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管壳式换热器 GB151讲义


管壳式换热器 GB151-1999
一.适用范围 1.型式

固定——Pt、PS 大,△t 小 浮头、U 形——Pt 大,△t 大

?

一般不用于 PD ? 2.5MPa ,易燃爆,有毒,易挥发和贵重介质。

结构型式:外填料函式、滑动管板填料函、双填料函式(径向双道) 2.参数

/>
DN ? 2600 mm, PN ? 35MPa, DN ? PN ? 1.75X104 。参数超出时参照执行。
DN:板卷按内径,管制按外径。 3.管束精度等级——仅对 CS,LAS 冷拔换热管 Ⅰ级——采用较高级,高级精度(通常用于无相变和易产生振动的场合) Ⅱ级——采用普通级精度 (通常用于再沸,冷凝和无振动场合) 不同精度等级管束在换热器设计中涉及管板管孔,折流板管孔的加工公差。 GB13296 不锈钢换热管,一种精度,相当Ⅰ级;有色金属按相应标准。 4.不适用范围 受直接火焰加热、受核辐射、要求疲劳分析、已有其它行业标准(制冷、造 纸等)PD<0.1MPa 或真空度<0.02MPa

+ 二.引用标准 1. 压力容器安全技术监察规程——监察范围,类别划分 ? 等 壳程的各自条件划类, 以其中类别高的为准, 制造技术可分别要求。 ? 按管、 ? 壳程容积不扣除换热管占据容积计,管程容积 =管箱容积+换热管内部容 积。 壳程容积=内径截面积 X 管板内侧间长度。 2. GB150-1998《钢制压力容器》——设计界限、载荷、材料及许用应力、 各受压元件的结构和强度计算。 3.有关材料标准。管材、板材、锻件等 4.有关零部件标准。封头、法兰(容器法兰、管法兰)紧固件、垫片、膨胀 节、支座等 三.设计参数 1. 有关定义同 GB150 2. 设计压力 Mpa 分别按管、壳程设计压力,并取最苛刻的压力组合(一侧为零或真空) 。 管板压差设计仅适用确能保证管、 壳程同时升降压, 如 1) 自换热 2) Pt Ps 均较高,操作又能绝对保证同时升降压。 3. 设计温度 ℃ 0℃以上,设计温度 ? 最高金属温度。 0℃以下,设计温度 ? 最低金属温度。 (一般可参照 HG20580《设计基础》 )

管程元件厚度截面金属 平均温度 ? 管程元件[? ]t ? 算用 ?最高部位温度,强度计 壳程元件厚度截面金属 平均温度 ? 壳程元件[? ]t ? (元件表面温度≧ 材料允许使用温度)
换热管沿全长平均壁温? 管材线胀系数? t ?按附录F确定? ? ? ? 固定管板式温差 S ? ? ? ?? 壳程筒体沿全长平均壁 温 ? 壳材线胀系数? ?可不计环境温度 ?
应力计算用

*

对气-气或液-液可近似取管、壳程介质平均温度的平均值。其它按

tt ?

Tm? h ? t m? c 估算。 ?h ??c

** 可近似取壳程介质平均温度。外有保温或流体温度近似等于环境温度 4.腐蚀裕量 C2(仅对管,壳程均匀腐蚀) 年腐蚀率×设计寿命 mm <0.05 0.05~0.13 0.13~0.25 >0.25 0 ≥1 ≥2 ≥3 对换热器设计寿命通常考虑 8~10 年(对炼油设备或有磨蚀的 C2 较上表大) 压缩空气、水蒸汽、水对 CS、LAS≦1mm, 双面考虑的元件——管板、浮头法兰、浮头盖、钩圈, 管板、平盖的槽深作 C2 或加差值。(槽深与 C2 取大值) 不另考虑 C2 的元件——换热管*、拉杆、定距管、折流板、支持板等。 *流动性较好腐蚀相对轻,换热元件要求给热系数α 小,管头胀接不宜过厚。 5.许用应力 CS、LAS、SS 按 GB150, 有色金属按 GB151 附录 D。 铝、铜及其合金 nb=4、ns=1.5 钛及其合金 nb=3、ns=1.5 复合板结合率≥B2 级,可计入复层 ??

? ? ??
t

?1t · ?1 ? ?? ?2t · ?2
?1 ? ? 2

6.焊接接头系数 CS、LAS、SS 按 GB150, 有色金属按 GB151 附录 D, 管板——圆筒环向接头,用氩弧焊打底或有垫板焊接Φ =0.6。 7.换热面积 m2 管束外表面积 ? ? d O ?Le ? n ,L e ——管板内侧有效长度。 U 形管一般不包括弯管段面积。 8.换热器公称长度 m

, ?直管的全长度 换热管长度? . ?U形管的直管段长度
9.压力试验、气密试验 气密试验常用于易燃、 极度、 高度毒性介质或管、 壳介质互漏时会有严重危害 (例 如加重腐蚀、引起爆炸、影响产品质量、催化剂中毒、吸附剂粉化等) 。 试验压力值同 GB150 管板按压差设计时,须规定管、壳程升、降压的具体压差值,

