HGCAD压力容器换热设备Word文档格式.docx
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5.几种型式换热器性能的比较：
（1）.固定管板式换热器
优点：
1.结构简单紧凑；
2.管内清洗方便：
（可走不干净介质，可更换换热管）
3.管板厚度较薄，造价低；
缺点：
1.壳程清洗困难（壳程流体必须干净，不易结垢）
2.承受温差载荷的能力差。
适用压力高、介质干净场合。
为了改变固定管板式换热器的不足，开发出了带膨胀节的固定管板式换热器。
（2）.带膨胀节的固定管板换热器：
1.2.3.同上
4.承受温差载荷的能力大。
壳程清洗困难。
适用于温度、压力高、介质干净的场合。
为了改进固定管板式换热器壳程清洗困难，人们开发了浮头式换热器。
（3）.浮头式换热器
1.承受温差载荷的能力大；
2.管程、壳程清洗方便。
缺点：
1.结构复杂、笨重、金属清耗量大造价高；
2.浮头内渗漏无法观察；
3.换热效率低。
为了使浮头管板能够随管束一起抽出，管束外边缘与壳壁之间形成了一个宽度16~22mm的环隙；
不但减少了排管数目，易引起壳体流体短路；
而且使得壳体流速下降，传热系数K降低。
故换热面积需增大，结构笨重。
适用于高温、高压、介质不干净的场合。
（4）.填料函式换热器（浮头式换热器的又一种改型结构）
1.承受温差载荷的能力高；
2.管程、管程清洗方便。
1.结构复杂；
2.填料密封结构，密封压力低,易泄漏。
因为填料函式换热器，将原浮头式换热器的法兰连接静密封改为填料型式密封以后，壳程介质的少量外泄往往难以避免。
适用于低压、无毒的一般场合。
（5）U形管式换热器：
1.结构简单；
2.壳程清洗方便；
3.承受温差载荷的能力高。
1.管内清洗困难；
2.内层换热管损坏，无法更换，只能堵管；
3.换热效率低
因为内层的U形管必须保持一个最小弯管半径（2倍换热管外径），于是导致壳程出现了一个不能排管的条形空间，使得壳程流速下降，K减小。
适用于温度、压力高，壳内介质干净的场合。
2.3.2设计参数的确定（总则）
1、设计单位的职责：
（3.2.2.1条）
（1）设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责。
（2）换热器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样。
（3）换热器设计总图应盖有压力容器设计单位批准书标致。
2、换热器的主要组合部件：
（3.5条）
前端管箱、壳体、后端结构（包括管束）三部分，详见图7。
前端管箱:
ABCDN
壳体:
EQFGHIJKO
后端结构:
LMNPSTUW
3、公称直径DN（3.6条）
（1）卷制圆筒以圆筒内直径（mm）作为换热器的公称直径。
（2）钢管制圆筒以钢管外径（mm）作为换热器的公称直径。
4、换热面积A（3.7条）
（1）计算换热面积：
以换热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算得到的管束外表面积；
对于U形管式换热器，一般不包括U形弯管段的面积，m2。
（2）公称换热面积：
经圆整后的计算换热面积，m2。
5、公称长度LN（3.8条）
以换热管的长度（m）作为换热器的公称长度。
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。
6、管程和壳程（3.9条）
（1）管程系指介质流经换热管内的通道及其相贯通部分。
（2）壳程系指介质流经换热管外的通道及其相贯通部分。
（3）管程数Nt，系指介质沿换热管长度方向往、返的次数。
（4）壳程数Ns，系指介质在壳程内沿壳体轴向往、返的次数。
7、压力（3.11条）
除注明者外，压力均指表压力。
（1）工作压力Pw
工作压力指在正常工作情况下，换热器管、壳程顶部可能达到的最高压力。
（2）设计压力P
设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。
对于同时受管、壳程压力作用的元件，仅在能保证管、壳程同时升、降压时，才可以按压差设计，否则应分别按管、壳程工作压力确定设计压力，并应考虑可能存在的最苛刻的管、壳程压力组合。
