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GB151-戴季煌


GB151《管壳式换热器》
1 范围
参数 DN≤2600mm;≤2540(100〞) PN≤35 MPa;≤20.684(3000psi) p× D≤1.75×104;≤1.75×104(105) A. TEMA 控制壳体壁厚 3〞(76mm) 、双头螺柱最 大直径为 4〞(102mm).

2 管壳式换热器类型
2.1 固定管

板换热器(图 1) 二端管板与壳体固定连接(整体或夹持式) 。

图1

2.2 浮头式换热器(图 2) 一端管板与壳体固定连接(夹持式) ,另一端的浮头管板(包括浮头盖、勾圈等)在管 箱内自由浮动。

图2

2.3 U 形管式换热器(图 3) 只有一块管板,换热管二端固定在同一块管板上,管板与壳体固定连接(整体或夹持 式) 。 2.4 填料函式换热器 一端管板与壳体固定连接(夹持式) ,另一端的管板在填料函内自由浮动。

图3

1)外填料函式换热器(图 4)

图4

适用设备直径在 DN700mm 以下,且操作压力和操作温度也不宜过高,一般用于 p≤ 2.0MPa 场合。 2)单填料函式换热器(图 5) 在填料内侧密封处,管壳程介质间仍会产生串流现象,不适用管壳程介质不允许混合 的场合。 3)双填料函式换热器(图 6) 该结构以内圈为主要密封,防止内、外漏,而以外圈以辅助密封,防止外漏,且内外 密封圈之间设置泄漏引出管与低压放空总管相连。该结构可用于有毒、易燃、易爆等介质。 2.5 釜式重沸器(图 7) 釜式重沸器是一端管板与壳体固定连接(夹持式) , 另一端为 U 形管束或浮头管束,壳程为单(或双)斜 锥具有蒸发空间的壳体,一般为管程介质加热壳程介质, 故管程的温度和压力比壳体的高。

图5

图6

2.6 双管板式换热器(图 8)

每一侧有二块管板,换热管的一端同时与二块管板连接。

图7

图8

主要用于管程和壳程之间介质相混合后,将会产生严重后果。但制造困难;设计要求 高。要考虑二块管板温度不同,产生不同热膨胀,从而管板的应力也不一样,易造成换热 管与管板的连接失效。 1)防腐蚀:管程和壳程二介质相混合后会引起严重腐蚀。 2)劳动保护:一程为剧毒介质,渗入另一程会引起系统大面积污染(如波及到冷却或 加热系统) 。 3)安全方面:管程和壳程介质相混合后,引起燃烧或爆炸。 4)设备污染:管程和壳程介质相混合后,引起聚合或生成树脂状物质。 5)催化剂中毒:另一程介质混入后造成催化剂性能改变或化学反应。 6)还原反应:管程和壳程介质相混合后,引起化学反应终止或限制。 7)产品不纯:管程和壳程介质相混合后,引起产品污染或产品质量下降。 2.7 薄管板式换热器(图 9) 薄管板式换热器的管板厚度较薄,一般厚度在 12~16mm 之间。

a

b 图9

c

结构型式有: 1)贴面式(德国) :管板焊在设备法兰密封面上(图 9a) 。 2)镶平式(原苏联 ГОСТ 标准) :管板焊在设备法兰密封面其平(图 9b) 。 3)焊入式(原上海医药设计院) :管板焊在壳体上(图 9c) 。 薄管板式换热器的结构简单,一般用于中低压时。可以节约材料;降低制造成本。目

前用于温差不大的场合,即不能带膨胀节。

3 换热器类别的划分
根据管程和壳程的工作(设计)压力、介质特性、温度、容积等参数,按《容规》分 别确定管程和壳程的容器类别,按容器类别高的作为该台换热器的容器类别。 管程的容积是指二个(或一个)管箱容积与全部换热管内容积之和。 壳程的容积是指壳程容积,其中扣除换热管所占的容积。

4 设计参数
4.1 压力 4.1.1 工作压力 4.1.2 设计压力 4.1.3 计算压力 计算压力指在相应设计温度下,用以确定元件厚度的压力。 4.1.4 试验压力 试验压力 pT=1.25[σ]/[σ]t,当容器元件所用材料不同时,应取各元件材料的[σ]/[σ]t 比值 中最小者。 外压容器和真空容器以内压进行压力试验。 (注:壳程设计压力 Ps,管程设计压力 Pt) 1)当 pt<ps 时,各程分别按上述办法试压。当 pt(或 ps)为真空时,则 ps+0.1(或 pt+0.1)再乘以规定值。 2) 当 pt>ps 时,壳程试验压力按管程试验压力,但要复验筒体厚度是否满足 0.9φ σs, 这主要是管板背面看不到泄漏处,如超过 0.9φ σs,则增加壳体壁厚至满足 0.9φ σs。如不增 加壁厚时,也可用氨渗漏法试验。 4.1.4.1 固定管板换热器试验 先壳程试压,检查连接接头和壳程的强度和致密性;再装上管箱进行管程试压。 4.1.4.2 U 形管板换热器 壳程试压,将放入壳体,用环形试压胎具将管束与壳体法兰及垫片用螺柱拧紧进行壳 程试压(图 10) ,合格后卸下试压胎具,装上管箱后,进 行管程试验。 4.1.4.3 浮头式换热器 管头试压,固定管板端加环状试压胎具,浮头端加专 用的试压胎具(图 11 和图 12) ,试压合格后,拆除前后胎 具,装上管箱和浮头法兰进行管程试压;合格后装上外头 盖进行壳程试压。 4.1.5 气密性试验压力
图 10

