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(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)，擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)。2 . 范圍：GB151-201X熱交換器規(guī)定公稱(chēng)直徑范圍（DNv4000mm ,原為2600mm 公稱(chēng)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(jì)算公式推導(dǎo)過(guò)程的許多簡(jiǎn)化假定不 符合。也給制造帶來(lái)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(yǔ)和定義2.1 公稱(chēng)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(chēng)直徑。2.1.2 鋼管制圓筒以鋼管外徑（mm ）作為換熱器的公稱(chēng)直徑。2.2 公稱(chēng)長(zhǎng)度LN以換熱管的長(zhǎng)度（m ）作為換熱器的公稱(chēng)長(zhǎng)度，換熱管為直管時(shí)，取直管長(zhǎng)度；換熱管為U形管時(shí)，取U 形管的直管段長(zhǎng)度。2.3 換熱面積A2.3.1 計(jì)算換熱面積換熱面積是以換熱管外徑為基準(zhǔn)，以二管板內(nèi)側(cè)的換熱管長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算換熱面積，計(jì)算得到的管束外表面積 （m2）；對(duì)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(jì)入換熱面積時(shí)，則應(yīng) 使U形端的殼體進(jìn)（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(chēng)換熱面積公稱(chēng)換熱面積是將計(jì)算面積經(jīng)圓整后的換熱面積（m2）,一般取整數(shù)。4 .工藝計(jì)算（新增加）4.1 設(shè)計(jì)條件（用戶(hù)或設(shè)計(jì)委托方應(yīng)以正式書(shū)面形式向設(shè)計(jì)單位提出工藝設(shè)計(jì)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(fù)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(mǎn)足傳熱、安全可靠性及能效要求；4.2.2 考慮經(jīng)濟(jì)性，合理選材；4

4、.2.3 滿(mǎn)足熱交換器安裝、操作、維修等要求。4.3 計(jì)算熱交換器工藝計(jì)算時(shí)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，提高換熱效率，滿(mǎn)足工藝設(shè)計(jì)條件要求。需要時(shí)管殼式熱交換器還應(yīng)考慮 流體誘發(fā)振動(dòng)。5 .設(shè)計(jì)參數(shù)5.1 壓力5.1.1 壓差設(shè)計(jì)同時(shí)受管、殼程壓力作用的元件，當(dāng)能保證制造、開(kāi)停工、及維修時(shí)都能達(dá)到按規(guī)定壓差進(jìn)行管、殼程同時(shí) 升、降壓和裝有安全裝置時(shí)，方可按元件承受的壓差設(shè)計(jì)。5.1.2 真空設(shè)計(jì)真空側(cè)的設(shè)計(jì)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(shí)，其設(shè)計(jì)壓力應(yīng) 為兩側(cè)設(shè)計(jì)壓力之和，即為最苛刻的壓力組合。5.1.3 試驗(yàn)壓力試驗(yàn)壓力pT=1.25o/ot，當(dāng)容器元件所用材料不同時(shí)，

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?xún)?nèi)壓進(jìn)行壓力試驗(yàn)。1）當(dāng)pt<ps時(shí)，各程分別按上述辦法試壓。當(dāng)pt （或ps）為真空時(shí)，則Ps + 0.1（或Pt + 0.1）再乘以規(guī) 定值。2）當(dāng)pt>ps時(shí)，殼程試驗(yàn)壓力按管程試驗(yàn)壓力。5.2 溫度5.2.1 設(shè)計(jì)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(jì)壓力一起 作為設(shè)計(jì)載荷條件，設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)下可能達(dá)到的最高溫度，對(duì)于0以下的金屬溫度， 設(shè)計(jì)溫度不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。管程設(shè)計(jì)溫度是指管程的管箱設(shè)計(jì)溫度。非換熱管的設(shè)計(jì)溫度。加廠(chǎng)二對(duì)于

