热交换器标准.docx

1、热交换器标准 热交换器 热交换器 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（DN4000mm，原为2600mm）、公称压力（PN35MPa）及压力和直径乘积范围（PNDN2.7104，原为1.75104）。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D

2、N3.1.1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A3.3.1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

3、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，

4、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/t，当容器元件所用材料不同时，应取各元件材料的/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ptps时，各程分别按上述办

5、法试压。当pt（或ps）为真空时，则ps0.1（或pt0.1）再乘以规定值。2）当ptps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

6、.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0.050.050.50.51.51.56.3腐蚀裕量的考虑原则6.3.1各元件受

7、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=1.0，局部射线检测时焊接接头系数=0.85，不进行射线检测时焊接接头系数=0.6。8.泄露试验

8、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

9、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

10、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210MPa1级，结合率100%剪切强度210MPa3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210MPa1级，结合率100%剪切强度210MPa3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140MPa1级，结合率100%剪切强度140MPa3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

11、：铜钢复合板剪切强度100MPa1级，结合率100%剪切强度100MPa3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：p16MPa，含镁量大于或等于3%的铝和铝合金，-269t65，其他牌号的铝和铝合金，-

12、269t200；（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：p35MPa；（2）纯铜：t200；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：p35MPa，t315，钛钢复合板t350；（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

13、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：p35MPa；（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：p35MPa；（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

14、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，规定为级、级管束。按GB150规定。9.4.2奥氏体不锈钢焊管9.4.2.1 p10MPa（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/T 7735 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/T

15、28713.1.3），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。9.4.4 GB150.2对换热器的使用规定在GB150.2-2011中5.1.45.1.7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级管束管板管孔直径允许偏差应均按

16、I级管束选定。9.4.5NB/T47011.1NB/T 47011.8-2011锅炉、热交换器用管订货技术条件中用作换热管的规定，已和老钢管标准及GB151-1999有较大变化，除与GB150-2011中变化外，还有以下变化。1）外径允许偏差。换热管外径和壁厚允许偏差均比GB151-1999标准严格。2）非合金钢和合金钢无缝换热管订货技术条件例约定项目中晶间腐蚀试验，若介质易产生晶间腐蚀，钢管的材料要求，在设计文件中必须明确要求钢管在出厂检验时必须通过晶间腐蚀检验。3）无缝和有缝不锈钢换热管订货技术条件在NB/T47019.5-2011规定了GB13296锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管和GB/

17、T24593锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接钢管用作换热管时的订货技术条件。9.5防腐目前换热器防腐有如下几种措施：9.5.1防腐涂层。一般采用非金属涂层，常用的水冷器有防腐、防垢涂料847和901，还有NiP镀层，但在油气系统使用较多的是涂陶瓷，现场证明效果较好。9.5.2金属涂层。一般有镀Ni、Ti、铜等，工艺效果虽好，但造价昂贵是影响使用的障碍。9.5.3金属堆焊。一般采用碳钢、CrMo钢堆焊不锈钢较多，用来抗硫化氢酸性腐蚀。该方法造价较低，效果很好，一般化肥、乙烯、炼油中加氢、重整、预加氢使用很多。另外，还有复合板、双向钢钢管用量也较大，效果较好。9.5.4缓蚀剂。目前炼油装置、化工装

18、置多采用一脱四注的方式较多，效果也较明显。10. 管壳式换热器类型管壳式换热器在工业中用量约占换热器总量90%，是应用最为广泛的一种换热器。典型管壳式换热器的结构形式有固定管板换热器、U型管换热器、浮头式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器、双管板式换热器、拉撑管板换热器、挠性管板换热器和缠绕管换热器。10.1固定管板换热器固定管板换热器（图3）是二端管板与壳体固定连接（整体或夹持式）。这是使用最为广泛的一类换热器。换热管两端固定在管板上，管板焊于壳体上。固定管板换热器宜用于场合：1）管、壳程金属温差不是很大，而压力较高的场合。当管、壳程金属温差较大时，压力就不能太高，因为温差大，必然增加膨胀节