气密性试验压力指容器顶部压力。气密性试验压力等于设计压力。

4.1.6 压力试验的应力校核

图 11

图 12

压力试验前应进行圆筒与封头的应力校核。 圆筒与封头应力 σT 应分别满足下列条件: 液压试验时:σT≤0.9φ σs; 气压试验时:σT≤0.8φ σs。 4.2 温度 4.2.1 设计温度 4.2.2 计算温度 管程与壳程的受压元件的计算温度按设计温度。 管板计算时,计算温度是沿长度平均的壳体圆筒的金属温度(即壳体壁温)以及换热 管的金属温度(即换热管壁温)来查找材料的线膨胀系数等参数。 4.2.3 试验温度 4.2.4 壁温(图 13) 1)换热管壁温 tt 热流体热量通过管壁传给冷流体。 热流体热量以对流 传热方式传到管内壁,热量以导热方式传到管外壁,热 量再以对流传热方式传到冷流体。在热流体到管内壁之 间和管外壁到冷流体之间均有污垢,热量通过污垢和管 壁均有热阻,因此热流体温度为 Tm 传至冷流体是温度 为 tm。因此换热管壁温 tt 1 t t ? ?t th ? t tc ? 2 2)壳体圆筒壁温 ts 4.3 厚度 4.3.1 计算厚度 4.3.2 设计厚度 4.3.3 名义厚度 4.3.4 有效厚度 4.4 厚度附加量

图 13

4.4.1 钢材厚度负偏差 4.4.2 腐蚀裕量的规定 根据预期的容器寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定。 各元件受到的腐蚀程度不同时,可采用不同的腐蚀裕量。 4.4.3 腐蚀裕量的考虑原则 考虑两面腐蚀的元件:管板、浮头法兰、球冠形封头、钩圈。 考虑内表面腐蚀的元件:平盖、凸形封头、管箱、壳体、容器法兰和管法兰的直径面 上。 管板和平盖上开槽时:当腐蚀裕量大于槽深时,要加上两者的差值。 不考虑腐蚀裕量的元件:换热管、拉杆、定距管、拆流板、支持板。当腐蚀裕量很大 时也要考虑。 4.5 许用应力 由压力 pt、ps 及法兰力矩引起的管板中的应力为一次弯曲应力,由壳体与换热管的温 度膨胀差在管板中引起的应力为二次应力。规定一次应力(包括一次弯曲应力)限制在 1.5 倍的许用应力,一次加二次应力的总和限制在三倍的许用应力。 4.6 公称长度 LN 换热管为直管时,取直管长度; 换热管为 U 形管时,取 U 形管直管段的长度。 4.7 面积 4.7.1 换热面积(图 14) 换热面积是以换热管外径为基准,以二管板内侧的换热管长度来计 算换热面积,计算得到的管束外表面积。换热管长度 L 是扣除伸入管板 内的长度。 形换热器一般不包括 U 形弯管段的面积, U 由于 U 形管除直 管段相同外,每根 U 形管的 R 均不一样,且 R 换算至直管也不是整 数,计算较复杂。 4.7.2 公称换热面积 一般取整数。 一般 3m2 以下,可 2.5、1.5 m2 等,3 m2 以上取整数。40 m2 以上圆整至 5、10。 4.8 焊接接头系数 根据焊接接头型式和无损检测选取焊接接头系数,对无法进行无损检测壳体圆筒的环 向焊接接头,当采用氩弧焊打底或沿焊接接头根部全长有紧贴基本金属的垫板时,其焊接 接头系数φ =0.6。 铝、铜、钛焊接接头型式、保护焊气体和无损检测选取焊接接头系数,对无法进行无 损检测的有金属垫板的单面对接焊钛制换热器,焊接接头系数φ =0.65。 4.9 管程和壳程
图 14

4.9.1 管程 介质流经换热管内的通道及与其相贯通部分。 4.9.2 壳程 介质流经换热管外的通道及与其相贯通部分。

5 平盖
采用平盖便于清洗管程,不必把管箱拆下。 平盖受力见图 15。 1)均布载荷 p 作用在简支的圆平板上。 2)螺栓载荷 W 作用在圆平板周边上。 3)垫片反作用力 FG 作用在圆平板支承面上。 公式 9~10 是强度公式,是“中低压”部分的薄圆 平板公式。 公式 11 是刚度公式,主要控制平盖中心处挠度。即 保证分程隔板处相互不泄漏。此公式来源于 TEMA。
图 15

6 管箱
换热器中管板二侧称管箱。管程介质进入换热管时起缓冲作用和再分配。 6.1 管箱壁厚 管箱圆筒有最小厚度的规定。管箱仅封头时可不按此规定。 6.2 管箱深度 最小内侧深度规定。 1)轴向接管单管程。 2)多管程:两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通面积 1.3 倍,每程换热管 流通面积即每程换热管数 n 乘上换热管内流通的截面积。 6.3 分程隔板 最小厚度的规定,主要保证一定刚度和承受两程之间压差。 卧式换热器分程隔板上要开设排净孔(泪孔) 。 6.4 管箱热处理 当碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖,以及 管箱的侧向开孔大于 1/3(即 d>D/3)圆筒内径的管箱(图 16) , 管箱要进行整体热处理。

