GBT 151热交换器讲解.docx

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GBT151热交换器讲解

热交换器

戴季煌

热交换器2015.01

第一部分GB151-2014

1.修改了标准名称，扩大了标准适用范围：

1.1提出了热交换器的通用要求，也就是适用于其他结构型式热交换器。

并对安装、使用等提出要求。

1.2规定了其他结构型式的热交换器所依据的标准。

2.范围：

GB151-201X《热交换器》规定公称直径范围（DN≤4000mm，原为2600mm）、公称压力（PN≤35MPa）及压力和直径乘积范围（PN×DN≤2.7×104，原为1.75×104）。

并且管板计算公式推导过程的许多简化假定不符合。

也给制造带来困难。

TEMA控制壳体壁厚3〞（76mm）、双头螺柱最大直径为4〞（102mm）。

3.术语和定义

3.1公称直径DN

3.1.1卷制、锻制、圆筒

以圆筒内直径（mm）作为换热器的公称直径。

3.1.2钢管制圆筒

以钢管外径（mm）作为换热器的公称直径。

3.2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形管的直管段长度。

3.3换热面积A

3.3.1计算换热面积

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（m2）；对于U形管换热器，一般不包括U形管弯管段的面积。

当需要把U形弯管部分计入换热面积时，则应使U形端的壳体进（出）口安装在U形管末端以外，以消除U形管末端流体停滞的换热损失。

3.3.2公称换热面积

公称换热面积是将计算面积经圆整后的换热面积（m2），一般取整数。

4.工艺计算（新增加）

4.1设计条件（用户或设计委托方应以正式书面形式向设计单位提出工艺设计条件），内容包含

4.1.1操作数据：

包括流量、气相分率、温度、压力、热负荷等；

4.1.2物性数据：

包括介质密度、比热、粘度、导热系数或介质组成等；

4.1.3允许阻力降；

4.1.4其他：

包括操作弹性、工况、安装要求（几何参数、管口方位）等。

4.2选型应考虑的因素

4.2.1合理选择热交换器型式及基本参数，满足传热、安全可靠性及能效要求；

4.2.2考虑经济性，合理选材；

4.2.3满足热交换器安装、操作、维修等要求。

4.3计算

热交换器工艺计算时应进行优化，提高换热效率，满足工艺设计条件要求。

需要时管壳式热交换器还应考虑流体诱发振动。

5.设计参数

5.1压力

5.1.1压差设计

同时受管、壳程压力作用的元件，当能保证制造、开停工、及维修时都能达到按规定压差进行管、壳程同时升、降压和装有安全装置时，方可按元件承受的压差设计。

5.1.2真空设计

真空侧的设计压力，应按GB150的规定，当元件一侧受真空作用，另一侧受非真空作用时，其设计压力应为两侧设计压力之和，即为最苛刻的压力组合。

5.1.3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。

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。

5.2温度

5.2.1设计温度

换热器在正常的工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属横截面的温度平均值），它与设计压力一起作为设计载荷条件，设计温度不得低于元件金属在工作状态下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。