6、同時(shí)受兩程溫度作用的元件可按金屬溫度確定設(shè)計(jì)溫度，也可取較高側(cè)設(shè)計(jì)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(jì)算求得1）換熱管壁溫tt熱流體熱量通過(guò)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(jì)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(lèi)換熱器上測(cè)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(fù)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(duì)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(shí)，可采用不同的腐蝕裕量，（表1）。腐蝕率無(wú)腐蝕輕微腐蝕有腐蝕嚴(yán)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(shí)，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(kāi)槽時(shí)：當(dāng)腐蝕裕量大于槽深時(shí)，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(shí)也要考慮。7 .焊接接頭分類(lèi)（增加）與焊接接頭系數(shù)。對(duì)于換熱管與管板連接的內(nèi)孔焊，進(jìn)行100%射線(xiàn)檢測(cè)時(shí)焊接接頭系數(shù)3=1.0 ,局部射線(xiàn)檢測(cè)時(shí)焊接接頭系 數(shù)3=0.85，不進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)時(shí)焊接接頭系娜=0.6。8 .泄露試驗(yàn)泄露試驗(yàn)的種類(lèi)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(jìn)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(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5 > 60mm時(shí)，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(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 （厚度方向性能管板）中的Z35級(jí)，并在設(shè)計(jì)文件上提出附件檢驗(yàn)要求。3 ）采用鋼板作管板和平蓋時(shí)，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(shí)，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(yàn)、最終檢驗(yàn)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(jì)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(qiáng)度焊 時(shí)，有充分的能力來(lái)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(jiàn)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(cuò)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(jí)要求見(jiàn)表2。標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度之210MPa1級(jí)，結(jié)合率100%剪切強(qiáng)度之210MPa3級(jí)，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(qiáng)度之210MPa1級(jí)

11、，結(jié)合率100%剪切強(qiáng)度之210MPa3級(jí)，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(qiáng)度2140MPa1級(jí)，結(jié)合率100%剪切強(qiáng)度2140MPa3級(jí)，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(qiáng)度2100MPa1級(jí)，結(jié)合率100%剪切強(qiáng)度2100MPa3級(jí)，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(píng)價(jià)堆焊復(fù)合：其覆層完全可計(jì)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(qiáng)度焊時(shí)，有充 分的能力來(lái)承受換熱管的軸向剪切載荷。爆炸復(fù)合：采用

12、標(biāo)準(zhǔn)中1級(jí)的復(fù)合鋼板時(shí)，覆層是否計(jì)入管板有效厚度由設(shè)計(jì)者自行決定(鈦、銅覆層不能 計(jì)入管板有效厚度內(nèi))，但管板覆層與換熱管的強(qiáng)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(jì)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(hào)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(jì)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(jì)參數(shù)：P<35MPa , t<315,鈦一鋼復(fù)合板t<350;(2 )密度小(4510kg/m3)，強(qiáng)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(duì)鈦污染后會(huì)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(rùn)性，特別適用于冷凝；9.3.5 具有強(qiáng)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(hù)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(shí)，應(yīng)在退火狀態(tài)下使用。9.3.6 鎳和鎳合金(1)設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)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(wú)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(jí)、口級(jí)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(guó)外無(wú)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(jìn)行渦流檢測(cè)，對(duì)比樣管人工缺陷應(yīng)符合GB/T 7735中驗(yàn)收等級(jí)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(qiáng)化傳熱管實(shí)踐證明在蒸發(fā)、冷凝、冷卻及無(wú)相變傳熱過(guò)程中，采用適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化傳熱管，將會(huì)起到顯著的強(qiáng)化傳熱的效 果，但如果選擇不當(dāng)，反而會(huì)適得其反。一般的強(qiáng)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(wú)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：?jiǎn)蚊婊螂p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(duì)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(jí)的冷拔或冷軋鋼管，同時(shí)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(jí)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(jì)為I級(jí)管束管板管孔直徑允許 偏差應(yīng)均按I級(jí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。2）非合金鋼和合金鋼無(wú)縫換熱管訂貨技術(shù)條件例約定項(xiàng)目中晶間腐蝕試驗(yàn)，若介質(zhì)易產(chǎn)生晶間腐蝕，鋼管的材料要求，在設(shè)計(jì)文件中必須明確要求鋼管在 出廠(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)必須通過(guò)晶間腐蝕檢驗(yàn)。3）無(wú)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(wú)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(shí)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(chǎng)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(jià)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(lái)抗硫化氫酸性腐蝕。該方法造價(jià)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(lèi)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(lèi)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(chǎng)合：1 ）管、殼程金屬溫差不是很大，而壓力較高的場(chǎng)合。當(dāng)管、殼程金屬溫差較大時(shí)，壓力就不能太高，因?yàn)?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(wú)法機(jī)械清洗，因此要求殼程介質(zhì)干凈；或雖會(huì)結(jié)垢，但通過(guò)化學(xué)清而能去

