壓力容器設計思路及相關知識(換熱器)

1、換熱器設計思路及相關知識一 、前言換熱器分類：管殼式換熱器根據結構特點可分為下列兩類。1. 剛性結構的管殼式換熱器： 這種換熱器又成為固定管板式， 通常可分為單管程和多管程兩種。它的優(yōu)點是結構簡單緊湊、 造價便宜和應用較廣； 缺點是管外不能進行機械清洗。2. 具有溫差補償裝置的管殼式換熱器：它可使受熱部分自由膨脹。該結構形式又可分成： 浮頭式換熱器：這種換熱器的一端管板能自由伸縮，即所謂“浮頭”。他適用于管壁和殼壁溫差大，管束空間經常清洗。但它的結構較復雜，加工制造的費用較高。 U 形管式換熱器：它只有一塊管板，因此管子在受熱或冷卻時，可以自由伸縮。這種換熱器的結構簡單， 但制造彎管的工作量較

2、大， 且由于管子需要有一定的彎曲半徑，管板的利用率較差， 管內進行機械清洗困難， 拆換管子也不容易， 因此要求通過管內的流體是清潔的。這種換熱器可用于溫差變化大，高溫或高壓的場合。 填料函式換熱器：它有兩種形式，一種是在管板上的每根管子的端部都有單獨的填料密封， 以保證管子的自由伸縮， 當換熱器內的管子數目很少時， 才采用這種結構，但管距比一般換熱器要大， 結構復雜。 另一種形式是在列管的一端與外殼做成浮動結構，在浮動處采用整體填料函密封， 結構較簡單， 但此種結構不易用在直徑大、壓力高的情況。填料函式換熱器現在很少采用。二、設計條件的審查：1.換熱器的設計，用戶應提供一下設計條件（工藝參數）

3、： 管、殼程的操作壓力（作為判定設備是否上類的條件之一，必須提供）管、殼程的操作溫度（進口/ 出口）金屬壁溫（工藝計算得出（用戶提供）物料名稱及特性腐蝕裕量程數換熱面積換熱管規(guī)格，排列形式（三角形或正方形）折流板或支撐板數量保溫材料及厚度（以便確定銘牌座伸出高度）油漆 : . 如用戶有特殊要求，請用戶提供牌號，顏色 . 用戶無特殊要求，設計人員自己選定2. 幾個重點設計條件操作壓力：作為判定設備是否上類 的條件之一，必須提供物料特性：如用戶不提供物料名稱則必須提供物料的毒性程度。因為介質的毒性程度關系到設備的無損監(jiān)測、熱處理、鍛件的級別對于上類設備，還關系到設備的劃分a. GB150圖樣注明盛

4、裝毒性極度危害或高度危害介質的容器 100%RT.圖樣注明盛裝毒性為極度或高度危害介質的容器，應進行焊后熱處理（奧氏體不銹鋼的焊接接頭可不進行熱處理）c. 鍛件 .使用介質的毒性為極度或高度危害性的鍛件應符合級或級要求。管規(guī)格：常用的碳鋼 19×2， 25× 2.5 ， 32× 3， 38× 5不銹鋼 19× 2， 25× 2， 32× 2.5， 38× 2.5換熱管的排列形式：三角形，轉角三角形，正方形，轉角正方形。 換熱管間需要機械清洗時，應采用正方形排列。三、基本設計參數的確定1設計壓力 ，設計溫度，焊接接頭

5、系數2直徑 ： DN<400的圓筒，采用鋼管。DN 400 的圓筒，采用鋼板卷制。16”鋼管 -與用戶商量采用鋼板卷制。3布置圖：根據換熱面積、換熱管規(guī)格畫布置圖，確定換熱管數量。如果用戶提供了布管圖，也要復核布管是否在布管限定圓以內。布管的原則：在布管限定圓內應布滿管。多管程的各管程數應盡量相等。換熱管應對稱排列。4材料強調以下兩點：換熱器圓筒的碳素鋼、低合金鋼鋼管應采用無縫鋼管。符合 GB150-1998附錄 A4.2 的奧氏體不銹鋼焊接鋼管，可用做換熱器圓筒。其使用范圍有一些限制：a. 焊接鋼管應采用不添加填充金屬的自動電弧焊或電阻焊焊接方法制造。b. 技術要求符合：壁厚允許偏差為

