GBT152014熱交換器講解

1、熱交換器戴季煌熱交換器第一部分 GB151-20142015.011 .修改了標準名稱，擴大了標準適用范圍：1.1 提出了熱交換器的通用要求，也就是適用于其他結(jié)構(gòu)型式熱交換器。并對安裝、使用等提出要求。1.2 規(guī)定了其他結(jié)構(gòu)型式的熱交換器所依據(jù)的標準。2 . 范圍：GB151-201X熱交換器規(guī)定公稱直徑范圍（DNv4000mm ,原為2600mm 公稱壓力（PN<35MPa ） 及壓力和直徑乘積范圍（PNxDN<2.7x104，原為1.75x104 ）。并且管板計算公式推導(dǎo)過程的許多簡化假定不 符合。也給制造帶來困難。TEMA控制殼體壁厚3（76mm）s雙頭螺柱最大直徑為4（10

2、2mm）, 3.術(shù)語和定義2.1 公稱直徑DN2.1.1 卷制、鍛制、圓筒以圓筒內(nèi)直徑（mm ）作為換熱器的公稱直徑。2.1.2 鋼管制圓筒以鋼管外徑（mm ）作為換熱器的公稱直徑。2.2 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。2.3 換熱面積A2.3.1 計算換熱面積換熱面積是以換熱管外徑為基準，以二管板內(nèi)側(cè)的換熱管長度來計算換熱面積，計算得到的管束外表面積 （m2）；對于U形管換熱器，一般不包括U形管彎管段的面積。當(dāng)需要把U形彎管部分計入換熱面積時，則應(yīng) 使U形端的殼體進（出）口安裝在U形管末端以外，以

3、消除U形管末端流體停滯的換熱損失。2.3.2 公稱換熱面積公稱換熱面積是將計算面積經(jīng)圓整后的換熱面積（m2）,一般取整數(shù)。4 .工藝計算（新增加）4.1 設(shè)計條件（用戶或設(shè)計委托方應(yīng)以正式書面形式向設(shè)計單位提出工藝設(shè)計條件），內(nèi)容包含4.1.1 操作數(shù)據(jù)：包括流量、氣相分率、溫度、壓力、熱負荷等；4.1.2 物性數(shù)據(jù)：包括介質(zhì)密度、比熱、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)或介質(zhì)組成等；4.1.3 允許阻力降；4.1.4 其他：包括操作彈性、工況、安裝要求（幾何參數(shù)、管口方位）等。4.2 選型應(yīng)考慮的因素4.2.1 合理選擇熱交換器型式及基本參數(shù)，滿足傳熱、安全可靠性及能效要求；4.2.2 考慮經(jīng)濟性，合理選材；4

4、.2.3 滿足熱交換器安裝、操作、維修等要求。4.3 計算熱交換器工藝計算時應(yīng)進行優(yōu)化，提高換熱效率，滿足工藝設(shè)計條件要求。需要時管殼式熱交換器還應(yīng)考慮 流體誘發(fā)振動。5 .設(shè)計參數(shù)5.1 壓力5.1.1 壓差設(shè)計同時受管、殼程壓力作用的元件，當(dāng)能保證制造、開停工、及維修時都能達到按規(guī)定壓差進行管、殼程同時 升、降壓和裝有安全裝置時，方可按元件承受的壓差設(shè)計。5.1.2 真空設(shè)計真空側(cè)的設(shè)計壓力，應(yīng)按GB150的規(guī)定，當(dāng)元件一側(cè)受真空作用，另一側(cè)受非真空作用時，其設(shè)計壓力應(yīng) 為兩側(cè)設(shè)計壓力之和，即為最苛刻的壓力組合。5.1.3 試驗壓力試驗壓力pT=1.25o/ot，當(dāng)容器元件所用材料不同時，

5、應(yīng)取各元件材料的o/Qt比值中最小者。外壓容器和真空容器以內(nèi)壓進行壓力試驗。1）當(dāng)pt<ps時，各程分別按上述辦法試壓。當(dāng)pt （或ps）為真空時，則Ps + 0.1（或Pt + 0.1）再乘以規(guī) 定值。2）當(dāng)pt>ps時，殼程試驗壓力按管程試驗壓力。5.2 溫度5.2.1 設(shè)計溫度換熱器在正常的工作情況下，設(shè)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(shè)計壓力一起 作為設(shè)計載荷條件，設(shè)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0以下的金屬溫度， 設(shè)計溫度不得高于元件金屬可能達到的最低溫度。管程設(shè)計溫度是指管程的管箱設(shè)計溫度。非換熱管的設(shè)計溫度。加廠二對于

6、同時受兩程溫度作用的元件可按金屬溫度確定設(shè)計溫度，也可取較高側(cè)設(shè)計溫度。在任何情況下元件金屬的溫度不得高于材料允許使用的溫度。5.2.2 元件金屬溫度確定。5.2.2.1 傳熱計算求得1）換熱管壁溫tt熱流體熱量通過管壁傳給冷流體（圖1）。換熱管壁溫ttt = - C +1）（ 1）t 2 th tc圖12）殼體圓筒壁溫ts殼體圓筒壁溫計算與換熱管壁溫相同，不同的地方圓筒外為大氣溫度，有保溫的基本是圓筒外壁溫度。5.2.2.2 已使用的同類換熱器上測定5.2.2.3 根據(jù)介質(zhì)溫度并結(jié)合外部條件確定。6 .厚度附加量6.1 鋼材厚度負偏差6.2 腐蝕裕量的規(guī)定根據(jù)預(yù)期的容器壽命和介質(zhì)對金屬材料的

7、腐蝕速率確定。各元件受到的腐蝕程度不同時，可采用不同的腐蝕裕量，（表1）。腐蝕率無腐蝕輕微腐蝕有腐蝕嚴重腐蝕毫米/年<0.050.050.50.51.5>1.56.3 腐蝕裕量的考慮原則6.3.1 各元件受到的腐蝕程度不同時，可采用不同的腐蝕裕量。6.3.2 考慮兩面腐蝕的元件：管板、浮頭法蘭、球冠形封頭、分程隔板。6.3.3 考慮內(nèi)表面腐蝕的元件：管箱平蓋、凸形封頭、管箱、殼體、容器法蘭和管法蘭的內(nèi)徑面上。6.3.4 管板和平蓋上開槽時：當(dāng)腐蝕裕量大于槽深時，要加上兩者的差值。6.3.5 不考慮腐蝕裕量的元件：換熱管、鉤圈、浮頭螺栓、拉桿、定距管、拆流板、支持板、縱向隔板。當(dāng) 腐