19、，由于膨胀节耐压能力差。2）由于壳程无法机械清洗，因此要求壳程介质干净；或虽会结垢，但通过化学清而能去除的场合。（1）优点：1）其结构简单，锻件使用较少，制造成本低。2）管程可以分成各种形式的多程，壳程也分成二程。3）传热面积比浮头式换热器大20%30%。4）旁路漏流较小。图3（2）缺点：1）不适用于换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差很大的场合，管板与管端之间易产生温差应力而损坏。2）管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相对较低。3）壳程不能清洗，检查困难。10.2 U型管换热器U型管换热器（图4）是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）。图

20、4U型管换热器可用于以下场合1）管程走清洁流体。2）管程压力特别高。3）管、壳程金属温差很大，固定管板换热器连设置膨胀节都无法满足要求的场合。（1）优点：1）U形换热管尾端的自由浮动解决温差应力，可使用于两种介质温差较大。管、壳程金属温差不受限制。2）管束可抽出，便于要经常清洗换热管外壁。3）只有一块管板，加之法兰的数量也少，故结构简单而且泄漏点少，造价较低。4）可在高温、高压下工作，一般适用于t500，p10MPa。5）可用于壳程结垢比较严重的场合。（2）缺点：1）管程流速太高时，将会对U形弯管段产生严重的冲蚀，影响寿命，尤其R小的管子，应控制管内流速。2）管程不适用结垢较重的场合。3）由于

21、弯管Rmim的限制，分程间距宽，故比固定管板换热器排管略少。4）换热管泄漏时，除外圈U形管外，不能更换，只能堵管。5）管束中心部位孔隙较大，流体易走短路，影响传热效果，应增加隔板，减少短路现象。6）因死区较大，只适用于内导流筒。7）管板上排列换热管数较少。8）最外排的管子U型弯曲段，因为无支撑的跨度较大，宜导致流体诱发振动问题。9）有应力腐蚀要求时应慎重考虑。10.3浮头式换热器浮头式换热器（图5）是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，故无需考虑温差应力，管、壳程金属壁温差很大场合。（1）优点：图51）管束可以抽出，以方便清洗管、壳程。2）

22、壳体壁与管壁不受温差限制。3）可在高温、高压下工作，一般t450，p6.4MPa。4）可用于结垢比较严重的场合。5）可用于管程腐蚀场合。（2）缺点：1）处于壳程介质内的浮头密封面操作中发生泄漏时很难采取措施。2）结构复杂，金属材料耗量大，成本高。3）浮头结构复杂，影响排管数。4）压力试验时的试压胎具复杂。5）金属材料耗量大，成本高20%。10.4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。管束可以伸缩，可使用于两种介质温差较大。结构也较浮头简单，制造方便，成本优于浮头换热器。因管束可抽出，易于检修清洗。宜使用于有严重腐蚀介质。10.4.1外填料函式换热器（图

23、6）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p2.0MPa场合。10.4.2滑动管板填料函换热器10.4.2.1单填料函式换热器（图7）图6 图7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。10.4.2.2双填料函式换热器（图8）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。该结构可用于中度危害、易爆等介质。10.5釜式重沸器釜式重沸器（图9）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，故管程

24、的温度和压力比壳程高，一般为管程介质加热壳程介质。p6.4MPa。（1）优点： 图81）适用于塔底重沸器、侧线虹吸式重沸器。2）节约设备重量25%以上。3）抗腐蚀性能良好。4）有自清洗作用。管、壳程温差大的场合。5）总传热系数提高40%以上。 6）汽化率较高的场合（3080%）。7）重沸工艺介质的液相作为产品或分离要求高的场合。 8）抗腐蚀性能良好。 1偏心锥壳 2堰板 3液面计接口图9（2）缺点：1）在重油设备上，如渣油、原油设备无应用历史。2）不适用于有湿硫化氢场合。10.6双管板式换热器双管板式换热器（图10）是每一侧有二块管板，换热管的一端同时与二块管板连接。主要用于管程和壳程之间介质

25、相混合后，将会产生严重后果。但制造困难；设计要求高。 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。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。 图107）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。10.6.1双管板固定管板换热器（图11）图1110.6.2双管板U形管换热器（图12）10.6.3双管板U形管

