GB∕T151-2014热交换器讲解

1热交换器戴季煌2热交换器201501第一部分GB15120141修改了标准名称，扩大了标准适用范围11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。12规定了其他结构型式的热交换器所依据的标准。2范围GB151201X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（PNDN27104，原为175104）。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31公称直径DN311卷制、锻制、圆筒以圆筒内直径（MM）作为换热器的公称直径。312钢管制圆筒以钢管外径（MM）作为换热器的公称直径。32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。33换热面积A331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。332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）41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411操作数据包括流量、气相分率、温度、压力、热负荷等；412物性数据包括介质密度、比热、粘度、导热系数或介质组成等；413允许阻力降；414其他包括操作弹性、工况、安装要求（几何参数、管口方位）等。42选型应考虑的因素421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；422考虑经济性，合理选材；423满足热交换器安装、操作、维修等要求。43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51压力511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。512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。3513试验压力试验压力PT125/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，各程分别按上述办法试压。当PT（或PS）为真空时，则PS01（或PT01）再乘以规定值。2）当PTPS时，壳程试验压力按管程试验压力。52温度521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。522元件金属温度确定。5221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）TCTHT212）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。5222已使用的同类换热器上测定5223根据介质温度并结合外部条件确定。6厚度附加量61钢材厚度负偏差62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0050050505151563腐蚀裕量的考虑原则631各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量。632考虑两面腐蚀的元件管板、浮头法兰、球冠形封头、分程隔板。633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。634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。635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10，局部射线检测时焊接接头系数085，不进行射线检测时焊接接头系数06。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GB1502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。491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/T53132010（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。92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。921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922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元件标准管板平盖NB/T4700212010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95NB/T4700222010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95NB/T4700232010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95NB/T4700242010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100MPA1级，结合率100剪切强度100MPA3级，结合率95923规定了不得使用的衬层复合结构924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5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。93有色金属931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，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。932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。933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。934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。935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）具有良好的成型性能。94换热器材料941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。942奥氏体不锈钢焊管9421P10MPA（国外无此限制）。9422不得用于极度危害或高度介质。9423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。