管殼式換熱器工程設(shè)計(jì)中常見問題分析課件

管殼式熱交換器設(shè)計(jì)常見問題淺析張春燕二O一五年五月管殼式熱交換器是工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器，而設(shè)計(jì)是其質(zhì)量保證的首要環(huán)節(jié)，故提高換熱器的設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)于行業(yè)發(fā)展來說至關(guān)重要。針對(duì)管殼式熱交換器設(shè)計(jì)過程中，以下五個(gè)方面的常見問題及注意事項(xiàng)，在此與在座各位同仁進(jìn)行交流和探討。

一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn)二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定三、管殼式換熱器材料選取四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算主要內(nèi)容●固定管板式換熱器

固定管板式換熱器的型式見下圖：

固定管板式換熱器的主要特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、沒有殼程密封的問題，而且往往是管板兼作法蘭。其適用于：

a)管、殼程溫差較大，但壓力不高的場(chǎng)合(因?yàn)闇夭畲螅优蛎浌?jié)，而膨脹節(jié)耐壓能力差，GB16749《壓力容器波形膨脹節(jié)》中規(guī)定設(shè)計(jì)壓力不大于6.4MPa）；

b)管、殼程溫差不大，而壓力較高的場(chǎng)合；

c)殼程無法機(jī)械清洗，故要求殼程介質(zhì)干凈；或雖會(huì)結(jié)垢，但通過化學(xué)清而能去除的場(chǎng)合；

d)布管多，鍛件少，一次性投資低；但不可更換管束，整臺(tái)設(shè)備往往由換熱管損壞而更換，故設(shè)備運(yùn)行周期短。一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn)由于固定管板式換熱器的換熱管、管板和殼體焊在一起,故換熱管與殼體間的金屬壁溫差（實(shí)際是管、殼間的熱膨脹差）引起的溫差應(yīng)力是其致命的弱點(diǎn),也是設(shè)計(jì)中的控制因素。

因?yàn)樵诠潭ü馨鍝Q熱器的管板計(jì)算中，按有溫差的各種工況校核以下應(yīng)力和力:

①殼體軸向應(yīng)力σc,

②換熱管軸向應(yīng)力σt,

③換熱管與管板之間連接拉脫力q

三項(xiàng)中有一項(xiàng)不能滿足強(qiáng)度條件時(shí),就需設(shè)置膨脹節(jié)。

一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn)●浮頭式換熱器浮頭式換熱器的型式見下圖：

浮頭式換熱器的主要特點(diǎn)如下：

a)可抽式管束，當(dāng)換熱管為正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列時(shí)，管束可抽出進(jìn)行管間機(jī)械清洗，適用于殼程易結(jié)焦及堵塞的工況；

b)一端管板夾持，一端內(nèi)浮頭型式可自由浮動(dòng)，故無需考慮溫差應(yīng)力，可用于大溫差的場(chǎng)合；

c)浮頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響排管數(shù)，加之處于殼程介質(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；

d)壓力試驗(yàn)時(shí)的試壓胎具復(fù)雜。浮頭式換熱器使用壓力和溫度的限制：用于煉油行業(yè)中較多，其內(nèi)浮頭結(jié)構(gòu)限制了使用壓力和溫度,故一般情況其使用限制為Pmax≤6.4

MPa;

Tmax≤400℃。一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn)●U形管式換熱器

U形管式換熱器的型式見下圖：

它是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(diǎn)如下：

a）以U形換熱管尾端的自由浮動(dòng)解決溫差應(yīng)力，可用于高溫差；b）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；

c）可以進(jìn)行抽芯清洗（管程走清潔流體），便于清洗換熱管外壁；

d）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。

e）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。

f）換熱管泄漏時(shí)，除外圈U形管外，不能更換，只能堵管。

一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn)●釜式重沸器

釜式重沸器的型式見下圖：釜式重沸器的管程采用U形或浮頭管束（管頭試壓時(shí)，要另配試壓殼體），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(zhì)加熱殼程介質(zhì)，故管程的溫度和壓力比殼體的高，但設(shè)計(jì)壓力一般不大于6.4Mpa。適用于：

a)管、殼程溫差大的場(chǎng)合；

b)一般管程壓力比殼程高，可采用T翅或表面多孔強(qiáng)化傳熱管。一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn)●填料函式換熱器

填料函式換熱器的型式見下圖：填料函式換熱器是另一種浮頭式換熱器，它的浮動(dòng)端采用填料密封浮動(dòng)管板（裙）可在填料函內(nèi)填料的壓力下，自由滑動(dòng)，以補(bǔ)償換熱管與殼體的膨脹差量。

這類結(jié)構(gòu)直徑不能太大，壓力一般不高于2.5

MPa，且不能用于貴重介質(zhì)及危害介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)危害不是太大時(shí)，也可以采用雙填函密封加以彌補(bǔ)，之所以有使用是因其解決溫差應(yīng)力的成本較低。

一、不同結(jié)構(gòu)型式換熱器特點(diǎn)1、設(shè)計(jì)條件2、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度3、腐蝕裕量4、焊接接頭系數(shù)5、設(shè)計(jì)壽命6、試驗(yàn)壓力7、類別劃分二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定1、設(shè)計(jì)條件

管殼式熱交換器的設(shè)計(jì)過程：工藝計(jì)算—設(shè)備選型—機(jī)械設(shè)計(jì)（材料選擇、強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等）。A、工藝設(shè)計(jì)條件

工藝設(shè)計(jì)在換熱器中占有主導(dǎo)地位，工藝設(shè)計(jì)條件至少包含以下內(nèi)容：

1、操作數(shù)據(jù)，包括介質(zhì)、流量、溫度、壓力、熱負(fù)荷等；

2、物性數(shù)據(jù)，包括密度、比熱、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等；

3、允許阻力降；

4、其他：如操作彈性、工況、安裝要求（幾何尺寸、管口方位）等；

GB/T151-2014給出了管殼式熱交換器數(shù)據(jù)表（表B.1）P116。設(shè)計(jì)條件應(yīng)由委托方以正式書面形式提出，并應(yīng)有條件提出方的簽署。二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定

B、機(jī)械設(shè)計(jì)條件

經(jīng)工藝專業(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、管殼程數(shù)、折流板形式/塊數(shù)/缺口布置及切割比例等，交由機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)完成其詳細(xì)設(shè)計(jì)。故機(jī)械設(shè)計(jì)是為了保證實(shí)現(xiàn)工藝計(jì)算中的傳熱和壓降的一種手段。機(jī)械設(shè)計(jì)條件至少包含以下內(nèi)容：

1）設(shè)計(jì)所依據(jù)的主要標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；2）操作參數(shù)（包括工作壓力、工作溫度范圍、液位高度、接管載荷以及疲勞工況等）；3）使用地及其自然條件（包括環(huán)境溫度、抗震設(shè)防烈度、風(fēng)和雪載荷等）；4）介質(zhì)組分與特性；5）預(yù)期使用年限；6）幾何參數(shù)和管口方位；