26、釜式重沸器（图13）图12图1310.7拉撑管板换热器拉撑管板换热器（图14）是管板厚度较薄，一般厚度在1218mm之间。10.7.1结构型式有：（1）贴面式（德国）：管板焊在设备法兰密封面上（图14a）。（2）镶平式（原苏联标准）：管板焊在设备法兰密封面其平（图14b）。（3）角焊式（原上海医药设计院研制）：管板焊在壳体上（图14c）。10.7.2适用范围：a b c图141）设计压力：管程和壳程分别不大于1.0 MPa；2）温度范围：管程和壳程的设计温度范围0300；换热管与壳体平均壁温差不超过30；3）直径范围：壳体内径不大于1200mm；4）换热管长度：不超过6000mm。5）换热管应

27、采用光管，且与壳体材料的线膨胀系数接近（两者的数值差不大于10%）。10.7.3不宜设置膨胀节。HG21503-1992钢制固定式薄管板列管换热器标准中选用“角焊式”和“贴面式”两种结构。薄管板的计算以换热管与壳体对管板是固定支撑，管板是在换热管与壳体固定支撑下的受压平板，因此换热管必须在操作中保持刚性，壳体也不能设置膨胀节，所以管壁与壳壁温差不能太大，要保证换热管与壳体的纵向稳定。换热管与管板必须采用焊接，但实际情况下，薄管板亦不能采用胀接办法，因薄管板的厚度一般为1216mm左右，如采用胀接时，管板将塑性变形，不能达到强度和密封性的要求。同时要求管板不兼作法兰，因薄管板承受不了法兰传过来的

28、弯矩。因此采用薄管板必须满足上述要求。薄管板亦可用于多程换热器，密封槽和分程槽均可直接开在薄管板上，因管板的强度计算厚度较小，开槽后强度也是足够的。但角焊式（原上海医药设计院研制）的结构，因薄管板的焊接形式不同，多程时需焊上用以开分程槽的隔板。由于薄管板与法兰的连接形式各不相同，因而各有其优缺点，现分析如下。1）受力和强度方面从管板强度来看，角焊式（原上海医药设计院研制）研制的结构较好，它具有较大灵活性，主要是管板离开法兰，减少法兰力矩对管板的影响，从而降低了管板由法兰螺栓引起的应力。因法兰力矩引起的管板上应力是主要的，因此减小法兰力矩引起的应力，相应降低了管板总的应力。法兰螺柱在预紧时，法兰

29、变形使管板受到周向压缩，而管板的周向刚度很大，给法兰以反力矩，减小了法兰的变形，亦减小了管板的应力。反力矩的大小决定于管板中心面与法兰中心面的偏心距e和管板周向刚度。角焊式（原上海医药设计院研制）研制的结构中的e值可由设计者自由选择，就显得有较大的灵活性。但e值不能选择过大，过大增加筒体长度，增加投资。前苏联的结构，因管板中性面与法兰中性面接近，受法兰的力矩最大。德国的结构形式，较优于前苏联的结构形式。2）在防腐蚀方面从防腐蚀要求来考虑，前苏联的结构无任何优点，而德国的结构和角焊式（原上海医药设计院研制）研制的结构各有优缺点。当管程介质为腐蚀性介质时，选用德国结构较好，因法兰与管程腐蚀介质不接

30、触，而不需选用耐腐蚀材料制造法兰；当壳程介质为腐蚀性介质时，选用角焊式（原上海医药设计院研制）研制结构较好，这时法兰与壳程腐蚀介质不接触，法兰可选用普通钢材制造；当壳程和管程介质均为腐蚀性介质，则选用上海医药设计院研制结构较好，因选用该结构时，可选用带衬环法兰，以达到防腐蚀要求。而前苏联的结构无论何种情况，腐蚀介质均要与法兰接触，法兰不能不选耐腐蚀材料。10.8挠性管板换热器适用于管程介质为气体，壳程产生饱和水蒸气的卧式管壳式余（废）热锅炉。型管板与壳体（管箱）的连接（见图15a）和型管板与壳体（管箱）的连接（见图15b）。图15 挠性管板换热器适用范围：1）管程设计压力不大于1.0MPa，壳程设计压力不大于5.0 MPa且壳程压力应大于管程压力；（1）型用于管程设计压力小于或等于0.6MPa；（2）型用于管程设计压力小于或等于1.0MPa。2）壳体直径与换热管长度分别为2500mm和7000mm。10.9高效缠绕管换热器 （a） 多头换热器管板