9424奥氏体不锈钢焊管的焊缝系数085。943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/T2871313），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。6944GB1502对换热器的使用规定在GB15022011中514517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/T4701912011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GB15022011规定均应设计为I级管束管板管孔直径允许偏差应均按I级管束选定。945NB/T470111NB/T4701182011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GB1511999有较大变化，除与GB1502011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GB1511999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/T4701952011规定了GB13296锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管和GB/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。95防腐目前换热器防腐有如下几种措施951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。952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。953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。954缓蚀剂。目前炼油装置、化工装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。101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，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2030。4）旁路漏流较小。7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。102U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。103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8图51）管束可以抽出，以方便清洗管、壳程。2）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，P64MPA。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。104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。1041外填料函式换热器（图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P20MPA场合。1042滑动管板填料函换热器10421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。10422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。105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，故管程的温度和压力比壳程高，一般为管程介质加热壳程介质。P64MPA。（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）。97）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。106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。1061双管板固定管板换热器（图11）图111062双管板U形管换热器（图12）1063双管板U形管釜式重沸器（图13）图1210图13107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。1071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）。1072适用范围ABC图141）设计压力管程和壳程分别不大于10MPA；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）。1073不宜设置膨胀节。HG215031992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，法兰变形使管板受11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。108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10MPA，壳程设计压力不大于50MPA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06MPA；（2）型用于管程设计压力小于或等于10MPA。2）壳体直径与换热管长度分别为2500MM和7000MM。109高效缠绕管换热器（A）多头换热器管板（B）现场缠管一（C）现场缠管二图16为节省设备投资，在有限换热器壳体容积中，布置最大换热管传热面积，提高换热效率，管壳式缠绕管换热器（图16）应运而生。此类换热器为多层多头在芯棒上缠绕焊接不锈钢小直径换热管，结构如图16所示。1010奥氏体不锈钢波纹换热管换热器1）适用范围（1）设计压力不大于40MPA；（2）设计温度不大于300；（3）公称直径不大于2000MM；（4）公称直径不大于与设计压力的乘积不大于4000。2）不适用的场合（1）毒性程度为极度或高度危害的介质；（2）易爆介质；12（3）存在应力腐蚀倾向的场合。11热交换器类别的划分根据管程和壳程的工作（设计）压力、介质特性、容积等参数，按固容规分别确定管程和壳程的容器类别，按容器类别高的作为该台换热器的容器类别。但应当按照管程和壳程各自类别分别提出设计，制造技术要求。12管程和壳程121管程介质流经换热管内的通道及与其相贯通部分。1211管箱圆筒壁厚GB151规定管箱圆筒壁厚最小厚度的规定。管箱仅封头时可不按此规定。1212管箱深度最小内侧深度规定1）轴向接管单管程主要考虑流体均匀分布到换热管内，一般说问题不大。2）多程两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通面积13倍，每程换热管流通面积即每程换热管数N乘上换热管内流通的截面积。