7 圆筒
7.1 圆筒的公称直径

图 16

当 DN≤400mm 时,一般用钢管制作筒体,以钢管外径作为换热器的公称直径。当 DN ≥500mm 时,卷制筒体,以圆筒内直径作为换热器的公称直径。当 DN=450mm 时,有卷

制和钢管两种,公称直径表示方法按上述规定。 7.2 最小厚度的规定 最小厚度的规定主要保证刚度和支座处的局部应力。 U 形和浮头式圆筒比固定式厚,主要考虑 U 形和浮头式在制造、安装、检修中经常抽 出放进管束。

8 接管
8.1 接管设计 1)壳程的接管不允许伸入壳体内表面,妨碍管束的放入。 2)接管尽量沿着径向或轴向设置,有利于流体的分布。 3)对于不能用接管排气、放液的换热器,应分别在管程和壳程的最高点及最低点设置 排气口和排液口。 4)对于高温、大口径的接管,还应考虑来自管道的推力(三个方向的力和力矩) ,此 时要校核所在的壳体元件和接管根部的应力。 8.2 放空口 用于液体介质操作时把气体赶光,不然不凝性气体占有一定空间,减少换热面积。放 空口的最小公称直径为 20mm。 8.3 排液口 排净残液,如可利用接管排放,可不设。排液口的最小公称直径为 20mm。 8.4 接管法兰 当设计温度≥300℃时,须采用整体法兰。

9 换热管
换热管有光管、螺纹管、焊接管等。 奥氏体不锈钢焊接钢管使用范围:不得用于极度危害介质和 P≥6.4MPa。 除无缝钢管外,还可采用各种内外强化传热管。 9.1 规格 常用规格按标准。选用奥氏体不锈钢焊接钢管时,其许用应力按 GB150 中钢管许用应 力乘以 0.85 的焊接接头系数。 9.2 U 形管 U 形管弯管段弯曲前应进行最小壁厚计算,最小壁厚计算按

? o ? ? 1 ?1 ?

? ?

d ? ? 4R ?

这主要保证弯曲以后的壁厚必须符合承受压力要求的厚度 δo,此厚度 δo 不一定比原直 管壁厚厚。计算公式中,δ1 不是指直管段的壁厚,而是根据压力、温度、材质按内压计算 所需壁厚。因此算出的弯管厚度 δo 有可能小于等于直管段壁厚。一台 U 形管换热器有许多

根 U 形管,而弯管段半径 R 不相同,则 U 形管壁厚就不一样。 9.3 螺纹管 螺纹管外表面积,一般可为光管外表面积的 2~2.5 倍。螺纹管使用在管外结垢比较严 重的场合,当有脆硬的结垢发生时,往往是沿着翅片的边缘形成平行的垢,当温度发生变 化会引起管子的伸缩,使垢自行脱落,重新露出翅片金属。 不适用于固体粉尘含量较高或易结焦的场合。

10 管板
管板起管程和壳程介质分隔作用。 管板有不兼作法兰的管板和管板延长 部分兼作法兰。 10.1 管板计算 管壳式换热器结构复杂,影响管板强
图 17

度的因素很多,绝大多数国家规范的管板是强度计算公式,基本上都是把管板作为承受均 布载荷,放置在弹性基础上,且受管孔均匀消弱的当量圆平板来考虑(图 17) 。 因为影响管板强度的因数很多,因此正确地进行管板强度分析是较困难、较复杂,所 以各国对管板厚度计算公式都对管板作一定地简化、 假定而得到地近似公式。 引起管板应力的载荷有压力(管程压力 pt、壳程 压力 ps) 管壳热膨胀差及法兰力矩。 、 GB151 对管板厚 度计算作如下假定和简化。固定式换热器管板计算方 法的力学模型见图 18。 我国规范对影响管板应力作了几方面考虑和简 化: 1)管束对管板的支承作用 管束对管板在外载荷作用下地挠度和转角都有约 束作用,管束的约束作用可以减少管板中的应力。当 管板的直径与换热管直径相比有足够大,而换热管的 数量又足够多,则离散的各个换热管的支承作用可以 简化为均匀连续支承管板的弹性基础。管束对管板转 角又约束作用,对实际参数的分析计算,发现管束对 管板转角的约束作用对管板强度的影响是很小的,完 全可以忽略不计,因此本规范不考虑管束对管板转角 的约束作用,只考虑管束对管板挠度的约束作用,并 用管束加强系数 K 来表示。

K ? 1.318

Di

?

Et na E p?L?