7）鋼制管束等級(jí)；8）設(shè)計(jì)需要的其他必要條件（如管道外推力等）。

參照GB/T151-2014附錄B中B3.4結(jié)構(gòu)參數(shù)（P115）二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定注意：固定管板式換熱器的計(jì)算，在SW6程序中需要輸入沿筒體長度平均溫差和換熱管沿長度平均溫差，這兩項(xiàng)為金屬壁溫。設(shè)計(jì)院做工藝計(jì)算時(shí)會(huì)有很詳細(xì)的計(jì)算過程，這兩個(gè)數(shù)據(jù)并不難得到，但對(duì)于一般的制造廠，并不具備工藝計(jì)算的能力，所以，我們常采用GB/T151附錄B中給出的金屬壁溫計(jì)算方法。

但采用該方法時(shí)，需要管殼程兩側(cè)流體相關(guān)的物性參數(shù)，如對(duì)流傳熱系數(shù)，污垢系數(shù)等數(shù)據(jù)，但往往因用戶提供的數(shù)據(jù)有限，用公式計(jì)算會(huì)遇到很大的麻煩。

在工程上我們采用取平均值的方法來估算金屬壁溫：

1沿筒體長度平均溫差：考慮有無保溫層，若有，取殼程介質(zhì)進(jìn)/出口溫度的平均值，若無，取殼程介質(zhì)進(jìn)口溫度、出口溫度及環(huán)境溫度三者的平均值2換熱管沿長度平均溫差等于管程介質(zhì)進(jìn)/出口溫度的平均值

二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定GB/T151-2104附錄BP120：

二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定

2、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度

1）熱交換器為多腔容器，其設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度的確定：

按“各管各”原則，即分別按各自最苛刻的工作壓力、工作溫度確定其設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度。

2）各受壓元件的計(jì)算壓力的確定：在各自的設(shè)計(jì)壓力基礎(chǔ)上確定。殼程主要受壓元件如筒體的計(jì)算壓力數(shù)值上取殼程設(shè)計(jì)壓力，管程主要受壓元件如管箱筒體、封頭/平蓋的計(jì)算壓力數(shù)值上取管程設(shè)計(jì)壓力。

但立式換熱器或直徑較大的換熱器的計(jì)算壓力應(yīng)考慮液柱（指操作介質(zhì)而不是水壓試驗(yàn)的介質(zhì)）靜壓力（當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略）。

二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定

3）管殼程的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)分別為殼程殼體、管箱殼體的設(shè)計(jì)溫度（選取材料的依據(jù)）。換熱器涉及管殼程進(jìn)出口介質(zhì)4個(gè)溫度，這4個(gè)溫度是確定管殼程設(shè)計(jì)溫度和各受壓元件設(shè)計(jì)溫度的依據(jù)。

對(duì)于介質(zhì)溫度高于0℃者，常用管殼程進(jìn)出口介質(zhì)溫度中較大值作為設(shè)計(jì)溫度，對(duì)于介質(zhì)溫度低于0℃者，常用管殼程進(jìn)出口介質(zhì)溫度中較小值作為設(shè)計(jì)溫度。

4）兩側(cè)受壓的元件，如管板的計(jì)算壓力的確定，要考慮6種工況，詳見管板計(jì)算；其設(shè)計(jì)溫度應(yīng)按其金屬溫度確定。工程上，常按溫度較惡劣一側(cè)介質(zhì)溫度確定。

5）對(duì)于類似U形管式換熱器管板兩側(cè)成對(duì)法蘭的設(shè)計(jì)，由于兩側(cè)的壓力和溫度及所用墊片可能不同，因此在螺栓的設(shè)計(jì)中應(yīng)兼顧兩側(cè)的條件，要求以較大的螺栓載荷和較高的設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)，且對(duì)法蘭設(shè)計(jì)力矩應(yīng)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。（GB150.3-2011P194注）

二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定6）介質(zhì)為飽和蒸汽時(shí)，壓力-溫度要相對(duì)應(yīng)。注：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。各種工況：正常操作工況、開停車工況、水壓試驗(yàn)工況。其中開車和停車，對(duì)換熱器是有專門規(guī)定的。如開車時(shí)要求用溫度較低的介質(zhì)對(duì)管殼程進(jìn)行熱循環(huán)，停車時(shí)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(shè)計(jì)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。(一個(gè)設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)管板計(jì)算的6中工況，此工況非彼工況，不是一個(gè)概念)

GB/T151-2014P111中：二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定

3、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(yīng)考慮腐蝕裕量。

a.兩面應(yīng)考慮腐蝕裕量：管板、浮頭法蘭、球冠形封頭、分程隔板。

b.殼體內(nèi)表面應(yīng)考慮腐蝕裕量：管箱平蓋、凸形封頭、管箱/殼體。

c.設(shè)備法蘭、管法蘭內(nèi)徑面應(yīng)考慮腐蝕裕量。（計(jì)算時(shí)應(yīng)注意大小端厚度減去腐蝕裕量，但常常帶來結(jié)果不合格。處理：選用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備法蘭可不計(jì)算，但需要保留基本計(jì)算數(shù)據(jù)，如：螺柱材質(zhì)、規(guī)格及數(shù)量，墊片材質(zhì)等）

d.換熱管、鉤圈、浮頭螺栓、縱向隔板一般不考慮腐蝕裕量。TEMA標(biāo)準(zhǔn)關(guān)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(gè)非受壓件，且是可拆卸件，按TEMA規(guī)定，對(duì)其不考慮腐蝕裕量是合理的。

拉桿、定距管、折流板和支持板等非受壓件，一般不考慮腐蝕裕量。二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定3、焊接接頭系數(shù)：

a）GB/T151的焊接接頭系數(shù)取自GB150；

b）GB/T151-2014中4.6.4P9：“對(duì)于無法進(jìn)行無損檢測(cè)的固定管板換熱器殼程圓筒的環(huán)向接頭，當(dāng)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，其焊接接頭系數(shù)取φ=0.6”（注意這是B類焊接接頭—不能作為筒體壁厚計(jì)算用）。

其原因?yàn)椋骸ˇ?0.6是為了在計(jì)算固定管板換熱器殼程圓筒軸向應(yīng)力σc時(shí)，確定φ［σ］c和tc3值用；(由換熱管與殼程筒體產(chǎn)生的熱膨脹差引起的）具體做法：在SW6計(jì)算中，固定管板換熱器筒體的環(huán)向焊接接頭系數(shù)即指該道焊接接頭，此時(shí)應(yīng)輸入φ=0.6?！?dāng)此類焊接接頭因無法進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)，給出φ=0.6是要求焊接應(yīng)按焊接工藝施焊，避免隨意性，因不探傷，取值保守。（壓力容器工程師培訓(xùn)手冊(cè)P463）二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定4、設(shè)計(jì)壽命：1)設(shè)計(jì)壽命在一般壓力容器中基本上只考慮腐蝕速率及使用年限即可，但對(duì)管殼式換熱器來說，這一原則只能體現(xiàn)在外殼（包括管箱及頭蓋）及需考慮C2的元件上，對(duì)于管殼式換熱器占主要地位的換熱管由于從傳熱角度出發(fā)不考慮C2，故設(shè)計(jì)壽命應(yīng)如下確定：

a)對(duì)于可抽芯(管束)換熱器，換熱器壽命指殼體；

b)對(duì)于不可抽芯(管束)，而且不能更換換熱管的換熱器，換熱器壽命指換熱管。

2)