?提高壳程试验压力? 适用压差不大条件,且 校核壳程 ? pt ? ps时?? 试 ? 0.9? s ?,壁厚不扣除壳程 C (便于查管头连接) 2 ? 氨渗漏试验 ?壳程自身水压试验后增
A 法: 100%NH3,2~3KPa B 法: 10~30%,NH3,0.15~1.0Mpa C 法: 1% NH3,1~1.05PD 四.材料 1. CS、LAS、SS 按 GB150 2.有色金属按 GB151 附录 D 1) 铝和铝合金≤8Mpa,-269~200℃,对>65℃不宜用含 Mg>3%的 Al-Mg 合金*, 2) 铜和铜合金 纯铜≤150℃,铜合金≤200℃ 3) 钛和钛合金 纯钛≤300℃,钛合金≤350℃ *Mg 在 Al 中的室温溶解度 0.34%,极限溶解度 14.9%,Mg 含量较高,会在晶间析 出β 相(Mg2Al3, Mg8Al5),在某些介质中会产生应力腐蚀敏感性,只有在 65℃以 下不会产生。析出相过多也会降低冲击韧性。 3.锻件 1) 带凸肩与圆筒或管箱对接焊的管板, 2) 厚度>60mm 的管板, 3) 形状复杂的管板 4) 锻件级别≥Ⅱ级。 4.复合材料 1) 筒体、封头复合板(轧制、爆炸复合) 2) 管板、平盖复合或堆焊,堆焊分 2 层,第 1 层打底后热处理. 3) 轧制复合不锈钢管板Ⅰ级,平盖Ⅲ级, 爆炸复合管板≥B1 级,平盖 B3 级。 (贴合率与剪切强度指标不同) 5.换热管 通常用无缝管, 附录 C 的 SS 有缝管用于 PD≤6.4Mpa,非极度危害介质,并考虑接头系数 0.85。 五.设计 1.管箱 1) 管箱深度 a) 轴向开孔 开孔中心处最小深度≥ 1 3 di

b) 侧向开孔 满足元件焊接距离要求 c) 对多管程管箱、 相邻两程之间最小流通面积≥每程换热管流通面积的 1.3

倍 2) 平盖厚度(用于平盖管箱) a) 无分程隔板(强度条件) 操作时

? 1 ? DG

KPC [? ]t ?
K ?PC [? ]t ?

K ? 0.3 ?

1.7WLG PC DG
3

3

预紧时 ? 2 ? DG b) 有分程隔板(含刚度条件)

K '?

1.7WLG PC DG

? 3 ? DG [

DG 0.5[? ]tb Ab LG 1 / 3 (0.0435PC ? )] 3 EY DG

中心扰度 Y: DN≤600 Y=0.75 DN DN>600 Y= (mm) 800 最终取 ?1 、 ? 2 、 ? 3 中之大值 3) 分程隔板 a) 分程原则 ——每程换热管数大致相等, ——隔板槽形状简单,容易加工, ——密封面长度较短(计算隔板槽面积时,包括未被换热管 支承的面积——槽两测) b) 常用分程形式

c) 最小厚度
δ min CS 、LAS ≤600 8 >600~≤1200 10 >1200~≤2000 14 >2000~≤2600 14 DN mm SS 6 8 10 10

压差大时按(式 12)进行计算 ? ? b 构尺寸有关

1.5?? ?

?PB

t

B:尺寸系数—与隔板结

d) 隔板密封端最大厚度 10mm,超过时端部削边。

——槽深≦4mm(大于密封垫厚度) ——槽宽 隔板密封端厚+2mm, ——槽拐角处倒角 b×45°b>r(垫片转角) 。 f) 密封面与法兰齐平,同时加工。 4) 管箱 PWHT(针对 CS、LAS,SS 一般不做)

e) 隔板槽

? ?最后加工密封面 b)侧向接管开孔? 1 / 3Di? a)有分程隔板
消除焊接残余应力,否则易引起法兰变形(甲型法兰尤甚) ,影响密封性能。 2.圆筒 1) 公称直径 宜与标准封头或容器法兰(以外径为标准的与管法兰匹配) 匹配 2) 厚度

a)按GB150强度计算? ?两者取大值 b)最小厚度 ?
最小厚度考虑保证刚性、变形小,管束/管板易安装,尤其对 U 形、浮头式重 叠式局部应力;以及 PT>Ps 时,壳侧试压值要提高 δ min (CS、LAS) mm

DN 浮头、U形 固定

400~≤700 >700~≤1000 >1000~≤1500 >1500~≤2000 >2000~≤2600 8 10 12 14 16 6 8 10 12 14

* 表中含 1mm C2 值,当设计 C2>1mm 时,增加差值。 δ min (SS) mm
DN 400~≤500 δ min 3.5 >500~≤700 4.5 >700~≤1000 6 >1000~≤1500 8 >1500~≤2000 10 >2000~≤2600 12

3) 制造要求

e≤0.5%DN,且 DN≤1200 e≧5, DN>1200 e≧7;