8、蝕裕量很大時也要考慮。7 .焊接接頭分類（增加）與焊接接頭系數(shù)。對于換熱管與管板連接的內(nèi)孔焊，進行100%射線檢測時焊接接頭系數(shù)3=1.0 ,局部射線檢測時焊接接頭系 數(shù)3=0.85，不進行射線檢測時焊接接頭系娜=0.6。8 .泄露試驗泄露試驗的種類和要求應(yīng)在圖樣上注明。9 .材料和防腐換熱器用鋼材除采用GB150.2中所規(guī)定的材料外，作為GB151換熱器的零部件還需要作進一步考慮。9.1 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很多，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 ）鋼板厚度5 > 60mm時，宜采用鍛件。2）帶凸肩的管板、內(nèi)孔

9、焊管板和管箱平蓋采用軋制板材直接加工制造時，碳素鋼、低合金鋼厚度方向性能 級別不應(yīng)低于GB/T5313-2010 （厚度方向性能管板）中的Z35級，并在設(shè)計文件上提出附件檢驗要求。3 ）采用鋼板作管板和平蓋時，厚度大于50mm的Q245R、Q345R，應(yīng)在正火狀態(tài)下使用。9.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)的管板、平蓋管板、平蓋可采用堆焊或爆炸復(fù)合結(jié)構(gòu)，當(dāng)管程壓力不是真空狀態(tài)時，平蓋亦可采用襯層結(jié)構(gòu)。9.2.1 堆焊結(jié)構(gòu)用堆焊制作的管板與平蓋，其覆層與基層的結(jié)合是最好的，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。（1）管板堆焊結(jié)構(gòu)：其覆層完全可計入管板的有效厚

10、度（以許用應(yīng)力比值折算），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 ）常用帶分程隔板槽管板堆焊結(jié)構(gòu)見圖2。單管程不帶分程隔板槽的管板堆焊層大于或等于8mm。（a）正確結(jié)構(gòu)圖（b）錯誤結(jié)構(gòu)圖圖2(3)管板堆焊技術(shù)要求：9.2.2 爆炸、軋制復(fù)合板管板和平蓋采用的復(fù)合板等級要求見表2。標準元件管板平蓋NB/T47002.1-2010壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第1部分：不銹鋼一鋼復(fù)合板剪切強度之210MPa1級，結(jié)合率100%剪切強度之210MPa3級，結(jié)合率之95%NB/T47002.2-2010壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第2部分：鎮(zhèn)一鋼復(fù)合板剪切強度之210MPa1級

11、，結(jié)合率100%剪切強度之210MPa3級，結(jié)合率之95%NB/T47002.3-2010壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第3 部分：鈦一鋼復(fù)合板剪切強度2140MPa1級，結(jié)合率100%剪切強度2140MPa3級，結(jié)合率295%NB/T47002.4-2010壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第4部分：銅一鋼復(fù)合板剪切強度2100MPa1級，結(jié)合率100%剪切強度2100MPa3級，結(jié)合率295%9.2.3 規(guī)定了不得使用的襯層復(fù)合結(jié)構(gòu):9.2.4 管板復(fù)合結(jié)構(gòu)的評價堆焊復(fù)合：其覆層完全可計入管板的有效厚度(以許用應(yīng)力比值折算，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。爆炸復(fù)合：采用

12、標準中1級的復(fù)合鋼板時，覆層是否計入管板有效厚度由設(shè)計者自行決定(鈦、銅覆層不能 計入管板有效厚度內(nèi))，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。9.3 有色金屬9.3.1 鋁及鋁合金(1)設(shè)計參數(shù)：pv16MPa，含鎂量大于或等于3%的鋁和鋁合金，-269£465,其他牌號的鋁和鋁 合金，-269加200;(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 )鋁和空氣中的氧迅速生成Al2O3薄膜，故在空氣和許多化工介質(zhì)中有著良好的耐蝕性。9.3.2 銅和銅合金(1)設(shè)計參數(shù)：P<35MPa ;(2 )純銅：t<200;銅合金：一般

13、的銅合金在200,但鐵白銅管的性能穩(wěn)定，可用到400。(3 )具有良好的導(dǎo)熱性能及低溫性能；(4)具有良好的成型性能，但焊接性能稍差。9.3.3 鈦和鈦合金(1)設(shè)計參數(shù)：P<35MPa , t<315,鈦一鋼復(fù)合板t<350;(2 )密度小(4510kg/m3)，強度高(相當(dāng)于Q245R );(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腐蝕性能下降；9.3.4 光滑，粘附力小，且表面具有不濕潤性，特別適用于冷凝；9.3.5 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。(

14、7 )用于制造壓力容器殼體時，應(yīng)在退火狀態(tài)下使用。9.3.6 鎳和鎳合金(1)設(shè)計參數(shù)：P<35MPa ;(2 )有良好的低溫性能，可用到-269;(3 )具有良好的耐腐蝕性能；(4 )具有良好的成型性能。(5)用于制造壓力容器受壓元件時，應(yīng)在退火或者固溶狀態(tài)下使用。9.3.7 鋯及鋯合金(1)設(shè)計參數(shù)：P<35MPa ;(2 )有良好的低溫性能，可用到-269;(3 )具有良好的耐腐蝕性能；(4 )具有良好的成型性能。9.4 換熱器材料9.4.1 鋼制無縫管提高了管殼式熱交換器管束的尺寸精度要求，規(guī)定為工級、口級管束。按GB150規(guī)定。9.4.2 奧氏體不銹鋼焊管9.4.2.1

15、p<10MPa (國外無此限制9.4.2.2 不得用于極度危害或高度介質(zhì)。9.4.2.3 鋼管應(yīng)逐根進行渦流檢測，對比樣管人工缺陷應(yīng)符合GB/T 7735中驗收等級B的規(guī)定。9.4.2.4 奧氏體不銹鋼焊管的焊縫系娜二0.85。9.4.3 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(dāng)?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(dāng)，反而會適得其反。一般的強化傳熱管有螺紋管（整體低翹片管）、波紋管、波節(jié)管（GB/T28713.1 .3）,以及特型管（GB/T24590）。此外應(yīng)用較多的還有：1）用于無相變傳熱：螺旋槽管、橫槽管、縮放管、內(nèi)翹片管及內(nèi)插入管等。