管程设计温度是指管程的管箱设计温度。

非换热管的设计温度。

对于同时受两程温度作用的元件可按金属温度确定设计温度，也可取较高侧设计温度。

在任何情况下元件金属的温度不得高于材料允许使用的温度。

5.2.2元件金属温度确定。

5.2.2.1传热计算求得

1）换热管壁温tt

热流体热量通过管壁传给冷流体（图1）。

换热管壁温tt

（1）

2）壳体圆筒壁温ts图1

壳体圆筒壁温计算与换热管壁温相同，不同的地方圆筒外为大气温度，有保温的基本是圆筒外壁温度。

5.2.2.2已使用的同类换热器上测定

5.2.2.3根据介质温度并结合外部条件确定。

6.厚度附加量

6.1钢材厚度负偏差

6.2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，（表1）。

表1

腐蚀率

无腐蚀

轻微腐蚀

有腐蚀

严重腐蚀

毫米/年

＜0.05

0.05～0.5

0.5～1.5

＞1.5

6.3腐蚀裕量的考虑原则

6.3.1各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量。

6.3.2考虑两面腐蚀的元件：

管板、浮头法兰、球冠形封头、分程隔板。

6.3.3考虑内表面腐蚀的元件：

管箱平盖、凸形封头、管箱、壳体、容器法兰和管法兰的内径面上。

6.3.4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。

6.3.5不考虑腐蚀裕量的元件：

换热管、钩圈、浮头螺栓、拉杆、定距管、拆流板、支持板、纵向隔板。

当腐蚀裕量很大时也要考虑。

7.焊接接头分类（增加）与焊接接头系数。

对于换热管与管板连接的内孔焊，进行100%射线检测时焊接接头系数φ=1.0，局部射线检测时焊接接头系数φ=0.85，不进行射线检测时焊接接头系数φ=0.6。

8.泄露试验

泄露试验的种类和要求应在图样上注明。

9.材料和防腐

换热器用钢材除采用GB150.2中所规定的材料外，作为GB151换热器的零部件还需要作进一步考虑。

9.1管板、平盖

管板、平盖一般情况用锻件优于用钢板，但用锻件的成本要高很多，故在条件不苛刻时，用板材作管板、平盖依然很多。

一般规定如下：

1）钢板厚度δ＞60mm时，宜采用锻件。

2）带凸肩的管板、内孔焊管板和管箱平盖采用轧制板材直接加工制造时，碳素钢、低合金钢厚度方向性能级别不应低于GB/T5313-2010（厚度方向性能管板）中的Z35级，并在设计文件上提出附件检验要求。

3）采用钢板作管板和平盖时，厚度大于50mm的Q245R、Q345R，应在正火状态下使用。

9.2复合结构的管板、平盖

管板、平盖可采用堆焊或爆炸复合结构，当管程压力不是真空状态时，平盖亦可采用衬层结构。

9.2.1堆焊结构

用堆焊制作的管板与平盖，其覆层与基层的结合是最好的，但堆焊的加工难度大，中间检验、最终检验及热处理的要求高，堆焊一般有手工堆焊和带极堆焊两种方法。

（1）管板堆焊结构：

其覆层完全可计入管板的有效厚度（以许用应力比值折算），与换热管连接采用强度焊时，有充分的能力来承受换热管的轴向剪切载荷。

（2）常用带分程隔板槽管板堆焊结构见图2。

单管程不带分程隔板槽的管板堆焊层大于或等于8mm。

（a）正确结构图（b）错误结构图

图2

（3）管板堆焊技术要求：

9.2.2爆炸、轧制复合板

管板和平盖采用的复合板等级要求见表2。

表2

标准

元件

管板

平盖

NB/T47002.1-2010

《压力容器用爆炸焊接复合板第1部分：

不锈钢—钢复合板》

剪切强度≥210MPa

1级，结合率100%

剪切强度≥210MPa

3级，结合率≥95%

NB/T47002.2-2010

《压力容器用爆炸焊接复合板第2部分：

镍—钢复合板》

剪切强度≥210MPa

1级，结合率100%

剪切强度≥210MPa

3级，结合率≥95%

NB/T47002.3-2010

《压力容器用爆炸焊接复合板第3部分：

钛─钢复合板》

剪切强度≥140MPa

1级，结合率100%

剪切强度≥140MPa

3级，结合率≥95%

NB/T47002.4-2010

《压力容器用爆炸焊接复合板第4部分：

铜—钢复合板》

剪切强度≥100MPa

1级，结合率100%

剪切强度≥100MPa

3级，结合率≥95%

9.2.3规定了不得使用的衬层复合结构：

9.2.4管板复合结构的评价

堆焊复合：

其覆层完全可计入管板的有效厚度（以许用应力比值折算），与换热管连接采用强度焊时，有充分的能力来承受换热管的轴向剪切载荷。

爆炸复合：

采用标准中1级的复合钢板时，覆层是否计入管板有效厚度由设计者自行决定（钛、铜覆层不能计入管板有效厚度内），但管板覆层与换热管的强度焊，可以承受换热管的轴向剪切载荷。