周长

? 10 ?0

内表面焊缝磨平。

直线度 L/1000 且 L≤6000 ≧4.5, L>6000 ≧8 3.接管 1) 与圆筒内表面齐平 2) 径向或轴向设置 3) TD≥300℃,用带颈对焊法兰, 4) 高点排气,低点排液,DN≥20(或螺塞) 4.换热管(GB/T8163 流体输送,GB9948 石油裂解,GB13296 锅炉、换热器 S.S. 无缝管) 1) 公称长度(m)1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0,12.0(有利于提 高管材利用率) 2) 规格 按各自材料标准(见表 10) ,其中 CS,LAS,SS 常用规格: (d0)14,19,25,32,38,45,57 3) 偏差分Ⅰ、Ⅱ级精度,SS 均相当Ⅰ级精度 4) U 形管 a) 弯曲半径 R≦2d0(R——管中心半径) d0 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57 Rmin 20 24 30 32 40 40 45 50 60 65 70 76 90 100 110 115 b) 弯前最小δ min

? min ? ? 1 (1 ?

d0 ) 4R

? 1 ——直管 ? 计 R——弯曲半径(指到管中心) d0 ——管外径
c) 弯后圆度偏差≧10% d0 ,R<2.5 d0 的可 15% d0 d) 热处理 对有应力腐蚀且冷弯,则弯管段+150mm 直段: CS、 LAS——消应处理;SS 商定方法;有色金属一般不做

5) 长度拼接 a) 不允许拼接的图样要注明, b) 允许拼接的相关要求: ——焊接工艺评定 ——接头数,直管 1 条,U 形管 2 条,最短 300mm,弯管段+50mm 直段内 无接头 ——坡口机械加工,错边量 e<0.15δ,且≤0.5mm,直线度不影响穿管 ——接头数 10%作 XT ——逐根液压试验 PT=2PD ——通球检查 球径(mm) d0 ≤25 2 5 ~ 4 0 >40 球径 0.75di 0.8di 0.85di 5.管板

1)有效厚度
?C 2管 ?C 2壳 ? max? a)整板 ? e ? ? n ? max? ?t 槽管 ?t 槽壳

a) 整板

复合板

复合质量符合要求时,计入 ? 复的当量? e ?

[? ]t2 ??2 t [? ]1

2) 最小厚度(不含 C2) ,与计算厚度比较取大值 a) 胀接 ——易燃易爆,有毒介质 ——一般场合

? min ≦ d 0

d 0 ? 25

? min ? 0.75d 0 ? min ? 0.70d 0 ? min ? 0.60d 0

25 ? d 0 ? 50
d 0 ? 50
b) c) 焊接 复合板

满足结构设计和制造要求,但≦12mm

? 复 ≦3mm,且表层 2mm 理化性能达标——焊接连接换热管
且表层 8mm 理化性能达标——胀接连接换热管 ? 复 ≦10mm,

3) 拼接 a) 全焊透接头 b) 100%XT-Ⅱ或 UT-Ⅰ c) PWHT(SS 除外) 4) 堆焊 a) 基层表面检测Ⅱ级 b) 不允许管桥间补焊堆焊法 c) 分层堆焊,保证最小有效层厚度——带级堆焊,2 层,每层 4mm, ——手工堆焊,分区、对称、同时——表面机加工 5) 布管 a) 排列形式

(流向垂直于折流板缺口边) b) 中心距 ≦1.25d0 d0 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 S 13~14 16 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 Sn 28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 Sn—分程隔板两侧相邻管中距离 c) 布管限定圆 ——固定管板、U 形管板 最外层换热管外壁至圆筒内壁距 ≦8mm ——浮头管板 Di-2(b1+b2+b) b1—浮头管板与圆筒间隙 b2—密封垫片台阶宽 b—台阶与换热管外壁距离 6) 管孔 a) 钢换热管分Ⅰ、Ⅱ级管束孔 14 d0 16 19 25 32 38 管孔 16.25 14.25 19.25 25.25 32.35 38.4 d(Ⅰ) CS , ?0.15 ?0.20 0 0 LAS, SS 管孔 14.40 16.40 19.40 25.40 32.50 38.5 d(Ⅱ) CS, LAS ?0.15 ?0.20 ?0.30
0 0 0

45 50 55 57 57 64 70 72 68 76 78 80

b3=0.25d0,且

45 57 45.4 57.55
?0.25 0

45.5
?0.40 0

57.70

b) 有色金属管不分级(详见 GB151 表 18~表 21)≈I 级范围 7) 孔桥宽度 出钻一侧管板表面,相邻两管孔之间的实际桥宽,由钻头偏移量引起, 偏移量随管板厚度增大而增大,孔桥宽相应减小。