16、2）適用有相變傳熱：單面或雙面縱槽管、鋸形翹片管、T形翹片管及表面多孔管等。9.4.4 GB150.2對換熱器的使用規(guī)定在GB150.2-2011中5.1.45.1.7中規(guī)定鋼管用作換熱管均應(yīng)選用高精度級的冷拔或冷軋鋼管，同時根據(jù) NB/T47019.1-2011熱交換器用管訂貨技術(shù)條件第一部分通則中表1和表2表述，熱交換器用管均為冷拔 （軋）管且為高級精度，因此鋼制管殼式換熱器遵循GB150.2-2011規(guī)定均應(yīng)設(shè)計為I級管束管板管孔直徑允許 偏差應(yīng)均按I級管束選定。9.4.5 NB/T47011.1-NB/T 47011.8-2011鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件中用作換熱管的規(guī)定，已 和

17、老鋼管標準及68151-1999有較大變化，除與GB150-2011中變化外，還有以下變化。1 ）外徑允許偏差。換熱管外徑和壁厚允許偏差均比GB151-1999標準嚴格。2）非合金鋼和合金鋼無縫換熱管訂貨技術(shù)條件例約定項目中晶間腐蝕試驗，若介質(zhì)易產(chǎn)生晶間腐蝕，鋼管的材料要求，在設(shè)計文件中必須明確要求鋼管在 出廠檢驗時必須通過晶間腐蝕檢驗。3）無縫和有縫不銹鋼換熱管訂貨技術(shù)條件在NB/T47019.5-2011規(guī)定了6813296鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管和GB/T24593鍋爐和熱 交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管用作換熱管時的訂貨技術(shù)條件。9.5 防腐目前換熱器防腐有如下幾種措施：9.5.1

18、 防腐涂層。一般采用非金屬涂層，常用的水冷器有防腐、防垢涂料847和901，還有Ni-P鍍層，但 油氣系統(tǒng)使用較多的是涂陶瓷，現(xiàn)場證明效果較好。9.5.2 金屬涂層。一般有鍍Ni、Ti、銅等，工藝效果雖好，但造價昂貴是影響使用的障礙。9.5.3 金屬堆焊。一般采用碳鋼、Cr- Mo鋼堆焊不銹鋼較多，用來抗硫化氫酸性腐蝕。該方法造價較低， 效果很好，一般化肥、乙烯、煉油中加氫、重整、預(yù)加氫使用很多。另外，還有復(fù)合板、雙向鋼鋼管用量也較大， 效果較好。9.5.4 緩蝕劑。目前煉油裝置、化工裝置多采用一脫四注的方式較多，效果也較明顯。10 .管殼式換熱器類型管殼式換熱器在工業(yè)中用量約占換熱器總量90

19、%，是應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。典型管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)形式有固定管板換熱器、U型管換熱器、浮頭式換熱器、填料函式換熱器、釜式重 沸器、雙管板式換熱器、拉撐管板換熱器、撓性管板換熱器和纏繞管換熱器。10.1 固定管板換熱器固定管板換熱器（圖3）是二端管板與殼體固定連接（整體或夾持式。這是使用最為廣泛的一類換熱器。換熱管兩端固定在管板上，管板焊于殼體上。固定管板換熱器宜用于場合：1 ）管、殼程金屬溫差不是很大，而壓力較高的場合。當(dāng)管、殼程金屬溫差較大時，壓力就不能太高，因為 溫差大，必然增加膨脹節(jié)，由于膨脹節(jié)耐壓能力差。2）由于殼程無法機械清洗，因此要求殼程介質(zhì)干凈；或雖會結(jié)垢，但通過化學(xué)清而能去

20、除的場合。（1）優(yōu)點：1 ）其結(jié)構(gòu)簡單，鍛件使用較少，制造成本低。2 ）管程可以分成各種形式的多程，殼程也分成二程。3 ）傳熱面積比浮頭式換熱器大20% 30%。4 ）旁路漏流較小。（2）缺點: 1）不適用于換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差很大的場合，管板與管端之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞。2）管子腐蝕后造成連同殼體報廢，殼體部件壽命決定于管子壽命，故設(shè)備壽命相對較低。3）殼程不能清洗，檢查困難。10.2 U型管換熱器U型管換熱器固定在同一塊管定連接（整體或夾（圖4）是換熱管二端板上，管板與殼體固持式工圖4U型管換熱器可用于以下場合1）管程走清潔流體。2）管程壓力特別高。3）管、殼程金屬溫差很大，固

21、定管板換熱器連設(shè)置膨脹節(jié)都無法滿足要求的場合。（1）優(yōu)點:1）U形換熱管尾端的自由浮動解決溫差應(yīng)力，可使用于兩種介質(zhì)溫差較大。管、殼程金屬溫差不受限制。2）管束可抽出，便于要經(jīng)常清洗換熱管外壁。3）只有一塊管板，加之法蘭的數(shù)量也少，故結(jié)構(gòu)簡單而且泄漏點少，造價較低。4 ）可在高溫、高壓下工作，一般適用于k500°C, p<10MPao5）可用于殼程結(jié)垢比較嚴重的場合。（2）缺點:1 ）管程流速太高時，將會對U形彎管段產(chǎn)生嚴重的沖蝕，影響壽命，尤其R小的管子，應(yīng)控制管內(nèi)流速。2 ）管程不適用結(jié)垢較重的場合。3 ）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。4

22、）換熱管泄漏時，除外圈U形管外，不能更換，只能堵管。5）管束中心部位孔隙較大，流體易走短路，影響傳熱效果，應(yīng)增加隔板，減少短路現(xiàn)象。6）因死區(qū)較大，只適用于內(nèi)導(dǎo)流筒。7 ）管板上排列換熱管數(shù)較少。8 ）最外排的管子U型彎曲段，因為無支撐的跨度較大，宜導(dǎo)致流體誘發(fā)振動問題。9）有應(yīng)力腐蝕要求時應(yīng)慎重考慮。10.3浮頭式換熱器浮頭式換熱器（圖5）是一端管板與殼體固定連接（夾持式），另一端的浮頭管板（包括浮頭蓋、勾圈等） 在管箱內(nèi)自由浮動，故無需考慮溫差應(yīng)力，管、殼程金屬壁溫差很大場合。（1）優(yōu)點:文檔早鼻愛較圖51）管束可以抽出，以方便清洗管、殼程。2）殼體壁與管壁不受溫差限制。3 ）可在高溫、高