图 18

2)管孔对管板的削弱作用 管板上是密布着分散的管孔,因此管孔对管板有削弱作用。管孔对管板的削弱作用有 两个方面:对管板整体削弱作用,使管板整体的刚度与强度都减少;管孔边缘有局部的应 力集中。 本规范只考虑开孔对管板整体的削弱作用,计算平均的当量应力,作为基本的设计 应力,即近似地把管板当作一块均匀连续削弱地当量圆平板来考虑。对管孔边缘地局部应 力集中,只作峰值应力考虑。但在疲劳设计中要考虑。 管孔对管板有削弱作用,但也考虑管壁的加强作用,故用刚度削弱系数 η 和强度削弱 系数 μ。根据弹性理论分析、实验,本规范规定 η 和 μ=0.4。 3)管板周边不布管区的折算方法 在管板周边部分,存在一个较窄地不布管区,一般布管区是个多边形而不是圆形,该 区域的存在使管板边缘应力下降。现折算成半径为 Rt 的圆形布管区的方法来近似真实的 多边形布管区。Rt 的取值应使两者地面积相等。 本规范仅适用于周边不布管区较窄的情况,即管板周边不布管区无量纲宽度 k 较小的 情况,k=K(1-ρt)≤1。 4)考虑管板的弯曲作用,还考虑管板和法兰沿其中心面内的拉伸作用。 5)假设法兰变形时,其横截面的形状不变,而只有绕环截面重心的转动与径向位移。 由于这种转动与径向位移造成法兰与管板中心面连接点处地径向位移量,应与管板本 身沿着中心面内地径向位移协调一致。 6)由温度膨胀差γ 与壳程压力 ps 及管程压力 pt 引起的壳壁的轴向位移与管束、管板 系统的轴向位移,应在管板周边协调一致。 7)管板边缘的转角受壳体、法兰、管箱、螺栓、垫片系统的约束,其转角在连接部位 处应协调一致。 8)当管板兼作法兰时,考虑了法兰力矩的作用对管板应力的影响。为了保证密封,对 于其延长部分兼作法兰的管板,规定尚需校核法兰应力。此时在计算法兰力矩时,考虑管 板与法兰共同承受外力矩,因而法兰所承受地力矩将有所折减。 9)许用应力 由压力 pt、ps 及法兰力矩引起的管板中的应力为一次应力(一次弯曲应力) ,由壳体与 换热管的温度膨胀差在管板中引起的应力为二次应力。规定一次应力(一次弯曲应力)限 制在 1.5 倍的许用应力,一次加二次应力的总和限制在三倍的许用应力。 10.2 几个压力组合 1)有效压力组合

Pa ? ? s ps ? ? t pt ? ??Et

2)边界效应压力组合 对于不带法兰的管板
Pb ? C ' ? ps ? 0.15pt ? ? 0.85C " pt

对于其延长部分兼作法兰的管板 Pb=0 3)当量压力组合 10.3 公式求解 根据力学模型图 14 可知共有 13 个未知数,即 Mh、Hh、Vh、Vb、VG、MR、H、VR、 Ms、Hs、Vs、Mt、Vt。有 4 个轴向力平衡方程式,9 个协调公式,这 13 个方程式可列成一 矩阵求解 13 个未知数。 10.4 管板厚度 管板厚度 δn 由下列几种情况确定:
图 19 图 20

Pc ? ps ? pt ?1 ? ? ?

图 21

图 22

就是管板厚度等于: 管板按公式计算的厚度或 GB151 规定的最小厚度 (δ) 中大者 + 壳 程腐蚀裕量或结构开槽深度中大者 + 管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度中大者。 10.5 复合管板 1)堆焊复合; 2)轧制、爆炸或爆炸加轧制复合钢板; 3)覆层与基层有局部不结合时,除非在管板钻孔时能全部消除,或局部不结合符合标 准要求,而又发生在管板不布管区较大的中心区域(管程进、出口处)则可使用;局部不 结合若发生在孔桥上时不允许使用。 10.6 最小厚度 δmin 在满足计算厚度和结构需要后,也必须满足规定的最小厚度。 10.7 管板分程隔板槽 分程垫片转角处一定要有 R,不然垫片很易断裂。 10.8 管板的拼接

1)拼接管板的对接接头应进行 100%的射线或超声检测,合格等级不低于Ⅱ级和Ⅰ级。 2)拼接后的管板应进行消除应力热处理(奥氏体不锈钢除外) 。 10.9 管板堆焊 1)堆焊前应作堆焊工艺评定。 2)基层待堆焊面及覆层加工后钻孔前的面进行表面检测,检测结果不得有裂纹,成排 气孔并应符合Ⅱ级缺陷显示。 3)堆焊覆层应在靠基层面采用超低碳的过渡层和覆层的双层堆焊,且从距表面最少 2mm(一般为 3 mm)的深处(按覆层厚度而定)其化学成分应符合覆层材料的要求。 4)不得采用换热管与管板焊后加桥间补焊的方法进行所谓的堆焊。 10.10 双管板(图 23)

图 23

1)较苛刻的介质一般在管程,换热管与管侧管板采用强度焊或强度胀。 2)壳侧管板采用强度胀。 3)封闭的间距 g 内应设置集液口或排气口。

11

U 形管板计算
AR—一根换热管承受载荷面积,即阴影部分(图 24) ; At—管板布管区面积 Ad—隔板槽面积; 1)二管程正三角形排列(图 25 中阴影面积)
图 24

11.1 符号

图 25
Ad ? n?SS n ? n? 3 2 S ? n?S ?S n ? 0.866S ? 2

图 26

2)二管程正方形排列(图 26 中阴影面积)
Ad ? n?S ?S n ? S ?

3)二管程转角三角形排列(图 27)
Ad ? n ' 3S ?S n ? 0.5S ?

? ?

图 图 28

27

4)二管程转角正方形排列(图 28)
Ad ? n '

? 2S ?? S ? ?

n

?

S? ? 2?

5)四管程正三角形排列(图 29)
Ad ? n ' S ?S n ? 0.866S ? ? n ''

? 3S ??S

n

? 0.5S ?

6)四管程转角三角形排列(图 30)
An ? n '

? 3S ??S

n

? 0.5S ? ? n" S ?S n ? 0.866S ?