按压差设计时，压差的取值还应考虑在压力试验过程中可能出现的最大压差值，同时设计者应提出压力试验的步进程序。
真空换热器真空侧的设计压力按承受外压考虑，当装有安全控制装置（如真空泄放阀）时，设计压力取1.25倍最大内外压力差，或0.1MPa两者中的较低者；
当没有安全控制装置时，取0.1MPa。
真空换热器非真空侧，同时受管、壳程压力作用的元件，其设计压力应为内压侧和真空侧设计压力之和。
（3）计算压力Pc
计算压力指在相应设计温度下，用以确定换热器元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。
当元件所承受的液柱静压力小于5%的设计压力时，可忽略不计。
（4）试验压力PT
试验压力指在压力试验时，换热器管、壳程顶部的压力。
8、温度（3.12条）
（1）设计温度
设计温度指换热器在正常工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属横截面的温度平均值），设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。
在任何情况下，元件金属的表面温度不得超过材料的允许使用温度。
设计温度不得底于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。
对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。
标志在名牌上的管、壳程设计温度，分别为管程管箱和壳程壳体的设计温度。
对于同时受管、壳程温度作用的元件可按金属温度确定设计温度，也可取较高侧的设计温度。
金属温度可按附录F（提示的附录）求得，或在已使用的同类换热器上测定，也可根据成熟的设计经验确定。
（2）试验温度
试验温度指压力试验时，管箱和壳体的金属温度。
9、厚度（3.14条）
（1）厚度附加量
厚度附加量按式
（1）确定：
C=C1+C2………………………………
（1）
式中：
C——厚度附加量，mm；
C1——材料厚度负偏差，按A，mm；
C2——腐蚀裕量，按B，mm。
A.材料厚度负偏差
板材或管材的厚度负偏差按材料标准的规定，当材料的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可忽略不计。
换热管不考虑厚度负偏差。
B.腐蚀裕量
为防止换热器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量，具体规定如下：
a）.对有腐蚀或磨损的零件，应根据预期的寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量；
b）.换热器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；
c）.介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素钢或低合金钢制换热器，腐蚀裕量不小于1mm。
C.换热器主要元件腐蚀裕量的考虑原则：
a）.管板、浮头法兰、球冠形封头和钩圈两面均应考虑腐蚀裕量；
b）.平盖、凸形封头、管箱和圆筒的内表面应考虑腐蚀裕量；
c）.管板和平盖上开槽时，可把高出隔板槽底面的金属作为腐蚀裕量，但当腐蚀裕量大于槽深时，还应加上两者的差值。
d）.压力容器法兰和管法兰的内直径面上应考虑腐蚀裕量；
e）.换热管不考虑腐蚀裕量；
f）.拉杆、定距管、折流板和支持板等非受压元件，一般不考虑腐蚀裕量。
（2）计算厚度δ
计算厚度指按GB150和本标准有关公式计算得到的厚度；
需要时，尚应计入3.13.2中载荷所需的厚度。
（3）设计厚度δd
设计厚度指计算厚度与腐蚀裕量之和。
（4）名义厚度δn
名义厚度指设计厚度加上材料厚度负偏差后向上圆整至材料标准规格的厚度。
即标注在图样上的厚度。
（5）有效厚度δe
有效厚度指名义厚度减去腐蚀裕量和材料厚度负偏差。
10、许用应力：
бb/nbбs/nsбts/nsбtD/nDбtn/nn
nb=3ns=1.6nD=1.5nn=1