23、壓下工作，一般k450, p<6.4MPao4 ）可用于結(jié)垢比較嚴重的場合。5 ）可用于管程腐蝕場合。（2）缺點：1 ）處于殼程介質(zhì)內(nèi)的浮頭密封面操作中發(fā)生泄漏時很難采取措施。2 ）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬材料耗量大，成本高。3 ）浮頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響排管數(shù)。4 ）壓力試驗時的試壓胎具復(fù)雜。5 ）金屬材料耗量大，成本高20%。5.4 4填料函式換熱器一端管板與殼體固定連接（夾持式），另一端的管板在填料函內(nèi)自由浮動。管束可以伸縮，可使用于兩種介質(zhì)溫差較大。結(jié)構(gòu)也較浮頭簡單，制造方便，成本優(yōu)于浮頭換熱器。因管束 可抽出，易于檢修清洗。宜使用于有嚴重腐蝕介質(zhì)。5.4.1 1外填料函式換熱器（圖6）適用設(shè)備

24、直徑在DN700mm以下，且操作壓力和操作溫度也不宜過高，一般用于p<2.0MPa場合。5.4.2 2滑動管板填料函換熱器5.4.2.1 1單填料函式換熱器（圖7）圖7圖6在填料內(nèi)側(cè)密封處，管殼程介質(zhì)間仍會產(chǎn)生串流現(xiàn)象，不適用管殼程介質(zhì)不 允許混合的場合。5.4.2.2 2雙填料函式換熱器（圖8）該結(jié)構(gòu)以內(nèi)圈為主要密封，防止內(nèi)、外漏，而以外圈以輔助密封，防止外漏， 且內(nèi)外密封圈之間設(shè)置泄漏引出管與低壓放空總管相連。該結(jié)構(gòu)可用于中度危 害、易爆等介質(zhì)。5.5 5釜式重沸器釜式重沸器（圖9）是一端管板與殼體固定連接（夾持式），另一端為U形管束或浮頭管束，殼程為單（或 雙）斜錐具有蒸發(fā)空間的殼

25、體，故管程的溫度和壓力比殼程高，一般為管程介質(zhì)加熱殼程介質(zhì)。p<6.4MPao（1）優(yōu)點：圖81）適用于塔底重沸器、側(cè)線虹吸式重沸器。2 ）節(jié)約設(shè)備重量25%以上。3 ）抗腐蝕性能良好。4 ）有自清洗作用。管、殼程溫差大的場合。5 ）總傳熱系數(shù)提高40%以上。6 ）汽化率較高的場合（30 80% ）o7）重沸工藝介質(zhì)的液相作為產(chǎn)品或分離要求高的場合。8 ）抗腐蝕性能良好。51偏心錐殼2堰板3液面計接口（2）缺點:1）在重油設(shè)備上，如渣油、原油設(shè)備無應(yīng)用歷史。2）不適用于有濕硫化氫場合。7 0.6雙管板式換熱器雙管板式換熱器（圖10）是每一側(cè)有二塊管板，換熱管的一端同時與二塊管板連接。 主

26、要用于管程和殼程之間介質(zhì)相混合后，將會產(chǎn)生嚴重后果。但制造困難；設(shè)計要求高。1）防腐蝕：管程和殼程二介質(zhì)相混合后會引起嚴重腐蝕。2）勞動保護：一程為劇毒介質(zhì)，滲入另一程會引起系統(tǒng)大面積污染。3）安全方面：管程和殼程介質(zhì)相混合后，引起燃燒或爆炸。4）設(shè)備污染：管程和殼程介質(zhì)相混合后，引起聚合或生成樹脂狀物質(zhì)。5）催化劑中毒：另一程介質(zhì)混入后造成催化劑性能改變或化學(xué)反應(yīng)。6）還原反應(yīng)：管程和殼程介質(zhì)相混合后，引起化學(xué)反應(yīng)終止或限制。圖107）產(chǎn)品不純：管程和殼程介質(zhì)相混合后，引起產(chǎn)品污染或產(chǎn)品質(zhì)量下降。10.6.1 雙管板固定管板換熱器（圖11）圖12圖1110.6.2 雙管板U形管換熱器（圖12

27、）10.6.3 雙管板U形管釜式重沸器（圖13）=三三=- 三一 8=三一= 三三-=一三一.=-一= _ _= =-= = = = = = = =三一.=三一= = =三二三三三二=妾_一-二-一三=至-三三三= = = = = =三-=三一三三二三三三二- 三一.=三一= = = =三二三三三二 =&= = = = = = = = 三一 i=三一= = = 三一.=- =-_ 三一W三三三三三三1T-EE= = = = TrEFTmm圖1310.7拉撐管板換熱器拉撐管板換熱器（圖14）是管板厚度較薄，一般厚度在12 18mm之間。10.7.1 結(jié)構(gòu)型式有:（1）貼面式（德國）：管板

28、焊在設(shè)備法蘭密封面上（圖14a）。（2）鑲平式（原蘇聯(lián)OCT標準）：管板焊在設(shè)備法蘭密封面其平（圖14b）。（3）角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）：管板焊在殼體上（圖14c）。10.7.2 適用范圍：abc圖141）設(shè)計壓力：管程和殼程分別不大于1.0 MPa ;2 ）溫度范圍：管程和殼程的設(shè)計溫度范圍0300;換熱管與殼體平均壁溫差不超過30;3 ）直徑范圍：殼體內(nèi)徑不大于1200mm ;4 ）換熱管長度：不超過6000mm。5 ）換熱管應(yīng)采用光管，且與殼體材料的線膨脹系數(shù)接近（兩者的數(shù)值差不大于10% ）。6 0.7.3不宜設(shè)置膨脹節(jié)。HG21503-1992鋼制固定式薄管板列管換熱器標準中

29、選用“角焊式"和"貼面式”兩種結(jié)構(gòu)。薄管板的計算以換熱管與殼體對管板是固定支撐，管板是在換熱管與殼體固定支撐下的受壓平板，因此換熱 管必須在操作中保持剛性，殼體也不能設(shè)置膨脹節(jié)，所以管壁與殼壁溫差不能太大，要保證換熱管與殼體的縱向 穩(wěn)定。換熱管與管板必須采用焊接，但實際情況下，薄管板亦不能采用脹接辦法，因薄管板的厚度一般為12 16mm左右，如采用脹接時，管板將塑性變形，不能達到強度和密封性的要求。同時要求管板不兼作法蘭，因 薄管板承受不了法蘭傳過來的彎矩。因此采用薄管板必須滿足上述要求。薄管板亦可用于多程換熱器，密封槽和分程槽均可直接開在薄管板上，因管板的強度計算厚度較小