名义孔桥宽度-孔桥偏差,B=(S-d)-Δ 1 孔桥偏差△1=2△2+C △ 2 钻头扁移量,△2=0.0016X ? C 附加量 d0<16,C=0.508 d0≥16,C=0.762 b) 最小孔桥宽度 仅允许存在≤4%的孔数 其值为名义孔桥宽度的一半 +附加量, Bmin=1/2(S-d)+C1 d0≤32,C1=0.1 d0>32,C1=0 (详见表 51,表 52—钢换热管) 6.换热管与管板连接 (抗拉脱+密封) 1) 强度胀—不可焊接或 d0>14mm(机械胀)或习惯制造工艺 a) 胀接原理 换热管屈服变形,管板弹性变形(或管孔表面屈服) 硬度:换热管<管板,有应力腐蚀不采用局部退火软化 管头. ——管壁厚减薄率 6~8%,拉脱力最强 b) 最适宜间隙 曾有分析:一对#10、#20 钢,胀接的最佳间隙值: do×δ 19×2 25×2 32×3 38×4 C 0.1 0.16 0.2 0.19 按 GB151 管孔尺寸,采用Ⅰ级管适宜。 c) 适用(开槽)PD≤4.0Mpa,TD≤300℃,无剧烈振动,无过大温度变 化,无明显应力腐蚀 d) 要求:管孔不允许存在纵向或螺旋贯通刻痕 Al、 Cu 管用翻边胀, 提高[q] a) 孔桥宽度 e) 最小胀接长度 L= ? 管孔 ? 3mm,或 50mm 的较小值

f) 采用液压胀时,第一道加工沟槽后退到 12mm 左右 g) 管头外表面清理至金属光泽,l≦2δ 管板 h) 不开槽[q]=2Mpa,开槽[q]=4Mpa,有色金属开槽[q]=3Mpa 2) 强度焊 a) 适用 GB151 规定的压力范围,不适用有较大振动、有间隙腐蚀场 合 b) 焊口 45°倒角,倒角深度随换热管直径增大而加大,高压换热器 已广泛采用 U 形坡口。

(示意图)

c) 要求 注明双道焊。可保证焊口无贯通缺陷。 d) 管头清理 l≦d0 且≦25mm e) Al 管采用氩弧焊,铜管采用钎焊 f) [q]=0.5[σ ]tt 3) 胀焊并用 a) 结构 强度胀+密封焊或强度焊+贴胀、 (消除间隙,轻度胀) b) 适用 ——密封要求高 ——有振动或疲劳载荷 ——有间隙腐蚀 ——复合管板 7.筒体与管板连接 焊接结构详见附录 G,其中带≥10mm 对接段结构,板材若 有分层,不抗撕裂。与筒体对接焊的带凸肩管板应采用锻 件,就是此原因. 8.折流板和支持板 1) 作用 a) 折流板 提高传热系数,增大换热管轴向压缩稳定度(减小失稳 当量长度) ,减小管束振动。 b) 支持板 缩小换热管无支撑跨距,防止产生过大挠度(不超越最大无 支撑跨距). 2) 形式 弓形(单、双、三) ,圆盘——圆环形 3) 尺寸 a) 弓形缺口高度 缺口处流速≈横过管束流速, 切割率一般为(0.2~0.45)Di b)切口处于管孔中心线以下或两排管孔的小桥之间

c)最小厚度 mm
无支撑跨距L
DN ≤300 >300~600 >600~900 >900~1200 >1200~1500 >1500

<400 >400~≤700 >700~≤900 >900~≤1500 >1500~≤2000 >2000~≤2600

3 4 5 6

4 5 6 8 10 12

5 6 8 10 12 14

最小厚度 8 10 10 12 16 18

10 10 12 16 20 20

10 12 16 16 20 22

d)管孔

钢管分Ⅰ、Ⅱ级管束 Ⅰ级(CS、LAS、SS)

mm l>900 且 d 0 ? 32

换热管外径 d 0 或无支 d 0 >32 或 l ? 900 撑跨距 管孔 d 允许偏差

d 0 ? 0.7

d 0 ? 0.4
?0.30 0

d0

Ⅱ级(CS、LAS) 14 16 14.6 16.6
?0.40 0

19 19.6

mm 25 25.8

32 32.8
?0.45 0

38 38.8

45 45.8
?0.50 0

57 58.0

管孔 d 允许 偏差

有色金属换热管详见表 37~表 40.—无诱导振动,并对传热影响不大时 可适当放大管孔尺寸,但不超越钢管的Ⅱ级孔. e) 板的外径 mm
DN <400 400~500 500~900 900~1300 1300~1700 1700~2000 2000~2300 2300~2600

名义外 径 DN- x 允许偏 差

2.5

3.5
0 ?0.5

4.5
0 ?0.8

6

8
0 ?1.2

10

12
0 ?1.4

14
0 ?1.6

无缝钢制圆筒:Di-2mm 4) 折流板布置 a) 两端的尽量靠近壳程进、出口管,缺口位于远离接管方位

b) 等距分布 c) 最小间距≥1/5Di,且≥50mm,一般不大于 Di,缺口处 L<最大无 支撑跨 距 mm 10 12 14 16 19 25 32 38 45 57 d0
最大 无支 撑跨 距

