換熱器設(shè)計(jì)中的常見問題

1、換熱器設(shè)計(jì)中的常見問題關(guān)鍵詞：換熱器 設(shè)計(jì) SW6計(jì)算程序摘要： 本文簡略闡述了管殼式換熱器設(shè)計(jì)中易出現(xiàn)的一些問題，提醒設(shè)計(jì)者在設(shè)備設(shè)計(jì)中重視。前言：石油和化工設(shè)備中的管殼式換熱器的設(shè)計(jì)是以GB151-1999管殼式換熱器為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但有些設(shè)計(jì)者因未能完全理解標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)涵，對一些條款的忽視和不理解而造成設(shè)備設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤，從而影響了設(shè)備的安全可靠性。本文簡略闡述了其中的一些問題，提醒設(shè)計(jì)者在設(shè)備設(shè)計(jì)中重視。1. GB151適用范圍GB151適用參數(shù)為公稱直徑DN2600mm，公稱壓力PN35MPa，且公稱直徑和公稱壓力的乘積不大于1.75x104 mm·MPa。標(biāo)準(zhǔn)限定最大設(shè)計(jì)參數(shù)范

2、圍是為了避免過于笨重、結(jié)構(gòu)上的不合理設(shè)計(jì)。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、低壓大直徑換熱器，作為設(shè)備整體在結(jié)構(gòu)尺寸合理設(shè)計(jì)的前提下完全可以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)給出的設(shè)計(jì)原則。除GB151中所列的五種常用的換熱器型式外，如折流桿換熱器、繞管式換熱器、螺旋折流板、波紋管換熱器，在合理的傳熱計(jì)算基礎(chǔ)上，也應(yīng)參照GB151-99進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于一些特殊結(jié)構(gòu)、布管和載荷條件特殊、或是操作條件特殊的換熱器設(shè)計(jì)應(yīng)予以特殊考慮，特殊情況如下： a. 圓環(huán)形管板b. 邊不布管區(qū)較寬（k>1.0）的固定式管板c. 分布管或非軸對稱布管的管板d. 有非同一換熱管徑的管板e(cuò). 厚度方向溫差較大的管板f

3、. 管殼程直徑差別較大的換熱器g. 殼體、管箱不是標(biāo)準(zhǔn)中a型連接的浮頭式或填料函式換熱器h. 較大的換熱器。i. 載荷有顯著影響的立式換熱器j. 與法蘭搭焊連接的固定管板對上述情況采用詳細(xì)應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法，如JB4732附錄I給出的計(jì)算方法或是可比的已投入使用的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。2管殼程壓差較大時(shí)，殼程壓力試驗(yàn)的選取當(dāng)管程設(shè)計(jì)壓力大于殼程設(shè)計(jì)壓力時(shí)，殼程的試驗(yàn)壓力仍按常規(guī)選取是錯(cuò)誤的。 為檢查管子與管板連接的嚴(yán)密性，殼程的試驗(yàn)壓力可按下面的幾種方法處理，并應(yīng)體現(xiàn)在施工圖紙中：a) 提高殼程的試驗(yàn)壓力等于管程試驗(yàn)壓力。這是一種較常使用的方法。采用這種方法時(shí)，必須首先核算殼體在壓力試驗(yàn)過程中各

4、殼程元件的強(qiáng)度，在用SW6-98程序計(jì)算中以用戶輸入壓力試驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算來驗(yàn)算其強(qiáng)度，確保殼程任意點(diǎn)的一次薄膜應(yīng)力的計(jì)算值不超過所用材料在試驗(yàn)溫度下的90%屈服極限。b) 若經(jīng)過計(jì)算后，不能采用上述方法試驗(yàn)時(shí)，則殼程、管程按各自要求的試驗(yàn)壓力進(jìn)行試驗(yàn)合格后，殼程再按HG20584-1998壓力容器氨滲漏試驗(yàn)方法的四種方法之一進(jìn)行檢漏，對殼程設(shè)計(jì)壓力較低的換熱器，還應(yīng)注意試驗(yàn)壓力的強(qiáng)度核算，避免超壓試驗(yàn)造成危險(xiǎn)。c) 對有特殊要求的換熱器，如強(qiáng)滲透介質(zhì)、泄露易產(chǎn)生危險(xiǎn)或密封性要求嚴(yán)格的換熱器，可采用低壓純氨進(jìn)行試漏或采用氦檢等方法試驗(yàn)。值得注意的是，在提高殼程試驗(yàn)壓力的方法中，程序計(jì)算僅止考慮了殼

5、程的殼體及封頭， 對于接管、法蘭等元件均未有顯示。對于接管可按GB150-1998要求進(jìn)行核算，對于管法蘭檢驗(yàn)令其水壓試驗(yàn)壓力不大于HG20604或HG20625規(guī)定的20時(shí)最高無沖擊工作壓力的1.5倍。3. 換熱器受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度Lcr的取值在進(jìn)行換熱器計(jì)算時(shí)，換熱器受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度Lcr未按GB151-99中圖32進(jìn)行計(jì)算取值。因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)中換熱器受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度Lcr值是將換熱管作為壓桿，換熱管與管板的連接端視為固定端，折流板、支撐板視為鉸支端，即按材料力學(xué)壓桿的理論計(jì)算得出的，所以應(yīng)根據(jù)此計(jì)算換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度Lcr，才能保證管板計(jì)算結(jié)果的正確性。4. 隔板槽面積取值錯(cuò)誤在用SW6-