30、，開槽后 強度也是足夠的。但角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）的結(jié)構(gòu)，因薄管板的焊接形式不同，多程時需焊上用以開 分程槽的隔板。由于薄管板與法蘭的連接形式各不相同，因而各有其優(yōu)缺點，現(xiàn)分析如下。1）受力和強度方面從管板強度來看，角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）研制的結(jié)構(gòu)較好，它具有較大靈活性，主要是管板離開 法蘭，減少法蘭力矩對管板的影響，從而降低了管板由法蘭螺栓引起的應(yīng)力。因法蘭力矩引起的管板上應(yīng)力是主 要的，因此減小法蘭力矩引起的應(yīng)力，相應(yīng)降低了管板總的應(yīng)力。法蘭螺柱在預(yù)緊時，法蘭變形使管板受到周向 壓縮，而管板的周向剛度很大，給法蘭以反力矩，減小了法蘭的變形，亦減小了管板的應(yīng)力。反力矩的大小決

31、定 于管板中心面與法蘭中心面的偏心距e和管板周向剛度。角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）研制的結(jié)構(gòu)中的e 值可由設(shè)計者自由選擇，就顯得有較大的靈活性。但e值不能選擇過大，過大增加筒體長度，增加投資。前蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu)，因管板中性面與法蘭中性面接近，受法蘭的力矩最大。德國的結(jié)構(gòu)形式，較優(yōu)于前蘇聯(lián)的結(jié) 構(gòu)形式。2）在防腐蝕方面從防腐蝕要求來考慮，前蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu)無任何優(yōu)點，而德國的結(jié)構(gòu)和角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）研制的 結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點。當(dāng)管程介質(zhì)為腐蝕性介質(zhì)時，選用德國結(jié)構(gòu)較好，因法蘭與管程腐蝕介質(zhì)不接觸，而不需選用 耐腐蝕材料制造法蘭；當(dāng)殼程介質(zhì)為腐蝕性介質(zhì)時，選用角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）研制結(jié)構(gòu)較

32、好，這時 法蘭與殼程腐蝕介質(zhì)不接觸，法蘭可選用普通鋼材制造；當(dāng)殼程和管程介質(zhì)均為腐蝕性介質(zhì)，則選用上海醫(yī)藥設(shè) 計院研制結(jié)構(gòu)較好，因選用該結(jié)構(gòu)時，可選用帶襯環(huán)法蘭，以達到防腐蝕要求。而前蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu)無論何種情況， 腐蝕介質(zhì)均要與法蘭接觸，法蘭不能不選耐腐蝕材料。10.8 撓性管板換熱器適用于管程介質(zhì)為氣體，殼程產(chǎn)生飽和水蒸氣的臥式管殼式余（廢）熱鍋爐。工型管板與殼體（管箱）的連接（見圖15a ）和口型管板與殼體（管箱）的連接（見圖15b工 文檔圖15撓性管板換熱器適用范圍：1)管程設(shè)計壓力不大于1.0MPa，殼程設(shè)計壓力不大于5.0 MPa且殼程壓力應(yīng)大于管程壓力；(1)工型用于管程設(shè)計壓力小于或

33、等于0.6MPa ;(2 ) 口型用于管程設(shè)計壓力小于或等于1.0MPa。2 )殼體直徑與換熱管長度分別為2500mm和7000mm。10.9 高效纏繞管換熱器(a)多頭換熱器管板(b)現(xiàn)場纏管一(c)現(xiàn)場纏管二圖16為節(jié)省設(shè)備投資，在有限換熱器殼體容積中，布置最大換熱管傳熱面積，提高換熱效率，管殼式纏繞管換熱器(圖16)應(yīng)運而生。此類換熱器為多層多頭在芯棒上纏繞焊接不銹鋼小直徑換熱管，結(jié)構(gòu)如圖16所示。10.10 奧氏體不銹鋼波紋換熱管換熱器1)適用范圍：(1 )設(shè)計壓力不大于4.0MPa ;(2 )設(shè)計溫度不大于300;(3 )公稱直徑不大于2000mm ;(4 )公稱直徑不大于與設(shè)計壓力

34、的乘積不大于4000。2）不適用的場合（1 ）毒性程度為極度或高度危害的介質(zhì)；（2）易爆介質(zhì)；（3）存在應(yīng)力腐蝕傾向的場合。11.熱交換器類別的劃分根據(jù)管程和殼程的工作（設(shè)計）壓力、介質(zhì)特性、容積等參數(shù)，按固容規(guī)分別確定管程和殼程的容器類 別，按容器類別高的作為該臺換熱器的容器類別。但應(yīng)當(dāng)按照管程和殼程各自類別分別提出設(shè)計，制造技術(shù)要求。 12.管程和殼程12.1管程介質(zhì)流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相貫通部分。12.1.1管箱圓筒壁厚GB151規(guī)定管箱圓筒壁厚最小厚度的規(guī)定。管箱僅封頭時可不按此規(guī)定。12.1.2管箱深度最小內(nèi)側(cè)深度規(guī)定:1）軸向接管單管程：主要考慮流體均勻分布到換熱管內(nèi)，一般說問

35、題不大。2）多程：兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積1.3倍，每程換熱管流通面積即每程換熱管 數(shù)n乘上換熱管內(nèi)流通的截面積。12.1.3管程防沖板當(dāng)液體pV2 > 2230kg/ （ m-S2） （ p介質(zhì)密度kg/m3; v介質(zhì)流速，m/s ）時, 采用軸向入口接管的管箱宜設(shè)置防沖板。12.1.4 分程隔板最小厚度的規(guī)定，比GB151-199增加厚度。結(jié)構(gòu)：大直徑換熱器隔板應(yīng)設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，既增加剛度又有利隔熱。臥式換熱器分程隔板上要開設(shè)排凈孔（淚孔），主要能把殘液排放干凈。12.1.5 管箱熱處理當(dāng)碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱以及管箱的側(cè)向開孔大于1/3（即d&g

36、t;D/3）圓筒內(nèi)經(jīng)的管箱（圖17），管箱要進行整體熱處理。圖1712.1.6 分程隔板與管箱內(nèi)壁應(yīng)采用雙面連續(xù)焊，最小焊腳尺寸為3/4倍的隔板厚度。12.2殼程介質(zhì)流經(jīng)換熱管外的通道及與其相貫通部分。殼程內(nèi)主要由折流板、支持板、縱向隔板、旁路擋板、防沖板、拉桿、定距管、導(dǎo)流筒、滑板等元件組成。由于各種形式換熱器的工藝性能、使用場合不同，殼程內(nèi)各種元件的 設(shè)置亦不同，以滿足設(shè)計要求。各元件在殼程內(nèi)設(shè)置，按其不同的作用，可分為兩類。圓筒最小厚度的規(guī)定主要保證剛度和支座處的局部應(yīng)力。13.布管13.1 三角形排列13.1.1正三角形排列圖18圖19正三角形排列（圖18）,介質(zhì)流經(jīng)折流板缺口是垂直正