11、焊接接头系数:
焊接接头型式
焊接接头系数Ø
全部无损检测
局部无损检测
双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头
1.0
0.85
单面焊对接接头（带垫板）
0.9
0.8
对于无法进行无损检测的固定管板式换热器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,其焊接接头系数Ø
=0.6。
该焊接接头系数不能代入中径公式。
12、压力试验：
A．管程设计压力Pt>
壳程设计压力Ps时
（1）、提高壳程PT=管程PT，必须先校核壳体在管程PT下的бT≤0.9бsØ
；
（2）、若经计算不能提高壳程PT时，则壳程、管程按各自要求的试验压力试压后，壳程再用1.0倍壳程设计压力的含氨体积约1%的压缩空气或低压纯氨进行氨渗透试验。
（3）、卤素检漏等方法试验。
B．压力试验前的应力校核：
（1）、筒体：
（2）、椭圆封头：
GB150：
因为筒体与封头的压力相当。
有时因封头制造要求，封头厚度反而比圆筒厚，故仅提供筒体。
GB151：
由于抽装管束的需要，有时筒体厚度远大于封头厚度，故筒体封头均需校核бT。
2.3.3材料
1、选材原则：
（1）容器的使用条件（如设计温度、设计压力、介质特性和操作特点等）。
（2）材料的力学性能；
（3）材料的焊接性能，热处理性能（加工工艺性能）；
（4）材料的耐腐蚀性能；
（5）材料的价格及来源（经济管理性）
2、有色金属使用范围规定：
（4.1.2条）
（1）铝及铝合金
良好的导热性、耐腐蚀性及焊接性能。
适用于设计压力应不大于8Mpa。
设计温度为-269-200℃，当设计温度高于65℃时，不宜选用含镁量大于3%的铝镁合金；
（2）铜和铜合金
良好的导热性、耐腐蚀性；
但焊接性能较差。
一般应在退火状态下使用，且采用胀接。
纯铜设计温度应不高于150℃；
铜合金应不高于200℃；
（3）钛和钛合金
强度高（бb≥441Mpa）,屈强比大（0.7）;
热膨胀系数小,良好的耐腐蚀性及抗结垢性能;
导热系数小,是钢的确1/5,与不锈钢接近;
价格昂贵（不锈钢的4.6-6倍,钢的20-25倍）
钛和钛合金的设计温度不高于300℃；
钛复合板应不高于350℃。
3、锻件：
（4.3.1条）
（1）管板、平盖、法兰的钢锻件，其级别不得低于JB4726和JB4728规定的II级。
I级锻件:
检查硬度HB（逐件）
II级锻件:
拉伸和冲击（每批抽查一件）
III级锻件:
拉伸和冲击（每批抽查一件）;
超声检测（逐件）
Ⅳ级锻件:
拉伸、冲击、超声检测（逐件）
（2）管板锻件场合：
①管板带肩与筒体、封头对焊，应采用锻件；
②管板厚度>
60mm，宜采用锻件。
厚度大于60mm时，板材难采购，且质量难保证。
带凸肩的管板一般都用于压力较高、易燃、易爆、毒性程度为极度、高度危害的场合，对管板要求较高，管板也较厚。
为避免凸肩处产生夹渣、分层，及改善凸肩处纤维受力状况，减少加工量，节省材料，采用凸肩与管板直接锻造出来的整体锻件来制造管板。
4、钢板制造长颈法兰时的特殊要求：
（4.3.2.2条）
a、钢板不得有分层等缺陷，且应按JB4730进行超声检测，质量等级不低于Ⅲ级；
b、应沿钢板扎制方向切割板条，经弯制对焊成圆环，并使钢板表面成为环的柱面；
c、圆环的对接接头应采用全焊透结构；
d、圆环对接接头应经焊后热处理及100%射线或超声检测；
按JB4730规定的射线检测Ⅱ级合格，超声检测Ⅰ级合格。
5、奥氏体不锈钢焊接钢管用作换热管时规定：
（也可作圆筒）
a、设计压力≤6.4Mpa;
b、使用温度与相应钢号的无缝钢管相同;
c、不得用于极度危害介质的工况。
6、允许使用的换热管材料
①碳钢、不锈钢无缝钢管；
②铜、铝、钛及其合金无缝钢管；
③不锈钢焊接管
④螺纹管、翅片管、波纹管；
⑤使用经验成熟，可选用其他牌号或材料的换热管。
2.3.4设计
一、平盖：
仅适用于螺柱连接的圆形平盖计算
1.管箱内无隔板：
操作时：
预写时：
（新增加）
2.管箱内有隔板：
操作时：
预紧时：
刚度设计：
δP=………………（11）式，
（控制平盖中心的挠度，挠度过大，密封宜失效）
DN≤600mm,挠度≤0.8mm
