參數(shù)的換熱器。 標準限定最大設計參數(shù)范圍是為了避免過于笨重的、結構上的不合理設計。 對于超出上述參數(shù)范圍的換熱器，特別是工程中可能遇到的中、低壓大直徑(超過DN2600mm)換熱器，作為設備整體在結構尺寸合理設計的前提下完全可以應用標準給出的設計原則。對于管殼式換熱器的關鍵零部件管板的設計計算，GB 151對管板進行了盡可能詳盡的力學分析，從本質上講可以認為就是一種分析設計方法，只是為了能夠利用圖表公式進行計算在公式推導過程中作了某些簡化和結構參數(shù)的限定，完全可以用于更大設計參數(shù)的管板設計。僅對管板等個別零部件進行應力分析計算并不等于對換熱器進行“應力分析設計”。1.2 不適用情況1. 直接火焰加熱的換熱器及廢熱鍋爐；2. 受輻射的換熱器；3. 要求作疲勞分析的換熱器；4. 有其他行業(yè)標準管轄的換熱器；5. 結構特殊的換熱器：對結構特殊、布管和載荷條件特殊、或是操作條件特殊的換熱器設計應予以特殊考慮，即采用詳細應力分析設計方法，如JB4732附錄I給出的計算方法或是有限單元分析設計方法。上述的特殊情況包括：(1)與法蘭搭焊連接的固定管板；(2)圓環(huán)形管板； (3)周邊不布管區(qū)較寬(k1.0)的固定式管板； (4)部分布管或非軸對稱布管的管板； (5)具有非同一換熱管徑的管板； (6)管程、殼程直徑差別較大的換熱器； (7)管板、殼體、管箱不是a型連接的浮頭式或填函式換熱器； (8)程間溫差較大的換熱器； (9)沿厚度方向溫差較大的管板； (10)重量載荷有顯著影響的立式換熱器。特別要指出：如果是對整臺換熱器以JB 4732進行分析設計，則對選材、制造、檢驗都應有相應的配套要求。目前在工程實踐中只有在極個別情況下，才作這種應力分析設計。13設計溫度范圍設計溫度范圍按金屬材料允許的使用溫度確定。主要結構型式及適用條件GB 151 中所列的管殼式換熱器（以下簡稱換熱器）主要有立式有臥式的固定管板式、浮頭式、U形管式、一般為臥式的填料函式(和釜式重沸器)五種型式。不屬于這五種型式的如折流桿換熱器、繞管式換熱器等機械設計，也應參照GB 151 進行設計。 GBl51雖然規(guī)定了PN、DN及PNXDN值，但管殼式換熱器主要的五種型式中各自的適用參數(shù)范圍是不同的。 2.1 固定管板換熱器 1)固定管板換熱器的主要特點 (1)結構簡單，制造成本低； (2)排管數(shù)比浮頭式、U形管式要多； (3)不能抽芯，無法進行機械清洗； (4)因不能單獨更換管束，所以維修成本高。2)使用壓力和溫度的限制由于換熱管、管板和殼體焊在一起，故換熱管與殼體間的金屬壁溫差(實際是管、殼間的熱膨脹差)引起的溫差應力是設計中的控制因素，因為在固定管板換熱器的管板計算中，按有溫差的各種工況算出的殼體軸向應力，換熱管軸向應力，換熱管與管板之間連接拉脫力q中有一項不能滿足強度條件時，就需設置膨脹節(jié)；而GB 16749壓力容器用波形膨脹節(jié)規(guī)定最高使用壓力為6.4MPa，故帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器使用壓力一般不高，而且結構設計和制造也較復雜。目前工程實踐中已有使用壓力達10MPa的帶有形膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。在壁溫差很小無需考慮溫差應力時，固定管板式換熱器也有使用在很高壓力的場合，此時往往管板與管箱或管板與殼體做成整體型式，或者管板、管箱(頭蓋)和殼體三者成為一個整體，如大化肥中的高壓甲銨冷凝器的管程壓力為15.8MPa。但一般高壓用得比較少，而低壓力、大直徑固定管板式換熱器用得很廣。2.2 浮頭式換熱器 1)浮頭換熱器的主要特點 (1)可抽式管束，當換熱管為正方形或轉角正方形排列時，管束可抽出進行機械清洗，適用于易結焦及堵塞的工況；(2)一端管板夾持，一端內浮頭型式可自由浮動，故無需考慮溫差應力，可用于大溫差的場合； (3)浮頭結構復雜影響排管數(shù)，加之處于殼程介質內的浮頭密封面操作中發(fā)生泄漏時很難采取措施，所以對于大直徑浮頭要充分考慮其結構的加工要求，或增設彈性墊圈以確保密封性能； (4)壓力試驗時的試壓胎具復雜。 2)使用壓力和溫度的限制 浮頭換熱器在煉油行業(yè)或乙烯工業(yè)中應用較多，但內浮頭結構限制了使用壓力和溫度，故一般情況為。2.3 U形管式換熱器 U形管式換熱器在換熱器中是唯一適用于高溫、高壓和高溫差的換熱器，特點如下： (1)以U形換熱管尾端的自由浮動解決溫度差應力，可用于高溫差； (2)只有一塊管板，加之法蘭的數(shù)量也少，故結構簡單而且泄漏點少； (3)可以進行抽芯清洗； (4)由于彎管時Rmim的限制，分程間距寬排管略少； (5)管程流速太高時，將會對U形彎管段產生嚴重的沖蝕，影響壽命。