第十章管壳式换热器.docx
《第十章管壳式换热器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十章管壳式换热器.docx（48页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第十章管壳式换热器
第十章管壳式换热器
第一节管壳式换热器基本知识
【学习目标】学习GB151-1999《管壳式换热器》，了解该标准适用范围及相关定义、规定。
了解管壳式换热器型号表示方法。
一、GB151《管壳式换热器》标准适用范围
GB151-1999《管壳式换热器》标准规定了非直接受火管壳式换热器（已下简称“换热器”）的设计、制造、检验和验收的要求。
GB151-1999《管壳式换热器》1“范围”
二、换热器型号表示方法
GB151-1999《管壳式换热器》标准第3章“总则”中，规定了换热器型号的表示方法。
1、换热器的主要组合部件
换热器的主要组合部件有前端管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分。
前端管箱型式
壳体型式
后端结构型式
A
平盖管箱
E
单程壳体
L
与A相似的固定管板结构
Q
单进单出冷凝器壳体
M
与B相似的固定管板结构
B
封头管箱
F
具有纵向隔板的双程壳体
N
与N相似的固定管板结构
G
分流
P
填料函式浮头
C
用于可拆管束与管板制成一体的管箱
H
双分流
S
钩圈式浮头
I
U形管换热器
T
可抽式浮头
N
与管板制成一体的固定管板管箱
J
无隔板分流（或冷凝器壳体）
U
U形管换热器
K
釜式重沸器
W
带套环填料函式浮头
D
特殊高压管箱
O
外导流
图10-1以钩圈式浮头换热器为例，说明换热器零、部件名称。
（GB151图1）
图10-1AES、BES浮头式换热器
1-平盖；2-平盖管箱（部件）；3-接管法兰；4-管箱法兰；5-固定管板；6-壳体法兰；7-防冲板
8-仪表接口；9-补强圈；10-壳体（部件）；11-折流板；12-旁路挡板；13-拉杆；14-定距管；
15-支持板；16-双头螺柱或螺栓；17-螺母；18-外头盖垫片；19-外头盖侧法兰；20-外头盖法兰；
2、换热器型号的表示方法
采用碳素钢、低合金钢冷拔钢管做换热管时，其管束分为Ⅰ、Ⅱ两级：
Ⅰ级管束——采用较高级、高级冷拔钢管；Ⅱ级管束——采用普通级冷拔钢管。
示例：
a）浮头式换热器
平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54m2，碳素钢较高级冷拨换热管外径25mm，管长6m，4管程，单壳程的浮头式换热器，其型号为：
Ⅰ
b）固定管板式换热器
封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积200m2，碳素钢较高级冷拨换热管外径25mm，管长9m，4管程，单壳程的固定管板式换热器，其型号为：
Ⅰ
c）U形管式换热器
封头管箱，公称直径500mm，管程设计压力4.0MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积75m2，不锈钢冷拨换热管外径19mm，管长6m，2管程，单壳程的U形管式换热器，其型号为：
f）填料函式换热器
平盖管箱，公称直径600mm，管程和壳程设计压力均为1.0MPa，公称换热面积90m2，16Mn较高级冷拨换热管外径25mm，管长6m，2管程，2壳程的填料函浮头式换热器，其型号为：
Ⅰ
三、换热器部分定义及规定
GB151标准许多定义和规定是与GB150一致的，以下内容摘录了一部分不同于GB150的规定。
GB151-1999《管壳式换热器》第3章“总则”和第4章“材料”。
3.6公称直径DN
3.6.1卷制圆筒以圆筒内直径（mm）作为换热器的公称直径。
3.6.2钢管制圆筒以钢管外径（mm）作为换热器的公称直径。
3.7换热面积A
3.7.1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。
3.7.2公称换热面积经圆整后的计算换热面积，m2。
3.8公称长度LN
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形直管段的长度。
3.14.1.3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。