管殼式換熱器屬兩腔容器，管、殼程介質(zhì)不盡相同，因此除換熱管外，管、殼程若要保持相同的壽命時(shí)，則C2也應(yīng)分別取值。

如材質(zhì)為碳鋼與不銹鋼，分別取2/0mm；或介質(zhì)為循環(huán)水與工藝介質(zhì)，分別取3/2mm。二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定《固容規(guī)》問題解答：

二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定HG/T20580-2011《鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定》：

二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定5、試驗(yàn)壓力：a.按GB150.1-2011中4.6要求。b.一般情況下，管殼程按各自設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、材料分別確定其耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力值。c.GB/T151-2014中4.7.4P9：

為了檢查換熱管與管板連接接頭的質(zhì)量，可能遇到下列4種情況：1）管殼程均為正壓，且殼程試驗(yàn)壓力高于管程試驗(yàn)壓力。處理：管殼程按各自設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、材料分別確定其耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力值。

2）管殼程均為正壓，且殼程試驗(yàn)壓力低于管程試驗(yàn)壓力。處理：將殼程試驗(yàn)壓力提高至管程試驗(yàn)壓力，并應(yīng)對(duì)殼程圓筒進(jìn)行校核。在此，往往會(huì)忽視其他受壓元件的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)等問題，下面分別討論：

二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——管法蘭的壓力等級(jí)問題：管法蘭的壓力等級(jí)一般按殼程正常操作工況根據(jù)材料及升溫降壓原則選取，但殼程試驗(yàn)壓力如果提高較大時(shí)，應(yīng)注意其壓力值是否超過管法蘭標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20℃時(shí)最高無沖擊工作壓力的1.5倍。

——管板的強(qiáng)度問題：殼程試驗(yàn)壓力提高后，應(yīng)對(duì)管板進(jìn)行校核?？闪顨こ淘O(shè)計(jì)壓力為管程試驗(yàn)壓力，管程設(shè)計(jì)壓力為零，且無溫差進(jìn)行校核，計(jì)算模型可按不帶法蘭的固定管板進(jìn)行。

——?dú)こ涕_孔補(bǔ)強(qiáng)問題：此時(shí)圓筒開孔處的計(jì)算厚度可表達(dá)為：

——?dú)こ虉A筒與管板的連接結(jié)構(gòu)問題：如殼程設(shè)計(jì)壓力原本不到4.0MPa，而管程設(shè)計(jì)壓力大于4.0MPa，殼程試驗(yàn)壓力提高后，殼程圓筒與管板的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)選用GB/T151-2014附錄I中如下圖結(jié)構(gòu)，且因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)管板具有凸肩，并與殼程圓筒對(duì)接連接，應(yīng)采用鍛件。二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定TCED41002-2012《化工設(shè)備圖樣技術(shù)要求》二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定HG/T20584-2011《鋼制化工容器制造技術(shù)要求》二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定3）管程是正壓，殼程是真空。

4）管程是真空，殼程是正壓。

這兩種情況，管殼程試驗(yàn)壓力值的確定都要考慮“真空”這一特殊工況條件下各種情況的組合。

6、類別劃分：

GB/T151類別劃分遵循“固容規(guī)”的規(guī)定，但因其是二腔容器（管程和殼程），故分類、設(shè)計(jì)與制造應(yīng)遵守下列規(guī)定：

a)應(yīng)分別按管、殼程的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行劃類，并分別提相應(yīng)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收的要求；如固容規(guī)問題解答中：二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定b)熱交換器總類別，應(yīng)以管、殼程中高的類別確定；

注意:

1、容積的概念。在固容規(guī)問題解答中：二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定

2、氣相空間。《固容規(guī)》P1中：

但在《化工壓力容器設(shè)計(jì)——方法、問題和要點(diǎn)》（P55）二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定3、質(zhì)檢總局關(guān)于修訂《特種設(shè)備目錄》的公告(2014年第114號(hào))

根據(jù)《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的規(guī)定，質(zhì)檢總局修訂了《特種設(shè)備目錄》，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，現(xiàn)予以公布施行。同時(shí)，《關(guān)于公布<特種設(shè)備目錄>的通知》（國質(zhì)檢鍋〔2004〕31號(hào)）和《關(guān)于增補(bǔ)特種設(shè)備目錄的通知》（國質(zhì)檢特〔2010〕22號(hào)）予以廢止。《特種設(shè)備目錄》由質(zhì)檢總局負(fù)責(zé)解釋。特此公告。

質(zhì)檢總局（2014-10-30）附：特種設(shè)備目錄二、管殼式換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)確定1、殼體材料

2、換熱管材料

3、管板、管箱平蓋材料

三、管殼式換熱器材料選取1、殼體材料

按GB150.2-2011《壓力容器第2部分：材料》。注意：小直徑換熱器用無縫鋼管作殼體時(shí)，應(yīng)遵循HG/T20581-2011中規(guī)定：

三、管殼式換熱器材料選取2、換熱管材料

AGB150.2-2011中5.1中規(guī)定：

a)GB/T8163《流體輸送用無縫鋼管》GB/T14976《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》

GB/T12771《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》不得用于管殼式換熱器的換熱管；

b)GB9948《石油裂化用無縫鋼管》GB6479《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》GB13296《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》用作換熱管應(yīng)選用高精度級(jí)的冷拔或冷軋鋼管。

c）GB/T24593《鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管》使用規(guī)定：應(yīng)逐根進(jìn)行渦流檢測(cè)，符合GB/T7735《鋼管渦流探傷檢驗(yàn)方法》中驗(yàn)收等級(jí)B規(guī)定；設(shè)計(jì)壓力小于10.0MPa；不得用于毒性程度為極/高度危害的介質(zhì)。

三、管殼式換熱器材料選取

B換熱管訂貨技術(shù)條件

無縫鋼管按NB/T47019.1～8-2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件》奧氏體不銹鋼焊接鋼管按GB/T24593《鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管》

C管束級(jí)別

GB151-1999分Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)管束，主要取決于管子精度，僅僅針對(duì)碳鋼、低合金鋼換熱管當(dāng)時(shí)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還存在“較高級(jí)”和“普通級(jí)”制訂的。對(duì)于不銹鋼換熱管，只有Ⅰ級(jí)管束。

Ⅰ、Ⅱ管束的區(qū)別主要在于換熱管的外徑、壁厚偏差不同，相應(yīng)地管孔尺寸和偏差不同。GB/T151仍將鋼制管束分為Ⅰ、Ⅱ級(jí)管束，但整體提高了管束的內(nèi)在質(zhì)量,對(duì)管板、折流板管孔尺寸偏差進(jìn)行了修訂，Ⅰ級(jí)管束配合精度與TEMA-2007版相當(dāng)，Ⅱ級(jí)管束配合精度與GB151-1999版Ⅰ級(jí)管束相當(dāng)，