钢管 有色 金属

750

850

1100 1300 1500 1850 2200 2500 2750 3200 950 1100 1300 1600 1900 2200 2400 2800

·在换热管材料允许使用温度范围内 ·以流体无诱导振动为前提,否则按附录 E(管束振动)调整流速或结 构参数,必要时改用折流杆 d) 缺口方向(卧式换热器) ——水平上下布置:单相清洁流体,若气中含液,下部开切口;若液中 含气,上部开切口 ——垂直左右布置:冷凝、再沸、气液共存或液中含固体,低处开通液 切口

e) U 形管束尾部支撑跨距

A+B+C≤L

5) 加工要求 板的外圆尖角倒钝,管孔边缘去毛刺 6) 折流杆(尚未列入 GB151)

a) 用折流杆栅取代折流板,壳程流体由横向错流变为轴向平行流 b) 流过杆栅时有节流湍动作用,提高给热系数 c) 且消除错流滞流死区,增加传热面利用率 d) 防管束诱导振动,减轻管头焊缝附加载荷,强度和密封性提高 e) 加工简单,安装较复杂,适宜成批生产(需要安装模具) 9.拉杆、定距管

1)形式

a ) 螺纹端拉杆+定距管 +双螺母 用于换热管 d0 ≧19mm ,

b ) 点焊拉杆 用于换热管 d0 ≦14mm 。 2)直径和数量——保证管束的整体刚性 a) 直径 mm 管 d0 杆 d
?

10≦d≦14 10 <400 ≧400~ <700 6 4 4 ≧700~ <900 10 8 6

14<d<25 12 ≧900~ <1300 12 10 6 ≧1300 <1500 16 12 8

25≦d≦57 16 mm ≧1500 <1800 18 14 10
?

b)数量 DN d
?

≧1800 <2000 24 18 12

≧2000 <2300 28 20 14

≧2300 <2600 32 24 16

10 12 16

4 4 4

* 在保证不小于给定拉杆总截面积下,直径和数量可做变动,但 d

≦ 10mm, n ≦ 4

3)布置 均匀布置在管束的外边缘,对 DN 较大时,布入布管区或折流板缺口区,每块板 不得少于 3 根。 4)固定端 应远离圆筒焊有防冲板的接管端,便于圆筒的组装。 , , 5)拉杆孔 孔 d1=d +1mm dn≤d , l1≥d (焊接) ; l2>la(螺纹深) 10.防冲与导流 1)作用 减轻冲蚀,改善流体不均匀分布。 2)防冲板 a) 设置条件 ——轴向进口流速>3m/s 2 2 ——壳程进口流体的ν ρ 值:非腐蚀、磨蚀单相>2230Kg/m·s 2 其他液体>740Kg/m·s ——有腐蚀、磨蚀气体、蒸汽、气液混合物。 b) 尺寸 ——间距≧1/4 接管外径 ——板的直径或边长=接管外径+50mm。 ——厚度δ :CS≥4.5mm,SS≥3mm c) 组合式单片防冲罩 (适用于满布管)

3)导流筒 ——防冲与均布作用 a) 设置条件 壳程进出口管距管板较远,流体停滞区过大, b) 作用 减少流体停滞区,增加有效换热长度,提高换热面积利用率, c) ——内导流筒 筒壳间隙≧1/3 接管外径,筒端空距以流通面积对等为准, 即 F 环隙=F 周向 ——外导流筒 筒壳间隙:接管外径≦200mm 为≧50mm, 接管外径>200mm 为≧ 75mm。

4)扩大管 起缓冲作用,常用于蒸汽进口管 11. 双壳程

1) 纵向隔板 a) δ =6mm, 端部与管板连接(焊接或螺栓) ( ? 取决于刚度和压差) b) 回流端通道面积≥折流板缺口面积 2) 密封 单向密封和双向密封 2 种结构,单向的应设置在压力高的一侧(进流侧) 。 常用于可抽式管束,固定管板式可焊死或插入壳体槽口

12.防短路 1) 旁路挡板(密封条) a)设在与折流流向相垂直处,焊于折流板槽口,厚度 ? = ? b)数量 DN≦500mm 500<DN<1000mm DN>1000mm 对 DN 小的,管数少的效果明显 1对 2对 3对



2) 挡管(假管) a) 结构 空管+端板(温度太高的不宜堵死),直径同换热管,长度超出首尾折流板 50mm 与折流板点焊。 b) 数量 每隔 3~4 排换热管设 1 根。 3) 设置部位 a) 旁路挡板在周边。 b) 挡管在管箱分程隔板对应处。 c) 两者均应设置在有效折流区内。 4)中间挡板 用于 U 形管束的壳侧中间通道,与折流板点焊 13.滑道 1) 用途 可抽式管束装拆用 2) 结构 滑板、滚轮、滑条 3 种结构

滑条(卧式再沸点用,管束 d 与外壳 D 相切) 14.支座 1)鞍座 鞍座距离 L≦3000 LB=(0.4~0.6)L L>3000 LB=(0.5~0.7)L