2.4 釜式重沸器釜式重沸器的管程采用U形或浮頭管束，殼程為單(或雙)斜錐具有蒸發(fā)空間的殼體，一般為管程介質加熱殼程介質，故管程的溫度和壓力比殼體的高，但設計壓力一般不會高于6.4MPa；釜式重沸器的效率很多場合取決于強化沸騰管的合理應用，如表面多孔管，T翅管的應用會使沸騰在較小的推動力下發(fā)生。2.5 填料函式換熱器 這是另一種浮頭式換熱器，它的浮動端采用填料密封浮動管板(裙)可在填料函內自由滑動，以補償換熱管與殼體的膨脹差量。 這類結構直徑不能太大，壓力一般不高于2.5MPa，且不能用于貴重介質及危害介質，當介質危害性不大時，也可以采用雙填料函密封加以彌補。3換熱器范圍本標準管轄的換熱器，其范圍指換熱器（管箱，殼體，管束，頭蓋）及換熱器連為一體的受壓部件，且劃定在下列范圍內。31換熱器與外管道連接(a)焊接連接的第一道環(huán)向接頭坡口端面；(b)螺紋連接的第一個螺紋接頭端面；(c)法蘭連接的第一個法蘭密封面；(d)專用連接件或管件連接的第一個密封面。32接管，人孔，手孔等的承壓封頭，平蓋及緊固件。33非受壓元件與換熱器殼體，管箱，頭蓋內外表面的焊接接頭。接頭以外的元件如支座，支耳，墊板等應符合本標準或相應標準的規(guī)定。4主要組合部件及規(guī)格型號4.1 主要組合部件 GBl51參照TEMA把換熱器分成前端管箱、殼體型式和后端結構三大塊，并用英文字母分別表達并組成一個完整的管殼式換熱器的代號，各部分代號含義如下： 1)前端管箱 A平蓋管箱，檢修方便，用于可抽式較多； B封頭管箱，管箱重量較輕； C用于可拆管束與管板制成一體的管箱； N與管板制成一體的固定管板管箱； D特殊高壓管箱，此時殼程壓力一般較低。 2)殼體型式 E程殼體，進出口一樣大小，用于無相變工況；Q進單出冷凝器殼體，進口管大，出口管小，用于冷凝工況；F具有縱向隔板的殼體，適用于殼程流量小要求流速較高的場合； G分流式殼體； H分流殼體； IU形管式換熱器殼體； J隔板分流(用于冷凝或沸騰殼體)； K式重沸器殼體； O外導流殼體，進出口壓降小，排管多； 3).后端結構(包括管束) L與前端管箱A相似的固定管板結構； M與前端管箱B相似的固定管板結構； N與前端管箱N相似的固定管板結構； P填料函式浮頭； S鉤圈式浮頭； T可抽式浮頭； UU形管束； w套環(huán)填料函式浮頭。 GB l51針對國內的具體情況相對TEMA中間殼體的型式進行了增刪： (1)增加了U形管換熱器殼體（I）； (2)增加了外導流殼體（O）； (3)增加了單進單出冷凝器殼體（Q）； (4)在釜式重沸器（K）中增加了雙管束型式； (5)取消了穿流式殼體（X）。 GB l51以圖1-圖6舉例表達了換熱器的主要型式，并用三個英文字母表達管殼式換熱器的具體型式，GB 151不可能把所有內容都包括進來，如換熱器殼體內的膨脹節(jié)，再如在前端管箱可以是焊接式平蓋管箱，這些都沒有納入GB l51，但都是有規(guī)可循，有公式可計算的，是可以使用的，如果說因為GB 151沒有這些具體結構就不準使用，這是不正確的。4.2 管程和殼程 管程是指介質流經換熱管內通道及其相貫通的部分，管程數(shù)N指介質沿管長度方向往返的流經次數(shù)。 殼程是指介質流經換熱管外的通道及其相連通的部分，殼程數(shù)N就是介質在殼程內沿殼體軸向往返的次數(shù)。4.3 換熱器的型號 為完整地表示換熱器的全貌，把管殼式換熱器型式代號與規(guī)格編在起稱為“型號”并規(guī)定了具體的表示方法。 本表示方法適用于臥式和立式換熱器。5設計參數(shù)換熱器與一般壓力容器尤其是儲存容器不同，工藝設計在換熱器設計中占有主導地位，機械設計除保證強度要求外還要實現(xiàn)工藝計算中的傳熱和壓降的要求。 51 工藝設計計算 自20世紀80年代以來，國內一些設計單位開始直接采用國際先進的傳熱軟件進行工藝設計，如： (1)HTRI(Heat Transfer Research，Inc)美國傳熱研究公司，采用會員制，交費會員可以獲得 全部工藝設計資料及軟件，也可參加其組織的會議及學術交流活動； (2)HTFS(Heat Transfer and Fluid Flow Service)美國傳熱與流體服務中心，采用了更為靈活 的辦法，既可是會員，也可單獨購買其軟件。 上述兩家公司的軟件，用作投標文件時，是被廣泛認可的。5.2 機械設計參數(shù)機械設計參數(shù)是指用以確定換熱器施工圖設計及制造、驗收的參數(shù)。 1)公稱直徑DN (1)DN500mm，卷制圓筒，以圓筒內直徑(mm)作為換熱器的公稱直徑； (2)DN400mm，以鋼管外徑(mm)作為換熱器的公稱直徑； (3)DN=450mm時，有卷制和鋼管兩種情況，此時可按前兩種情況分別表示； (4)公稱直徑一般以100mm進檔，也允許50mm進檔，50mm進檔時，應注意與殼體圓筒相配的封頭、法蘭等標準零部件系列尺寸的匹配。 