New-換熱器工程設計中的常見問題 (1)

1、換熱器工程設計中的常見問題劉笑竺2015年1月前言 在石油化工裝置中，進行熱量交換的換熱器，一般要占設備總數(shù)的3040%。常用的換熱器型式有管殼式換熱器、空冷器、板翅式換熱器、板片式換熱器等等。其中的管殼式換熱器，因其操作彈性大、使用范圍廣、制造難度小而用得最多。為了保證管殼式換熱器的質(zhì)量，各個國家都有相應的標準。如： 我國的 GB151管殼式換熱器標準（以下簡稱GB151） 美國的 TEMA管式換熱器制造商協(xié)會標準（以下簡稱TEMA） 美國的 API 660管殼式換熱器標準（以下簡稱API 660） 日本的 JIS B 8249 管殼式換熱器標準（以下簡稱JIS B 8249） 在管殼式換熱

2、器工程設計中，經(jīng)常遇到在標準規(guī)范中沒有規(guī)定、規(guī)定本身有矛盾、國內(nèi)和國外標準對同一問題的規(guī)定不相同等問題。下面介紹在工程設計中常見的問題及解決的方法。1. 換熱器的設計條件 (1) 設計壓力和設計溫度 換熱器的設計壓力，應為在正常工作情況下，換熱器管、殼程頂部的最高壓力，與設計溫度一起作為設計的載荷條件。 換熱器的設計溫度，應為在正常工作情況下，換熱器受壓元件的金屬溫度（有最高和最低值），與設計壓力一起作為設計的載荷條件。 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。其中開車和停車，對換熱器是有專門規(guī)定的。如開車時要求用溫度較低的介質(zhì)對管殼程進行熱循環(huán)，停車

3、時要求先停熱側(cè)，后停冷側(cè)等。因此，那些將換熱器的一側(cè)的壓力和溫度為設計值，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。 (2) 近些年來，許多設計單位對管殼程設計壓力相差較大的換熱器，采用壓力較高側(cè)設計壓力除以水壓試驗的放大系數(shù)（GB150規(guī)定為1.25）的數(shù)值作為壓力較低側(cè)的設計壓力。這種做法依據(jù)的工況，是不存在的。采用這種做法，除對換熱器的壓力較低側(cè)造成浪費外，還可能造成該換熱器無法進行設計。 （3) 近年來，許多單位將蒸汽吹掃（設計壓力0.35MPa，設計溫度為150180）作為設計工況，對換熱器進行校核。這種做法依據(jù)的工況，是不存在的。 (4) 固定管板

4、換熱器的管板強度計算中的管壁和殼壁金屬溫度，應取正常操作情況下由傳熱計算得到的溫度。2. 換熱器 的級別 在GB151中對換熱器的碳鋼和低合金鋼管束規(guī)定了級和級。級管束用的換熱管、管板的管孔、折流板的管孔精度較高，級管束用的換熱管、管板的管孔、折流板的管孔精度較低。對級和級管束的使用條件，標準沒有規(guī)定。 建議符合下列條件之一者采用級管束，否則采用級管束： (1) 管或殼程設計壓力2.5MPa。 (2) 管或殼程設計溫度300，或6000mm。 (4) 管束中換熱管的最大無支撐長度超過標準規(guī)定的換熱管的最大無支撐跨距值的0.7倍。3. 換熱面積計算中換熱管長度 在GB151的3.7.1中規(guī)定“計

5、算換熱面積 以換熱管外徑為基準扣除伸入管板內(nèi)的換熱管長度后，計算得到的管束外表面積”。 在工程設計中，換熱器的型式是多種多樣的，有的型式，如 S型浮頭式換熱器，在靠近浮頭的支持板以外區(qū)域的殼程介質(zhì)是不流動的死區(qū)，死區(qū)范圍的換熱管長度對傳熱是無效的，不能將其作為計算面積的長度。因此，在工程設計中計算換熱面積，應取能有效傳熱的換熱管長度，即有效長度Le。4. 腐蝕裕量 凡與介質(zhì)接觸的受壓元件（除傳熱元件換熱管外），都應考慮腐蝕裕量。 拉桿、定距管、折流板和支持板、防沖板、分程隔板等非受壓件和鉤圈，不必考慮腐蝕裕量。 GB151關于腐蝕裕量的條文中規(guī)定，鉤圈要考慮腐蝕裕量，但在B型鉤圈厚度的確定公式

6、中未涉及腐蝕裕量問題。 TEMA標準關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。 鉤圈是一個非受壓件，且是可拆卸件，按TEMA規(guī)定，對其不考慮腐蝕裕量是合理的。5. 復合板制管板 在GB151的4.3.2.3（P16）規(guī)定“管板、平蓋可采用堆焊、軋制或爆炸復合板”。采用復合板作管板，對換熱管與管板連接采用強度焊的管板，當管板計算中換熱管受軸向壓縮應力時，換熱管受到的軸向力就作用在復層和基層結合的結合面上。由于目前的復合板材料標準中，對復層和基層結合性能只有剪切強度而無拉伸性能，所以對換熱管在受軸向壓縮力作用下復層和基層結合面上結合強度能否滿足要求就無法判定。因此，