37、對換熱管，沖刷換熱管外表面，傳熱上稱為錯列，介質(zhì)流動時形成湍流，對傳熱有利，管外傳熱系數(shù)較高。正三角形排列用于殼程介質(zhì)較清潔，換熱管外不需清洗。13.1.2轉(zhuǎn)角三角形排列轉(zhuǎn)角三角形排列（圖19）,介質(zhì)流經(jīng)折流板缺口是平行于三角形的一邊，傳熱上稱為直列，介質(zhì)流動時有一部分是層流，對傳熱有不利影響。對有相變的換熱器，宜采用轉(zhuǎn)角三角形排列，因為臥式冷凝器的折流板的缺口邊是左、右布置，氣體流動方向與冷凝液流動方向是垂直的（圖20）,當(dāng)冷凝液向下流動是，氣體對下滴的冷凝液有吹除和切割作用，使管外壁的液膜厚度相對減少。13.2 正方形排列13.2.1 正方形排列（圖21）,介質(zhì)流經(jīng)折流板缺口是平行于正 方

38、形，傳熱上稱為直列，介質(zhì)流動是層流，對傳熱有不利影響。13.2.2 轉(zhuǎn)角正方形排列介質(zhì)流動時形成湍流，圖21圖22轉(zhuǎn)角正方形排列（圖22）,介質(zhì)流經(jīng)折流板缺口是垂直正對換熱管，沖刷換熱管外表面，傳熱上稱為錯列，對傳熱有利。13.3 同心圓同心圓靠近殼體的地方布管較均勻，小直徑比三角形排列多，超過6圈就較三角形排列少。13.4 布管設(shè)計換熱器經(jīng)化工工藝專業(yè)傳熱計算和管殼程壓力降計算后，確定了換熱器型式、換熱面積、換熱管管徑、管間 距、管殼程程數(shù)、折流板型式、塊數(shù)和缺口布置及切割比例，而 由換熱器機械設(shè)計專業(yè)進行施工圖布管設(shè)計。設(shè)計中必須考慮如13.4.1布管限定圓下因素。布管限定圓是指換熱管外壁

39、所限定圓直徑dl。浮頭式換熱器從結(jié)構(gòu)上考慮。13.4.1 管板分程隔板槽槽深應(yīng)大于墊片厚度，且不宜不小于4mm，這主要考慮采用石棉橡膠板或金屬包墊，采用纏繞墊時，槽深應(yīng)大于4mm。槽寬a2宜為8 mm14 mm,當(dāng)分程隔板厚度大于10mm時，圖23圖24密封面處應(yīng)削至10mm。分程墊片轉(zhuǎn)角處一定要有R （圖25）,不然墊片很易斷裂。地片我度確定分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn黃X轅（見圖26）。若在布管限定圓中不能布下要求換熱器管管數(shù)，則按圖27排列方法。圖中SS2小于U形管最小彎曲半徑Rmin，這樣布置可排列較多的換熱管，在最靠近管板中心線兩圖25圖26側(cè)的交叉排列可增大彎管曲率半徑。13.4

40、.2 中心距換熱管中心距不小于1.25倍的換熱管外徑，主要考慮到管孔間小橋在脹接時有足夠強度和便于焊接。換熱管外需要清洗時，應(yīng)采用正方形排列。圖27 S S2小于U形管最小彎曲半徑時的幾種排列方法14.分程14.1管程分程分程目的：當(dāng)用增加管數(shù)來增加換熱面積時，流體在管束中流速隨著換熱管數(shù)的增加而下降，造成流體的給 熱系數(shù)的下降，故僅采用增加換熱管數(shù)是不行，則在保證流體在管束中保持較大流速，則可將管束分成若干程數(shù)。管程分程應(yīng)考慮下列幾方面（以四程為例圖28）:1）應(yīng)盡量使各管程的換熱管數(shù)大致相等，其相對誤差（AN ）應(yīng)控制在10%以內(nèi)，最大不得超過20%。AN引 Ncp-Nmin（max）殘尸

41、1。（ 2）;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。=二'3 ）程與程之間的溫度相差不易過多，一般溫差不超過10（ 50下）。4 4.2殼程分程分程目的同上，不同的是一個保持殼程流速。殼程一般只分二程。/、15.管板V " /15.1 管板計算的理論基礎(chǔ)管殼式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響管板強度的因素很多，特別固定管板熱交換器的管板受力最為復(fù)雜，各國設(shè)計規(guī)范基本上都是把管板作為承受均布載荷，放置在彈性基礎(chǔ)上，且受管孔均勻消弱的當(dāng)量圓（2 . 3 ）平板來考慮（圖29）。ViX由于影響管板強度的因數(shù)很多，因此正確地進行管板強度分析是較困難、較復(fù)雜，所以各國對管板厚

42、度計算 公式都對管板作一定地簡化、假定而得到地近似公式。引起管板應(yīng)力的載荷有壓力（管程壓力Pt、殼程壓力Psl管殼熱膨脹差及法蘭力矩。換熱器的管板計算方 法的力學(xué)模型見圖30。圖2815.1.1 各國設(shè)計規(guī)范對于管板均不同程度地考慮了以下因素：1）把實際的管板簡化為受到規(guī)則排列的管孔削弱、同時又被管子加強的等效彈性基礎(chǔ)上的均質(zhì)等效圓平板， 已為現(xiàn)今大多數(shù)國家的管板規(guī)范所采用。2）管板周邊部分較窄的不布管區(qū)按其面積簡化為圓環(huán)形實心板。3）管板邊緣可以有各種不同型式的連接結(jié)構(gòu)，各種型式可能包E 臺 E 為 言 京 京 H含有殼程圓筒、管箱圓筒、法蘭、螺栓、墊片等多種元件。規(guī)范按各元件對于管板邊緣的

43、實際彈性約束條件進行 計算。圖294）考慮法蘭力矩對于管板的作用。5）考慮換熱管與殼程圓筒間的熱膨脹差所引起的溫差應(yīng)力， 還應(yīng)考慮管板上各點溫度差所引起的溫度應(yīng)力。6）計算由帶換熱管的多孔板折算為等效實心板的各種等效彈 性常數(shù)與強度參數(shù)。15.1.2 GB151管板計算的理論基礎(chǔ)力學(xué)模型是將管板近似地視為軸對稱結(jié)構(gòu)，并假設(shè)：熱交換器 兩端的管板具有同樣的材料和相同的厚度；對于固定管板熱交換器 兩塊管板還應(yīng)具有相同的邊界支承條件。1）管束對管板的支承作用把管板視為均勻削弱的、放置在彈性基礎(chǔ)上的當(dāng)量圓平板。這 是由于管殼式換熱器結(jié)構(gòu)中在絕大多數(shù)管子直徑相對管板直徑足夠 小，而管子的數(shù)量又足夠多，假