2)公稱長度LN 以換熱管的長度(m)作為換熱器的公稱長度，換熱管為直管時，取直管長度；換熱管為U形管時，取U形管的直管段長度。 3)換熱面積A(1)計算換熱面積。以換熱管外徑為基準，扣除深入管板內的換熱管長度后，計算得到的面積(m2)；對于U形管換熱器，一般不包括U形管彎管段的面積，當需要把U形彎管部分計人換熱面積時，則應使U形端的殼體進(出)口安裝在U形管末端以外，以消除U形管末端流體停滯的換熱損失； (2)公稱換熱面積一經圓整后的換熱面積(m2)，一般修正間隔為5。4)溫度(1)設計溫度，換熱器在正常的工作情況下，設定的元件金屬溫度（沿元件金屬橫截面的溫度平均值），它與設計壓力一起作為設計載荷條件，設計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)下可能達到的最高溫度，對于0C以下的金屬溫度，設計溫度不得高于元件金屬可能達到的最低溫度。管程設計溫度是指管程的管箱設計溫度（注意不是換熱管的設計溫度）。殼程設計溫度是指殼程殼體圓筒的設計溫度； (2)在任何情況下，元件金屬的表面溫度不得高于材料允許使用的最高溫度。這與設計溫度中的元件金屬溫度(截面平均值)是完全不同的兩個概念，前者是材料最高使用溫度的限制，而后者是設計溫度的確定方法； (3)同時受管程、殼程溫度作用的元件，應按金屬溫度確定設計溫度，該金屬溫度應通過傳熱計算確定，也可以在已使用的同類換熱器上測定，也可以根據(jù)成熟的設計經驗確定；(4)試驗溫度。指壓力試驗時，管箱和殼體的金屬溫度。 5)壓力 (1)設計壓力P。指設定的換熱器管程、殼程頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不得低于工作壓力； (2)計算壓力p。指在相應的設計溫度下，用以確定換熱器元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力，當元件承受的液柱靜壓力小于5的設計壓力時，可忽略不計，此時，Pc=P； (3)對于同時受管程、殼程壓力作用的元件，當能保證管程、殼程同時升、降壓時，可按元件承受的壓差設計，同時還應考慮壓力試驗時可能出現(xiàn)的最大壓差值，一般只有在管板過厚時，才采用壓差設計，以減薄管板，但會給操作和維修帶來麻煩； (4)當元件一側受真空作用，另一側非真空作用時，其計算壓力應為兩側設計壓力之代數(shù)差，即為最苛刻的壓力組合； (5)試驗壓力PT。指在壓力試驗時，換熱器管程、殼程頂部的壓力。 6)腐蝕裕量為防止換熱器由于腐蝕，機械磨損而導致厚度削弱減薄，應考慮腐蝕裕量:(a) 對于有腐蝕或磨損的零件，應根據(jù)預期的壽命和介質對金屬材料的腐蝕速率確定腐蝕裕量；(b)換熱器各元件受到的腐蝕程度不同時，可以采用不同的腐蝕裕量；（c）介質為壓縮空氣，水蒸汽或水的碳鋼或低合金鋼制換熱器，腐蝕裕量不小于1mm。7).蝕裕量的確定原則(1)平蓋、凸形封頭，管箱、殼體圓筒的內表面以及設備法蘭、管法蘭的內徑面應考慮腐蝕裕量； (2)管板、浮頭法蘭、球冠形封頭和鉤圈兩面均應考慮腐蝕裕量； (3)管板和平蓋上開槽(隔板槽、焊接結構槽)時，可把高出槽底面的金屬作為腐蝕裕量，當腐蝕裕量大于槽深時，還應加上兩者的差值；(4)換熱管、拉桿、定距管、折流板和支持板不考慮腐蝕裕量。8)計算厚度，設計厚度，名義厚度，有效厚度與GB150-1998一致9)材料許用應力與GB150-1998一致注意：設計溫度低于20度時，20度的許用應力10)對于地震力或風載荷與其他載荷組合時，立式換熱器器壁的應力允許不超過許用應力的1.2倍；不考慮地震力和風載荷同時作用的情況。11).接頭系數(shù)（joint efficiency）(1)焊接接頭系數(shù)：系指換熱器中受壓元件對接接頭的焊接接頭系數(shù)；（2）對于無法進行無損檢測的固定管板與殼程圓筒的環(huán)向焊接接頭，當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時，取。其一是為了在計算固定管板換熱器殼程圓筒軸向應力后，確定許用值；其二是此類焊接接頭因無法進行無損檢測，給出要求，應按焊接工藝施焊，避免隨意性。 12).容器類別的確定 (1)換熱器的管程、殼程可分別確定類型，但換熱器總的類別應取管程、殼程中的高者； (2)換熱器管程、殼程類別的確定原則按“容規(guī)”第6條的規(guī)定。 13).壓力試驗 （1) 換熱器制成后應對換熱管與管板的連接接頭，管程，殼程進行壓力試驗，壓力試驗的種類和要求應在圖樣中注明。 (2)管程試驗壓力大于殼程試驗壓力的換熱器，圖樣上應對換熱管與管板的連接接頭的試驗方法和壓力提出詳細要求。