L——管板间长度;LB——支座中心间距;两端对称 2)耳座 DN≦800 至少 2 个,对称分布,

DN>800

至少 4 个,均匀分布。

3) 重叠式 a) 重叠支座高度比接管高度少 5mm, b) 重叠支座处增设调整垫片, c) 重量较大时,可增设 1 组支座,并校核筒体局部应力。

15.波形膨胀节 GB16749-1997 标准是按 TD=300℃,许用循环次数[N]=3000 次 1)结构 单波,多波(轴向刚度 Kn= K

n

单层,多层(各层的 ? ? ,N ? ) 多层膨胀节的优越性: ·挠性好,补偿变形能力强 ·挠曲时有多个中性面,断面弯曲应力趋于总体均衡 ·疲劳寿命高,约为单层的 6 倍 ·结构紧凑,占用空间小 ·利于采用耐腐蚀材料 ·不会发生突然破坏,相对安全 2) 选材 a) 耐腐蚀介质,且 C2≦1mm,否则用 SS, b) 温度 CS、LAS≦375?C, SS≤500?C。 3)热处理 a)体钢冷成形,消除应力热处理, b)钢冷成形不热处理,热成形固溶处理。

4)制造 a)整体式(ZD 或 ZX)有纵缝,无环缝,挤压或滚压成形,减薄量≧10%壁厚。 b)冲压,环向拼接成形 ·接头全焊透结构, ·接头 100% X 检测, ·消除应力热处理或固溶处理(SS) , ·接头无角变形,错边量,焊缝内外表面磨光与圆弧一致。 C)焊接接头控制要点 错边量 影响应力分布均匀性,多层结构的贴合度等。有限制值 余高 余高对最后一层焊道有保温和缓冷作用, 有利于减小焊接应力。 但局部形状突变引 起应力集中影响疲劳寿命。有限制值。 咬边 相当于尖锐缺口, 造成应力集中大, 对膨胀节的强度、 应力腐蚀、 疲劳寿命均不利。 不允许存在 5)衬筒 a) 减少涡流阻力和流体对膨胀节的磨蚀, b)条件 空气、蒸汽、气体 V>7m/s 水 V>3m/s c) 焊接固定在流体进流端,立式衬筒下端开泪孔。 6) 应力计算 采用工程近似法,将膨胀节视为梁、曲杆或环板(两个半环壳和环板组合) 计算方法同 EJMA—美国膨胀节制造商协会

a)内压

σ 1—内压波壳周向薄膜应力

?1 ?

PDm 1 ( ) 2m SP 0.571? 2h W

MPa

一次总体薄膜应力,非自限性,与内压平衡所必须,直接关系到膨胀节的安全使用。 σ 2—内压波壳经向薄膜应力

?2 ?

Ph 2m SP

MPa

一次总体薄膜应力,非自限性,与内压平衡所必须,但数值小,对膨胀节安全使用不

具主导影响 σ 3—内压波壳经向弯曲应力

?3 ?

P h 2 ( )C P 2m S P

MPa

一次弯曲应力,非自限性,与内压平衡所必须,数值较大,对波壳的承压能力和疲劳 寿命有较大影响。但它是弯曲应力,应力沿厚度呈线性分布,应力达到屈服时,仅是 上下表面屈服,中面仍是弹性状态,可继续承压;直至全部屈服。 b)位移 σ
4

—轴向位移波壳经向薄膜应力
MPa

2 E( b S P ? C 2)e1 ?4 ? 2h 3 C f

e1 ? F

K

(总轴向力/一个波的轴向刚度)

一次应力,一般数值很低,对波壳强度不起主导作用。 σ 5—轴向位移波壳经向弯曲应力

?5 ?

5E( b S P ? C 2)e1 3h 2 C d

MPa

二次应力,有自限性,满足变形协调而产生,应力沿厚度线性分布,数值较大,对膨 胀节强度影响较大,二次应力用“安定性”控制。 c)应力控制 单项σ 组合σ 0. 7(σ
2 1

、σ 2 分别≦[σ ] +σ 3≦1.5σ s
t

t

2

+σ 3)+σ 4+σ 5≤2σ s

t

·对 CS、LAS 抗疲劳性能差,此项必须合格(安定状态) ,否则不适用。 ·对 SS,若合格可不考虑低周疲劳问题;若不合格时,可校核疲劳寿命及平面失稳 确定的极限设计压力。 ) ·疲劳寿命控制 N 操作≤[N],[N] = N(疲劳破坏次数)/Nf(安全系数≧15) ,N 可按 应力幅在疲劳曲线上查取允许循环次数,或按公式计算 N= (

12820 3.4 ) T f ? R ? 370

·平面失稳压力控制 P3≥P,否则刚度不够,变形过大而平面失稳。 d) 外压校核原则 当 I 膨<I 筒时,将膨胀节视为当量圆筒作外压校核。当量圆筒的长度为波纹管长度 (L=nw) ,直径为 Dm ,厚度为膨胀节横截面对形心轴 1—1 的惯性矩 I1-1 所相当的圆筒 厚 度 S eq ? 3 12I 1?1 / l I1-1=IP+Ir IP——膨胀节环板部分截面惯性矩

Ir——波峰、波谷圆弧横截面惯性矩。 当 I 膨>I 筒时, 将膨胀节视为圆筒的一部分, 作圆筒整体外压校核 (校核方法按 GB150 6 章) 。 六.管板计算 本计算不适用于非同一管径换热管、非轴对称布置、部分部管或载荷特殊的条件。

1.U 形管式 常用图 18 a 型结构,管板不受换热管支持,考虑开孔削弱的普通圆平板 1)管板计算厚度

? ? 0.82 DG
Pd——管板设计压力

CC Pd ? [? ]tr
Pd ? PS 或 Pt 或 PS ? Pt

? ——管板在垫片 DG 处的计算厚度
2) 同时计算 ·换热管的轴向应力

?d 2 ?t ? ? (Ps ? Pt ) ? Pt
4a

? t ? [? ]t t 对 S.S、 [? ]t t 可取高值,

轴向应力按 PS、Pt 单侧分别等于 0 及 PS、Pt 同时作用三种工况计算 ·换热管拉脱力 q≤[q]

q?