6、±12.5%，彎曲度不大于1.5 /m, 逐根進行渦流或射線檢測，逐根進行水壓實驗。c, 使用規(guī)定按；設計壓力不大于6.4Mpa;壁厚不大于8 ；不得用于毒性程度為極度危害的介質；許用應力為相應鋼號無縫鋼管的許用應力乘以0.85 的焊接接頭系數。管板本身具有凸肩并與圓筒（或封頭）連接時，應采用鍛件。由于采用此種結構的管板一般都用于壓力較高、易燃、易爆、以及毒性程度為極度、高度危害的場合，對管板要求較高，管板也較厚。為避免凸肩處產生加渣、分層、及改善凸肩處纖維受力的狀況，減少加工量，節(jié)約材料，采用凸肩與管板直接鍛造出來的整體鍛件來制造管板5換熱器與管板的連接方式管子于管板的連接，在管殼

7、式換熱器的設計中是一個比較重要的結構部分。他不僅加工工作量大，而且必須使每一個連接處在設備運作中，保證介質無泄漏及承受介質壓力能力。管子與管板的連接方式主要有以下三種：a 脹接； b 焊接；c 脹焊接脹接用于管殼之間介質滲漏不會引起不良后果的情況，特別適用于材料可焊性差（如碳鋼換熱管） 及制造廠的工作量過大的情況。由于脹接管端處在焊接時產生塑性變形，存在著殘余應力， 隨著溫度的升高， 殘余應力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結合力的作用，所以脹接結構受到壓力和溫度的限制，一般適用于設計壓力4Mpa，設計溫度300 度，并且在操作中無劇烈地震動，無過大的溫度變化及無明顯的應力腐蝕；焊接連接具有生

8、產簡單、效率高、連接可靠的優(yōu)點。通過焊接，使管子對管板有較好的增將作用；并且還有可降低管孔加工要求，節(jié)約加工工時，檢修方便等優(yōu)點，故應優(yōu)先采用。此外，當介質毒性很大，介質和大氣混合易發(fā)生爆炸介質有放射性或管內外物料混合會產生不良影響時，為確保接頭密封，也常采用焊接法。焊接法雖然優(yōu)點甚多，因為他并不能完全避免“縫隙腐蝕” 和焊接節(jié)點的應力腐蝕， 而且薄管壁和厚管板之間也很難得到可靠的焊縫。焊接法雖然較脹接可以乃更高的溫度，但是在高溫循環(huán)應力的作用下，焊口極易發(fā)生疲勞裂紋，列管與管孔存在間隙，當受到腐蝕介質的侵蝕時，以會加速接頭的損壞。因此，就產生了焊接和脹接同時使用的方法。 這樣不但能提高接頭的

9、抗疲勞性能，同時可以降低縫隙腐蝕傾向，因而其使用壽命比單用焊接時長的多。在什么場合下適宜施行焊、 脹接并用的方法，目前尚無統(tǒng)一標準。 通常在溫度不太高而壓力很高或介質極易滲漏時，采用強度脹加密封焊（密封焊是指單純防止?jié)B漏而施行的焊接，并不保證強度）。當在壓力和溫度都很高的情況下，則采用強度焊加貼脹， （強度焊是即使焊縫有嚴密性，又能保證接頭具有較大的拉脫力，通常是指焊縫強度等于管子軸向負荷下的強度時的焊接）。貼脹的作用主要是消除縫隙腐蝕和提高焊縫的抗疲勞性能。具體的結構尺寸標準中（ GB3151-1999.5.8條）已有規(guī)定，在此不再詳述。對于管孔表面粗糙度的要求：a 當換熱管與管板焊接連接時