7)四管程正方形排列(图 31)
An ? n ' S ?S n ? S ? ? n" S ?S n ? S ?

图 29

图 30

8)四管程转角正方形排列(图 32)
An ? n ' ? ? 2S ?? S ? ?
n

?

S ? ? ? n" ? 2?

? ? 2S ?? S ? ?

n

?

S ? ? ? 2?

图 31

图 32

S—换热管中心距,mm; Sn—隔板槽两侧相邻管中心距,mm; n′—沿隔板槽一侧的排管根数; n"—另一隔板槽一侧的 排管根数。 Dt—管板布管区当量直径。这是推导管板计算公式时,将一个多边形折算成一个当 量直径,以利公式推导。 11.2 压力确定 1)当 ps 和 pt 均为正压或负压时,取两者中的较大值,pd=︱ps︱(令 pt=0)或 pd=︱ pt︱(令 ps=0) ; 2)若能保证 ps 与 pt 在任何情况下都同时作用或 ps 与 pt 之一为负压时,pd=︱ps-pt︱。 U 形管换热器结构是管板夹持在二个法兰中,由于温度、压力等不同,选用的二个法 兰和垫片就不一样,此时垫片的 DG 可能不一样,因此公式中 DG 应按二个垫片中大值。 11.3 a 型连接 满足 ? t ? ?? ?t 和 q ? ?q?。
t

11.4 b、c、d 型连接 满足 ? r ? 1.5?? ?r 、 ? t ? ?? ?t 和 q ? ?q?。
t t

11.5 e、f 型连接
t t 满足 ? r ? 1.5?? ?r 、 ? f ? 1.5?? ? f 、 ? t ? ?? ?t 和 q ? ?q?。
t

12 浮头式和填函式
12.1 符号 At—同上; Al—管板布管区内开孔后 n 根换热管承受的面积; L—换热管有效长度,即两管板内侧间距; 管板厚度 δ 初算时取管板最小厚度或假设厚度, 当计算出管板厚 度大于原假设厚度,重新设 δ 后修正 L。 12.2 压力确定 因为浮头式和填函式换热器中换热管轴向作用力不一样,浮头式有壳程压力作用,而 填函式无此压力作用,因此轴向应力计算不一样。 浮头式: 1)当 ps 和 pt 均为正压或负压时,取两者中的较大值,pd=︱ps︱(令 pt=0)或 pd=︱ pt︱(令 ps=0) ; 2)若能保证 ps 与 pt 在任何情况下都同时作用或 ps 与 pt 之一为负压时,pd=︱ps-pt︱。 填函式:pd=︱pt︱。 12.3 a 型连接 满足 pt>0 时, ? t ? ?? ?t 和 q≤[ q ] ;
t

(图 14)

σt<0 时, ? t ? ?? ?cr 和 q≤[ q ] 。

13 固定式
本计算公式仅使用 k≤1.0 的情况, 即管板周边不布管区较窄。 k>1.0 时, 当 可按 JB4732 附录Ⅰ计算。 当 k>1.0 时,在工艺或结构上允许时,多布管或管间距放大些,即 At=1.732nS2,

Dt ?

4 At

?

,则 Dt 就大些,则 ρt 大,则 k 会小,使达到 k≤1.0。

13.1 符号 δs—壳程圆筒厚度, 除按 GB151 规定外, 此处厚度指名义厚度, 即不扣除 C2。 δt—换热管的名义厚度,即不扣除 C2。 δh— 管 箱 圆 筒 厚 度 , 即 圆 筒 名 义 厚 度 , 即 不 扣 除 C2 。 1)管箱为凸形封头,并凸形封头直接焊于管箱法兰上, δh 取凸形封头厚度(图 33) ; 2)管箱有筒节,δh 取筒节厚度(图 34) ; 3)管箱法兰为乙型法兰,δh 取法兰加强短节厚度(图 35) ;
图 33

4)管箱法兰为高颈法兰,δh 取法兰颈部大小端厚度之和的平均值(图 36) 。

图 34

图 35

图 36

Es—壳程圆筒材料弹性模量,即壳程圆筒金属温度下的弹性模量。 Et—换热管材料弹性模量,即换热管金属温度下弹性模量。 Ep—管板材料的弹性模量,取管、壳程设计温度中大值的管板材料弹性模量;

E 'f —壳程法兰材料弹性模量,当管板延长部分兼作法兰时,即管板材料弹性模量 Ep;
当管板延长部分不兼作法兰时,即壳程设计温度下的壳程法兰材料弹性模量。

E "f —管箱法兰材料弹性模量,即管程设计温度下的管箱法兰材料弹性模量。
Eh—管箱圆筒材料的弹性模量: 1)管箱有筒节取筒节材料弹性模量; 2)管箱凸形封头直接焊于法兰上,取凸形封头材料弹性模量; 3)管箱法兰为乙型法兰,取法兰加强短节材料弹性模量; 4)管箱法兰为高颈法兰,取高颈法兰材料弹性模量; αs—壳程圆筒材料线膨胀系数,即壳程圆筒金属温度下的线膨胀系数。 αt—换热管材料线膨胀系数,即换热管金属温度下线膨胀系数。

?? ?tc —壳程圆筒材料在设计温度下的许用应力,此设计温度即指壳程侧设计温度。 ?? ?ts —换热管材料设计温度下的许用应力,此设计温度即指管程侧设计温度。
? st —换热管材料设计温度下的屈服限,此设计温度也指管程侧设计温度。