但GB150.2-2011中5.1中：鋼管用作換熱管均應(yīng)選用高精度級(jí)的冷拔/軋鋼管。

根據(jù)NB/T47019.1-2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件第一部分通則》中表1、表2：三、管殼式換熱器材料選取三、管殼式換熱器材料選取三、管殼式換熱器材料選取可知：普通級(jí)和高級(jí)鋼管的外徑、壁厚偏差均一致，與GB/T151中I級(jí)管束也一致，故均應(yīng)設(shè)計(jì)為I級(jí)管束。

GB/T151P21中：注：在GB/T1516.6.1.3P25換熱管與管板采用強(qiáng)度脹接時(shí)：如：16Mn管板與10#換熱管之間的脹接要好于20#換熱管，因?yàn)樵贕B9948-2013中10#管C含量為0.07-0.13，而20#管C含量為0.17-0.23。C的含量越高,它的硬度及強(qiáng)度越高。所以10#管會(huì)比20#管在脹接時(shí)可靠些,不容易出現(xiàn)裂。

三、管殼式換熱器材料選取3、管板、管箱平蓋材料

A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δ＞60mm時(shí)，宜采用鍛件（因厚鋼板會(huì)有分層、夾雜等缺陷及性能指標(biāo)波動(dòng)大等問題）。（GB/T151不限制大于60mm鋼板的使用，但需附加要求）2）帶凸肩的管板，一般選用鍛件；

3）管板、平蓋用鍛件，其級(jí)別不得低于Ⅱ級(jí)；

4）帶凸肩的管板、內(nèi)孔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（厚度方向性能鋼板）中的Z35級(jí)，并在設(shè)計(jì)文件上提出附件檢驗(yàn)要求。5）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。

6）管板采用爆炸焊接復(fù)合板時(shí)，應(yīng)符合NB/T47002.1～4中B1級(jí)要求。注：厚度方向性能級(jí)別是針對(duì)鋼板的抗層狀撕裂的能力提供的一種量度，厚度方向性能采用厚度方向拉伸試驗(yàn)的斷面收縮率來評(píng)定。

三、管殼式換熱器材料選取B材料代用

a)由于各種原因，制造廠臨時(shí)用板材代替鍛件，或者是由鍛件代替板材，這種做法是不可取的。因?yàn)橥徊牧?，同一厚度，同一設(shè)計(jì)溫度下板材與鍛件的許用應(yīng)力是不同的。

《化工壓力容器設(shè)計(jì)——方法、問題和要點(diǎn)》P216三、管殼式換熱器材料選取

b)

殼體厚度發(fā)生變化，須校核管板的強(qiáng)度。如某固定管板式換熱器殼程筒體圖紙名義厚度為10mm，在制造時(shí)，廠家用厚度為12mm同材質(zhì)的庫存鋼板代替。設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，以厚代薄，沒有用12mm的板厚重新去校核管板的強(qiáng)度。但由于換熱器殼程筒體厚度增加后，相應(yīng)的溫差應(yīng)力、殼體軸向應(yīng)力σc等都發(fā)生變化，故必須重新核算。

《化工壓力容器設(shè)計(jì)——方法、問題和要點(diǎn)》P219三、管殼式換熱器材料選取

c)《化工壓力容器設(shè)計(jì)——方法、問題和要點(diǎn)》P216GB150.2-2011三、管殼式換熱器材料選取1、管程2、管板3、殼程4、其他

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、管程

1）布管

換熱管的布置排列是管殼式換熱器設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，必須考慮以下因素：

a.換熱管排列形式。

換熱管排列形式：GB/T151P17圖示正三角排列（30°）、轉(zhuǎn)角正三角形排列（60°）、轉(zhuǎn)角正方形排列（45°）、正方形排列(90°)四種。圖中流向箭頭表示殼程物料橫向流動(dòng)方向，箭頭方向是與折流板缺邊垂直的。設(shè)計(jì)中的換熱管排列圖，應(yīng)據(jù)設(shè)計(jì)條件要求的排列形式和折流板缺邊位置進(jìn)行排列。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如何在圖紙上表現(xiàn)出正確的換熱管排列形式？主要是折流板上換熱管的排列及其缺口方向。如下圖：

b.換熱管的中心距，一般不宜小于1.25倍的換熱管外徑，常用換熱管中心距見GB/T151-2014表6-2。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GB/T1516.3.1.2-c規(guī)定：對(duì)于外徑為25mm的換熱管采用轉(zhuǎn)角正方形排列時(shí)，其分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn可?。℅B151-1999為應(yīng)）32x32正方形的對(duì)角線，即Sn=32√2=45.25mm。（設(shè)計(jì)中常常會(huì)忽視）

如此要求使換熱管各方向看都成行成列，便于清洗。c.排管區(qū)域，即布管限定圓直徑。

——管束最外層換熱管外壁與殼體內(nèi)表面間的最小距離B固定管板、U形管換熱器，取B=b3。b3為換熱管外徑的0.25倍，且8mm。浮頭換熱器，B=b+b1+b2，b、b1、b2按GB/T151中6.3.1.3規(guī)定。

——換熱器的管束最外層換熱管的限定圓尺寸為：

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

——當(dāng)管板為帶凸肩、應(yīng)力釋放槽結(jié)構(gòu)時(shí)，注意布管限定圓的確定應(yīng)考慮躲開應(yīng)力釋放槽。

d.管程分程。

在管殼式換熱器中，流體流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相貫通的部分稱為管程。在管內(nèi)流動(dòng)的流體從換熱管的一端流到另一端，稱為一個(gè)管程。在殼程直徑已確定，滿足流量和壓降的前提下，在換熱器一端或兩端的管箱內(nèi)分別配置一定數(shù)量的隔板，并使每一程中的換熱管數(shù)量大致相等，使流體依次流過各程換熱管，可提高流體流速，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。

GB/T151給出了1，2,4,6,8,10，12程等7種分程布置形式，見圖6-12P19。不同的分程布置會(huì)有不同的換熱管排列。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管程分程原則：

①應(yīng)盡量使各管程換熱管數(shù)大致相等，其相對(duì)誤差（△N）應(yīng)控制在10%以內(nèi)，最大不得超過20%。

②分程隔板槽形狀簡(jiǎn)單，以利加工，密封面長度較短，減少泄漏和用料。

注意：

——當(dāng)管程流體進(jìn)、出口溫度變化很大時(shí)，應(yīng)盡量避免流體溫差較大的兩部分管束相鄰，否則管束與管板中將產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力，容易引起換熱管變形或拉脫等故障。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，管程溫差以不超過20℃為宜，程數(shù)小于4時(shí)，采用平行的隔板更為有利。

——對(duì)于4管程的分法，有平行、工字、十字形三種。一般為了接管方便，選用平行分法較合適，同時(shí)平行分法亦可使管箱內(nèi)殘液放盡。工字形排列法的優(yōu)點(diǎn)是比平行法密封線短，而且可排列更多的換熱管，而十字形排列法更適用于4管程的U形管式換熱器，但相鄰管程間溫差較大，并接管為非徑向接管，且需另設(shè)放空、排凈口（如圖所示）。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

e.殼程進(jìn)出口位置。

排管后應(yīng)滿足GB/T151中6.8.1.2P29規(guī)定的流通面積的要求。

GB/T151中6.8.1.2規(guī)定:殼程進(jìn)口或出口區(qū)域面積As和管束進(jìn)口或出口區(qū)域面積At應(yīng)使ρv^2值不超過5950kg/(m·s^2)”（與老標(biāo)準(zhǔn)相比，刪除了As和At應(yīng)不小于進(jìn)、出口接管截面積