9.3有色金属

9.3.1铝及铝合金

（1）设计参数：

p≤16MPa，含镁量大于或等于3%的铝和铝合金，-269℃≤t≤65℃，其他牌号的铝和铝合金，-269℃≤t≤200℃；

（2）在低温下，具有良好的塑性和韧性；

（3）有良好的成型及焊接性能；

（4）铝和空气中的氧迅速生成Al2O3薄膜，故在空气和许多化工介质中有着良好的耐蚀性。

9.3.2铜和铜合金

（1）设计参数：

p≤35MPa；

（2）纯铜：

t≤200℃；铜合金：

一般的铜合金在200℃，但铁白铜管的性能稳定，可用到400℃。

（3）具有良好的导热性能及低温性能；

（4）具有良好的成型性能，但焊接性能稍差。

9.3.3钛和钛合金

（1）设计参数：

p≤35MPa，t≤315℃，钛—钢复合板t≤350℃；

（2）密度小（4510kg/m3），强度高（相当于Q245R）；

（3）有良好的低温性能，可用到-269℃；

（4）钛－钢不能焊，且铁离子对钛污染后会使耐腐蚀性能下降；

（5）表面光滑，粘附力小，且表面具有不湿润性，特别适用于冷凝；

（6）钛是具有强钝化倾向的金属，在空气或氧化性和中性水溶液中迅速生成一层稳定的氧化性保护膜，因而具有优异的耐蚀性能。

（7）用于制造压力容器壳体时，应在退火状态下使用。

9.3.4镍和镍合金

（1）设计参数：

p≤35MPa；

（2）有良好的低温性能，可用到-269℃；

（3）具有良好的耐腐蚀性能；

（4）具有良好的成型性能。

（5）用于制造压力容器受压元件时，应在退火或者固溶状态下使用。

9.3.5锆及锆合金

（1）设计参数：

p≤35MPa；

（2）有良好的低温性能，可用到-269℃；

（3）具有良好的耐腐蚀性能；

（4）具有良好的成型性能。

9.4换热器材料

9.4.1钢制无缝管

提高了管壳式热交换器管束的尺寸精度要求，规定为Ⅰ级、Ⅱ级管束。

按GB150规定。

9.4.2奥氏体不锈钢焊管

9.4.2.1p≤10MPa（国外无此限制）。

9.4.2.2不得用于极度危害或高度介质。

9.4.2.3钢管应逐根进行涡流检测，对比样管人工缺陷应符合GB/T7735中验收等级B的规定。

9.4.2.4奥氏体不锈钢焊管的焊缝系数φ＝0.85。

9.4.3强化传热管

实践证明在蒸发、冷凝、冷却及无相变传热过程中，采用适当的强化传热管，将会起到显著的强化传热的效果，但如果选择不当，反而会适得其反。

一般的强化传热管有螺纹管（整体低翘片管）、波纹管、波节管（GB/T28713.1～.3），以及特型管（GB/T24590）。

此外应用较多的还有：

1）用于无相变传热：

螺旋槽管、横槽管、缩放管、内翘片管及内插入管等。

2）适用有相变传热：

单面或双面纵槽管、锯形翘片管、T形翘片管及表面多孔管等。

9.4.4GB150.2对换热器的使用规定

在GB150.2-2011中5.1.4～5.1.7中规定钢管用作换热管均应选用高精度级的冷拔或冷轧钢管，同时根据NB/T47019.1-2011《热交换器用管订货技术条件第一部分通则》中表1和表2表述，热交换器用管均为冷拔（轧）管且为高级精度，因此钢制管壳式换热器遵循GB150.2-2011规定均应设计为I级管束管