7、當管板計算中換熱管受軸向壓縮力作用時，對換熱管與管板連接采用強度焊的管板，在復合板材標準中對復層和基層結合強度有規(guī)定之前，管板用復合板是不合適的，應采用堆焊結構。 6. 兩個標準規(guī)定的差別在于殼體結構形式的代號。 GB151將TEMA中的E（單程）分為E （單程） 、Q （單進單出冷凝） 、I （U形管） 、O （外導流筒）四種，將TEMA中的分流G(有隔板分流)、穿流X(無隔板分流)合并為G （分流）一種（修訂版增加了穿流X）。 從兩個標準規(guī)定看，GB151將TEMA中的中的E分為E、Q、I、O四種，其中E和Q都是單程出現(xiàn)重復，I為U形管與后端代號U重復產(chǎn)生混淆；GB151將TEMA中的G和

8、X合并為分流G(無隔板)，使工藝專業(yè)要求的分流和穿流無法區(qū)分。 TEMA規(guī)定的換熱器代號在國際上是通用的，化學工程傳熱軟件是用的TEMA代號，工藝專業(yè)的設備設計數(shù)據(jù)表中自然也是TEMA代號 。因此，目前工程設計中按TEMA代號統(tǒng)一較為合適。 換熱器結構形式和代號舉例如下: 7. 換熱器殼體的最小厚度 換熱器殼體包括換熱器殼程的圓筒和封頭、釜式殼體（斜錐及其大小端連接的圓筒）和封頭、外頭蓋圓筒和封頭。 在GB151中5.3.2規(guī)定的圓筒最小厚度中，分檔尺寸是換熱器公稱直徑，只解決了直徑等于換熱器公稱直徑的殼程圓筒（含斜錐小端連接的圓筒）的最小厚度，而殼程的封頭和直徑不等于換熱器公稱直徑的釜式殼體

9、（斜錐及其大端連接的圓筒）和封頭、外頭蓋筒體和封頭的最小厚度沒有解決。 在TEMA-1999 RCB-3.13中規(guī)定了殼體的最小厚度，其中殼體包括斜錐及其大小端連接的圓筒，分檔尺寸是殼體的名義直徑。按這個規(guī)定，釜式殼體的斜錐及其大小端連接圓筒的最小厚度是按自身的名義直徑確定。在RCB-3.2中規(guī)定殼體封頭、外頭蓋圓筒和封頭（即標準中的殼蓋）的最小厚度與各自殼體相同。 在工程設計中，可按TEMA規(guī)定，對這些殼體按各自的名義直徑從GB151規(guī)定的圓筒最小厚度表中取值。8. 管箱管箱 管箱殼體和封頭的最小厚度管箱殼體和封頭的最小厚度 管箱的結構有連接平蓋的管箱和帶封頭的管箱。連接平蓋管箱的殼體為圓筒

10、，帶封頭的管箱殼體為圓筒和封頭。 GB151中5.2.1規(guī)定只涉及到這兩種管箱中的圓筒，而對帶封頭的管箱殼體中的封頭最小厚度沒有規(guī)定。TEMA-1999中RCB-9.11規(guī)定管箱筒體和帶封頭的管箱(Bonnet)的最小厚度與殼體的相同，也就是管箱上的圓筒和封頭的最小厚度都是按殼體的最小厚度規(guī)定取值。因此，在工程設計中，帶封頭的管箱封頭最小厚度應按TEMA規(guī)定取與其筒體相同數(shù)值。 管箱分程隔板 分程隔板厚度 分程隔板厚度，除必須滿足GB151中最小厚度外，還應滿足設計條件所要求壓降引起的強度要求。 GB151中5.2.3.2（P18）和TEMA中RCB-9.132都對分程隔板強度計算，規(guī)定了完全

11、相同的計算方法和公式（如下式），但對其中的壓差P都沒有給出確定的方法。 式中:b 隔板尺寸 B 隔板尺寸系數(shù) P 隔板兩側(cè)壓差 t 隔板材料在設溫下許用應力 tBPb5 . 1 公式中的壓P ，API 660-2003版中7.4.2規(guī)定計算分程隔板厚度的壓差取分程隔板兩側(cè)壓差的2倍，API660-2007版中將7.4.2規(guī)定修改為取管程允許的總壓降。 對API 660-2003版中的規(guī)定存在兩種情況：一是對2管程，分程隔板兩側(cè)的壓差就是管程總壓降，再乘以2倍，取值過大；二是對4或更多管程，分程隔板兩側(cè)的壓差可能有多個數(shù)值，沒有規(guī)定如何選取。 對API 660-2007版中的規(guī)定也存在兩種情況：

12、一是對2管程，分程隔板兩側(cè)的壓差就是管程總壓降，取值合理；二是對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，都取為總壓降，顯然不合理。因此，對分程隔板厚度計算公式中的壓差P應取隔板兩側(cè)的壓差為宜，可按下式計算： 式中：P隔板兩側(cè)的計算壓降，MPa。 PZ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)。MPaZNPZP 2 確定Z值舉例 管程數(shù) 流體流動順序 入口管箱隔板布置 返回管箱隔板布置 IV VI系數(shù) Z隔板布置入口管箱隔板兩側(cè)流動序號系數(shù) Z出口管箱（浮頭蓋）隔板兩側(cè)流動序號系數(shù) Z程(1)/(2)1程片條(1)/(2) (3)/(4) 1

13、(2)/(3)1程工字(1)/(2、3)1(1)/(3) (2)/(4)1(2、3)/(4)1(2)/(3)1程十字(1)/(4)2(1)/(2) (3)/(4)1(1)/(2) (3)/(4)1程王字(1)/(2、3)1(1)/(3) (4)/(6)1（4、5)/(6)1(2)/(5)2(2、3)/(4、5)1(2)/(3) (4)/(5)1程十字(1)/(2) (5)/(6)1(1、2)/(3、4)1(1)/(4) (3)/(6)2(3、4)/(5、6)1(3)/(4)1 隔板厚度，應按隔板位置分別確定折返系數(shù)Z值和相應的隔板寬度和長度, 代入上述的公式進行計算，取其中的較大值。 隔板厚度