）。

此處v是按As和At的計(jì)算流體速度，即v=Q/（ρAs),v=Q/（ρAt)。(Q為流量)

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GB/T151附錄JP225中：As和At計(jì)算公式可見：由As可確定管束上方或防沖板上方自由高度平均值h，即確定了管束上方的最高一層換熱管的位置。

由At可確定進(jìn)口或出口處折流板間距，即確定了第一塊折流板的位置。（尤其對(duì)于殼程進(jìn)口管較大的情況，必須要核算As和At）

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

f.換熱管與防沖板間的距離。（鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)P51）換熱管外表面與鄰近防沖板表面的距離，一般取為6mm（如圖所示）。

g.管束的排管范圍，就是在布管限定圓范圍內(nèi)扣除e和f所要求部分的整個(gè)范圍。注：對(duì)于U形管、浮頭式換熱器要考慮留出下部滑道的空間。2）換熱管排列原則

a.換熱管排列，應(yīng)符合設(shè)計(jì)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。

b.換熱管排列，應(yīng)在排管范圍內(nèi)排滿管子，并盡可能使整個(gè)管束對(duì)稱。

c.換熱管排列出的管子數(shù)量，應(yīng)滿足設(shè)計(jì)條件中換熱面積的要求。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(jìn)出口部位適當(dāng)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(yīng)考慮設(shè)置導(dǎo)流筒等。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

d.多管程換熱器的換熱管排列，還應(yīng)滿足下列各條：

——換熱管排列的分程，應(yīng)符合設(shè)計(jì)條件中的分程數(shù)量和布置要求。

——各程管數(shù)應(yīng)盡可能相等，其相對(duì)誤差應(yīng)控制在5～10%以內(nèi)（換熱器直徑小時(shí)，取較大值）。

3）管箱

a.常用管箱結(jié)構(gòu)：

——平蓋管箱：優(yōu)點(diǎn)——便于清洗管程，清洗時(shí)只需要拆開平蓋即可，而不必拆卸整個(gè)管箱和與管箱相連的管路。缺點(diǎn)——平蓋結(jié)構(gòu)用材較多，尺寸較大時(shí)需用鍛件，提高制造成本，并增加了一道密封的泄漏可能。一般用于壓力較低、直徑較?。―N≤900）的換熱器?！忸^管箱：優(yōu)點(diǎn)——結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，適于高壓、清潔介質(zhì)，可省掉造價(jià)較高的平蓋、法蘭及緊固件，且橢圓封頭受力情況好于平蓋。缺點(diǎn)——檢查換熱管和清洗管箱時(shí)必須拆下連接管道和管箱，需要一定的檢修空間。但這種形式用的最多。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

b.管箱長度

1)筒節(jié)（管箱圓筒）：

—原GB150規(guī)定“筒節(jié)長度不小于300mm”，對(duì)換熱器管箱等部件上僅有一個(gè)筒節(jié)的情況下，這一要求是不合理的。GB150.4-2011中6.5.5條c）款將其修改為：“組裝筒體中，任何單個(gè)筒節(jié)的長度不得小于300mm”。所謂組裝筒體是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上筒節(jié)組成的一個(gè)筒體，對(duì)僅有一個(gè)筒節(jié)的換熱器管箱筒節(jié)不限制筒節(jié)長度。（GB150-2011標(biāo)準(zhǔn)釋義P229）

—立式換熱器管箱設(shè)備法蘭與封頭連接應(yīng)按HG/T20583-2011《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》P436—其他：GB/T151中6.10.3P43四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

HG/T20583-19982)管箱接管的有效補(bǔ)強(qiáng)寬度：

管箱筒節(jié)的長度應(yīng)滿足接管按等面積法或分析法補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算所需的有效補(bǔ)強(qiáng)寬度。

設(shè)計(jì)中常常會(huì)忽視這個(gè)問題。對(duì)于受工藝條件的限制，管箱長度不夠又不能隨意增加管箱長度的情況，接管雖然設(shè)了補(bǔ)強(qiáng)圈，但補(bǔ)強(qiáng)效果可能不能滿足要求，此時(shí)，應(yīng)按實(shí)際的補(bǔ)強(qiáng)寬度進(jìn)行核算。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3)管箱結(jié)構(gòu)尺寸（GB151-1999為最小內(nèi)側(cè)深度）：

規(guī)定管箱的最小內(nèi)側(cè)深度，目的是為使流體均勻流入換熱管及減少流動(dòng)的壓力降。GB/T1516.3.4P20：

但很多設(shè)計(jì)人員對(duì)此的理解有些模糊，在此推薦《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》P165中有詳細(xì)解釋計(jì)算方法（同時(shí)了解管箱最大長度的確定原則，帶分程隔板的多管程管箱，其內(nèi)側(cè)最大深度，主要應(yīng)考慮分程隔板的焊接可能性）四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)c.管箱法蘭

NB/T47020-2012《壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件》：d.管箱熱處理管箱組焊后，管箱部件的熱處理，應(yīng)符合GB/T151中8.10的規(guī)定，還應(yīng)符合固容規(guī)、GB150.4對(duì)焊后熱處理的要求（如：有應(yīng)力腐蝕的、盛裝極度或高度危害介質(zhì)的碳鋼、低合金鋼制管箱等）。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4）分程隔板

a.厚度確定：

除滿足GB/T151中表7-3規(guī)定的最小名義厚度外，還應(yīng)滿足設(shè)計(jì)條件所要求壓降引起的強(qiáng)度要求，即按式7-7進(jìn)行計(jì)算，然后加2C2（雙面腐蝕）。當(dāng)計(jì)算的分程隔板厚度較厚時(shí)，如大于20mm，應(yīng)設(shè)置支撐板減小分程隔板的計(jì)算長度。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

公式中的ΔP為隔板兩側(cè)壓力差值，但對(duì)其沒有給出確定的方法。

API660-2007版中規(guī)定：一對(duì)2管程，分程隔板兩側(cè)的壓差就是管程總壓降，取值合理；二對(duì)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(duì)分程隔板厚度計(jì)算公式中的壓差ΔP應(yīng)取隔板兩側(cè)的壓差為宜，可按下式計(jì)算：

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

式中：ΔP——隔板兩側(cè)的計(jì)算壓降，MPa。

ΔPZ——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)。

確定Z值舉例

管程數(shù)流體流動(dòng)順序入口管箱隔板布置返回管箱隔板布置

IVVI四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系數(shù)Z值隔板布置入口管箱隔板兩側(cè)流動(dòng)序號(hào)系數(shù)