44、定在管板上是均勻分布的，因而離散的各個換熱管對管板的支承作用可以認為是 均勻連續(xù)的，管板承受的載荷也認為是均勻分布的。管束對管板在外載荷作用下的撓度和轉(zhuǎn)角都有約束作用，管束的約束作用可以減少管板的撓度和降低管板中 的應(yīng)力。管束對管板轉(zhuǎn)角又約束作用，對實際參數(shù)的分析計算，發(fā)現(xiàn)管束對管板轉(zhuǎn)角的約束作用對管板強度的影 響是很小的，完全可以忽略不計，因此本規(guī)范不考慮管束對管板轉(zhuǎn)角的約束作用，只考慮管束對管板撓度的約束作用，對于固定管板換熱器的管板，以管 子加強系數(shù)K表示。開孔后管板的抗彎剛度為nD管束的彈性基礎(chǔ)系數(shù)N，表示為使管束在軸向產(chǎn)生單位長度的變形（伸長或縮短），在管板表面所需施加的 壓力載荷。

45、(3)圖30N)遼LA引入管子加強系數(shù)K，代入D ,N表達式，令vp=0.3 :2E naLA12(-v 2)p-n E 8 3p /I 2 J1.318D -i8 E n L 8i p(4)該系數(shù)反映了彈性基礎(chǔ)強弱相對于管板自身抗彎剛度的大小，即管束對管板承載能力的加強作用，這是表 征管束對管板加強作用的一個十分重要的參數(shù)。如果管板的彈性基礎(chǔ)很弱，則換熱管加強作用很小，即K值很小，此時管板的撓度與彎矩等分布情況于無彈性基礎(chǔ)的普通圓板，極而言之，K=0，即是普通圓平板。根據(jù)彈性基礎(chǔ)圓板理論，管板的撓曲形式不僅取決于管子加強系數(shù)K，同時還與管板周邊處的支承情況和附加載荷有關(guān)，定量地以管板的總彎矩

46、系數(shù)m表示。、1m = N 4 MR（5）n D ） v K當(dāng)管板周邊為簡支時，Mr =0 ,則m=0 ;當(dāng)管板周邊為固支時，其管板邊緣轉(zhuǎn)角pR=0，由此可求得某一特 定的m值（表達式從略）；當(dāng)管板周邊僅承受彎矩的作用，即VR =0時，則m=8。在一定的邊界支承條件下，當(dāng)K值逐漸增大時，管板的撓度、彎矩等自周邊向中心呈衰減、波狀分布，當(dāng)K 值越大時，則衰減越快，波數(shù)越多。在K值增大過程中，當(dāng)經(jīng)過某一確定的分界K值時，分布曲線會出現(xiàn)新的 波，同時在板中心處，曲線從上凹（或下凹）轉(zhuǎn)變?yōu)橄掳迹ɑ蛏习迹?，求解分布曲線的的導(dǎo)數(shù)方程，即可得到曲 線波數(shù)增加的K分界值。以管板周邊簡支情況為例，隨著管子加強系

47、數(shù)K的增大，其徑向彎矩分布曲線和出現(xiàn)新波時的分界K2,6.14值如圖31示意，同時可看出，徑向的極值也隨著長值增大而遠離管板中心移向周邊。對于周邊固支的彈性基礎(chǔ)板，隨長值的變化，其徑向彎矩分布具有相類似的變化趨勢，同樣見圖31。與簡支邊界不同的地方是：固支邊界支承的彈性基礎(chǔ)板其最大徑向彎矩始終位于圓板周邊，而第二個徑向彎矩的極值點則隨K增大遠離板中心移向周邊。對于浮頭式、填函式換熱器管板，管束模數(shù)長與固定管板的彈性基礎(chǔ)系數(shù)N類似，同樣反映了管束作為彈性./w”基礎(chǔ)對管板的加強作用。.”.：G17.193迨辿節(jié).主周露肝支2)管孔對管板的削弱作用管板上是密布著分散的管孔，因此管孔對管板有削弱作用

48、。管孔對管板的削弱作用有兩個方面：對管板整體削弱作用，使管板整體的剛度與強度都減少，和管孔邊緣有局部的應(yīng)力集中，只作峰值應(yīng)力考慮。圖31彈性基礎(chǔ)圓板彎矩圖本規(guī)范只考慮開孔對管板整體的削弱作，計算平均的當(dāng)量應(yīng)力，作為基本的設(shè)計應(yīng)力，即近似地把管板當(dāng)作 一塊均勻連續(xù)削弱地當(dāng)量圓平板來考慮。對管孔邊緣地局部應(yīng)力集中，只作峰值應(yīng)力考慮。但在疲勞設(shè)計中要考 慮。管孔對管板有削弱作用，但也考慮管壁的加強作用，故用剛度削弱系數(shù)。和強度削弱系數(shù)也 根據(jù)彈性理論 分析、實驗，本規(guī)范規(guī)定陰叩二 0.4。3)管板布管區(qū)當(dāng)量直徑固定管板的管子加強系數(shù)計算是假定圓筒直徑范圍內(nèi)全部均勻的布管。實際上，在通常情況下管板周邊

49、部份 都存在著一個較窄的不布管區(qū)，該區(qū)域的存在使管板邊緣的應(yīng)力下降。布管區(qū)一般是一個不規(guī)則的多邊形，現(xiàn)以當(dāng)量圓形布管區(qū)去代替多邊形布管區(qū)，當(dāng)量直徑Dt的取值應(yīng)使管 子對管板的支承作用面積相等。該直徑大小直接影響著管板的應(yīng)力大小和分布情況，在GB151固定管板的應(yīng)力 計算中位于環(huán)形板與布管區(qū)交界處的應(yīng)力。；則是以全布管的管板在半徑為Dt/2處的應(yīng)力近似取值，因此標準限 定該計算方法僅適用于周邊不布管區(qū)較窄的情況，即管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度k較小的情況，k=K (1-pt) <1O不論是固定管板換熱器，還是浮頭式或填函式換熱器，在計算布管區(qū)面積時，都是假定在布管區(qū)范圍內(nèi)，均勻的布滿著管子。