? ta ?dl

2.浮头式和填料函式 (常用结构同上) 1) 管板计算厚度

? ? CDt Pa
2) 同时计算

与无量纲压力有关的 Pd 同上关系

?? [? ]t( t ? t 为正值时) t ·换热管轴向应力 ? t ? 对 S.S、[ ? ] t 可取高值 (? t 为负值时) ?? [? ]cr
·换热管拉脱力

q ? [q]

3. 固定管板式 常用图 18 e 型结构,管板受换热管支撑 1) 结构 管板与壳程圆筒连为整体 延长部分兼作法兰

用垫片紧固件与管箱连接

2. )假设

承受均匀载荷,周边支承,弹性基础, 管孔均匀削弱,受整体弯曲的当量圆平板。

AD 规范——局部弯曲且不计温差应力 3. )载荷 内压力(Pt、Ps) ,温度引起膨胀差,法兰力距。 4. )适用 周边不布管区较窄(k≦1.0)的情况。若 k>1 a)加大管间距 t b)按 JB4732 附录 I c)加大管板 ? 因为 k=K(1- ?t ) 而 K ? 1.318
2

Di

?

E t na E p?L?

?t ——本管区当量直径/壳内径(Dt/Di)
5. )计算内容 a)管板应力(内压力、法兰力矩引起的弯曲应力和剪切应力) b)兼作法兰应力, c)圆筒轴向应力,

d)换热管轴向应力及临界应力, e)换热管与管板连接的拉脱应力。 6. )计算前提 a)最大绝对压差(自换热除外) ,即仅有 Ps 作用或仅有 Pt 作用的危险组合,当一侧 为真空时要同时考虑。 b) 管,壳程一侧卸压,但不卸温度(即不断流体,短时停流不会形成最大温差) c)不计温差应力、计温差应力 2 类 4 种工况。(当一侧为真空时,成为 Pt、Ps 同时作 用或压力、温差同时作用的 2 种工况) 7.计算程序 a)程序号 SW6-98(V3.0 2002.10){七.固定管板换热器(延长部分兼作法兰) b)模式 设计计算或校核计算(设定管板厚度和兼作法兰厚度,校核相关应力小于许 用值。 c)输入参数 a) 壳程圆筒参数 (平均金属温度 ts) ,包括PS、TS,t s、t 0, 材 料 、 b) 管箱圆筒参数, 包括Pt、Tt,材料、 ?(大小端平均) h c) 换热管参数 换热管平均温度 t t 管子受压失稳当量长度 lcr (图 32 取不

Di、? s

同部位的大值),材料、d0、 ? t、n、s (管间距) d) 管板参数,材料、tP(设计) 、 ? 、Ad(槽面积) 、连接型式(管子—管板) 、 l(连接高度) 、[q] e) 管箱法兰参数 (需输入法兰详细参数 包括垫片、紧固件) , f) 壳体法兰(兼作法兰)参数,材料、 ? f 、D f (外径) g) 膨胀节总体轴向刚度。——如无膨胀节为“0” ,N/mm

8. )应力限制 * t a)由压力 (Pt、 Ps) 和法兰力矩引起的管板应力为一次弯曲应力, 限制σ r ≦1.5[σ ]r * t b)计入圆筒与换热管的温度膨胀差引起的管板应力为二次应力,限制σ r ≦3[σ ]r * ? r 管板及本管区周边径向应力 c)布管区周边剪切应力τ p,不计温差≦0.5[σ ]r ;计温差≦1.5[σ ]r t t d)兼作法兰应力σ f, 不计温差≦1.5[σ ]f ,计温差 ≦3.0[σ ]f t e)换热管轴向应力σ t, 不计温差≦1.0[σ ]t ,及≦1.0[σ ]cr(受压缩时) t 计温差 ≦3.0[σ ]t 及≦1.0[σ ]cr(受压缩时) t t f)圆筒轴向应力 σ c, 不计温差≦υ [σ ]c ;计温差≦3υ [σ ]c g)管头连接拉脱应力 q, 不计温差≦1.0[q] 计温差:胀接≦1.0[q]; 焊接≦3.0[q] t ** 对 S.S 许用值[ ? ] 应取低值。 h)极限分析和安定性准则 ·极限分析
t t

?s ?

6M e t2

? s?