14、計算中的尺寸系數(shù)B ，按GB151表7（見下表）。 其中的a和b ，分別是隔板在管箱或浮頭蓋中的縱向截面和橫向截面尺寸。 下表中左圖為“三邊固定，一邊簡支”，中圖為“長邊固定，短邊簡支”，右圖為“短邊固定，長邊簡支”。 “三邊固定”就是三邊都是焊縫，“長邊固定“就是焊縫在長邊，“短邊固定”就是焊縫在短邊。 在左圖中，a為縱向截面尺寸，b為橫向尺寸； 在中圖中，a為縱向截面尺寸，b為橫向截面尺寸；右圖中， a為橫向截面尺寸，b為縱向截面尺寸。 由于設計條件中提供的允許總壓降已經(jīng)考慮了裕量，所以在隔板厚度計算中按上述壓降計算出的值可不再考慮附加裕量。 三邊固定長邊固定短邊固定a / bBa / b

15、Ba / bB0.250.0201.00.41821.00.41820.50.0811.20.46261.20.52080.750.1731.40.46801.40.59881.00.3071.60.49681.60.65401.50.5391.80.47911.80.69122.00.6572.00.49732.00.71463.00.7180.50000.7500尺寸系數(shù)B 分程隔板端部密封面，應與管箱中的設備法蘭密封面齊平，端部密封面的寬度，應比管板上隔板槽寬度小12 mm。 換熱器安裝后，凡處于水平位置的隔板，在適當位置，應設置一個直徑為6mm的淚孔；處于豎直位置的隔板，當其形成死腔時

16、，應在該隔板與殼體連接的最高和最低點，分別設置半徑為R5的半圓孔。 分程隔板與管箱殼體或封頭的連接焊縫 分程隔板與管箱殼體或封頭的連接焊縫，GB151沒有提要求。TEMA中RCB-9.133規(guī)定在隔板的兩側(cè)連續(xù)焊接，其焊腳高度不得小于隔板厚度的2/3。API 660中9.2規(guī)定在隔板的兩側(cè)連續(xù)焊接或全焊透。在工程設計中應按TEMA規(guī)定提要求。的 帶分程隔板的多管程管箱，其內(nèi)側(cè)最大深度，主要應考慮分程隔板的焊接可能性。其最大深度Lmax按下述方法確定： 在與管箱垂直的平面上，按下圖6-2的中、右圖規(guī)定的方法確定出H值（H取圖中H1、H2或H3的較小值），再用H值從圖的左圖查出最大深度值Lmax（

17、一般取推薦最大值，必要時可取可能最大值）。 對帶封頭的多程管箱，最大深度，取從圖6-2的左圖中查出的數(shù)值；對帶管箱平蓋的多程管箱，最大深，取從圖6-2的中查出數(shù)值的2倍。 1002003004005006007008009001000100 200 300 400 500 600 700 800mmmmLHmax 管箱長度，必須滿足管箱內(nèi)側(cè)最小深度的規(guī)定，也要盡可能滿足最大深度的規(guī)定。當采取各種措施都不能滿足最大深度要求時，則應在管箱圖的技術要求中提出隔板與管箱焊接的特殊要求。如根據(jù)管箱的實際情況，提出隔板應先與封頭或先與封頭和殼體焊接后，再組焊其它元件等等。 管箱熱處理 管箱組焊后，管箱部件

18、的熱處理，除必須符合GB150對焊后熱處理的要求外，對GB151中6.8之a(chǎn))范圍內(nèi)的管箱還必須進行焊后熱處理。 接管位置 換熱器管、殼程接管的位置尺寸（見圖7-1），影響到管箱的長度和殼程接管部位死區(qū)的大小。因此，換熱器管、殼程接管的位置尺寸，應在滿足接管處相焊各元件在殼體上的焊縫間距和接管開孔在殼體上的補強范圍要求條件下，盡可能取較小的數(shù)值。 相焊各元件在殼體上的焊縫間距，一般取3倍殼體厚度且不小于40mm。 接管開孔在殼體上的實際補強范圍，如果小于GB150的規(guī)定，則應在開孔補強計算中輸入實際補強范圍進行計算。10. (2) 殼程防沖板的位置和尺寸 殼程防沖板的位置h 殼程入口接管處防沖

19、板是為防止物料沖蝕換熱管而設置的，防沖板的位置必須保證入口處的物料流速不得高于入口接管內(nèi)的流速。因此GB151的5.11.3規(guī)定的“進出口處流體的流通面積應不小于進出口接管截面積”，但5.11.4又規(guī)定為接管外徑的1/4，兩者是不一致的。在工程上采用防沖板位置h采用下式計算： 式中：di接管內(nèi)徑 h1接管內(nèi)徑與殼體內(nèi)徑連接處矢高 殼程防沖板尺寸 殼程防沖板一般尺寸采用正方形，其邊長為接管內(nèi)徑di+50mm（GB151中5.11.4規(guī)定“應大于接管外徑50mm”是不妥的）。241hdhi 11. OOOO BDDiL2 殼程進出口位置，排管后應滿足GB151中5.11.3規(guī)定的流通面積的要求。但