Z出口管箱（浮頭蓋）隔板兩側(cè)流動(dòng)序號(hào)系數(shù)ZⅡ程(1)/(2)1Ⅳ程片條(1)/(2)(3)/(4)1(2)/(3)1Ⅳ程工字(1)/(2、3)1(1)/(3)(2)/(4)1(2、3)/(4)1(2)/(3)1Ⅳ程十字(1)/(4)2(1)/(2)(3)/(4)1(1)/(2)

(3)/(4)1Ⅵ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)1Ⅵ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)1四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

b.結(jié)構(gòu)布置管箱分程隔板的布置，常用的Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ程，分程隔板布置見GB/T151管程分程布置形式，其布置應(yīng)與管板上的分程隔板槽相匹配。

c.淚孔分程隔板安裝后，凡處于水平位置的隔板，在適當(dāng)位置，應(yīng)設(shè)置一個(gè)直徑為φ4～8mm的淚孔；處于豎直位置的隔板，當(dāng)其形成死腔時(shí)，應(yīng)在該隔板與殼體連接的最高和最低點(diǎn)，分別設(shè)置半徑為R5的半圓孔。設(shè)計(jì)中往往容易忽視在分程隔板上設(shè)置淚孔。該孔有三個(gè)作用：淚孔作用，排凈液體；平衡作用，平衡兩腔的壓力；排氣作用，水壓試驗(yàn)時(shí)排凈氣體。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

d.與管箱內(nèi)壁的焊接：采用雙面連續(xù)焊，最小焊腳尺寸為3/4倍的隔板厚度。必要時(shí)，隔板邊緣應(yīng)開坡口，允許采用與焊接連接等強(qiáng)度的其他連接方式。2、管板

a.管板分程隔板槽拐角處倒角尺寸

GB/T151中6.5.3.2-c)規(guī)定多管程的隔板槽倒角不應(yīng)妨礙墊片的安裝；隔板槽拐角處倒角一般為45°，倒角尺寸b宜大于分程墊片的圓角半徑Rg。

對(duì)4管程以上的隔板槽，因其中心線偏離管板中心線,對(duì)隔板槽之間的拐角處倒角尺寸的確定，要避免管孔被倒角切掉。做法：隔板槽倒角尺寸確定后，隔板槽之間的拐角處應(yīng)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（如圖所示）。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注：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。

2、多管程管板上分程隔板槽與管箱分程隔板布置在不同視圖（裝配圖、部件圖及零件圖）中一定要一致。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)b.管板零件圖的技術(shù)要求中各技術(shù)數(shù)據(jù)的填寫：

按TCED41002-2012《化工設(shè)備圖樣技術(shù)要求》四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其中：垂直度允差按下表（要清楚主參數(shù)指什么）四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其中：允許孔橋?qū)挾群妥钚≡试S孔橋?qū)挾劝碐B/T151中8.4.5及表8-2四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

注：對(duì)于換熱管中心距不同于表8-2中所列時(shí)，應(yīng)按式8-1,8-2進(jìn)行計(jì)算確定。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)c.拉桿孔GB/T151P24明確了鉆孔深度，如圖：

新舊標(biāo)準(zhǔn)比較下：注意：如果管板厚度較薄時(shí)，拉桿孔會(huì)或幾乎會(huì)鉆穿管板。處理方法：可在拉桿孔處管板的背面處加一墊板，或加厚管板。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)GB151-1999中沒有給出鉆孔深度，一般按：

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)d.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GB/T151附錄I中有提示性規(guī)定。應(yīng)注意其各結(jié)構(gòu)的適用條件。

圖I1(d)焊縫處管板頸部高度≥10mm。圖中管板頸部高度應(yīng)按相關(guān)尺寸計(jì)算得到（結(jié)構(gòu)上要滿足按δ厚度開的焊縫坡口要求），其值應(yīng)取計(jì)算值和10mm[且大于tan30°(δ-2)+5]間的較大值。對(duì)殼程設(shè)計(jì)壓力較高、管程設(shè)計(jì)壓力較低的換熱器，采用這個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)對(duì)連接管箱的螺栓中心圓直徑能否滿足安裝螺母的要求進(jìn)行核算。（按比例繪圖，較容易發(fā)現(xiàn)問題）

e.換熱管與管板的焊接

GB/T151中6.6規(guī)定了強(qiáng)度脹、強(qiáng)度焊、強(qiáng)度焊加貼脹、強(qiáng)度脹加密封焊等結(jié)構(gòu)型式，并增加了內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)。

脹焊并用結(jié)構(gòu)，既采用了焊接，又采用了脹接。焊接保證了強(qiáng)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)多用的結(jié)構(gòu)。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在工程設(shè)計(jì)中，通常采用強(qiáng)度焊加貼脹結(jié)構(gòu)。

GB/T151附錄HP220中給出了立式換熱器的上管板不允許有積液的場(chǎng)合。

注意：換熱管與管板接頭需進(jìn)行焊接工藝評(píng)定四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證換熱管與管板焊接接頭的質(zhì)量，在工程設(shè)計(jì)中，一般要求對(duì)此接頭進(jìn)行MT或PT表面檢測(cè)。（此焊接接頭屬于異種鋼焊接，按固容規(guī)、GB150.4規(guī)定此類接頭應(yīng)進(jìn)行表面檢測(cè)）。3、殼程

1）殼程防沖和導(dǎo)流

a.防沖板或?qū)Я魍驳脑O(shè)置條件

GB/T1516.8.1P29：四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

殼程進(jìn)口管的流體速度v可由殼程流量Q/(ρA)計(jì)算得出，此處A應(yīng)取接管的內(nèi)截面積。

如果設(shè)計(jì)條件要求的殼程物料進(jìn)口接管尺寸過大（接管距離管板較遠(yuǎn)）或條件要求排管數(shù)過多，使設(shè)置防沖板的空間不夠，此時(shí)應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流筒。

b.殼程防沖板的位置和尺寸

①殼程防沖板的位置h

殼程入口接管處防沖板是為防止物料沖蝕換熱管而設(shè)置的，防沖板的位置必須保證殼程進(jìn)口區(qū)域面積As使該處ρν2≤5950kg/(m.s2)。（計(jì)算較繁瑣，可參考下式確定后，在進(jìn)行核算：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

②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。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)c.防沖板的固定

GB/T151P30：注意：GB/T1518.7規(guī)定：

故防沖板不能焊在換熱管上！

另：工程設(shè)計(jì)中常會(huì)出現(xiàn)以下情況：圖中防沖板的設(shè)置在哪種情況下將影響到換熱器的組裝？四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)《化工壓力容器設(shè)計(jì)——方法、問題和要點(diǎn)》四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2）拉桿

a.拉桿布置原則①拉桿的直徑按GB/T151表6-32，數(shù)量不得少于GB/T151表6-33中規(guī)定的數(shù)量。②有缺邊的折流板，應(yīng)在其外邊緣和靠近缺邊位置布置拉桿且相鄰拉桿間直線距離，一般應(yīng)≤700mm。③無缺邊的支持板，除在外邊緣布置拉桿外，在布管區(qū)中間區(qū)域也應(yīng)布置拉桿，相鄰拉桿間直線距離，一般應(yīng)≤700mm。④拉桿應(yīng)盡量對(duì)稱布置。⑤任何折流板不應(yīng)少于3個(gè)欄桿支承點(diǎn)。

b.拉桿設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的問題

《化工壓力容器設(shè)計(jì)——方法、問題和要點(diǎn)》四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3）折流板/支持板

《壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程》P471：

a.折流板的結(jié)構(gòu)形式

折流板結(jié)構(gòu)形式見GB/T151中圖6-23。常用形式為單弓形和雙弓形。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

b.折流板缺邊①缺口尺寸（即切口百分?jǐn)?shù)）

GB/T151P31中:折流板缺邊的位置尺寸由工藝專業(yè)在設(shè)計(jì)條件中提出，其數(shù)據(jù)為折流板切去部分的弓形高度h與換熱器內(nèi)徑之比值。

工程設(shè)計(jì)中，缺口弦高h(yuǎn)：一般無相變換熱器取h＝0.25Di；冷凝器取h＝0.25～0.45Di；殼程沸騰再沸器取h＝0.45Di。對(duì)單弓形折流板，缺邊的位置h按設(shè)計(jì)所提數(shù)據(jù)乘以換熱器內(nèi)徑確定；對(duì)雙弓折流板，其單塊折流板的缺邊的位置h兩側(cè)都按設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表所提數(shù)據(jù)乘以換熱器內(nèi)徑確定，其雙塊折流板的缺邊的位h1置按切去的面積等于單塊折流板兩側(cè)切去面積之和確定。缺邊的位置尺寸，還應(yīng)根據(jù)換熱管的排列，盡可能使缺邊通過換熱管排或分程處通道的中心線進(jìn)行適當(dāng)圓整。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)②缺口布置

GB/T151P34中：即：缺口位置有兩種：1）當(dāng)臥式換熱器的殼程為單相清潔流體時(shí)，缺口應(yīng)水平上下布置；2）當(dāng)臥式換熱器、冷凝器、重沸器的殼程介質(zhì)為氣、液相共存或液體中含有固體物料時(shí)，缺口應(yīng)垂直左右布置。GB/T151

P31還規(guī)定：四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)c.折流板的間距布置

GB/T151P33中四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意：①一般型式殼體的折流板布置，應(yīng)符合設(shè)計(jì)條件的要求，盡量不要改動(dòng)。對(duì)靠近殼程進(jìn)、出口接管的折流板，其位置除滿足設(shè)計(jì)條件要求外，還應(yīng)使折流與防沖板邊緣或接管內(nèi)壁間距離至少為10～20mm。

②分流式殼體的折流板布置，應(yīng)使殼程分流的路程盡可能相等。③殼程進(jìn)出口接管處的折流板缺口位置，不得形成短路。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)④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（圖中Ln），應(yīng)滿足管殼程熱膨脹差的要求，一般應(yīng)為50～60mm。U形管換熱器的彎管切線與鄰近折流板間距離，一般取50mm。

⑤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GB/T151中表6-31所列換熱管直管最大無支撐跨距的要求。如果超過，在超過部位應(yīng)設(shè)局部支撐。

d.折流板的厚度

GB/T151P32中表6-21列出因素為“換熱器公稱直徑”和管束中“折流板或支持板間的換熱管無支撐跨距”。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)”。

按以上規(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(duì)換熱管有支撐的作用，所以不考慮管板和折流板間跨距是合理的。可參照換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度：（GB/T151P56）

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

e.折流板技術(shù)要求TCED41002-2012《化工設(shè)備圖樣技術(shù)要求》

f.支持板

GB/T151P35：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(shè)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(dòng)的死區(qū)。

以前習(xí)慣做法是將支持板作成圓環(huán)板，其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。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GB/T151.8.2.5.2中規(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(yīng)設(shè)置加厚滿圓的支持板，支持板的厚度可按GB/T151的表6-21（P32）中跨距大于1500mm欄的數(shù)據(jù)選取。

4）防短路結(jié)構(gòu)

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4）防短路結(jié)構(gòu)

GB/T151P35：

防短路結(jié)構(gòu)主要有：旁路擋板、擋管、中間擋板三種。U行管、浮頭式換熱器殼程中的滑道可兼做擋板。

a.旁路擋板：

是為防止物料橫向流動(dòng)區(qū)域未布換熱管的部分之間隙較大而形成旁路設(shè)置的。對(duì)弓形折流板，應(yīng)設(shè)置在物料橫向流動(dòng)區(qū)域相鄰兩塊折流板切口間重疊部分。旁路擋板的設(shè)置與否取決于旁路間隙的大??；旁路擋板的數(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。

GB151-1999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。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GB/T151P36做了修訂：

按上述規(guī)定,當(dāng)旁路間隙超過16mm，在各部位旁路擋板的設(shè)置和要求,可應(yīng)按下述方法處理：

①對(duì)管束外圍，局部旁路間隙超過規(guī)定值區(qū)域小于3英寸（76mm）者，不必設(shè)置旁路擋板。

②對(duì)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(shè)置旁路擋板。因此，當(dāng)分程處管子中心距符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，除U形彎管跨越處的過大間距部位外，其它部位是不必設(shè)置旁路擋板。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

③對(duì)外圍旁路擋板，當(dāng)折流板或支持板的切邊與殼程出入口接管平行時(shí)，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(huì)造成旁路擋板節(jié)制管束入口或出口物流；當(dāng)折流板或支持板的切邊與殼程出入口接管垂直時(shí)，旁路擋板端部應(yīng)焊在出入口以外的管板或支持板上，否則在出入口部位是短路的。④中部旁路擋板，其端部應(yīng)焊在出入口以內(nèi)的折流板或支持板上。

b.擋管GB/T151P36：上述規(guī)定擋管可以兩端焊死，因其為管子，必須將其一端（介質(zhì)入口端）堵死，否則會(huì)造成短路；擋管兩端都堵死，會(huì)造成管子受外壓，需核算。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

c.中間擋板

GB/T151P36：

5）膨脹節(jié)固定管板式換熱器中設(shè)置膨脹節(jié)，能夠明顯降低由于換熱管和殼程圓筒間熱膨脹差所引起的管板應(yīng)力、圓筒和換熱管的軸向應(yīng)力以及管子和管板間的拉脫力。

固定管板式換熱器上迫性膨脹節(jié)應(yīng)按GB16749進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收，一般選用單層高波膨脹節(jié)。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)膨脹節(jié)的設(shè)置應(yīng)注意：

a.臥式換熱器設(shè)置膨脹節(jié):

應(yīng)選用A型帶絲堵膨脹節(jié)（適用于單層無疲勞設(shè)計(jì)的膨脹節(jié)），且避免設(shè)置在殼程鞍座中間處，與折流板的相對(duì)位置宜如圖所示：

b.立式換熱器設(shè)置膨脹節(jié)：

宜設(shè)置在耳座下方，如圖所示：如膨脹節(jié)設(shè)置在耳座上方，則會(huì)承受由換熱器自重引起的附加軸向力，并降低了換熱器的穩(wěn)定性。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)是：膨脹節(jié)在耳座下方。并在條件允許的情況下，換熱器重心盡量使其位于耳座支承平面之下，以提高設(shè)備穩(wěn)定性。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4、其他