4M P t2

受弯曲的梁,一点的应力达 ? s 时,整个结构未失效,当全截面各点应力达 ? s ,构件 才达到极限承载能力。在弯矩作用下表面进入屈服,继续加载,应力不增加,而是相邻 层面相继进入屈服,但计算公式仍为弹性公式,此时计算应力(虚线值)比实际应力大 (实线值) 。表面屈服时 ? s ? 前式得:

6M e t2 M ? ? ,全截面屈服时已加载到弯矩 ,代入 P S 4 t2

? max
·安定性准则

6? s t 2 ? ? 1.5? s 4t 2

按纯弹性理论,在载荷作用下应力达到 D 点时的应力—应变分别为 ? 1 和 ? 1 ,卸载时 沿 BC 下降,当应力将为零时,留有残余应变 ? s ,而当应变值为零时,相应存在残余应 力 OC,再次加载,卸载,应力—应变沿 BC 线变化,构件仍呈弹性状态,没有塑性应变 发生,结构是安定的。
' ' ' 若结构承受更高载荷,应力沿 OA 至 D 点,对应的应力—应变点为 ? 1 和?1 ,且若 ? 1


>2 2? s 时,卸载沿 B E 下降,在应力- ? s 处,出现反向压缩 EF,应变才降为零.再次


加载、卸载时,应力—应变沿 FBB E 变化,相继产生拉伸屈服变形和压缩屈服变形, 重而反复出现弹塑性变形,结构不处于安定状态,在一定的载荷循环下,导致材料疲劳 破坏。
t 所以,对局部区域应力或一次+二次应力≤ 2? s (相当 3[ ? ] )结构是安全的。
t



9.调整 应力超限时的调整 a)增加管板厚度, b)设置膨胀节,(一般情况可减薄管板) c)减小换热管无支撑跨距(即减小 lcr) d)增加换热管壁厚, e)增加壳程圆筒厚度, f)改变材料,使管、壳材料的线胀系数α 接近或相同(减少膨胀差) 。 g)改型——对压力高,温差大条件。 七.图样技术参数(至少) 技术特性表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 项目 设计压力 MPa 工作压力 MPa 设计温度 °C 工作温度 °C 介质名称 腐蚀裕量 mm 焊接接头系数 金属平均温度 程数 换热面积 m 容器类别
2

管程

壳程

(进、出)

(进、出)

主要受压元件材料

八 低温管壳式换热器 1 低温脆性断裂 1)低于某一温度,韧性指标明显下降,在应力远低于材料强度指标下脆性断裂, 冷脆性只产生于体心立方晶格的金属,如 Cr, Mo,α 铁——C.S, LAS.

面心立方晶格的金属不产生冷脆性,如 Cu,Al,γ 铁——S.S

2)低温界限,各国具体条件不同而不同,中国 t≤-20℃为界(美国-30℃,日/德-10℃) 3)低温低应力工况, 应力是低温脆性的动力,同样条件下,应力越低,脆断动力越小。 降低应力可相应降低容器使用温度,——即温度一定,降低应力相当于提高使用温度。 温度≤-20℃,σ 环≤σ S 标·1/6,且≧50Mpa——不适用于σ b 下>540Mpa 的低温换热器。 . 不适用于紧固件。 4)评定指标, “临界脆性转变温度”工业上用低温冲击功指标 2.材料 1) 镇静钢,使用温度按相应钢号规定的最低温度(随δ 有变) 2)— δ >20mm,逐张 UT—Ⅲ,δ <20mm,按 GB150 第四章。 3) 低温夏比(V 形缺口)冲击试验(免做条件除外) ,按批复验 ——板 每批 1 组 ——管 每批 2 根,δ >16mm 10% ≦2 根 试验温度<最低设计温度 4)焊材 C.S,LAS 成分,性能相同或相似 3.设计 1) 强度计算按 20℃时的 ?? ? 简单,少约束,平滑过度,减少局部应力,支座加垫板 ——相同壳材, 整体补强(厚壁管) 齐平,倒 R 。 3) 焊接 全焊透结构, 管板——壳体 附录 G 中有对接焊条件的结构 4) 法兰 PD≥1.6Mpa 极度,高度。易燃,易爆/ PD≥2.5Mpa /TD〈-40℃ 用对焊法兰 5)垫片 S.S ,Al,Cu 包垫片, SS 缠绕垫 6)换热管 宜整根,超过供货长度,接头 100%XT—Ⅱ, 4.制造 1)不锤击,不打材料标记,不打焊工钢印,不随意引弧。 2)正火板冷成形,或温成形(回火温度以下) , (回火脆性区) 3)U 形管冷弯,且 R<10d0 的,弯后做热处理 4)焊接工艺评定 较小焊接线能量,多道焊。表面质量无缺陷。平滑过度,控制余高,焊 疤修磨。 5)PWHT δ 〉16mm 的 C.S,LAS 需要(包括受压元件与非受压元件的连接) 6)每台做焊接试板 7)接头无损检测:100%——TD〈-40℃;TD≥-40℃δ >25mm;符合 GB150 相关条件的,另 2 ) 结构

加 100%MT 或 PT 50%——其他条件的,50%为各条长,且≦250mm 8)试压 液压 液体温度≦材料或接头低冲试验温度+20℃
32 32


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