20、GB151之5.11.3所規(guī)定的“殼程和管束進出口處流通面積應不小于進出口接管截面積，并使流體流經(jīng)進出口處的v2值不超過5950kg/(ms2)”是錯誤的，正確的規(guī)定應為“殼程和管束進出口處流通面積應使流體流經(jīng)進出口處的v2值不超過5950kg/(ms2)”。此處殼程和管束進出口流通面積 管束最外層管換熱管外壁與防沖板下表面間的最小距離，一般取為6mm（見圖9-5）。 管束的排管范圍，就是在管束最外層換熱管的限定圓尺寸DL范圍內(nèi)扣除和所要求部分的整個范圍。 換熱管排列，應符合設計條件中規(guī)定的換熱管排列形式和折流板缺邊位置的要求。 換熱管排列，應在排管范圍內(nèi)排滿管子，并盡可能使整個管束對稱。 換

21、熱管排列出的管子數(shù)量，應滿足設計條件中換熱面積的要求。在換熱器設計條件中，除提了換熱面積外，有的還提了換熱管的數(shù)量要求。設計中應以換熱面積為準，將換熱管的數(shù)量看作參考。如果排列出的管子數(shù)量，超過換熱面積的要求的數(shù)量，則可在殼程接管進出口部位適當減少管排；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，則應考慮設置導流筒等。 多管程換熱器的換熱管排列，還應滿足下列各條： a. 換熱管排列的分程，應符合設計條件中的分程數(shù)量和布置要求。 b. 各程管數(shù)應盡可能相等，其相對誤差應控制在510%以內(nèi)（換熱器直徑小時，取較大值）。 12. 折流板和支持板 折流板的布置 一般型式

22、殼體的折流板布置，應符合設計條件的要求。對靠近殼程進、出口接管的折流板，其位置除滿足設計條件要求外，還應使折流板與防沖板邊緣或接管內(nèi)壁間距離至少為1020mm。 分流式殼體的折流板布置，應使殼程分流的路程盡可能相等。 殼程進出口接管處的折流板缺口位置，不得形成短路。 浮頭換熱器靠近外頭蓋的支持板與外頭蓋側(cè)法蘭密封面間的距離（見圖17中Ln），應滿足管殼程熱膨脹差的要求，一般應為5060mm。U形管換熱器的彎管切線與鄰近折流板間距離，一般取50mm。 折流板布置后，在管束任何部位的換熱管無支撐跨距（包括U形管束的彎管部位的A+B+C），都不得超過GB151中5.9.5.3的表42 所列最大無支撐

23、跨距的要求。如果超過，在超過部位應設局部支撐。 折流板的厚度 折流板的厚度，GB151中5.9.2.2的表34列出的數(shù)據(jù)的確定因素為“換熱器的名義直徑”和管束中“換熱管最大無支撐跨距”。在TEMA-1999的RCB-4.4.1的表RCB-4.4.1中列出的板厚的確定因素為：“換熱器的名義直徑”和“折流板間的換熱管無支撐管子長度之較大值，管板和折流板間距離不在考慮之內(nèi)”。 按GB151的規(guī)定，折流板的厚度是據(jù)管束上任何部位的換熱管無支撐跨之較大值確定；按TEMA規(guī)定，折流板的厚度是根據(jù)管束上折流板間的換熱管無支撐跨距之較大值確定，管板和折流板間距離是不考慮的。因管板的厚度較厚，對換熱管有支撐的作

24、用，所以TEMA不考慮管板和折流板間跨距是合理的。因此，在工程設計中，折流板的厚度應按TEMA規(guī)定確定。 浮頭式換熱器浮頭端的支持板，是為支撐重量較大的浮頭而設置的。支持板以外區(qū)域，無論支持板是滿圓板或圓環(huán)板，其殼程物料都是不流動的死區(qū)。 圓環(huán)板的中空部分使換熱管缺少支撐，不僅使換熱管無支撐長度因此而加大，而且增加了加工帶孔板的麻煩。國內(nèi)外的這種換熱器基本上都是采用滿圓板。 GB151中5.9.6條規(guī)定為加厚環(huán)板，又沒有規(guī)定如何加厚。因此，浮頭式換熱器浮頭端應設置加厚滿圓的支持板，支持板的厚度可按GB151的表34（P72）中跨距大于1500mm欄的數(shù)據(jù)選取。 折流板的管孔直徑 GB151的5

25、.9.3.1的表35和表36中折流板管孔直徑，在一些情況級和級是矛盾的，在一些情況下級的要求比級低。GB151征求意見稿已對此進行了修改。 折流板的管孔間距公差 GB151和TEMA對折流板的管孔間距公差都沒有規(guī)定。在制造中要保證這個間距精度，就必須采用定位準確的鉆模板或數(shù)控機床鉆孔和逐塊加工。在我國制造換熱器的廠家很多，制造裝備差異很大，在那些不具備條件的廠家中往往采用定位不準確的劃線來定位，而我們在設計換熱器時又不知道將來的制造廠家是否具備條件。基于這種情況，我們在施工圖設計中，對折流板的管孔間距加注公差0.3mm。如果制造廠家已具備了定位準確的鉆孔條件，且采用逐塊進行加工，那末設計圖中對