20、除的場(chǎng)合。（1）優(yōu)點(diǎn)：1 ）其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn): 1）不適用于換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差很大的場(chǎng)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(bào)廢，殼體部件壽命決定于管子壽命，故設(shè)備壽命相對(duì)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(chǎng)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(wú)法滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合。（1）優(yōu)點(diǎn):1）U形換熱管尾端的自由浮動(dòng)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(jiǎn)單而且泄漏點(diǎn)少，造價(jià)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(yán)重的場(chǎng)合。（2）缺點(diǎn):1 ）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，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(chǎng)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(shí)，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?yàn)闊o(wú)支撐的跨度較大，宜導(dǎo)致流體誘發(fā)振動(dòng)問(wèn)題。9）有應(yīng)力腐蝕要求時(shí)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(dòng)，故無(wú)需考慮溫差應(yīng)力，管、殼程金屬壁溫差很大場(chǎng)合。（1）優(yōu)點(diǎn):文檔早鼻愛(ài)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(yán)重的場(chǎng)合。5 ）可用于管程腐蝕場(chǎng)合。（2）缺點(diǎn)：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(shí)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(yàn)時(shí)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(dòng)。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(jiǎn)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(yán)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(guò)高，一般用于p<2.0MPa場(chǎng)合。5.4.2 2滑動(dòng)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(huì)產(chǎn)生串流現(xiàn)象，不適用管殼程介質(zhì)不 允許混合的場(chǎng)合。5.4.2.2 2雙填料函式換熱器（圖8）該結(jié)構(gòu)以?xún)?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(diǎn)：圖81）適用于塔底重沸器、側(cè)線(xiàn)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(chǎng)合。5 ）總傳熱系數(shù)提高40%以上。6 ）汽化率較高的場(chǎng)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(chǎng)合。8 ）抗腐蝕性能良好。51偏心錐殼2堰板3液面計(jì)接口（2）缺點(diǎn):1）在重油設(shè)備上，如渣油、原油設(shè)備無(wú)應(yīng)用歷史。2）不適用于有濕硫化氫場(chǎng)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(shí)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。但制造困難；設(shè)計(jì)要求高。1）防腐蝕：管程和殼程二介質(zhì)相混合后會(huì)引起嚴(yán)重腐蝕。2）勞動(dòng)保護(hù)：一程為劇毒介質(zhì)，滲入另一程會(huì)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(shù)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(guó)）：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(biāo)準(zhǔn)）：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(jì)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(jì)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(jì)溫度范圍0300;換熱管與殼體平均壁溫差不超過(guò)30;3 ）直徑范圍：殼體內(nèi)徑不大于1200mm ;4 ）換熱管長(zhǎng)度：不超過(guò)6000mm。5 ）換熱管應(yīng)采用光管，且與殼體材料的線(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)中

29、選用“角焊式"和"貼面式”兩種結(jié)構(gòu)。薄管板的計(jì)算以換熱管與殼體對(duì)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(shí)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(shí)，管板將塑性變形，不能達(dá)到強(qiáng)度和密封性的要求。同時(shí)要求管板不兼作法蘭，因 薄管板承受不了法蘭傳過(guò)來(lái)的彎矩。因此采用薄管板必須滿(mǎn)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(kāi)在薄管板上，因管板的強(qiáng)度計(jì)算厚度較小

30、，開(kāi)槽后 強(qiáng)度也是足夠的。但角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院研制）的結(jié)構(gòu)，因薄管板的焊接形式不同，多程時(shí)需焊上用以開(kāi) 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(diǎn)，現(xiàn)分析如下。1）受力和強(qiáng)度方面從管板強(qiáng)度來(lái)看，角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)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(kāi) 法蘭，減少法蘭力矩對(duì)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(shí)，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(jì)院研制）研制的結(jié)構(gòu)中的e 值可由設(shè)計(jì)者自由選擇，就顯得有較大的靈活性。但e值不能選擇過(guò)大，過(guò)大增加筒體長(zhǎng)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(guó)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(lái)考慮，前蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu)無(wú)任何優(yōu)點(diǎn)，而德國(guó)的結(jié)構(gòu)和角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院研制）研制的 結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)管程介質(zhì)為腐蝕性介質(zhì)時(shí)，選用德國(guó)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(shí)，選用角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院研制）研制結(jié)構(gòu)較