（3）壓力試驗一般采用液壓試驗；對于不適合作液壓試驗的換熱器，如換熱器不允許有微量殘留液體，或由于結構原因不能充滿液體的換熱器，可以采用氣壓試驗。氣壓試驗時應滿足GB150第十章的有關要求。（4）換熱器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時，應以最大允許工作壓力代替設計壓力進行水壓試驗。（5）換熱器各受壓元件所用材料不同時，應取各元件材料/ t比值最小者。(6)立式換熱器臥置壓力試驗時，試驗壓力為立置時的試驗壓力PT加液柱靜壓力。(7)GB151-1999 -3.17.1規(guī)定的試驗壓力為換熱器最小試驗壓力。（8）壓力試驗前應校核圓筒和橢圓封頭的應力（當采用其他封頭時，也應校核封頭應力）；壓力試驗時的應力T應分別滿足下列條件：液壓試驗時，T0.9s氣壓試驗時，T0.8s換熱器管程、殼程壓力試驗的方法，試驗壓力應區(qū)別管程、殼程不同的工況按GB 151中有關“壓力試驗”的規(guī)定和14節(jié)的說明。6材料 換熱器用鋼材除采用GB l50中第4章所規(guī)定的材料外，作為GB l51換熱器還規(guī)定如下：6.1 管板、平蓋 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得多，故在條件不苛刻時，用板材作管板、平蓋依然很多。一般規(guī)定如下： (1)厚度很大而不能確保質量要求時，宜采用鍛件。因厚鋼板會有分層、夾雜等缺陷及性能指標波動大等問題；(GB151規(guī)定當管板厚度大于60mm時，宜采用鍛件)(2)管板以凸肩形式與圓筒相對接時，必須采用鍛件。 (3)采用鋼板作管板和平蓋時，厚度大于50mm的20R、16MnR，應在正火狀態(tài)下使用。6.2 復合結構的管板、平蓋 管板、平蓋可采用堆焊、軋制或曝炸復合結構，當管程壓力不是真空狀態(tài)時，平蓋亦可采用襯層結構。 1).堆焊結構 用堆焊制作的管板與平蓋，其覆層與基層的結合是最好的，覆層厚度完全可計人管板的有效厚度(以許用應力比值折算)，但堆焊的加工難度大，中間檢驗、最終檢驗及熱處理的要求高，堆焊一般有手工堆焊和帶極堆焊兩種方法。 2).爆炸、軋制復合板管板的平蓋采用的復合板等級要求見表.5.2。表5.2標準元 件管 板平 蓋GB/T81651997不銹鋼復合鋼板和鋼帶I級，210MPa結合率100%III級，200MPa結合率95%JB47331996壓力容器用爆炸不銹鋼復合鋼板B1級，210MPa結合率100%B3級，200MPa結合率95%GB85471987鈦-鋼復合板B0級，196MPa結合率100%B2，BR2級，138MPa結合率95%GB/T 132381991銅-鋼復合板（標準中沒有分級）管子與管板采用強度脹或強度脹加密封焊。焊接接頭不承受管子軸向載荷可作非真空狀態(tài)的平蓋注：B爆炸法； R軋制法； BR爆炸加軋制法。 3).管板復合結構的評價 (1)堆焊復合：其覆層可計人管板的有效厚度，與換熱管連接采用強度焊時，有充分的能力來承受換熱管的軸向剪切載荷； (2)軋制、爆炸或爆炸加軋制復合采用標準中I級、B1級、BO級的復合鋼板時，覆層是否計人管板有效厚度由設計者自行決定，但管板覆層與換熱管的強度焊，可以承受換熱管的軸向剪切載荷； (3)覆層與基層有局部不結合時，除非在管板鉆孔時能全部消除，或局部不結合符合級、B2，對于鈦鋼復合板為B1、BRl級要求，而又發(fā)生在管板不布管區(qū)較大的中心區(qū)域(管程進、出口處)則可使用；局部不結合若發(fā)生在孑L橋上時不允許使用，因此時若換熱管承受壓縮力時，會撕裂覆層，同時還會使殼程介質進入不結合的孔橋部位使結合面承受腐蝕，在殼程壓力作用下不結合面可能愈來愈大最終造成失效。6.3 有色金屬 GB 151加入了A1、Cu、Ti有色金屬，取消了“鋼制”。 1).鋁及鋁合金 (1)設計參數(shù)：P8MPa，-269T200； (2)在低溫下，具有良好的塑性和韌性； (3)有良好的成型及焊接性能； (4)鋁與空氣中的氧迅速生成A12O3薄膜，故在空氣和許多化工介質中有著良好的耐蝕性。 2).銅及銅合金 (1)設計參數(shù)： 純銅：T150，150200許用應力衰減快； 銅合金：T200，一般的銅合金在200250許用應力衰減快，但鐵白銅的性能穩(wěn)定，可用到250；(2)具有良好的導熱性能及低溫性能；(3)具有良好的成型性能，但焊接性能稍差。 3).鈦和鈦合金(1)設計參數(shù)：35MPa，T300；(2)密度小(4510kgm3)，強度高(相當于20R)； (3)有良好的低溫性能，可用到-269； (4)鈦-鋼不能焊，且鐵離子對鈦污染后會使耐蝕性能下降； (5)表面光滑，粘附力小，且表面具有不濕潤性，特別適用于冷凝； (6)鈦是具有強鈍化傾向的金屬，在空氣或氧化性和中性水溶液中迅速生成一層穩(wěn)定的氧化性保護膜，因而具有優(yōu)異的耐蝕性能。