6、98程序進(jìn)行管板計(jì)算時(shí)，要求輸入隔板槽面積，有很多設(shè)計(jì)者直接計(jì)算出長方形凹槽的幾何面積之和，這是錯(cuò)誤的，這里要求輸入的應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)中的Ad值（見標(biāo)準(zhǔn).1條），是在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支撐的面積。三角形和正方形排管的隔板槽面積的計(jì)算如下圖所示。對特殊結(jié)構(gòu)的布管，該面積可按具體結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)模擬放樣測量其值。5. 設(shè)備法蘭的選用與設(shè)計(jì)對于不同類型的設(shè)備法蘭腐蝕裕量是不同的，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定乙型法蘭腐蝕裕量為2mm，對焊法蘭腐蝕裕量為3mm。對于超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的腐蝕裕量的法蘭應(yīng)按非標(biāo)法蘭進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。計(jì)算時(shí)法蘭內(nèi)徑加兩倍腐蝕裕量為SW6-98程序所需的法蘭內(nèi)徑Di值，大端、小端厚

7、度應(yīng)分別減掉一個(gè)腐蝕裕量為SW6-98程序所需的頸部大、小端有效厚度值。選用長頸對焊法蘭時(shí)，忽視標(biāo)準(zhǔn)要求的最小對接圓筒體厚度，對小于此要求值的長頸對焊法蘭的高度未做修正是錯(cuò)誤的。標(biāo)準(zhǔn)給出的最小對接圓筒體厚度，是因長頸對焊法蘭的應(yīng)用主要在管殼式換熱器上，該值的提出是以GB151為依據(jù)的。由于GB151中對殼體最小厚度的要求與其它容器的要求值要大得多，就會出上述情況。為便于應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)以加長法蘭直邊段長度而修正法蘭總高度的方法提出了表3長頸對焊法蘭總高度H修正表，對應(yīng)表中最小殼體厚度，增加法蘭總高度，且該修正值應(yīng)在施工圖中體現(xiàn)出來。6. 管板計(jì)算中，管殼程平均溫差取值在應(yīng)用SW6-98程序進(jìn)行管板計(jì)

8、算時(shí)要求輸入殼程的平均金屬溫度和換熱管平均金屬溫度。這是兩個(gè)直接影響管板計(jì)算結(jié)果的重要數(shù)據(jù)。它們與殼體圓筒和換熱管材料的膨脹系數(shù)一起共同決定了圓筒與換熱管之間的熱膨脹差大小，從而影響著管板的計(jì)算應(yīng)力和厚度、圓筒和換熱管的軸向應(yīng)力、管板與換熱管的連接拉脫力。但因用戶提供數(shù)據(jù)不全，許多設(shè)計(jì)者便隨意取一個(gè)中間的數(shù)值，這是非常錯(cuò)誤的，平均溫差應(yīng)當(dāng)由進(jìn)出口溫度及換熱器的型式進(jìn)行合理的計(jì)算得出的，否則計(jì)算出的管板厚度及是否需要設(shè)置膨脹節(jié)是有偏差的。7. 對U形管換熱器U形管 U形管換熱器U形管是唯一適用于高溫、高壓和高溫差的換熱器，U形管是其主要的受壓元件，因此對U形管有許多的特殊要求：a) GB151-

9、99規(guī)定最小彎管半徑應(yīng)不小于2倍的換熱管外徑，并給出了Rmin的具體值，當(dāng)Rmin比上述規(guī)定小而又能保證橢圓度要求時(shí)，是可以使用的。b) 彎管后U形管段外側(cè)會減薄，因此為了使減薄處的壁厚不小于直管段的計(jì)算壁厚，就必須按GB151-99標(biāo)準(zhǔn)中第.2條式（13）計(jì)算彎管前的換熱管最小壁厚。c) 當(dāng)U形管內(nèi)流速成過高或有腐蝕時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加厚彎管半徑較小的U形管的壁厚。d) 當(dāng)有應(yīng)力腐蝕時(shí)，冷彎U形管的彎管段及至少包括150mm的直管段應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，對奧氏體鋼換熱管，在有應(yīng)力腐蝕傾向且變形率超過15%時(shí)，應(yīng)提出彎管后進(jìn)行固溶處理要求。e) 低溫條件下的換熱管，冷彎的彎曲半徑小于10倍的管子外徑時(shí)

10、，彎后應(yīng)作消除應(yīng)力熱處理。f) U形管的靠近彎管起支撐作用的折流板，如超過GB151-99中表42中的最大無支撐跨距，應(yīng)加特殊支撐。支撐形式設(shè)計(jì)者可根據(jù)布管情況自行確定。8換熱器管箱的熱處理設(shè)計(jì)時(shí)常有兩種傾向：一種是管箱不做熱處理，另一種是管箱要進(jìn)行熱處理，是否進(jìn)行熱處理，要視以下具體情況而定：a) 碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱及管箱的側(cè)向開孔超過圓筒體內(nèi)徑的三分之一，應(yīng)在施焊后做消除應(yīng)力的熱處理。b) 奧氏體不銹鋼的管箱，一般不做焊后消除應(yīng)力熱處理，當(dāng)有較高抗腐蝕要求或在高溫下使用時(shí)，可按供需雙方商定的方法進(jìn)行熱處理。結(jié)束語換熱器的應(yīng)用較為廣泛，設(shè)計(jì)是設(shè)備安全使用的第一道重要關(guān)口，設(shè)計(jì)者只有真正的掌握標(biāo)準(zhǔn)，理解應(yīng)用的相關(guān)軟件具體輸入值的含義、了解相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，才能設(shè)計(jì)出合格產(chǎn)品來滿足