?? ?tr —管板材料设计温度下许用应力,此设计温度取管、壳程设计温度中大值。 ?? ?tb —管箱法兰螺栓设计温度下的许用应力,此设计温度即指管程侧设计温度。
Q—换热管束与圆筒刚度比。如壳程圆筒带有波形膨胀节,除Σ s 式中的 Q 值不 变外,其他出现的 Q 均应换用 Qex 值计算。因此在使用图表时,要注意是否有膨胀节。 Mm—基本法兰力矩,公式中 Am 为预紧时 Aa 和操作时 Ap 所需螺栓最小截面积中大值, 与实际 Ab 无关,计算中压力 p 为管程压力 pt; Mp—管程压力操作工况下的法兰力矩,计算中压力 p 为管程压力 pt;

lcr—换热管受压失稳当量长度 1)对无折流板(或支持板)时,取 L/2,这主要是二端管板对换热管连接起加强作用; 2)对有折流板(或支持板)时,取: ① 二个缺口同向折流板(或支持板)的距离,这主要折流板(或支持板)仅起支持作 用; ② 折流板(或支持板)与管板最大距离 a 时,取 a/
2 ,这主要考虑一端管板对换热

管有加强作用,而另一端折流板(或支持板)仅起支持作用。 φ —焊接接头系数,系指换热器中受压元件对接接头的焊接接头系数。对于无法进行 无损检测的固定管板与壳程圆筒的环向焊接接头,当采用氩弧焊打底或沿焊接接头根部全 长有紧贴基本金属的垫板时,取φ =0.6。其一是为了计算固定管板换热器壳程圆筒轴向应 力 σc 后,确定许用值 ? ?? ?tc 和 3 ? ?? ?tc ;其二是此类焊接接头因无法进行无损检测,必须按设 计技术要求和按焊接工艺施焊,避免随意性。

? 'f 与 ? " —当 ? 'f 为管板延长部分的凸缘厚度,为圆板厚度, ? " 是管箱法兰厚度,为圆 f f
环厚度,圆板的刚度比圆环大,因此 ? 'f 可比 ? " 小,但二者必须有一定比例关系,一般控制 f

? 'f / ? " =0.6,实际使用上也有 ? 'f / ? " =0.5。 f f
14.2 管板应力的调整 GB151 管板的应力计算分延长部分兼作法兰管板和不带法兰的管板,延长部分兼作法 兰管板计算应力 ? r 、 ? r' 、 ? p 、 ? 'f 、 ? c 、 ? t 、q,不带法兰的管板计算应力 ? r 、 ? r' 、? p 、 σc、σt、q,并区别不计膨胀变形差(γ=0)和计入膨胀变形差(γ≠0)两种情况。 1)当 ? r 和 ? r' 不合格时,则必须增加管板厚度 δ,一般以 ? 厚度。 2)当 ? f 不合格时,则必须增加法兰厚度 ? 'f ,也可能增加管板厚度 δ。 3)当 σt 不合格时:如 σt>0 时,应增加膨胀节,如增加管板厚度 δ 几乎无效果。 如 σt<0 时,应减小折流板之间距离,如折流板之间距离减小引起 管程的阻力降增加,影响工艺计算时,则增加膨胀节或直接增加膨胀节,增加管板厚度 δ 几乎无效果。 4)当 σc 不合格时,则增加壳程圆筒壁厚 δs 或增加膨胀节,如增加管板厚度 δ 几乎无 效果。 5)当 q 不合格时,如胀接改焊接,或增加管板厚度 δ 来加长胀接长度,或增加膨胀 节。

? rr 值为调整后的管板 t 1.5?? ?

14 换热管与管板的连接
14.1 强度胀接 换热管与管板连接处的密封和抗拉脱强度由胀接保证。 一般适用于碳钢、低合金钢连接,不锈钢和复合管板一般不用,当管板与换热管的材 质不同时: 线膨胀系数相差 10~30%时,其 t-t 0≤155℃; 线膨胀系数相差 30~50%时,其 t-t 0≤128℃; 线膨胀系数相差>50%时,其 t-t 0≤72℃。 14.2 强度焊 换热管与管板连接处的密封和抗拉脱强度由焊接保证。结构简单,加工方便。 14.3 强度胀加密封焊 换热管与管板连接处的抗拉脱强度由胀接保证,密封性由胀接和密封焊保证。 14.4 强度焊加贴胀 换热管与管板连接处的密封性和抗拉脱强度均由焊接保证,而贴胀是消除换热管与管 板之间的间隙。 14.5 胀焊顺序

15 换热管排列
15.1 三角形排列(图 37) 正三角形排列布管多,介质流经折流板缺口是垂直正对换热 管,冲刷换热管外表面,传热上称错列,介质流动时形成湍流,对 传热有利,管外传热系数较高。流体阻力相对大些。 正三角形排列用于壳程介质较清洁,换热管外不需清洗。 15.2 转角正三角形排列(图 38) 转角正三角形排列,介质流经折流板缺口是平行于三角形的一 边,传热上称为直列。介质流动时有一部分是层流,对传热不利影 响。对有相变的换热器,宜采用转角三角形排列,因为卧式冷凝器 的折流板的缺口边是左、右布置,气体流动方向与冷凝液流动方向 是垂直的(图 39) 。 15.3 正方形排列(图 40) 正方形排列,介质流经折流板缺口是平行于正方形,传热上称 为直列,介质流动是层流,对传热有不利影响。 15.4 转角正方形排列(图 41) 转角正方形排列,介质流经折流板缺口是垂直正对换热管冲刷换热管外表面,传热上 称为错列,介质流动时形成湍流,对传热有利。
图 39 图 38 图 37