DN≥600mm,挠度≤1/800DN
二、管箱：
★增加分程隔板厚度计的方式：
（压差大时需计算）
三、圆筒：
δmin：
碳钢、低合金钢轧圆筒δmin见表8，高金属见表9。
可见换热器筒体最小壁厚远大于GB150的规定；
因为换热器内件（管束）重量大，为了保证刚度的要求，故δmin比GB150大的多。
四、接管（5.4.2条）
接管（管口）的一般要求
①接管宜与壳体内表面平齐；
②接管应尽量沿换热器的径向或轴向设置；
③设计温度≥300℃时，应采用对焊法兰；
④放气（排液）口最小公称直径为20mm。
五、换热管
1.换热管偏差（表10）
普通级，较高精度级
碳钢GB/T8163—1987
低合金钢GB9948—1988
不锈钢GB13296—1991
铝GB/T6893—1986较高精度级
铜GB/T1527—1997
钛GB/T3625—1995
2.螺纹管
JB/T4722-1992《管壳式换热器用螺纹换热管基本参数与技术条件》
①螺纹管外表面积比光管大2∽2.5倍，传热效率高。
②螺纹管具有较强的抗垢性能，可用于管外结垢严重的场合（因热胀冷缩，垢后自行脱落）。
③螺纹管由于冷扎过程中细化了金属晶粒，故抗腐蚀性能好。
故螺纹管在石油、化工行业获得了广泛应用。
3.换热管拼接
换热管拼接时应符合6.3.3条的要求；
如不允许拼接时，应在图样中注明。
①对接接头应作焊接工艺评定。
②同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；
U形管不得超过二条。
最短管长不应小于300mm。
③管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。
④对口错边量应不超过换热管壁厚的15%，且不大于0.5mm。
⑤对接后，应进行通球检验。
⑥对接接头应进行射线检测，抽查数量应不少于接头总数的10%，且不少于一条，以JB4730的Ⅲ级为合格；
如有一条不合格时，应加倍抽查；
再出现不合格时，应100%检查。
⑦对接后的换热管，应逐根进行液压试验，试验压力为设计压力的2倍。
六、管板结构设计（5.6条）
1.管板有效厚度：
<
1>
整体管板
隔板槽以下管板厚度减去下例二者厚度之和：
①管程腐蚀裕量超出隔板槽深度的部分；
②壳程腐蚀裕量与管板在壳程侧的结构开槽深度二者中的大值。
2>
复合管板
复层厚度计入时，复层当量厚度：
2.管板最小厚度
胀接：
不小于换热管do
焊接：
>
12mm
3>
复合管板:
（5.6.2.3条）
3.布管：
（5.6.3条）
布管形式：
三角形、正方形
换热管中心距：
S>
1.25do
管程分程：
1、2、4、6、8、10、12
①尽可能使各管程的换热管数大致相等。
②分程隔板槽形状简单，密封面长度较短。
<
4>
分程目的：
提高管内流速，增大管程传热系数，提高K值。
5>
常用形式：
一程：
二程：
4.管束分级：
碳钢、低合金钢：
I级管束、II级管束
不锈钢、铝、铜、钛：
无管束分级要求
七、管板计算：
（5.7条）
1.适用范围：
适用于U形管式、浮头式、填函式、固定管板式换热器管板及相关元件的强度校核和设计计算。
管板、壳体、管箱的连接方式符合图18要求（新增），共有a、b、c、d、e、f六种。
2.U形管式换热器管板：
GB151-89计算方法仅适用于管板不兼作法兰的U形管板计算。
GB151-1999计算方法适用于管板兼作或不兼作法兰的U形管板。
（1）力学模型：
简化为承受均布载荷的圆平板，计入开孔对管板刚度和强度削弱及换热管对管板刚度和强度的加强，同时考虑不布管区的影响。
对管板兼作法兰时，考虑法兰弯矩对管板的影响。
5.7.1.2条a型连接方式管板计算（基本同GB151-89）
5.7.1.3条b、c、d型连接方式管板计算
5.7.1.4条e、f型管板计算
（2）设计压力：
Pd=|Ps-Pt|
或Pd=max{|Ps|，|Pt|}
（3）强度条件：
（b、c、d、e、f）
a.管板中心（r=0）、布管区周边（r=Rt）、边缘处（r=R）径向应力：
σr≤1.5[σ]tr
b.换热管轴向应力：
σt≤[σ]tt
c.换热管与管板连接拉胀力：
q≤[q]