1）GB/T151中6.13.1-dP45：

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2）對(duì)于高溫、大口徑的接管，還應(yīng)考慮來管道的推力（三個(gè)方向的力和力矩），此時(shí)要校核所在的殼體元件和接管根部的應(yīng)力。校核計(jì)算用SW6零部件中的局部應(yīng)力核算，其中有WRC107、WRC297、EN13445、CSCBPV-TD001-2013四種方法。

WRC107可對(duì)圓筒、封頭上的接管進(jìn)行局部應(yīng)力計(jì)算，但其計(jì)算模型為實(shí)體，即認(rèn)為接管為實(shí)心圓柱，只能計(jì)算殼體的應(yīng)力，不能計(jì)算接管根部應(yīng)力；WRC197還對(duì)圓筒上的接管進(jìn)根部行局部應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算模型較接近實(shí)際，但限制條件較多，可計(jì)算殼體和接管上的局部應(yīng)力；EN13445也可計(jì)算殼體和接管上的局部應(yīng)力，結(jié)果較保守；CSCBPV-TD001-2013新增方法。

建議采用WRC297或CSCBPV-TD001-2013。四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

另：SH/T3074-2007《石油化工鋼制壓力容器》附錄D給出了外接管道的管口能夠承受載荷，可作參考。

四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3）接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算：

按GB150.3-2011中6.6節(jié)分析法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的開孔，應(yīng)按GB150.3中圖6-12要求在設(shè)計(jì)圖紙中繪制詳細(xì)節(jié)點(diǎn)圖，并在其它要求及說明中增加以下內(nèi)容：四、管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4）換熱器介質(zhì)的走向

接管與殼體的焊接接頭應(yīng)保證全焊透，焊縫表面應(yīng)打磨平整，轉(zhuǎn)角處圓滑過渡。距連接處（大于筒體有限補(bǔ)強(qiáng)范圍）Xmm范圍內(nèi)的全部A、B類焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%RT檢測(cè)（檢測(cè)技術(shù)等級(jí)不低于AB級(jí)），結(jié)果符合JB/T4730.2-2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的Ⅱ級(jí)，且不允許有任何超標(biāo)缺陷。（殼體φ=0.85時(shí)）1、承壓殼體2、管箱平蓋3、管板4、浮頭蓋與鉤圈5、其他

五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算1、承壓殼體

a.換熱器殼體包括殼程圓筒/封頭、管箱圓筒/封頭、外頭蓋圓筒等受壓元件的厚度計(jì)算按GB150.3有關(guān)規(guī)定。

b.滿足換熱器殼體的最小厚度要求。見GB/T151表7-1P50：五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算對(duì)換熱器殼體最小厚度提出要求，主要為了增加殼體的剛性，減少變形，以滿足經(jīng)常抽裝管束和重疊安裝的要求。

浮頭式、U形管式換熱器等可抽管束的殼體，由于得不到管板的加強(qiáng)又需拆卸，故保證最小厚度更是重要，而對(duì)于不需抽芯的固定管板換熱器可稍薄。

c.對(duì)于與長頸設(shè)備法蘭連接的殼體還應(yīng)滿足NB/T47023《長頸對(duì)焊法蘭》中規(guī)定的對(duì)接筒體最小厚度。

NB/T47020-2012《壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件》中：五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算注意：

對(duì)于立式換熱器，采用耳座支撐時(shí)，應(yīng)按JB/T4712.3-2007《容器支座第3部分：耳式支座》附錄A耳式支座實(shí)際承受載荷的近似計(jì)算對(duì)殼體厚度進(jìn)行校核。五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算2、管箱平蓋GB/T1517.1.1.3P49分別給出了管箱內(nèi)無分程隔板和有分程隔板以及撓度校核的詳細(xì)計(jì)算公式。工程設(shè)計(jì)中一般按SW6計(jì)算，數(shù)據(jù)輸入時(shí)要注意：計(jì)算可參考A2例題，分別核算耳座承受的實(shí)際載荷Q、耳座處圓筒所受的耳座彎矩ML。五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算3、管板

GB/T1517.4管板計(jì)算方法適用于U形管式、浮頭式、填料函式和固定管板式換熱器的管板及其相關(guān)元件（如換熱管、殼體等）的強(qiáng)度校核和設(shè)計(jì)計(jì)算，并給出了六種管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間連接方式的不同結(jié)構(gòu)，詳見GB/T151P57。五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算

a.管板計(jì)算的理論基礎(chǔ)：GB/T1517.4.1.3P57：軸對(duì)稱的概念：如果一個(gè)圖形沿著一條直線對(duì)折,兩側(cè)的圖形能夠完全重合,這個(gè)圖形就是軸對(duì)稱圖形。

例如等腰三角形、等腰梯形、正方形、等邊三角形、圓和正多邊形。

實(shí)際設(shè)計(jì)中受布管影響，管板管束結(jié)構(gòu)很難絕對(duì)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但可以滿足計(jì)算的精度要求，以下結(jié)構(gòu)不適用于GB/T151的計(jì)算模型：殼程帶偏錐的固定管板換熱器、大面積不布管的管板、GB/T151中明確不適用的換熱器。

b.管板名義厚度管板名義厚度不應(yīng)小于下列三者之和：管板的計(jì)算厚度或管板的最小厚度，兩者中取大值；殼程腐蝕裕量超出管程隔板槽深度的部分；管程腐蝕裕量或分程隔板槽深度，兩者中取大值。

其中管板最小厚度（GB/1517.4.2P58）

c.管板的強(qiáng)度計(jì)算，一般按SW6計(jì)算，但要注意下面幾個(gè)問題：

①管板分程處面積Ad是指在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置分程隔板和欄桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支承的面積。GB/T151圖7-5給出了4種排列的分程處面積計(jì)算方法：五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算上述公式只適用于2管程的排列，對(duì)4程及以上的排列，由于分程處兩側(cè)管排上的管孔數(shù)是不相同的，公式中的n‘應(yīng)取兩側(cè)管孔數(shù)的平均值。②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蘭厚度，在GB/T151中稱為“殼體法蘭”，其厚度是用在六種操作工況下進(jìn)行管板計(jì)算中得到的。

在現(xiàn)行的SW6的管板計(jì)算中，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，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(yīng)由與管箱連接的螺栓載荷確定。在TEMA、ASME、EN13445中，都是與管箱連接的螺栓載荷進(jìn)行計(jì)算的。其中ASME、EN13445的計(jì)算公式為：

式中：W—管箱法蘭的螺栓載荷（操作和預(yù)緊）hG—管箱法蘭墊片力矩的力背S—管板材料在設(shè)溫和常溫下的許用應(yīng)力G—管箱法蘭墊片壓緊圓直徑五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算TEMA的計(jì)算公式為（見《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書換熱器》P151）：五、管殼式換熱器強(qiáng)度計(jì)算GB/T151的計(jì)算方法，對(duì)管板延長法蘭的厚度，只考慮了操作條件下的六種工況，預(yù)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(jì)算方法時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)確定的。

在六種工況的計(jì)算中，所用的法蘭力矩是用法蘭計(jì)算中需要的螺栓面積確定的，這種方法與法蘭計(jì)算方法有較大的