26、折流板的管孔間距就不必注公差。13. 管板 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GB151附錄G中有提示性規(guī)定。 圖G1(d) 焊縫處管板頸部高度10mm。圖中管板頸部高度應按相關尺寸計算得到，其值應取計算值和10mm間的較大值。對殼程設計壓力較高、管程設計壓力較低的換熱器，采用這個結構時，應對連接管箱的螺栓中心圓直徑能否滿足安裝螺母的要求進行核算。 管板與換熱管的連接 管板與換熱管的連接，GB151中5.8規(guī)定了強度脹、強度焊、強度焊加貼脹和強度焊加強度脹等結構型式。 脹接結構。脹接的方法，有機械脹接和液壓脹接。機械脹接是國內(nèi)普遍采用的方法，由于脹接質(zhì)量涉及

27、許多因素難于得到有效控制，所以其使用的范圍也受到限制；液壓脹接，國內(nèi)許多制造廠已經(jīng)使用，由于液壓脹接的壓力受到多種因素的影響，所以在技術上尚不夠成熟。GB151中5.8的是基于機械脹接規(guī)定的，故其使用的壓力不宜超過2.5MPa（GB151規(guī)定為4.0MPa），使用的溫度不宜超過300。 焊接結構。焊接的方法，有手工焊接和自動焊接。手工焊接是國內(nèi)普遍采用的方法，自動焊接國內(nèi)許多制造廠也已經(jīng)使用。兩種焊接方法的焊接質(zhì)量，都能有效地得到控制。因此，焊接的使用范圍是不限制的。但是，只用焊接，在管板孔與換熱管間存在間隙，不僅會引起間隙腐蝕，而且還會在運輸或操作過程中因管子抖動使焊縫損壞。 強度焊加貼脹和

28、強度焊加強度脹結構，既采用了焊接，又采用了脹接。焊接保證了強度和密封，脹接消除了管板孔與換熱管間的間隙，在目前國內(nèi)制造技術水平下是一種較好的結構。 在工程設計中，通常采用強度焊加貼脹結構。對于設計參數(shù)高、工藝要求苛刻的換熱器，可采用強度焊加強度脹結構。 管板分程隔板槽拐角處倒角尺寸 GB151中5.6.6.2-c) 規(guī)定分程隔板槽拐角處倒角一般為45o，倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑R。這個規(guī)定是不妥的，特別對4管程以上的隔板槽更是不行。對隔板槽與凸臺外圓相交拐角處用這樣的倒角尺寸，因其中心線偏離管板中心線而使倒角與墊片分程條相碰；對隔板槽之間的拐角處用這樣的倒角尺寸，可能造成管孔被倒角

29、切掉。正確的做法為，前者應根據(jù)相關元件的尺寸計算得到，后者應采用圓弧過渡，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（見圖 11-1）。 平蓋上的分程隔板槽拐角處倒角尺寸，與管板的要求相同。 管板的管孔孔橋?qū)挾绕钣嬎阒械你@頭偏移量2 在GB151中6.4.5對管板管孔的孔橋?qū)挾茸隽艘?guī)定，并在GB151中6.4.5.1規(guī)定鉆頭偏擺量2=0.0016mm，這是錯誤的（在征求意見稿中已修改）。 TEMA在表RCB-7.42中規(guī)定了管橋?qū)挾?。表中?shù)據(jù)的計算方法為：鉆頭偏移量=0.0016(管孔直徑分之管板厚度)，英寸。寫成公式為： 式中：管板厚度，mm。 d

30、管孔直徑，mm。 工程設計中,2的數(shù)值應按TEMA的公式計算。mmdd041. 04 .250016. 02 (5) 管板的強度計算 管板的強度，一般按SW6計算。但要注意下面幾個問題： 管板分程處未布管區(qū)域面積Ad 在管板強度計算中的布管區(qū)面積，對單程換熱器是按換熱管排列形式、間距和管子直徑均勻排列計算的；對多管程換熱器，由于分程處的換熱管間距和排列形式不同，且又是在布管區(qū)之內(nèi)，所以其布管區(qū)面積除按換熱管排列形式、間距和管子直徑均勻排列計算外，還必須加上分程處因換熱管間距和排列形式不同而在布管區(qū)域所占的面積，這就是Ad（見圖 11-2陰影部分）。在GB151中5.7.1.1中列出的公式為SS

31、SnASSSnAndnd;866. 0和 這里的公式只適用于2管程的正三角形及正方形（見圖 11-2左側(cè)的兩個圖）。因為，公式中的n,對4程及以上的排列，分程處兩側(cè)管排上的管孔數(shù)是不相同的，應取兩側(cè)管孔數(shù)的平均值；公式中的S，對轉(zhuǎn)角三角形及轉(zhuǎn)角正方形（見圖 11-2右側(cè)的兩個圖）括號內(nèi)和括號外也是不相同的。因此，適用于各種情況的公式可近似為： 式中： N換熱管排列形式，三角形排列為3, 正方形排列為4； n1、n2分程處兩側(cè)管排上的管孔數(shù)； S1分程處兩側(cè)管排上的管孔排列間距。 其余符號，同GB151規(guī)定。212122SNSSnnAnd 固定管板換熱器管板延長法蘭厚度 固定管板換熱器管板延長法

32、蘭厚度，在GB151中稱為“殼體法蘭”，其厚度是用在四種操作工況下進行管板計算中得到的。在現(xiàn)行的SW6的管板計算中，還取管箱法蘭厚度的0.6倍作為管板延長法蘭厚度的最小值（目前已取消）。 固定管板換熱器管板延長法蘭，是通過螺栓與管箱連接的，其厚度應由與管箱連接的螺栓載荷確定。在TEMA 、ASME 、EN 13445中，都是與管箱連接的螺栓載荷進行計算的。其中ASME 、EN 13445的計算公式為： 式中：W管箱法蘭的螺栓載荷（操作和預緊） hG管箱法蘭墊片力矩的力背 S管板材料在設溫和常溫下的許用應力 G管箱法蘭墊片壓緊圓直徑 GShWhGr9 . 1 GB151的計算方法，對管板延長法蘭