3.16焊接接头系数
3.16.1钢制换热器焊接接头系数Ø按表4选取。
表4
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
Ø=1.00
Ø=0.85
单面焊对接接头（沿焊接接头根部全长有紧贴基本金属的垫板）
Ø=0.90
Ø=0.80
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。
3.17压力试验
换热器制成后应对换热管与管板的连接接头、管程和壳程进行压力试验。
压力试验的种类和要求应在图样上注明。
压力试验一般采用液压试验：
对于不适合做液压试验的换热器，例如换热器内不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满液体的换热器，可采用气压试验。
压力试验还应满足GB150第10章的要求。
外压和真空换热器以内压进行压力试验。
按压差设计的换热器应在图样上提出压力试验时升、降压的具体要求。
对于管程设计压力大于壳程设计压力的换热器，图样上应对换热管与管板连接接头的试验方法和压力提出详细要求。
4.3管板、平盖、法兰
4.3.1锻件
4.3.1.1用于制造管板、平盖、法兰的钢锻件，其级别不得低于JB4726和JB4728规定的Ⅱ级。
4.3.1.2管板本身具有凸肩并与圆筒（或封头）对接连接时，应采用锻件。
4.3.1.3厚度大于60mm的管板，宜采用锻件。
4.4换热管
4.4.1常用换热管可以按下列标准选用
a）GB/T1527《铜及铜合金拉制管》；
b）GB/T3625《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》；
c）GB/T6893《工业用铝及铝合金拉（轧）制管》；
d）GB/T8163《输送流体用无缝钢管》；
e）GB/T8890《热交换器用铜合金管》；
f）GB9948《石油裂化用无缝钢管》；
g）GB13296《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》；
h）GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》。
4.4.2符合本标准附录C（标准的附录）的奥氏体不锈钢焊接钢管可用作换热管，但不得用于极度危害介质的工况。
设计参数为：
a）设计压力不得大于6.4MPa；
b）使用温度与相应钢号的无缝管相同。
4.4.3允许使用螺纹管（整体低翅片管）和波纹管等强化传热管。
4.4.4当有成熟使用经验时，也可选用其他牌号或其他材料的换热管。
四、释义
GB151《管壳式换热器》从属于压力容器范畴，又与一般压力容器稍有区别（如有管、壳程之分，同一受压元件可能承受两种介质、温度和压力的作用等）。
其理论基础、安全系数、许用应力和材料选择等方面与GB150相同。
GB151标准不仅适用于碳钢、低合金钢和高合金钢制换热器，还包括了有色金属换热管，如铜、铝、钛及其合金的换热管和可能使用的这些材料的受压元件（如钛管必须和钛管板才能相焊）。
GB151标准中的Ⅰ级和Ⅱ级换热器管束，仅仅针对碳钢、低合金钢换热管国内标准中还存在着“较高级”和“普通级”制定的。
一旦国内换热管全部采用“较高级”钢管时，碳钢、低合金钢管换热器管束无需再分Ⅰ级和Ⅱ级。
对无法进行探伤的焊接接头系数Ø如何取法一直存在争议。
GB150中没有Ø=0.6的规定，回避了不探伤如何取的问题。
GB151标准中无法探伤的环向焊接接头在固定管板换热器中是回避不了的，无论圆筒直径有多大都无法探伤，也无法以人孔或手工去解决。
故GB151标准3.16.1确定无法检测的采用氩弧焊打底或沿焊接接头根部全长有紧贴基本金属垫板的环向焊接接头系数Ø=0.6，要求设计和制造者都要重视。
虽然压力容器的环向焊接接头所承受的拉伸应力仅为纵向焊接接头的一半，但设计和制造者仍应从坡口和焊接工艺的选择上保证该接头的质量，因为设计和制造的马虎在这种接头上出事故的例子也是存在的。
（注：
本段文字内容摘自GB151标准释义）。
对于管程设计压力大于壳程设计压力的换热器，图样上应对换热管与管板连接接头的试验方法和压力提出详细要求。
对于这一情况，设计上的通常的做法是，将壳程试验压力提高至与管程试验压力一致，并对壳程名义厚度进行试验压力下的应力校核，如果应力校核不合格，就要增加壳程名义厚度，直至应力校核合格。