6.4換熱管 1).鋼制無縫管 使用普通級換熱管制造的II級管束，僅限于碳鋼和低合金鋼；不銹鋼和有色金屬采用高精度、較高精度換熱管，因此全部為I級管束。 2).奧氏體不銹鋼焊管 GB l51允許使用奧氏體不銹鋼焊管作為換熱管，但鑒于第一次列人標準，故給予了嚴格限制： (1)P6.4MPa，國外無此限制，從現(xiàn)有三家焊管的數(shù)據(jù)來看，焊接質量都較好，爆破壓力都超過計算值，該限制有望提高到10MPa； (2)不得用于極度危害介質；(3)：0.85。(4)使用溫度范圍與相應鋼號的無縫鋼管。 國外各種焊管用作換熱管的很普遍，國內目前繼奧氏體不銹鋼焊管后，碳鋼焊管也有個別企業(yè)通過 了全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會的認證允許作換熱管使用。 3)強化傳熱管 實踐證明：在蒸發(fā)、冷凝、冷卻及無相變傳熱過程中，采用適當?shù)膹娀瘋鳠峁?，將會起到顯著的強化傳熱的效果；但如果選擇不當，反而會適得其反。 一般的強化傳熱管有螺紋管(整體低翅片管)、波紋管。此外應用較多的還有： (1)適用無相變傳熱：螺旋槽管、橫槽管、縮放管、內翅片管及內插入管等； (2)適用有相變傳熱：單面或雙面縱槽管、鋸形翅片管、T形翅片管及表面多孔管等。7 管箱 管箱的作用是把進入換熱器的流體相對均勻地分布到管束的各換熱管中，并通過另一端管箱使流體匯集在一起送出換熱器。管箱可以有多種結構型式，如25.3.1所述。7.1管箱平蓋 管箱平蓋在結構上就是螺柱墊片聯(lián)接的圓平蓋，其強度計算與GB 150中給出的計算方法完全相同，其受力分析見第10章10.6.3。 對于多管程換熱器，為保證分程隔板墊片間的一定密封要求，除對平蓋進行上述的強度校核外，還要對平蓋進行剛度校核，GB l51中給出的相關厚度計算公式即是控制平蓋中心撓度Y為：DN600mm時，Y：0.75mmDN600mm時，Y：DN800mm7.2分程隔板 (1)一般按GB 151規(guī)定的最小隔板厚度即可，但在隔板兩側壓差較大或載荷不穩(wěn)定有沖擊力時，GBl51給出了厚度校核公式，當通不過時應適當增加厚度或改變隔板的結構；(2)大直徑換熱器隔板可設計成雙層結構，既增加剛度又有利于隔熱；(3)水平分程隔板上最好開設排凈孔(淚孔)，孔直徑一般為6mm；(4)較厚的分程隔板，人管板槽端應削邊。7.3最小內側深度規(guī)定管箱的最小內側深度，目的是為了使流體均勻流人換熱管及減少流動的壓力降。(1)軸向開孔：開孔處最小深度應不小于接管直徑的1/3；(2)側向開孔：應使兩程之間的流通面積不小于每程換熱管流通面積的1.3倍；當壓力降允許時，也可等于每程換熱管的流通面積。7.4短節(jié)由于結構尺寸的限制，且管箱圓筒(短節(jié))一側與法蘭、另一側與封頭相聯(lián)接，故不屬拼接圓筒，GB l50中所規(guī)定的“筒節(jié)長度應不小于“300mm”規(guī)定，不能在此硬性套用。7.5管箱熱處理GB l51規(guī)定在下列情況下應進行焊后消除應力熱處理。(1)碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱和浮頭蓋應進行消除應力熱處理，熱處理后加工法蘭和分程隔板的密封面；(2)碳鋼、低合金鋼制的管箱側向開孔超過1/3圓筒內徑的管箱應進行消除應力熱處理；(3)上述情況的奧氏體不銹鋼管箱和浮頭蓋是否熱處理，供需雙方要協(xié)商解決。8. 換熱管8.1換熱管的拼接換熱管的拼接是允許的。如不允許拼接時，應在圖樣上加以規(guī)定。換熱管的拼接要求：(1)應參照JB4708對焊接接頭作焊接工藝評定，Al、Cu、Ti可參照執(zhí)行；(2)直管拼接焊縫不得超過一條，U形管不得超過兩條；最短管長不應小于300mm，包括至少50mm的直管段的U形管管段范圍內不得有拼接的焊縫；(3)拼接坡口應用機械方法加工，焊前清洗干凈；(4)對口錯邊量不得超過壁厚的15，且不大于0.5mm，直線段不得影響穿管；(5)對接后要按GB l51的規(guī)定進行通球檢查；(6)對接焊接接頭進行RT抽查，如有一條不合格則加倍，再出現(xiàn)不合格時100檢查；(7)對接后換熱管應逐根按2倍設計壓力進行液壓檢查。正因為換熱管的拼接要求十分嚴格，所以，制造廠一般不進行拼接，因為12m的換熱管可以滿足絕大多數(shù)換熱器的要求，而且火車可直接發(fā)運；而大多數(shù)中小型鋼管廠可以按要求供彎制好的U形管。