32、好，這時(shí) 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(jì)院研制結(jié)構(gòu)較好，因選用該結(jié)構(gòu)時(shí)，可選用帶襯環(huán)法蘭，以達(dá)到防腐蝕要求。而前蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu)無(wú)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(jiàn)圖15a ）和口型管板與殼體（管箱）的連接（見(jiàn)圖15b工 文檔圖15撓性管板換熱器適用范圍：1)管程設(shè)計(jì)壓力不大于1.0MPa，殼程設(shè)計(jì)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(jì)壓力小于或

33、等于0.6MPa ;(2 ) 口型用于管程設(shè)計(jì)壓力小于或等于1.0MPa。2 )殼體直徑與換熱管長(zhǎng)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(chǎng)纏管一(c)現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)而生。此類(lèi)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(jì)壓力不大于4.0MPa ;(2 )設(shè)計(jì)溫度不大于300;(3 )公稱(chēng)直徑不大于2000mm ;(4 )公稱(chēng)直徑不大于與設(shè)計(jì)壓力

34、的乘積不大于4000。2）不適用的場(chǎng)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(chǎng)合。11.熱交換器類(lèi)別的劃分根據(jù)管程和殼程的工作（設(shè)計(jì)）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(lèi) 別，按容器類(lèi)別高的作為該臺(tái)換熱器的容器類(lèi)別。但應(yīng)當(dāng)按照管程和殼程各自類(lèi)別分別提出設(shè)計(jì)，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(shí)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(shuō)問(wèn)

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(shí), 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(jì)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(kāi)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(kāi)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(jìn)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(chǎng)合不同，殼程內(nèi)各種元件的 設(shè)置亦不同，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(lèi)。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(duì)換熱管，沖刷換熱管外表面，傳熱上稱(chēng)為錯(cuò)列，介質(zhì)流動(dòng)時(shí)形成湍流，對(duì)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(chēng)為直列，介質(zhì)流動(dòng)時(shí)有一部分是層流，對(duì)傳熱有不利影響。對(duì)有相變的換熱器，宜采用轉(zhuǎn)角三角形排列，因?yàn)榕P式冷凝器的折流板的缺口邊是左、右布置，氣體流動(dòng)方向與冷凝液流動(dòng)方向是垂直的（圖20）,當(dāng)冷凝液向下流動(dòng)是，氣體對(duì)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(duì)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(chēng)為直列，介質(zhì)流動(dòng)是層流，對(duì)傳熱有不利影響。13.2.2 轉(zhuǎn)角正方形排列介質(zhì)流動(dòng)時(shí)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(duì)換熱管，沖刷換熱管外表面，傳熱上稱(chēng)為錯(cuò)列，對(duì)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(guò)6圈就較三角形排列少。13.4 布管設(shè)計(jì)換熱器經(jīng)化工工藝專(zhuān)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(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行施工圖布管設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，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(jiàn)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(xiàn)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(shí)有足夠強(qiáng)度和便于焊接。換熱管外需要清洗時(shí)，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(shí)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(lái)增加換熱面積時(shí)，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(duì)誤差（AN ）應(yīng)控制在10%以?xún)?nèi)，最大不得超過(guò)20%。AN引 Ncp-Nmin（max）殘尸

41、1。（ 2）;2 ）分程隔板槽形狀簡(jiǎn)單以利加工，密封面長(zhǎng)度較短，減少泄漏。=二'3 ）程與程之間的溫度相差不易過(guò)多，一般溫差不超過(guò)10（ 50下）。4 4.2殼程分程分程目的同上，不同的是一個(gè)保持殼程流速。殼程一般只分二程。/、15.管板V " /15.1 管板計(jì)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(qiáng)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(guó)設(shè)計(jì)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(lái)考慮（圖29）。ViX由于影響管板強(qiáng)度的因數(shù)很多，因此正確地進(jìn)行管板強(qiáng)度分析是較困難、較復(fù)雜，所以各國(guó)對(duì)管板厚