33、的厚度，只考慮了操作條件下的四種工況，預緊條件下能否滿足要求，以前是用管箱法蘭厚度的0.6倍來控制。以管箱法蘭厚度的0.6倍作為管板延長法蘭的最小厚度，是上70年代初，在還沒有管板延長法蘭厚度計算方法時，根據(jù)當時的經(jīng)驗確定的。 在四種工況的計算中，所用的法蘭力矩是用法蘭計算中需要的螺栓面積確定的，這種方法與法蘭計算方法有較大的差異。同時，用管箱法蘭厚度的0.6倍來作為管板延長法蘭的厚度，現(xiàn)在已被取消，也就是在預緊條件下的管板延長法蘭的厚度是否滿足要求不得而知。現(xiàn)在，管板延長法蘭厚度的計算方法，在國外標準中已經(jīng)使用多年，取消0.6倍這個判斷依據(jù)是合理的，但在預緊條件下的管板延長法蘭的厚度是否滿足

34、要求，也是必須進行核算的。因此，建議在用SW6計算合格后，再用ASME公式對管板延長法蘭的厚度進行核算來解決這個問題。 浮頭式換熱器的換熱管軸向應力 在浮頭式換熱器工程設計中，采用現(xiàn)行的SW6軟件計算時，常常出現(xiàn)換熱管的軸向應力超過其許用壓縮應力，且被判斷為不合格。要使其合格最有效的方法是減小折流板間距，而折流板間距的改變會影響傳熱，就必須重新進行傳熱計算。如何解決這個問題呢？ 首先，看看國外標準的規(guī)定。在TEMA-7.2中，只對固定管板式換熱器才計算換熱管和殼體的軸向應力，對U形管和浮頭式換熱器，不要求進行軸向應力計算。 其次，在工程實際中有大量從國外進口的按TEMA設計的浮頭式換熱器，都沒

35、有計算這個軸向應力，使用多年沒有反映出換熱管失穩(wěn)問題；國內(nèi)設計的這類換熱器，雖然計算出的這個應力有的不滿足要求，但多年使用也沒有反映出有換熱管失穩(wěn)的問題。 第三，GB151規(guī)定的計算方法中有幾點與國外標準ASME、EN 13445規(guī)定不一致： a) 墊片壓緊圓直徑Dg，GB151規(guī)定按固定端管板取值， ASME、EN 13445規(guī)定是按浮動端管板取值。 b) 管束剛度，GB151規(guī)定只與管板的彈性模量有關而與管板厚度無關， ASME、EN 13445規(guī)定不僅管板的彈性模量有關也與管板厚度有關。 c) 換熱管的穩(wěn)定安全系數(shù)，GB151的5.7.1.2之(43,44)規(guī)定為2（征求意見稿修改為1.

36、5）， ASME、EN 13445規(guī)定應計算獲得并在1.252.0之間。 鑒于如此，當用現(xiàn)行的SW6計算出的浮頭式換熱器的換熱管軸向應力，不能滿足要求時，可只將其作為參考，不作為判斷依據(jù)。 式中：W浮頭蓋法蘭的螺栓載荷（操作和預緊） hG浮頭蓋法蘭墊片力矩的力背 S浮動管板材料在設溫和常溫下的許用應力 G浮頭蓋法蘭墊片緊圓直徑GShWhGr9 . 114. 14. 浮頭蓋浮頭蓋 浮頭蓋內(nèi)側(cè)最小的深度 浮頭蓋內(nèi)側(cè)最小深度，是指浮頭蓋法蘭密封面至球面封頭內(nèi)表面間的距離，其值應根據(jù)分程隔板的布置確定，并應滿足GB151中5.14.2規(guī)定的保證流通面積的要求。 浮頭蓋的熱處理 GB151中6.8-a)

37、規(guī)定“碳鋼、低合金鋼的焊有分程隔板的管箱和浮頭蓋在施焊后作消除應力熱處理”，在應用中產(chǎn)生了不同的理解。一種認為只有帶分程隔板的浮頭蓋才要熱處理,另一種認為帶和不帶分程隔板的浮頭蓋都要熱處理. 浮頭蓋是一個法蘭與一個球面封頭直接相焊。因焊縫屬于角焊縫，既承受內(nèi)壓也承受外壓力的作用，要求焊縫尺寸比較大，焊接應力也相應較大，且焊縫距密封面又很近。故浮頭蓋無論帶和不帶分程隔板都應在焊后進行消除應力熱處理。 在GB151中5.15規(guī)定鉤圈有A型和B型。其中B型，因管板插入鉤圈較深，浮頭部分所占的軸向空間比A型小，所以一般應優(yōu)選用B型。 GB151規(guī)定， B型鉤圈的厚度等于浮動管板厚度加16mm（公式46