8.2 U形管1GB l51規(guī)定最小彎管半徑應不小于2倍的管外經，并給出了Rmin的具體值，當Rmin比上述規(guī)定小而又能保證橢圓度要求時，是可以使用的；2彎管后U形管段外側會減薄，因此為了使減薄處的壁厚不小于直管段的計算壁厚，就必須計算彎管前的換熱管最小壁厚；3當U形管內流速過高或有腐蝕時，應適當加厚彎管半徑較小的U形管的壁厚；4當有應力腐蝕時，冷彎U形管的彎管段及至少包括150mm的直管段應進行消除應力熱處理，對于奧氏體不銹鋼管應考慮固溶處理，靠近加熱的部分應采取保溫措施以避免溫度突變；5用作低溫管時，冷彎的彎曲半徑小于10倍的管子外徑時，彎后應作消除應力熱處理。經熱處理供貨的換熱管材，在必須采用熱彎或彎曲時半徑小于10倍管子外徑的冷彎，必須重新進行與原熱處理相同的熱處理。9. 殼體圓筒9.1 最小厚度換熱器殼體圓筒的最小壁厚比壓力容器要厚，是因為壓力容器最小壁厚僅滿足制造工藝、運輸和安裝的要求，而管殼式換熱器尚需滿足經常抽裝管束和重疊安裝的要求，對于不需抽芯的固定管板換熱器的最小壁厚可稍薄。9.2 圓筒直徑的允許偏差對于鋼板卷制的殼體，TEMA RCB-3.122規(guī)定，通過測定周邊所算出的殼體內徑與名義內徑之差不得超過1/8”(3.2mm)，它的特點是既規(guī)定了測量方法，又規(guī)定了偏差值，通過計算控制殼體內徑的偏差，僅取決于周長的偏差(010mm)，在忽略了冷卷冷校中的材料延伸后，這一偏差僅取決于下料、刨邊、縱縫的收縮量，而將這三項誤差累計在10mm的范圍內是完全必要的，也是可行的。但TEMA是通過測量周長后還要折算成直徑是不方便的，故GB 151規(guī)定，殼體內徑的偏差通過測量圓周加以控制，實測的外圓周長與名義的外圓周長相比，控制偏差為mm，同時規(guī)定了同一截面處圓筒的最大直徑與最小直徑差小于0.5%DN(GB l50為1%DN)和圓筒直線度，這兩條同時起作用既保證了換熱器能順利穿管又能保證了圓筒與折流板的間隙能滿足要求。管制圓筒的偏差按相應的鋼管標準執(zhí)行。9.3 殼體材料（1）用于制造換熱器的圓筒或封頭的鋼板應符合GB150-1998;(2) 用于換熱器的圓筒的碳素鋼和低合金鋼鋼管應采用無縫鋼管；(3) 符合GB150-1998A4.2的奧氏體不銹鋼鋼管，可用作換熱器的圓筒。9.4 接管設計換熱器的接管設計及計算除應符合GBl50的要求外，還應符合如下要求：(1)殼程的接管不允許伸人殼體的內表面；(2)接管盡量沿著徑向或軸向設置；(3)設計溫度高于或等于300時，應采用高頸對焊法蘭； (4)必要時，可在接管上設置溫度計、壓力表接口；(5)對不能用接管排汽、放液的換熱器，分別在管程和殼程的最高點及最低點設排氣口和排液口,其最小公稱直徑為20mm；(6)立式換熱器可設置溢流口，殼程為冷卻介質時，必須在最高點設溢流口；(7)對于高溫、大口徑的接管，還應考慮來自管束的推力(三個方向的力和力矩)，此時要校核所在的殼體元件和接管根部的應力，同時還應考慮：法蘭的型式、等級、接管厚度、墊片類別和螺栓等級； D類焊縫應焊透，焊縫表面應圓滑過渡及滲透檢測的要求； 開孔補強、接管加筋，以增加與殼體元件的剛性和分散載荷； 必要時提請管道專業(yè)考慮管道上設置固定支架或限位支架，設備支耳處設彈簧支架等。10. 管板10.1 管板厚度1)管板有效厚度管板有效厚度指分程隔板槽底的管板厚度減去下列兩者厚度之和：a)管程腐蝕量超出管程隔板槽深度的部分；b)殼程腐蝕裕量與管板在殼程側的結構開槽深度兩者中的較大值。 即管板有效厚度，等于管板實際厚度減去管板兩側的開槽深度或腐蝕裕量中的大值之和。2)管板的最小厚度a)管板與換熱管采用脹接連接時，管板的最小厚度&min(不包括腐蝕裕量)按如下規(guī)定：用于易燃，易爆及有毒介質等嚴格場合時，管板的最小厚度應不小于換熱管的外徑；用于一般場合時，管板的最小厚度應符合下列要求： d025時，&min0.75 d0;25d050時，&min0.70 d0;d050時，&min0.65 d0b)管板與換熱管采用焊接連接時，管板的最小厚度&min應滿足結構設計和制造要求，且不小于12mm. 3)復合結構管板的最小厚度 a) 焊接連接的復合管板，-其覆層厚度應不小于3mm，為保證耐腐蝕性能還要求距表面2mm的覆層的化學成分和金相組織符合覆層材料的標準要求。 b) 脹接連接的復合管板，為了保證換熱管與覆層的致密性和開槽增加拉脫力，其覆層厚度應不小于l0mm，且應保證距表面8mm覆層的化學成分和金相組織符合覆層材料標準要求。一般來講，復合管板采用脹接的形式使用不多。 4)復合管板的有效厚度 當覆層允許計人管板有效厚度時，復合管板的有效厚度按整體管板的要求計算，但覆層的計人厚度(覆層最薄處的厚度)還應折算成當量厚度。10.2 布管 1)布管型式換熱管的排列有四種型式， 2)換熱管的中心距 換熱管中心距宜不小于1.25倍的管子外徑，按S=1.25d的計算值，還可作如下處理： (1)換熱管與管板采用強度脹時，應向上圓整； (2)換熱管與管板采用強度焊時，可向下圓整； (3)需要抽芯清洗時，兩管凈空距離宜不小于6mm。 