42、度計(jì)算 公式都對(duì)管板作一定地簡(jiǎn)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(jì)算方 法的力學(xué)模型見(jiàn)圖30。圖2815.1.1 各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于管板均不同程度地考慮了以下因素：1）把實(shí)際的管板簡(jiǎn)化為受到規(guī)則排列的管孔削弱、同時(shí)又被管子加強(qiáng)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(guó)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(jiǎn)化為圓環(huán)形實(shí)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(tái) 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(duì)于管板邊緣的

43、實(shí)際彈性約束條件進(jìn)行 計(jì)算。圖294）考慮法蘭力矩對(duì)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(diǎn)溫度差所引起的溫度應(yīng)力。6）計(jì)算由帶換熱管的多孔板折算為等效實(shí)心板的各種等效彈 性常數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)。15.1.2 GB151管板計(jì)算的理論基礎(chǔ)力學(xué)模型是將管板近似地視為軸對(duì)稱(chēng)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)換熱管對(duì)管板的支承作用可以認(rèn)為是 均勻連續(xù)的，管板承受的載荷也認(rèn)為是均勻分布的。管束對(duì)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(duì)管板轉(zhuǎn)角又約束作用，對(duì)實(shí)際參數(shù)的分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)管束對(duì)管板轉(zhuǎn)角的約束作用對(duì)管板強(qiáng)度的影 響是很小的，完全可以忽略不計(jì)，因此本規(guī)范不考慮管束對(duì)管板轉(zhuǎn)角的約束作用，只考慮管束對(duì)管板撓度的約束作用，對(duì)于固定管板換熱器的管板，以管 子加強(qiáng)系數(shù)K表示。開(kāi)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(zhǎng)度的變形（伸長(zhǎng)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(qiáng)系數(shù)K，代入D ,N表達(dá)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(qiáng)弱相對(duì)于管板自身抗彎剛度的大小，即管束對(duì)管板承載能力的加強(qiáng)作用，這是表 征管束對(duì)管板加強(qiáng)作用的一個(gè)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(qiáng)作用很小，即K值很小，此時(shí)管板的撓度與彎矩等分布情況于無(wú)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(qiáng)系數(shù)K，同時(shí)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(jiǎn)支時(shí)，Mr =0 ,則m=0 ;當(dāng)管板周邊為固支時(shí)，其管板邊緣轉(zhuǎn)角pR=0，由此可求得某一特 定的m值（表達(dá)式從略）；當(dāng)管板周邊僅承受彎矩的作用，即VR =0時(shí)，則m=8。在一定的邊界支承條件下，當(dāng)K值逐漸增大時(shí)，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(shí)，則衰減越快，波數(shù)越多。在K值增大過(guò)程中，當(dāng)經(jīng)過(guò)某一確定的分界K值時(shí)，分布曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)新的 波，同時(shí)在板中心處，曲線(xiàn)從上凹（或下凹）轉(zhuǎn)變?yōu)橄掳迹ɑ蛏习迹?，求解分布曲線(xiàn)的的導(dǎo)數(shù)方程，即可得到曲 線(xiàn)波數(shù)增加的K分界值。以管板周邊簡(jiǎn)支情況為例，隨著管子加強(qiáng)系

47、數(shù)K的增大，其徑向彎矩分布曲線(xiàn)和出現(xiàn)新波時(shí)的分界K2,6.14值如圖31示意，同時(shí)可看出，徑向的極值也隨著長(zhǎng)值增大而遠(yuǎn)離管板中心移向周邊。對(duì)于周邊固支的彈性基礎(chǔ)板，隨長(zhǎng)值的變化，其徑向彎矩分布具有相類(lèi)似的變化趨勢(shì)，同樣見(jiàn)圖31。與簡(jiǎn)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(gè)徑向彎矩的極值點(diǎn)則隨K增大遠(yuǎn)離板中心移向周邊。對(duì)于浮頭式、填函式換熱器管板，管束模數(shù)長(zhǎng)與固定管板的彈性基礎(chǔ)系數(shù)N類(lèi)似，同樣反映了管束作為彈性./w”基礎(chǔ)對(duì)管板的加強(qiáng)作用。.”.：G17.193迨辿節(jié).主周露肝支2)管孔對(duì)管板的削弱作用管板上是密布著分散的管孔，因此管孔對(duì)管板有削弱作用