10、，管的表面粗糙度Ra值不大于 35uMb 單換熱管與管板脹接聯接時，管孔表面粗糙度Ra值不大于 12.5uM 脹接連接時，管孔表面不應有影響脹接緊密性的缺陷，如貫通的縱向或螺旋狀刻痕等四、設計計算1 殼體壁厚計算包括管箱短節(jié)、封頭、殼程筒體的壁厚計算管、殼程筒體壁厚應滿足 GB151中最小壁厚的規(guī)定， 對于碳素鋼和低合金鋼最小壁厚是按腐蝕裕量 C2=1mm考慮的，對于 C2 大于 1mm的情況，殼體的最小壁厚應相應增加。2 開孔補強計算對于殼體采用鋼管制的，建議采用整體補強（增加筒體壁厚或采用厚壁管）；對于比較厚的管箱上開大孔考慮綜合經濟性不另行補強應滿足的幾點要求：設計壓力2.5Mpa相鄰兩

11、孔中心距應不小于兩孔直徑之和的兩倍接管公稱直徑89mm接管最小壁厚應表8-1 的要求（接管腐蝕裕量為1mm）3 法蘭設備法蘭采用標準法蘭時應注意法蘭與墊片、緊固件的匹配， 否則應對法蘭進行計算。比如甲型平焊法蘭在標準中與其匹配的墊片為非金屬軟墊片；當采用纏繞墊片應對法蘭重新計算4 管板需注意以下幾個問題：管板的設計溫度：根據GB150-1998 的及 GB151-1998 的規(guī)定 , 應取不低于元件的金屬溫度, 但在管板計算中無法保證管殼程介質作用 , 且管板的金屬溫度很難計算 , 故一般取較高側的設計溫度為管板的設計溫度(GB151 標準釋義P55)多管程換熱器：在布管區(qū)范圍內， 因設置隔板

12、槽和拉桿結構的需要而未能被換熱器支承的面積 Ad：對于正三角形、正方形排列：按GB151-1999 P28 公式計算對于轉角三角形：按壓力容器工程師設計指南P370 公式計算Ad=1.73 2 n' S(Sn-0.5S)需考慮設置膨脹節(jié)， 在管板計算中， 按有溫差的各種對于轉角正方形：按GB151-1999 標準釋義P55 例題中公式計算Ad= n ' S（2 Sn-S）式中： S換熱器管中心距mmSn隔板槽兩側相鄰管中心距mmn' 沿隔板槽兩側的排管數管板的有效厚度管板的有效厚度系指管程分程隔板槽底部的管板厚度減去下列二者之和a 管程腐蝕裕量超出管程隔板槽深度的部分b

13、 殼程腐蝕裕量與管板在殼程側的結構開槽深度二者中的最大植5 膨脹節(jié)的設置在固定管板換熱器中， 由于管程內流體與管程流體之間具有溫差， 而換熱器和殼體與管版固定連接， 這樣在使用狀態(tài)時， 殼體與管子之間有膨脹差存在， 殼體和管子受到軸向載荷。為了避免殼體和換熱器破壞、換熱器失穩(wěn)、換熱管從管板上拉脫，就應設置膨脹節(jié)，以降低殼體和換熱器的軸向載荷一般在殼體和換熱器壁溫差較大時，共況計算出t 、c 、 q ，其中有一個不合格時，就需增加膨脹節(jié)t 換熱管軸向應力c 殼程圓筒軸向應力q換熱管與管板連接的拉脫力五、結構設計1管箱（ 1）管箱的長度 a 最小內側深度向開孔的單管程管箱，開口中心處的最小深度應不