50、假設(shè)有n根換熱管，管間距為S，對于管孔為三角形排列的布管，每根管子對管板的支承作用，面積是以管孔圓心為中心、以S為其內(nèi)切圓直徑的六角形面積，即包S2 0.866S2 ；對于管孔為正方形排列的布管，每根 2管子對管板的支承作用面積則是以管孔圓心為中心，以S為邊長的正方形面積，即S2。管板布管區(qū)是將管板最外圈管子的支承作用面積連接起來所包圍的區(qū)域包括最外圈管子本身的支承作用面 積。對于換熱管均勻分布的單管程換熱器管板，全部n根換熱管對管板的支承作用面積即是布管區(qū)面積。4）考慮管板的彎曲作用，還考慮管板和法蘭沿其中心面內(nèi)的拉伸作用。5）假設(shè)法蘭變形時，其橫截面的形狀不變，而只有繞環(huán)截面重心的轉(zhuǎn)動與徑

51、向位移。由于這種轉(zhuǎn)動與徑向 位移造成法蘭與管板中心面連接點處地徑向位移量，應(yīng)與管板本身沿著中心面內(nèi)地徑向位移協(xié)調(diào)一致。6 ）由溫度膨脹差Y與殼程壓力ps及管程壓力pt引起的殼壁的軸向位移與管束、管板系統(tǒng)的軸向位移，應(yīng)在 管板周邊協(xié)調(diào)一致。7）管板邊緣的轉(zhuǎn)角受殼體、法蘭、管箱、螺栓、墊片系統(tǒng)的約束，其轉(zhuǎn)角在連接部位處應(yīng)協(xié)調(diào)一致。8）當(dāng)管板兼作法蘭時，考慮了法蘭力矩的作用對管板應(yīng)力的影響。為了保證密封，對于其延長部分兼作法 蘭的管板，規(guī)定尚需校核法蘭應(yīng)力。此時在計算法蘭力矩時，考慮管板與法蘭共同承受外力矩，因而法蘭所承受地力矩將有所折減。15.2 管板應(yīng)力關(guān)于固定管板換熱器的管板強度計算，目前國外

52、主要的設(shè)計規(guī)范有四個：美國 TEMA方法和ASME方法、英國BS方法及西德AD方法。但由于上述各種計算方 法，都對分析前提作了較多的簡化，因此都不能說是精確的分析方法。固定管板換熱器的精確應(yīng)力分析，多采用以板殼理論為基礎(chǔ)的彈性分析方法。我國管板計算規(guī)范，即GB151中管板計算方法即是這類方法。我國管板計算方法的力學(xué)模型見圖30。15.2.1 管板應(yīng)力的產(chǎn)生引起管板應(yīng)力的載荷有壓力（管程壓力Pt、殼程壓力Ps1管殼熱膨脹差及法蘭力矩。15.2.1.1 管程壓力pt作用情況有固定式換熱器如圖32中細線所示（為便于分析以不帶法蘭，直接與圓筒相連接的管板為例），其載荷為Pt。假設(shè)將管板沿周邊與圓筒分離

53、，即解除管板與圓筒的相互約束，認為兩者可各自自由變形。Pt可對圓筒（包括封頭等，可稱為殼體系統(tǒng)）的作用分為兩方面:Pt沿圓筒軸向作用于封頭上，軸向載荷為-D2pt，Di是圓筒內(nèi)直徑。此載荷使圓筒產(chǎn)生軸向應(yīng)力。當(dāng)pt 為正壓時，使圓筒軸向伸長，其上與管板上表面的連接點a將向上發(fā)生軸向移位。同時，在Pt的徑向作用下，圓筒產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，發(fā)生徑向膨脹。由于軸向應(yīng)力圖32作用的泊松效應(yīng)，雖使圓筒徑向發(fā)生收縮，但最終圓筒還是發(fā)生徑 向膨脹。即a點在軸向位移的同時還有徑向位移，設(shè)其最終位移至 a'（見圖32中虛線）。Pt對管板表面（不包括管孔部分）產(chǎn)生軸向載荷，此載荷由管束來承受，使管束受到軸向壓縮

54、而縮短。同時，Pt徑向作用使換熱管產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，發(fā)生徑向膨脹，由于柏松效應(yīng)使管束在軸向進一步縮短，從而帶動管板向下移動。設(shè)管板邊緣的a , b點位移至a " , b "（見圖32中虛線）。圖33 可稱管板管束系統(tǒng)）必然以Vt向下壓縮圓筒。其相互作用的結(jié)果，使圓筒上的a'向下產(chǎn)生軸向位移4。管板管 束系統(tǒng)在自由壓縮變形的基礎(chǔ)上，在管板周邊向上的橫剪力Vt作用下被拉伸，產(chǎn)生與的變形。而管板則在周邊 橫剪力Vt作用下，產(chǎn)生撓曲變形A3 （見圖32 ）。其三者變形之和A1+A2+A3滿足總的自由變形差的要求。 2、4的值與圓筒、管束的軸向剛度及管板的彎曲剛度有關(guān)。剛度大者，

55、相應(yīng)的變形較小，反之則大。圓筒、 管束和管板三者變形協(xié)調(diào)后形狀如圖32中粗實線所示。由于管板在發(fā)生撓度時，邊緣發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角尚又須與圓筒的轉(zhuǎn)角相協(xié)調(diào)，因此在管板周邊與圓筒間尚作用有 邊界力矩Mt,最終管板的受力情況即如圖33所示。于是，管板可視為放置在管 束彈性基礎(chǔ)上，周邊作 用有均勻的橫剪力Vt和彎矩Mt的圓平板。圖34根據(jù)彈性基礎(chǔ)圓板理論，管板在周邊剪力Vt和彎矩Mt作用下，將發(fā)生整體彎曲變形（見圖33 ），在管板中 產(chǎn)生整體性的彎曲應(yīng)力，其應(yīng)力大小與橫剪力Vt和彎矩Mt成正比。管板在發(fā)生整體彎曲變形的同時，由于pt在管板的孔帶上的作用，使管板產(chǎn)生局部的彎曲變形（如圖33中 的虛線所示）。實際管板的變形即為上述兩種的組合。但必須強調(diào)指出的是以上兩種變形中（同時對應(yīng)兩種彎曲應(yīng)力），前 者的整體變形及其應(yīng)力是主要的，而局部的變形與應(yīng)力相對是很小的，這已為眾多的理論分析和試驗應(yīng)力分析所 證實。GB151熱交換器中的管板計算方法是基于彈性基礎(chǔ)圓平板的分析方法，考慮了管板的整體彎曲，大量 實驗表明，其計算結(jié)果與實驗所得應(yīng)力吻合良好，是一種合理的計算方法。15.2.1.2 殼程壓力ps作用情況固定式換熱器如圖36中細實線所示，其載荷為ps。類似pt作用