★由于GB151-1999合理地考虑了管板边缘结构的影响，管板计算厚度比GB151-89厚度大大减落。
3.浮头式与填函式换热器管板：
适用于不带法兰的管板计算（a型）。
对于兼作管板（b、c、d）型计算按JB4732分析设计标准附录I。
周边简支的受均布载荷的圆平板，计入开孔削弱和换热管的加强。
计算管板径向应力σr、换热管轴向力σt、换热管与管板连接拉脱力q。
Pd=|Ps-Pt|
或：
Pd=max{|Ps|,|Pt|}
σr≤1.5[δ]tr
σt≤[σ]t或[σ]tcr—稳定性
q≤[q]
4.固定管板式换热器管板：
适用于管板兼作法兰或不兼作法兰，且管板周边不布管区较窄（K≤1.0）的管板计算。
对于周边不布管区K>
1，按JB4732附录I给出的方法进行计算。
将管束当作弹性支撑，而管板则作为放置于这种弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力。
（2）设计条件的危险组合（四种工况5.7.3.2条）
①Ps≠0，Pt＝0不计温差
②Ps≠0，Pt＝0计温差（膨胀变形差）
③Ps＝0，Pt≠0不计温差
④Ps＝0，Pt≠0计温差
（3）应力及强度条件：
不计温差
计温差
管板径向弯曲应力
σr≤
1.5[σ]tr
3[σ]tr
壳体轴向应力
σc≤
[σ]tc
3[σ]tc
换热管轴向应力
σt≤
[σ]tt/[σ]cr
3[σ]tt/[σ]cr
拉脱力
q≤
[q]
[q]/3[q]-焊接
（4）设置膨胀节的条件：
在管板的计算中按有温差的各种工况计算壳体轴向应力σc，换热管轴向应力σt，换热管与管板之间的拉脱力q中，有一个不能满足强度（或稳定）条件时，就需要设置膨胀节。
一般△t>
50℃需设膨胀节。
此时若增加管板厚度，管子应力、壳体应力同时增大，方向相反。
（5）几种温度比较与作用：
①工作温度：
（t）
进口/出口，分别填写，便于计算金属温度
②金属温度：
按附录F方法计算（沿厚度方向平均温度）
③设计温度：
按最高或最低金属温度选取，用于选材和确定许用应力。
④沿长度方向平均温度：
（ts/tt）
用于计算温差变形几应力：
△L=[αt（tt-t0）-αs（ts-t0）]×
L
ts、tt的正确选用，对固定管板极为重要：
按附录F：
t冷平均=t0（环境）
千万不能取:
ts=t壳设计tt=t管设计
八、换热管与管板的连接
1.连接方式：
焊接、胀接、胀焊并用。
（强度焊、强度胀、强度焊+贴胀、强度胀+密封焊）
2.强度胀适用范围：
①设计压力≤4Mpa；
②设计温度≤300℃；
③操作中无剧烈的振动、无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀。
（因为胀接管头胀接残余应力较大）
3.强度焊适用范围
设计压力P≤35Mpa，不适用于有较大振动及间隙腐蚀场合。
4.胀焊并用适用范围
①密封性能要求较高的场合；
②承受振动成疲劳载荷的场合；
③有间隙腐蚀的场合；
④采用复合管板场合。
九、折流板和支持板
1.作用：
折流板：
强化传热、提高传热效率及防振动。
支持板：
防振动
2.布置：
等间距布置，管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管。
3.折流板间距：
最小间距不小于圆筒直径1/5，最大间距符合GB151表42；
若不满足表42要求，按附录E进行管束振动计算。
十、防冲与导流、防短路结构
1.管程设置防冲板条件（5.11.1条）
有腐蚀或有磨蚀的气体，蒸汽及汽液混合物，应设置防冲板。
2.壳程设置防冲板或导流筒的条件（5.11.2条）
3.扩大管——蒸汽口管
4.旁路挡板、挡管、中间挡板——防短路
十一、支座：
鞍座：
（5.20.1条）基本符合A≤0.207L.0.5Ri（1/4Dm）
耳座：
DN≤800mm，至少2个
DN>
800mm，至少4个
2.3.5制造、检验、验收
一、换热管拼接要求（6.3.3条）
二、管板
1.拼接：
对接接头100%RT/UT
除不锈钢外，作消除应力热处理（400-850℃是不锈钢的敏化
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