14、小于接管內直徑的 1/3 管程的內外側深度應保證兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積的1.3 倍b 最大內側深度考慮內件焊接和清理是否方便， 尤其對于公稱直徑較小的多管程換熱器。 具體可參照鋼制列管式固定管板換熱器結構設計手冊一書（ 2）分程隔板隔板的厚度和布置按GB151表 6 和圖 15，對于厚度大于10mm的分程隔板，密封面應削邊至 10mm；對于列管式換熱器， 隔板上應設置淚孔 （排凈孔），排凈孔的直徑一般為 6mm 2。殼體及管束管束級別、級管束，僅僅針對碳鋼、低合金鋼換熱管國內標準中還存在著“較高級”和“普通級”制訂的。一旦國內換熱管能夠采用“較高級”鋼管時，碳鋼、低合金

15、鋼換熱管束無需再分級和級、管束的區(qū)別主要在于換熱管的外徑、壁厚偏差不同，相應地管孔尺寸和偏差不同級管束的精度要求高一些，對于不銹鋼換熱管，只有級管束； 對于常用的碳鋼換熱管管板a管孔尺寸偏差注意、級管束的區(qū)別b 分程隔板槽槽深一般不小于4mm分程隔板槽寬：碳鋼12mm；不銹鋼11mm分程隔板槽拐角處的倒角一般為45 度，倒角寬度R。b 近似等于分程墊片的圓角半徑折流板a 管孔尺寸：按管束級別區(qū)分b 弓形折流板的缺口高度缺口高度應使流體通過缺口時與橫過管束的流速相近，缺口眩高一般取倍的圓角內直徑， 缺口一般切在管排中心線以下或切于兩排管孔的小橋之間管方便 )。0.20 0.45( 便于穿C 缺口

16、方位單向清潔流體，缺口上下布置；氣體中含少量的液體，缺口朝上的折流板的最低處開通液口；液體中含少量氣體，缺口朝下的折流板的最高處開通氣口氣液共存或液體中含有固體物料時，缺口左右布置，并在最低處開通液口d 折流板的最少厚度；最大無支撐跨距e 管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進出、口接管拉桿a 拉桿的直徑和數量直徑和數量按表 43， 44 選用，在保證大于或等于表 44 所給定的拉桿截面積的前提下，拉桿的直徑和數量可以變動，但其直徑不得小于 10mm，數量不小于 4 根b 拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣，對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)或靠近折流板缺口處應布置適當數量的拉桿，任何折流板應不小于3 個支

17、撐點c 拉桿螺母，有的用戶要求下面一個螺母與折流板電焊防沖板a 防沖板的設置是為了減少流體的不均勻分布和對換熱管端的沖蝕b 防沖板的固定方式盡可能固定在定距管上或靠近管板的第一塊折流板， 當殼程進口位于非固定拉桿的管板的一側時，防沖板可焊在筒體上膨脹節(jié)的設置a 位于兩側折流板之間為了減少膨脹節(jié)的流體阻力， 必要時可在膨脹節(jié)內側設置一個襯筒， 襯筒應在順流體流動方向上與殼體焊接，對于立式換熱器，當流體流動方向朝上時，應在襯筒下端設置排液孔b 膨脹節(jié)的保護裝置，防止設備在運輸過程中或使用中拉壞管板與殼體的連接a 延長部分兼作法蘭b 不帶法蘭的管板（ GB151附錄 G）3 管法蘭：設計溫度大于等于

18、300 度，應采用對接法蘭。對于不能利用接管式接口進行放棄和排泄的換熱器，應在管、殼程最高點設置放氣口、最低點設置排液口，其最小公稱直徑為20mm。立式換熱器可設置 溢流口4支座：按GB151種 5.20 條的規(guī)定5. 其他附件吊耳質量大于 30Kg 的官箱及管箱蓋宜設置吊耳頂絲為了便于拆卸管箱、管箱蓋，應在官板、管箱蓋上設置頂絲五、制造、檢驗的要求1管板拼接管板的對接接頭進行100%射線檢驗或UT,合格級別： RT：級 UT: 級出不銹鋼外，拼接的管板消除應力熱處理管板孔橋寬度偏差 : 按公式進行計算孔橋寬度： B=(S-d)-D1 孔橋最小寬度： B=1/2(S-d)+C2管箱熱處理：碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱， 以及管箱的側向開孔超過 1/3