3殼程進出口對布管的影響為得到合理的壓力降，殼程和管程進出口處流體的流通面積應不小于進出口接管面積，并使流體流經進出口處的(ms)，有防沖板時，防沖板表面與殼程圓筒內壁距離不小于接管外徑的14，無防沖板時，可略小。 3)布管限定圓a)固定管板和U形換熱器布管限定圓直徑DL=Di-2b3b3=0.25d(一般不小于8mm) b)浮頭換熱器布管限定圓直徑DL當換熱器內徑1000mm時，b一般不小于3mm當換熱器內徑1000mm時，b一般不小于4mm 4)管程分程管程數(shù)一般有1,2,4,6,8,10,12等七種。管程分程的一般原則：a）應盡可能使各管程的換熱管數(shù)大致相等；b)分程隔板槽形狀簡單，密封面長度較段。10.3 管孔 1)精度要求的一般考慮管孔與換熱管的徑向間隙的大小是影響管板與換熱管連接接頭(尤其是脹接)質量的關鍵性指標，而管孔的尺寸及允差又直接受控于換熱管的精度。由于國內目前沒有專用的鋼制換熱管的標準，且大量生產的是普通級換熱管，所以GB l51在碳鋼和低合金鋼管中，不得不保留普通級鋼管并允許級管束的存在，而對于新列入的有色金屬管則從一開始就要求高精度的換熱管。GB l51中關于管孔尺寸及允差的六個表，是根據(jù)如下原則確定的： (1)碳鋼、低合金鋼換熱管所選配的管孔，允許使用兩種精度管，所以給出了兩種精度的管孔； (2)由于不銹鋼管標準僅有較高精度以上等級，所以不銹鋼換熱管與管孔采用了I級管束的高精度配合； (3)鋁管外徑的偏差與高精度鋼管相同，而鋁管又以脹接為主，所以采用了鋼管I級的配合，又由于鋁比鋁合金相對軟一些，脹接困難，故鋁管管孔的上偏差稍嚴一些(小于007mm)； (4)GBT 8890-1998銅換熱管都呈負偏差，這是比較特殊的，加之銅管基本采用脹接(或加密封焊)，故為防止過脹，管孔的名義尺寸及允許偏差比鋼的I級更??； (5)由于鈦材貴，換熱管壁厚薄，所以鈦管與管板基本上采用焊接或加貼脹，同時GBT3625鈦管外徑、壁厚偏差都比高精度鋼管小，所以鈦材管孔與管的間隙比I級鋼管的要小。 2)管孔直徑及偏差 GB 151即使采用了國內換熱管的高精度等級管，但與TEMA采用的換熱管以及管孔直徑在精度要求上仍然存在差距。的碳鋼和低合金管對比見表25.9.3：表25.9.3 mm管外徑及偏差管孔直徑管孔直徑偏差最小徑向間隙最大徑向間隙96%4%GB 151(GB/T8613)I190.2019.25+0.150+0.3000.050.60II190.4019.40+0.200+0.35001.00TEMA19.020.1019.30+0.050.10+0.25-0.100.050.40（1）對比表說明：同為高精度管，國內標準仍然存在差距；（2）兩個標準的管孔直徑偏差同樣有4%允許有較大的偏差，這主要是從經濟性考慮，不是所有的管孔都用最高級的加工手段來加工；（3）當冷作硬化會產生應力腐蝕的工況，或換熱管與管板無法使其存在要求的硬度差時，適當?shù)販p少徑向間隙是必要的，也是允許的。因為標準是最低要求，工程需要（圖樣）可以比其要求高。3)孔橋寬度B、Bmin 查表法：GB 151 給出了I、II級管束對應不同管板厚度的孔橋寬度表，在管板厚度不大于160mm時，可直接或用插入法找出B、Bmin。計算法：當管板厚度大于160mm時，可用標準中給出的公式進行計算。B、Bmin值主要是針對管板采用強度脹時的要求。當換熱管與管板為強度焊、焊接接頭承受熱管的軸向剪切載荷時，B和Bmin的數(shù)值可以適當放寬，同時管孔直徑和偏差也可適當?shù)姆艑?。在TEMACB-7.522中規(guī)定為“強度焊連接：當用焊接連接去隨管子的軸向載荷時，可考慮修正RCB-7.4至RCB-7.51各節(jié)的要求”。在GB 151 的5.8.5中規(guī)定為：“當I級鋼制管束和鋁、鈦、銅換熱管采用強度焊或強度焊加貼脹，換熱管與管板的焊接接頭承受換熱管軸向載荷時，5.6.4中管孔直徑及偏差及6.4.5中橋寬偏差可參照碳素鋼、低合金鋼II級管束的管孔和橋寬尺寸予以適當放寬。關于B的檢查及控制要求如下：（1）GB 151 規(guī)定，對管板中心任意一個60扇面進行抽查，當B合格率低于96%（或Bmin超過4%）時，應進行全管板的檢查；（2）B及Bmin應在管板出鉆面檢查。10.4 管板的拼接和堆焊1)管板拼接（1）拼接管板的對接接頭應進行100%的射線或超聲檢測，按JB/T 4730射線不低于II級、超聲不低于I級合格；(2)除不銹鋼外，拼接管板應作消除應力熱處理。