48、。管孔對(duì)管板的削弱作用有兩個(gè)方面：對(duì)管板整體削弱作用，使管板整體的剛度與強(qiáng)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(kāi)孔對(duì)管板整體的削弱作，計(jì)算平均的當(dāng)量應(yīng)力，作為基本的設(shè)計(jì)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(lái)考慮。對(duì)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(jì)中要考 慮。管孔對(duì)管板有削弱作用，但也考慮管壁的加強(qiáng)作用，故用剛度削弱系數(shù)。和強(qiáng)度削弱系數(shù)也 根據(jù)彈性理論 分析、實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)系數(shù)計(jì)算是假定圓筒直徑范圍內(nèi)全部均勻的布管。實(shí)際上，在通常情況下管板周邊

49、部份 都存在著一個(gè)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(gè)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(duì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)限 定該計(jì)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(wú)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(jì)算布管區(qū)面積時(shí)，都是假定在布管區(qū)范圍內(nèi)，均勻的布滿(mǎn)著管子。

50、假設(shè)有n根換熱管，管間距為S，對(duì)于管孔為三角形排列的布管，每根管子對(duì)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(duì)于管孔為正方形排列的布管，每根 2管子對(duì)管板的支承作用面積則是以管孔圓心為中心，以S為邊長(zhǎng)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(lái)所包圍的區(qū)域包括最外圈管子本身的支承作用面 積。對(duì)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(duì)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(shí)，其橫截面的形狀不變，而只有繞環(huán)截面重心的轉(zhuǎn)動(dòng)與徑

51、向位移。由于這種轉(zhuǎn)動(dòng)與徑向 位移造成法蘭與管板中心面連接點(diǎn)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(shí)，考慮了法蘭力矩的作用對(duì)管板應(yīng)力的影響。為了保證密封，對(duì)于其延長(zhǎng)部分兼作法 蘭的管板，規(guī)定尚需校核法蘭應(yīng)力。此時(shí)在計(jì)算法蘭力矩時(shí)，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(qiáng)度計(jì)算，目前國(guó)外

52、主要的設(shè)計(jì)規(guī)范有四個(gè)：美國(guó) TEMA方法和ASME方法、英國(guó)BS方法及西德AD方法。但由于上述各種計(jì)算方 法，都對(duì)分析前提作了較多的簡(jiǎn)化，因此都不能說(shuō)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(guó)管板計(jì)算規(guī)范，即GB151中管板計(jì)算方法即是這類(lèi)方法。我國(guó)管板計(jì)算方法的力學(xué)模型見(jiàn)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(xì)線(xiàn)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(rèn)為兩者可各自自由變形。Pt可對(duì)圓筒（包括封頭等，可稱(chēng)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(shí)，使圓筒軸向伸長(zhǎng)，其上與管板上表面的連接點(diǎn)a將向上發(fā)生軸向移位。同時(shí)，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(diǎn)在軸向位移的同時(shí)還有徑向位移，設(shè)其最終位移至 a'（見(jiàn)圖32中虛線(xiàn)）。Pt對(duì)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(lái)承受，使管束受到軸向壓縮

54、而縮短。同時(shí)，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(jìn)一步縮短，從而帶動(dòng)管板向下移動(dòng)。設(shè)管板邊緣的a , b點(diǎn)位移至a " , b "（見(jiàn)圖32中虛線(xiàn)）。圖33 可稱(chēng)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(jiàn)圖32 ）。其三者變形之和A1+A2+A3滿(mǎn)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(shí)線(xiàn)所示。由于管板在發(fā)生撓度時(shí)，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(jiàn)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(shí)，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(xiàn)所示）。實(shí)際管板的變形即為上述兩種的組合。但必須強(qiáng)調(diào)指出的是以上兩種變形中（同時(shí)對(duì)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(duì)是很小的，這已為眾多的理論分析和試驗(yàn)應(yīng)力分析所 證實(shí)。GB151熱交換器中的管板計(jì)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(shí)驗(yàn)表明，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得應(yīng)力吻合良好，是一種合理的計(jì)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(xì)實(shí)線(xiàn)所示，其載荷為ps。類(lèi)似pt作用