若只能以壳程允许的试验压力试压，可在试压合格后，用氨检渗漏或卤素检漏进行补充性试验。
第二节换热器结构设计
（1）
【学习目标】学习GB151-1999《管壳式换热器》，了解换热器管箱、圆筒、换热管、管板结构、尺寸等结构设计规定。
一、管箱
1、管箱的最小内侧深度
a）轴向开口的单管程管箱，开口中心处的最小深度应不小于接管内直径的1/3；
b）多程管箱的内侧深度应保证两程之间的最小流通面积不小于每程换热器流通面积的1.3倍；当操作允许时，也可等于每程换热器的流通面积。
2、分程隔板
①分程隔板的最小厚度应不小于表10-1的规定。
②必要时分程隔板应按式（10-1）校核：
表10-1（mm）
公称直径
DN
隔板最小厚度
碳素钢及低合金钢
高合金钢
≤600
8
6
＞600～≤1200
10
8
＞1200～≤2000
14
10
＞2000～≤2600
14
10
③结构
a）承受脉动流体或隔板两侧压差很大时，隔板的厚度应适当增厚，或改变隔板的结构；
b）大直径换热器隔板应设计成如图10-2所示的双层结构；
c）必要时，分程隔板上可开设排净孔，排净孔的直径宜为6mm；
d）厚度大于10mm的分程隔板，密封面处应按图10-3削边至10mm。
图10-2图10-3
二、圆筒
1、圆筒公称直径
a）卷制圆筒的公称直径以400mm为基数，以100mm为进级档；必要时，也可采用50mm为进级档；
b）公称直径DN≤400mm的圆筒，可用钢管制作。
2、厚度
圆筒的厚度应按GB150计算，但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表10-2的规定，高合金钢圆筒的最小厚度应不小于表10-3的规定。
表10-2（mm）
公称直径
400～≤700
>700～≤1000
>1000～≤1500
>1500～≤2000
>2000～2600
浮头式、U型管式
8
10
12
14
16
固定式管板
6
8
10
12
14
注：
表中数据包括厚度附加量C２（按1mm考虑）。
表10-3（mm）
公称直径
400～≤500
>500～≤700
>700～≤1000
>1000～≤1500
>1500～≤2000
>2000～2600
最小厚度
3.5
4.5
6
8
10
12
三、接管
1、接管的结构设计应符合GB150的有关规定。
2、接管（或接口）的一般要求
a）接管宜与壳体内表面平齐；
b）接管应尽量沿换热器的径向或轴向设置；
c）设计温度高于或等于300℃时，应采用对焊法兰；
d）必要时应设置温度计接口，压力表接口及液面计接口；
e）对于不能利用接管（或接口）进行放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口，其最小公称直径为20mm；
f）立式换热器可设置溢流口。
四、换热管
1、换热管的长度推荐采用：
1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.5，6.0，7.5，9.0，12.0m。
2、换热管的规格和尺寸偏差
常用换热管的规格和尺寸偏差见表10-4。
表10-4（摘选）
材料
换热管标准
管子规格
高精度，较高精度
普通精度
外径
厚度
外径偏差
壁厚偏差
外径偏差
壁厚偏差
碳钢
低合金钢
GB/T8163
GB9948
≥14～30
2～2.5
±0.2
＋12％
－10％
±0.40
＋15％
－10％
>30～50
2.5～3.0
±0.3
±0.45
57
3.5
±0.8％
±10％
±1.0％
＋12％
－10％
－10％
不锈钢
GB13296
GB9948
GB/T14976
≥14～30
＞1.0～2.0
±0.2
＋12％
－10％
－
－
>30～50
＞2.0～3.0
±0.3
57
±0.8％
奥氏体不锈钢焊接钢管的规格和尺寸偏差见GB151附录C（标准的附录）。
3、U形管
①U形管弯管段的弯曲半径
U形管弯管段的弯曲半径R（见图10-4）应不小于两倍的换热管外径，常用换热管的最小弯曲半径Rmin可按表10-5选取。
②U形弯管段弯曲前的最小壁厚按式（10-2）计算：
图10-4
表10-5（mm）
换热管外径
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
4、换热管的拼接
换热管拼接时应符合GB151标准6.3.3的要求，如不允许拼接时，应在图样中注明。
5、螺纹管（整体低翅片管）