2)管板堆焊（1）堆焊前應作堆焊工藝評定；（2）基層待堆焊面及覆層加工鉆孔前的面應按JB/T 4730進行表面檢測，檢測結果不得有裂紋，成排氣孔并應符合II級缺陷顯示；（3）堆焊覆層應在靠基層面采用超低碳的過渡層和覆層的雙層堆焊，且從距表面最少2mm（在工程實踐中多控制在3mm）的深處（按覆層厚度而定）其化學成分應符合覆層材料的要求；（4）不得采用換熱管與管板焊后加橋間補焊的方法進行所謂的堆焊。10.5 雙管板當換熱器管程、殼程介質嚴格禁混合時，宜采用雙管板結構，并需考慮如下設計原則：（1）較苛刻的介質一般在管程，換熱管與管側管板采用強度焊或強度脹；（2）殼側管板采用強度脹；（3）封閉的間距內應設置集液口或排氣口；雙管板結構一般有如下三種形式:11 折流板和支持板等內件 折流板既用來支撐換熱管，又使其產生理想的殼程流速，還可以減少換熱管無支撐跨距避免流體誘導振動，因此折流板在換熱器殼程設計中無論是對傳熱還是對壓降都占有重要位置，因為折流板是可以調節(jié)的，合理的折流板設計將會在傳熱和壓降上都取得比較滿意的效果。 如果不是特別指明，折流板通常是指殼程的橫向折流板，用于雙殼程結構的分程隔板稱為縱向折流板或縱向隔板。11.1 折流板間距 (1)標準規(guī)定了最小折流板間距為殼體內徑的15或50mm，取大者；小間距會增加殼程的流速及壓降，考慮到傳熱、壓降的均衡性，一般折流板間距宜不小于殼體內徑的30； (2)折流板最大間距可等于殼體的內徑，若再加大將可能使殼程流體縱向流(順流)大大增加，使傳熱效率大大下降，另外，無支撐跨距過大會誘導振動，必要時應進行振動校核； (3)殼程流動為紊流時，傳熱系數(shù)變化范圍為流速的0.6-0.7次方，而壓降則與流速成正比，因此，隨著折流板間距減少，壓力降的增加比傳熱系數(shù)上升要快得多。11.2 折流板形式 常用的折流形式有折流板、折流桿和螺旋折流板等。 1)弓形折流板 (1)單弓形折流板為最常用的形式，其形式簡單，但壓降較大； (2)雙弓形折流板，適用于殼程流量較大的物流，或殼程流體為密度低的低壓氣體時，此時壓降會有大的下降，而傳熱系數(shù)的下降要小得多；(3)三重弓形折流板類似雙弓形折流板的功能，但其安裝的難度較大。2)折流板布置a)折流板一般應按等間距布置，管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進，出口接管；b)臥式換熱器的殼程為單相清潔流體時，折流板缺口應水平上下布置。若氣體中含有少量液體時，在缺口朝上的折流板的最低處開通液口；若液體中含有少量氣體時，在缺口朝上的折流板的最高處開通氣口。C）臥式換熱器的殼程介質為氣液共存相或液體中含有固體物料時，折流板缺口應崔直左右布置，并在缺口最低處開通液口。3).弓形折流板缺口高度弓形折流板缺口高度應使流體通過缺口時與橫過管束時的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占筒體內直徑的百分比來確定。弓形弦高h值，一般取0.20.45倍的筒體內直徑。4).折流板和支持板最小厚度根據(jù)換熱器直徑和換熱管無支撐跨距查GB151表3410.3支持板a)當換熱器不需要設置折流板，但換熱管無支撐跨距大于GB151表42規(guī)定時，應設置支持板，用來支撐換熱管，以防止換熱管產生過大的撓度。b)浮頭換熱器浮頭端宜設置加厚的環(huán)形支持板10.4. U形換熱器的尾部支持。U形換熱器中，靠近彎管段起支撐作用的折流板，結構尺寸A+B+C大于GB151表42規(guī)定時，應在彎管部分加特殊支撐10.5 折流桿用與換熱管垂直的四組圓鋼所形成的“井”字將換熱管固定住。折流桿換熱器使殼程流體沿著管束軸線縱向流動，從而徹底消除流體橫向流動而產生的誘發(fā)振動。并且折流桿會使流體不斷地產生卡門漩渦以提高傳熱的效率。同時由于沒有橫向流動，故殼程流體壓降較底。折流桿換熱器的關鍵技術在于正確的傳熱工藝計算及制造組裝技術。折流桿的直徑等于換熱管的間隙；可視一組折流圈相當于一塊折流板（或支板承） 10.6螺旋折流板 由數(shù)塊扇形板排列在有一定升角的螺旋線上，使流體在殼體內形成螺旋流，其特點為： (1)可以使流體達到近似于柱塞流的效果； (2)返混程度很低，幾乎沒有流動的死區(qū)； (3)傳熱效率提高的同時，又獲得了較佳的壓降； (4)傳熱系數(shù)與螺旋角關系密切，最佳的螺旋角為2540； (5)為減少無支撐跨長避免振動可用二頭或多頭螺旋。 10.7 拉桿，定距管a)換熱外徑19mm時，采用拉桿定距管結構；b). 換熱外徑14mm時,采用拉桿與折流板點焊結構；c)拉桿應盡量均勻布置在管束外邊緣。對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內或靠近折流板缺口處應布置適當數(shù)量的拉桿，任何折流板應不少于3個支承點。e)拉桿直徑和數(shù)量根據(jù)GB151表43,表4410.8 防沖與導流1)管程設置防沖板條件當管