38、） ，鉤圈的剪切面處厚度30mm ，鉤圈與管板的配合偏差為鉤圈內(nèi)徑+0.2/+0.05mm，管板外徑0/-0.2mm。 按GB151的規(guī)定，鉤圈與管板的配合偏差可使鉤圈與管板成一體而不存在彎曲應力，剪切面30mm厚度可保證B型在任何工況都是安全的。因此，鉤圈是不需要進行強度計算的。由于鉤圈的受力是來自于與之連接的法蘭螺栓，而螺栓載荷與浮動管板的厚度并無線性關系，所以按GB151所規(guī)定的鉤圈尺寸在強度上不能說是安全的, 實際使用中反映出剪切面厚度30mm就有問題。因此,在GB151征求意見稿中，就補充了剪切面厚度的計算公式。 GB151管板和鉤圈規(guī)定的配合偏差，其精度等級是相當高的，采用提高配合

39、精度來免除相當簡單的鉤圈的彎曲強度計算，這種做法是否合理，大家可以分析。 對這種結構的鉤圈，在TEMA-1999RCB-5.141和PD5500-2003的3.8.3.7中，除對法蘭與鉤圈之間有足夠的間隙（9.5mm）有規(guī)定外，還規(guī)定鉤圈內(nèi)徑與管板外圓間的間隙為0.8mm和對鉤圈的彎曲強度和剪切強度的計算方法。 兩個標準規(guī)定的計算方法，所受的載荷都是連接法蘭的螺栓設計載荷，TEMA-1999計算方法較簡便，PD 5500-2003方法考慮因素較全面。下面簡介TEMA-1999在RCB-5.141規(guī)定的鉤圈計算方法： 按彎曲計算 按剪切計算mmSBYHWT310mmSZWtS610 式中：A鉤圈

40、外徑，mm。 B鉤圈內(nèi)徑，mm。 C螺栓圓直徑，mm。 H力背，H = (C-B)/2，mm。 T鉤圈厚度，mm。 t鉤圈剪切厚度，mm。 W螺栓設計載荷，kN。 Z浮動管板外徑，mm。 Y法蘭系數(shù)，按K=A/B查取。 S、Ss許用彎曲、剪切應力，kPa 在GB151征求意見稿中，補充了TEMA規(guī)定公式，但鉤圈厚度仍然是管板厚度加16mm。16. 法蘭總高度 鍛制長頸對焊法蘭的總高，由法蘭厚度、錐頸高度和連接殼體的圓筒長度組成。 ASME-1附錄2 圖2-4中(6)、(6a)、(6b)所示的法蘭結構見圖14。按ASME圖2-4中(6)的規(guī)定，當設備法蘭錐頸的斜度13，且錐頸高度1.5倍小端厚度

41、時，錐頸小端與殼體可直接相焊（可沒有直段圓筒）。當殼體厚度小于小端厚度時，在小端與殼體處可加一長度滿足GB150中10.2.4.3削薄要求的圓筒。 GB151對設備法蘭沒有提要求，也就是按GB150規(guī)定。在GB150.3-2011中，將ASME-1附錄2 圖2-4中(6)、(6a)、(6b)所示的法蘭結構分成并列的三個圖，并在設備法蘭標準NB中，不管錐頸的斜度大小全帶直段圓筒，致使該標準規(guī)定的法蘭總高過長。 換熱器的設備法蘭，其總高影響到接管口的位置，接管口的位置不僅影響到管箱長度，更影響到殼程死區(qū)的大小。因此，設備法蘭的總高不宜過長。 法蘭密封面法蘭密封面 換熱器的設備法蘭密封面，在GB15

42、1中沒有規(guī)定，TEMA-1999中的R-6.5規(guī)定為“墊片連接應是限制型的”。所謂“限制型”連接就是法蘭為凹凸面連接。在工程設計中，法蘭花一般采用凹凸面，與TEMA要求是一致的。密封面的粗糙度，國內(nèi)外的標準所規(guī)定粗糙度要求基本一致，設備法蘭的要求如下表所示： 在工程設計中對換熱器設備法蘭密封面的粗糙度，是按NB設備法蘭標準中的規(guī)定，除金屬平墊外基本上都是采用Ra 6.3。目前，換熱器在制造和使用中，設備法蘭連接處容易產(chǎn)生泄漏，法蘭密封面的粗糙度要求過低可能是一個重要因素。因此，換熱器設備法蘭密封面的粗糙度要求，應適當提高。墊 片 型 式API 660要求的粗糙度()HG-20583要求的粗糙度

43、()金屬平墊1.60.8金屬包墊1.63.21.6纏繞墊3.26.33.212.5軟墊片密封的齒形金屬墊3.26.312.5 墊片 GB151中附錄H的規(guī)定，是一般法蘭連接對墊片的要求。 TEMA-1999- RCB-6.2規(guī)定“內(nèi)浮頭連接處、設計壓力300 psi(2.1MPa)或介質(zhì)為碳氫化合物的連接處，應采用金屬包墊片或?qū)嵭慕饘賶|片”。 API 660-2007中7.10.1條規(guī)定“烴介質(zhì)下的墊片應為內(nèi)填纖維的雙面包金屬墊、實心金屬墊、有軟墊片密封面的金屬齒形墊或內(nèi)填纖維的纏繞式金屬墊”，7.10.2條規(guī)定當采用纏繞墊時“應規(guī)定避免螺旋纏繞墊片過度壓縮的辦法”。 可見，換熱器設備法蘭連接