典型的螺纹管参数和技术要求按JB/T4722的规定。
五、管板结构
1、管板有效厚度
①整体管板的有效厚度
管板有效厚度系指管程分程隔板部的管板厚度减去下列二者厚度之和：
a）管程腐蚀裕量超出管程隔板槽深度的部分；
b）壳程腐蚀裕量与管板在壳程侧的结构开槽深度二者中的较大值。
2、管板最小厚度
①管板与换热管采用胀接连时，管板的最小厚度δmin（不包括腐蚀裕量）按如下规定：
a）用于易燃、易爆及有毒介质等严格场合时，管板的最小厚度应不小于换热管的外径（d0）；
b）用于一般场合时，管板的最小厚度，应符合如下要求：
d0≤25时δmin≥0.75d0
25＜d0＜50时δmin≥0.70d0
d0≥50时δmin≥0.65d0
②管板与换热管采用焊接连接时，管板的最小厚度应满足结构设计和制造的要求，且不小于12mm。
3、布管
①换热管的排列形式
换热管标准排列形式见图10-5。
（a）正三角形排列（b）转角正三角形排列
（a）正方形排列（b）转角正方形排列
图10-5
②换热管中心距
换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，常用的换热管中心距见表10-6。
a）换热器管间需要机械清洗时，应采用正方形排列，相邻两管间的净空距离（S﹣d）不宜小于6mm，对于外径为10、12和14mm的换热管中心距分别不得小于17、19和21mm；
b）外径为25mm的换热管，当用转角正方形排列时，其分程隔板槽两侧相邻的管中心距应为32mm×32mm正方形的对角线长，即
mm。
表10-6（mm）
换热管外径d
10
12
14
16
19
20
22
25
30
32
35
38
45
50
55
57
换热管中心距S
13～14
16
19
22
25
26
28
32
38
40
44
48
57
64
70
72
分程隔板槽两侧相邻管
中心距（见图12）S
28
30
32
35
38
40
42
44
50
52
56
60
68
76
78
80
图10-6
表10-7（mm）
换热器型式
固定管板式、U形管式
浮头式
布管限定圆直径DL
Di－2b3
Di－2（b1+b2+b）
图10-7图10-8
表10-8（mm）
Di
b
＜1000
＞3
1000～2600
＞4
表10-9（mm）
Di
bn
b1
≤700
≥10
3
＞700
≥13
5
④管程分程
管程数一般有1、2、4、6、8、10、12等七种，常用的管程布置形式可参照图10-9，并应考虑：
a）应尽可能使各管程的换热管数大致相等；
b）分程隔板槽形状简单，密封面长度较短。
图10-9
⑤壳程进出口处的布管
壳程进出口处的布管，应考虑壳体内壁与管束之间的流通面积和介质进出口管处的流通面积相当，祥见GB151标准5.11.3。
4、管孔
①钢换热管的管板管孔直径及允许偏差。
a）Ⅰ级管束（适用于碳素钢、低合金钢和不锈钢换热管）管板管孔直径及允许偏差应符合表10-10的规定；
b）Ⅱ级管束（适用于碳素钢、低合金钢换热管）管板管孔直径及允许偏差应符合表10-11的规定。
表10-10（mm）
换热管外径
14
16
19
25
32
38
45
57
管孔直径
14.25
16.25
19.25
25.25
32.35
38.40
45.40
57.55
允许偏差
+0.15
0
+0.20
0
+0.25
0
表10-11（mm）
换热管外径
14
16
19
25
32
38
45
57
管孔直径
14.40
16.40
19.40
25.40
32.50
38.50
45.40
57.70
允许偏差
+0.15
0
+0.20
0
+0.30
0
+0.40
0
5、拉杆孔
（a）焊接连接的拉杆孔（b）螺纹连接的拉杆孔
图10-10
①拉杆与管板焊接连接的拉杆孔结构见图10-10（a），拉杆孔深度L1等于拉杆孔直径d1。
拉杆孔直径按式（10-3）确定。
d1=d+1.0
②拉杆与管板螺纹连接的拉杆螺纹结构见图10-10（b），螺纹深度按式（10-4）。
l2=1.5d0
6、管板密封面
①管板与法兰连接的结构尺寸及制造、检验要求等，按JB4700～4703的规定。
②分程隔板槽
（a）槽深宜不小于4mm；
（b）分程隔板槽的宽度按图10-3确定。
（c）分程隔板槽拐角处的倒角一般为45°，倒角宽度b近似等于分程垫片的圆角半径R，见图10-11。
图10-11
六、管板与圆筒、管箱的连接
GB151《管壳式换热器》附录G规定了管板与圆筒、管箱的连接结构。