15.5 同心圆 同心圆靠近壳体的地方布管较均匀,小直径 比三角形排列多,超过 6 圈就较三角形排列少。

16 中心距
换热管中心距不小于 1.25 倍的换热管外径, 距离,即换热管中心距加上槽宽。
图 40 图 41

主要考虑到管孔间小桥在胀接时有足够强度和便于焊接。表中 Sn 分层隔板槽二侧对称排列

17 布管限定圆
布管限定圆是指换热管外壁所限定圆直径。 有这布管限定圆使换热管不要太靠近壳体, 当换热管和壳体距离太近,使液体不经过此处,从而减少传热面积。 固定管板和 U 形管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离为 0.25d, 且不宜小于 8mm。 浮头式换热器从结构上考虑。

18 分程
18.1 管程分程 分程目的:当用增加管数来增加换热面积时,流体在管束中流速随着 换热管数的增加而下降,造成流体的给热系数的下降,故仅采用增加换热 管数是不行,则在保证流体在管束中保持较大流速,则可将管束分成若干 程数。 管程数 Nt 指介质沿管长度方向往返的流经次数。 管程分程应考虑下列几方面(以四程为例图 42) : 1)应尽量使各管程的换热管数大致相等,其相对误差(ΔN)应控制 在 10%以内,最大不得超过 20%。 ΔN=[ Ncp-Nmin(max) /Ncp] × 100% 2)分程隔板槽形状简单以利加工,密封面长度较短,减少泄漏。 3)程与程之间的温度相差不易过大,一般温差不超过 10℃(50℉) 。 18.2 壳程分程 分程目的同上,不同的是一个保持壳程流速。 壳程数 NS 就是介质在壳程内沿壳体轴向往返的次数,一般只分二程。
图 42

19 折流板和支持板
折流板主要使流体尽可能垂直于换热管流过,提高换热效率(平流效率差) ,但阻力增 加。支持板与折流板的结构完全一样,但支持板仅对管束起支撑作用。 19.1 形式

形式:弓形—单弓形、双弓形、三弓形; 圆盘-圆环。 19.2 缺口 缺口弦高 h: 无相变换热器,一般 h=0.25Di; 冷凝器,一般 h=0.25~0.45Di,根据冷凝液多少决定缺口高度; 壳程沸腾再沸器,一般 h=0.45Di。 19.3 厚度 标准中的厚度对固定式管板换热器较薄一些,因为浮头式、U 形管式换热器的管束要 抽出、装入壳体内,其抽装时阻力很大,特别是壳程介质易结垢时,往往在抽装管束时使 折流板变形,再有壳程腐蚀介质,应采用较厚的折流板。另外管束振动时,较厚折流板对 换热管的剪切破坏作用小,而且会增大系统的阻尼,减小振动。

20 防冲板和导流筒
20.1 壳程设置防冲板或导流筒的条件 1)进口管流体的 ρυ2 值大于一定值要设置防冲板或 导流筒其中单相流体是指纯气体或纯液体。 2)有腐蚀或有磨蚀的气体,蒸汽及汽液混合物,应 设置防冲板。 3)当壳程进出口接管距管板较远,流体停滞区过大 时,应设置导流筒,以减少流体停滞区,增加换热管的有 效换热长度。 20.2 防冲板 为了防止壳程流体进口处的流体对换热管表面的直 接冲刷, 应在壳程流体进口管处设置防冲板或导流筒; 为 减少管程流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀应在管 程流体进口管处设置防冲板。 20.2.1 管程设置防冲板的条件 在进料接管轴向设置时,当接管内截面大大小于所对 换热管内截面要设置防冲板。 20.2.2 流通面积 壳程和管束进、出口处流体流通面积应不小于进、出口接管截面积,并流体流经进、 出口处时 ρυ2 值不超过 5950kg/(m﹒s2)。 1)设置防冲板的壳程进、出口处流通面积 壳程进、出处设置防冲板或导流筒时,壳程进、 出口处流通面积为接管处圆筒内表面与防冲板或导流筒表面之间流体通过的面积 (图 43a) ,
图 43

即一端为马鞍形,另一端为平面的圆柱形的侧面积。 2)无防冲板的壳程进、出口处流通面积 壳程进、出口处流通面积为一端为马鞍形,另一端为平面的圆柱形的侧面积(图 43a) 与接管内径投影范围内换热管间的通道面积(图 43b 中的阴影面积)之和。 3)设置防冲板的管束进、出口处流通面积 壳程进、出处设置防冲板时,管束进、出口处流通面积为折流板与折流板间距内换热 管之间的通道面积减去防冲板的投影面积(图 44 中的阴影面积) 。 4)无防冲板的管束进、出口处流通面积 壳程进、出处无防冲板时,管束进、出口处流 通面积为折流板与管板或折流板与折流板间 距内换热管之间的通道面积(图 45 中的阴影 面积) 。 20.2.3 防冲板的形式 1)喇叭形管及变径管 ① 喇叭形管 A(图 46)形式用于壳程 蒸汽进口管。 (D1/DN=1.3~1.5) ② 喇叭形管 B(图 47)形式用于壳程 蒸汽进口管。 ③变径管(图 48)形式用 于壳程蒸汽进口管。 2)防冲板 ① 工字形防冲板 A (图 49) , 防冲板焊于定距管上。 ② 工字形防冲板 B(图 50) , 防冲板焊于壳体上。 ③ 矩形防冲板(图 51) ,防冲板焊于定距管上。 20.2.4 防冲板设置 防冲板外表面到圆筒内壁的距离,应不小于接管外径的 1/4,并保证足够流通面积。 防冲板厚度 δˊ。 20.3 导流筒 在立式换热器壳程中,要考虑使气、液介质更均匀的流入管间,防止流体对进口处管 束段的冲刷,免使进口端的换热管过早损坏,或壳程进出管距管板较远,流体停滞区过大, 或管板容易过热,使壳程冷却介质均匀的与管板接触,从而对管板起冷却作用,提高传热
图 47 图 46 图 44 图 45