44、處的墊片，若采用纏繞墊需要有特別的要求，在工程設計中，用得較多的是金屬包墊 。 法蘭計算 換熱器上設備法蘭有管板兩側(cè)的法蘭、管箱平蓋連接法蘭、外頭蓋法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭等。這些設備法蘭因所在部位不同而受到設計條件的的影響也不同。因此，換熱器上的設備法蘭設計，除按GB150規(guī)定外，還必須根據(jù)所在部位考慮下列因素： 螺栓設計溫度 管板兩側(cè)的法蘭，由于管、殼程的溫度都作用在螺栓上，所以螺栓設計溫度應取管、殼程設計溫度中之較大值。 螺栓載荷 夾持式管板兩側(cè)的法蘭，由于螺栓是管、殼程法蘭共有的，所以螺栓的預緊載荷和操作載荷都應取管、殼程計算所需要的較大值。 管、殼程設計壓力、溫度和墊片的相互影響 夾持式管

45、板兩側(cè)的法蘭，由于管程和殼程的設計壓力、溫度和墊片，既分別作用在各自法蘭上，又通過螺栓和管板作用到另一側(cè)的法蘭上，所以在這對法蘭計算中還應考慮管板兩側(cè)設計條件不同帶來的影響。 墊片分程隔條的影響 帶分程隔板的法蘭。由于墊片帶有分程隔條，所以計算螺栓的預緊載荷和操作載荷時，還要考慮墊片分程隔條的影響?？紤]墊片分程隔條的影響的螺栓載荷計算方法，TEMA-1999中RPG-RCB-11.7做了規(guī)定 。 法蘭剛度 換熱器各部位的設備法蘭，都應按ASME-1-2007附錄2-14進行剛度校核計算。換熱器設備法蘭的剛度校核，TEMA中一直要求對低壓力大直徑的法蘭按ASME-1附錄S（參考性附錄）進行核算；

46、ASME-1-2007版，已將法蘭剛度校核計算列入附錄2-14（強制性附錄）中，且沒有規(guī)定進行核算的限制條件，也就是按ASME-1附錄2規(guī)定設計法蘭，既要進行強度計算，也要進行剛度校核。GB150.3-2011的法蘭部分，也按ASME規(guī)定了計算公式 。 進行法蘭剛校核的條件, TEMA中規(guī)定為低壓力大直徑。國內(nèi)外的工程公司也根據(jù)各自的經(jīng)驗有不同的規(guī)定。有的規(guī)定為設計壓力2.0MPa、名義直徑90mm的法蘭需進行剛度校核；有的規(guī)定名義直徑超過1200mm的法蘭要進行剛度計算。 旁路擋板是為防止物料橫向流動區(qū)域未布換熱管的部分之間隙較大而形成旁路設置的。對弓形折流板，應設置在物料橫向流動區(qū)域相鄰兩

47、塊折流板切口間重疊部分。旁路擋板的設置與否取決于旁路間隙的大?。慌月窊醢宓臄?shù)量取決于重疊部分的大小，重疊部分越大，需要的旁路擋板數(shù)量也越多。GB151的5.13.1規(guī)定按換熱器公稱直徑規(guī)定旁路擋板的數(shù)量是不合適的。 什么情況下應設置旁路擋板？旁路擋板數(shù)量如何確定？旁路擋板的布置有和要求？旁路擋板與換熱管間的間隙取多少？旁路擋板的厚度如何確定？API660（2003、2007版）的規(guī)定（見圖15）可供設計中采用。API660的規(guī)定如下： “7.6.5.1 對非等溫介質(zhì)，當旁路間隙超過5/8英寸（16 mm）時，應采用旁路擋板（如密封條、假管、拉桿）。其位置如下： a. 當折流板切口邊緣間距為6個

48、管間距時，應提供位于折流板切口間大約中間部位的單個旁路擋板。 b. 當折流板切口邊緣間距為超過6個管間距時，應提供多個旁路擋板。在每塊折流板切口邊緣至最外側(cè)旁路擋板不大于3英寸（76 mm）的情況下，旁路擋板應位于折流板切口間每57個管間距部位?！?“7.6.5.2 外圍旁路擋板，應從橫向折流板外邊緣延伸進入管束，其與鄰近管子的間隙不得超過管子間名義間隙。” “7.6.5.3 內(nèi)部旁路擋板，應放在與鄰近管子的間隙不得超過管子間名義間隙的部位。” “7.6.5.5 旁路擋板的厚度應為橫向折流板的名義厚度或1/4英寸（6 mm），取較薄者?！?“7.6.5.6 旁路擋板，應在每塊橫向折流板的一側(cè)連

49、續(xù)焊上?！?“7.6.5.7 旁路擋板的導向端和尾端都應提供斜角或半圓角，以防止安裝和拆卸管束時損傷殼體?！?“7.6.5.8 外圍旁路擋板不得節(jié)制管束入口或出口物流?！?按上述規(guī)定, 當旁路間隙超過5/8英寸（16 mm），在各部位旁路擋板的設置和要求,可應按下述方法處理： a) 對管束外圍，局部旁路間隙超過規(guī)定值區(qū)域小于3英寸者，不必設置旁路擋板。 b) 對管束內(nèi)部的分程處，管子中心距減與管子排列間距之差不超過16mm者，不必設置旁路擋板。因此，當分程處管子中心距符合標準規(guī)定時，除U形彎管跨越處的過大間距部位外，其它部位是不必設置旁路擋板。 c) 對外圍旁路擋板，當折流板或支持板的切邊與殼程出入口接管平行時，旁路擋板端部只能焊在出入口以內(nèi)的折流板或支持板上，而不能焊在出入口以外的管板或支持板上，否則會造成旁路擋板節(jié)制管束入口或出口物流；當折流板或支持板的切邊與殼程出入口接管垂直時，旁路擋板端部應焊在出入口以外的管板或支持板上，否則