图10-12所示为
延长部分兼做法兰的管板与圆筒、管箱的连接结构。
（a）（b）（c）
δ≤12mm，Ps≤1MPa1MPa＜Ps≤4MPa1MPa＜Ps≤4MPa
（a）不宜用于易燃、易爆、易挥发及有毒介质的场合
（d）Ps＞4MPa（e）Ps＞4MPa
图10-12
七、释义
换热器结构较为复杂，尤其是管板结构涉及到换热管孔、拉杆孔、分程隔板槽、与圆筒的连接、与管箱的连接、密封形式等多项结构设计内容，因此GB151标准中对此作出了详尽的规定。
布管限定圆是管板布管范围的依据，既满足了在管板有限范围内非布管区较窄的的要求，又保证了最外层管束穿管的顺利进行。
按GB15O.2-2011《材料》标准规定，GB/T8163标准的钢管、GB/T14976标准的钢管、GB/T12771标准的钢管不得用于换热管。
学习者要注意材料标准的更新变化。
注：
本书主要介绍了固定管板式换热器管板与圆筒、管箱的连接结构和密封形式，其他型式的换热器管板与圆筒、管箱的连接结构和密封形式详见GB151附录G。
第三节换热器结构设计
（2）
【学习目标】学习GB151-1999《管壳式换热器》，了解换热管与管板连接、折流板与支持板、拉杆与定距管、防冲板与导流筒等结构。
一、换热管与管板的连接
换热管与管板的连接方式有胀接、焊接、胀焊并用等型式，但也可采用图10-13～图10-16以外其他可靠的连接型式。
1、术语
a）强度胀接系指为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接；
b）贴胀系指为消除换热管与管板之间的缝隙轻度胀接；
c）强度焊系指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接；
d）密封焊系指保证换热管与管板连接密封性能的焊接。
2、强度胀接
①适用范围
设计压力小于等于4MPa；
设计温度小于等于300℃；
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。
②一般要求
a）换热管材料的硬度要求硬度值一般须低于管板材料的硬度值；
b）有应力腐蚀时，不应采用管端局部退火的方式来降低换热管的硬度。
③结构尺寸
a）强度胀接的最小胀接度L应取管板的名义厚度减去3mm或50mm二者的最小值；
b）当有要求时，管板名义厚度减去3mm或50mm之间的差值可采用贴胀；或管板名义厚度减去3mm全长胀接；
c）结构型式及尺寸按表32和图10-13（a）～（c）的规定；
d）复合管板与换热管也可采用强度胀接，当复层厚度大于等于8mm时，应在复层管孔上开槽，开槽要求可按图10-13（d）和表10-12确定；
e）根据不同的胀接方法可适当修改表10-12和图10-13中的尺寸。
表10-12（mm）
换热管外径d
≤14
16～25
30～38
45～57
伸出长度L3
3＋2
4＋2
5＋2
槽深K
不开槽
0.5
0.6
0.8
3、强度焊
①适用范围
可用于GB151标准规定的设计压力，但不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。
②结构型式及尺寸按图10-14和表10-13的规定。
4、胀焊并用
①适用范围
密封性能要求较高的场合；承受振动或疲劳载荷的场合；有间隙腐蚀的场合；采用复合管板的管板场合。
②结构型式及尺寸按图10-15和图10-16，同时还应遵守2和3的规定。
a）强度胀加密封焊
b）强度焊加贴胀（强度焊结构型式及尺寸按3规定）
二、折流板和支持板
1、折流板和支持板的形式
常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种。
弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种，各种形式的折流板见图10-17。
根据需要也可采用其他形式的折流板与支持板。
2、折流板尺寸
①弓形折流板缺口高度
弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。
缺口大小用切去的弓形弦高占圆筒内直径的百分比来确定，单弓形折流板缺口见图10-17（a），缺口弦高h值，宜取0.20～0.45倍的圆筒内直径。
弓形折流板的缺口可按图10-18切在管排中心线以下，或切于两排管孔的小桥之间。
图10-18
②折流板和支持板的
升级会员 