效率,而采用导流筒结构。

图 48

图 49

图 50

图 51

20.3.1 内导流筒 内导流筒形式是在壳体内部设置一个圆筒形结构,在靠近管板的一端敞开,而另一端 近似密封。内导流筒的外表面到壳体内壁的距离不小于接管外径的三分之一。导流筒端部 至管板的距离,应使该处的流道面积不少于导流筒的外侧流道面积。 内导流筒的结构简单,制造方便,但它占据壳程空间而使布管数相应减少。 内导流筒一方面同防冲板作用一样,防止高速流体对换热管的冲蚀,另一方面使流体 流经管板处,减少死角。

1)内导流筒 A(图 52) ,常用的内导流筒。 2)内导流筒 B(图 53) ,适用于管板在过 热的情况下,使冷却介质均匀的与管板接触, 从而对管板起冷却作用。 20.3.2 外导流筒 外导流筒是考虑到环形通道进口处的线速 提高传热效果,以及防止流体对管束的冲刷。 1)外导流筒 A(图 54) ,用于换热器直径较小的场合。 2) 外导流筒 B (图 55) , 对 A 结构进行改进。 3)外导流筒 C(图 56) , 本结构采用斜口形使介质 由进口均匀流入管间而阻 力大致相同。 4)外导流筒 D(图 57) , 当气体进口在壳体下部 时, 为了进气均匀而采用 的结构。 20.3.3 导流筒设置 立式安装在导流筒 下方设数个泪孔。 内导流筒:结构简单,
图 56 图 57 图 54 图 55 图 52 图 53

度较高,在进口处采用扩大环形通道,均匀流向管束。为使流体均匀流入管间,减少死区,

制造方便,但它占据壳程空间,使排管数减小。 外导流筒:图 54 流体进入管间受到阻力不同,大部分流体在接口附近进入管间。图 55 比图 54 结构较均匀流入管间,图 56 斜口形导流筒使流体由进口管均匀流入管间,受到 阻力大致相同。 20.3.3 浮头式换热器用导流筒 浮头式换热器用导流筒是在壳程两端的进、出口处,增设内导流筒。上述的内导流筒 在浮头式换热器中压降过高,本结构增大导流筒的外表面与进、出口管处的弓形高度。

21 旁路挡板、中间挡板、挡管
21.1 旁路挡板 减少流体走短路。不一定要,根据布管情况。 21.2 中间挡板 同旁路挡板作用一样,减少流体短路。空隙大用中间挡板,空隙小用挡管。不一定要

有。 21.3 挡管 同旁路挡板作用一样,减少流体短路。不一定要有。

22 头和钩圈
22.1 浮头 一般浮头用于双管程,但也有用于单管程。 浮头中无折边球冠形封头、浮头法兰应分别按管程压力 pt 和壳程压力 ps 进行内外压计 算。 其中:l — 无折边球形封头与法兰内表面交点至法兰上表面之间距离,分二种工况计 算:p= p t 和 p = p s, 其中 Mp=FD(LD–LG )+ FT(LT–LG)- Fr Lr(或+Fr Lr,依形心与封头的位置而定) 22.2 钩圈 钩圈分 A 型和 B 型。 B 型比 A 型的优点。

23 支座
23.1 鞍式支座 两个鞍式支座中一个为固定鞍式支座,一个为活动鞍式支座。 活动鞍式支座主要有利于热膨胀、冷縮时减少支座处局部应力。 SH/T3418-2007《石油化工换热器钢制鞍式支座技术条件》标准可选用。 23.2 耳式支座

24 制造
24.1 圆筒 制造公差和圆度公差比 GB150 要严,以及内部不能有突入物和变形,这主要由于管束 (包括拆流板)组装要求。 24.2 换热管 换热管的拼接:直管不超过一条,U 形管不超过二条。焊后要做通球试验,并做 2 倍 设计压力的水压试验。 24.3 孔桥宽度偏差 孔桥宽度偏差是测钻头终端一侧(图 58) 。 24.4 胀接 胀接必须保持合适的胀紧度,欠胀不能保证胀口的密封性, 过胀则管壁减薄过大,导致换热管断裂或管板变形。 1)以换热管内径增大率表示 KD=(d2- d 1-G)/ d 1× 100%
图 58

KD 控制 当 d o/t>10 时, KD=0.7~1.6%; 当 d o/t<10 时, KD=2.2~3.2%。 2)以换热管壁厚减薄率表示 KS=(1-t′/ t ) ×100% KS 控制 一般 KS=6~7%。 减少残余应力 KS=6%。


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