1213管程防冲板当液体V22230KG/（MS2）（介质密度KG/M3；V介质流速，M/S）时，采用轴向入口接管的管箱宜设置防冲板。1214分程隔板最小厚度的规定，比GB151199增加厚度。结构大直径换热器隔板应设计为双层结构，既增加刚度又有利隔热。卧式换热器分程隔板上要开设排净孔（泪孔），主要能把残液排放干净。1215管箱热处理当碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱以及管箱的侧向开孔大于1/3（即DD/3）圆筒内经的管箱（图17），管箱要进行整体热处理。图171216分程隔板与管箱内壁应采用双面连续焊，最小焊脚尺寸为3/4倍的隔板厚度。122壳程介质流经换热管外的通道及与其相贯通部分。壳程内主要由折流板、支持板、纵向隔板、旁路挡板、防冲板、拉杆、定距管、导流筒、滑板等元件组成。由于各种形式换热器的工艺性能、使用场合不同，壳程内各种元件的设置亦不同，以满足设计要求。各元件在壳程内设置，按其不同的作用，可分为两类。圆筒最小厚度的规定主要保证刚度和支座处的局部应力。13布管131三角形排列1311正三角形排列图18图19正三角形排列（图18），介质流经折流板缺口是垂直正对换热管，冲刷换热管外表面，传热上称为错列，介质流动时形成湍流，对传热有利，管外传热系数较高。正三角形排列用于壳程介质较清洁，换热管外不需清洗。1312转角三角形排列转角三角形排列（图19），介质流经折流板缺口是平行于三角形的一边，传热上称为直列，介质流动时有一部分是层流，对传热有不利影响。对有相变的换热器，宜采用转角三角形排列，因为卧式冷凝器的折流板的缺口边是左、右布置，气体流动方向与冷凝液流动方向是垂直的（图20），当冷凝液向下流动是，气体对下滴的冷凝液有吹除和切割作用，使管外壁的液膜厚度相对减少。图20132正方形排列1321正方形排列（图21），介质流经折流板缺口是平行于正方形，传热上称为直列，介质流动是层流，对传热有不利影响。131322转角正方形排列转角正方形排列（图22），介质流经折流板缺口是垂直正对换热管，冲刷换热管外表面，传热上称为错列，介质流动时形成湍流，图21图22对传热有利。133同心圆同心圆靠近壳体的地方布管较均匀，小直径比三角形排列多，超过6圈就较三角形排列少。134布管设计换热器经化工工艺专业传热计算和管壳程压力降计算后,确定了换热器型式、换热面积、换热管管径、管间距、管壳程程数、折流板型式、块数和缺口布置及切割比例，而由换热器机械设计专业进行施工图布管设计。设计中必须考虑如下因素。1341布管限定圆布管限定圆是指换热管外壁所限定圆直径DL。浮头式换热器从结构上考虑。1342管板分程隔板槽槽深应大于垫片厚度，且不宜不小于4MM，这主要考虑采用石棉橡胶板或金属包垫，采用缠绕垫时，槽深应大于4MM。槽宽A2宜为8MM14MM，当分程隔板厚度大于10MM时，图23图24密封面处应削至10MM。分程垫片转角处一定要有R（图25），不然垫片很易断裂。确定分程隔板槽两侧相邻管中心距SN（见图26）。若在布管限定圆中不能布下要求换热器管管数，则按图27排列方法。图中S1、S2小于U形管最小弯曲半径RMIN，这样布置可排列较多的换热管，在最靠近管板中心线两图25图26侧的交叉排列可增大弯管曲率半径。1343中心距换热管中心距不小于125倍的换热管外径，主要考虑到管孔间小桥在胀接时有足够强度和便于焊接。换热管外需要清洗时，应采用正方形排列。图27S1、S2小于U形管最小弯曲半径时的几种排列方法14分程141管程分程分程目的当用增加管数来增加换热面积时，流体在管束中流速随着换热管数的增加而下降，造成流体的给热系数的下降，故仅采用增加换热管数是不行，则在保证流体在管束中保持较大流速，则可将管束分成若干程数。管程分程应考虑下列几方面（以四程为例图28）141）应尽量使各管程的换热管数大致相等，其相对误差（N）应控制在10以内，最大不得超过20。NNCPNMINMAX/NCP100（2）2）分程隔板槽形状简单以利加工，密封面长度较短，减少泄漏。3）程与程之间的温度相差不易过多，一般温差不超过10（50）。142壳程分程分程目的同上，不同的是一个保持壳程流速。壳程一般只分二程。15管板151管板计算的理论基础管壳式换热器结构复杂，影响管板强度的因素很多，特别固定管板热交换器的管板受力最为复杂，各国设计规范基本上都是把管板作为承受均布载荷，放置在弹性基础上，且受管孔均匀消弱的当量圆平板来考虑（图29）。由于影响管板强度的因数很多，因此正确地进行管板强度分析是较困难、较复杂，所以各国对管板厚度计算公式都对管板作一定地简化、假定而得到地近似公式。引起管板应力的载荷有压力（管程压力PT、壳程压力PS）、管壳热膨胀差及法兰力矩。换热器的管板计算方法的力学模型见图30。图281511各国设计规范对于管板均不同程度地考虑了以下因素1）把实际的管板简化为受到规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板，已为现今大多数国家的管板规范所采用。2）管板周边部分较窄的不布管区按其面积简化为圆环形实心板。3）管板边缘可以有各种不同型式的连接结构，各种型式可能包含有壳程圆筒、管箱圆筒、法兰、螺栓、垫片等多种元件。规范按各元件对于管板边缘的实际弹性约束条件进行计算。4）考虑法兰力矩对于管板的作用。图295）考虑换热管与壳程圆筒间的热膨胀差所引起的温差应力，还应考虑管板上各点温度差所引起的温度应力。6）计算由带换热管的多孔板折算为等效实心板的各种等效弹性常数与强度参数。1512GB151管板计算的理论基础力学模型是将管板近似地视为轴对称结构，并假设热交换器两端的管板具有同样的材料和相同的厚度；对于固定管板热交换器两块管板还应具有相同的边界支承条件。1）管束对管板的支承作用把管板视为均匀削弱的、放置在弹性基础上的当量圆平板。这是由于管壳式换热器结构中在绝大多数管子直径相对管板直径足够小，而管子的数量又足够多，假定在管板上是均匀分布的，因而离散的各个换热管对管板的支承作用可以认为是均匀连续的，管板承受的载荷也认为是均匀分布的。管束对管板在外载荷作用下的挠度和转角都有约束作用，管束的约束作用可以减少管板的挠度和降低管板中的应力。管束对管板转角又约束作用，对实际参数的分析计算，发现管束对管板转角的约束作用对管板强度的影响是很小的，完全可以忽略不计，因此本规范不考虑管束对管板转角的约束作用，只考虑管束对管板挠度的约束作用，对于固定管板换热器的管板，以管子加强系数K表示。开孔后管板的抗弯刚度为D管束的弹性基础系数N，表示为使管束在轴向产生单位长度的变形（伸长或缩短），在管板表面所需施加的压力载荷。15（3）图30LANAENT2引入管子加强系数K，代入D，N表达式，令P03（4）21413241413182LENADENAPTIIPTI该系数反映了弹性基础强弱相对于管板自身抗弯刚度的大小，即管束对管板承载能力的加强作用，这是表征管束对管板加强作用的一个十分重要的参数。如果管板的弹性基础很弱，则换热管加强作用很小，即K值很小，此时管板的挠度与弯矩等分布情况于无弹性基础的普通圆板，极而言之，K0，即是普通圆平板。根据弹性基础圆板理论，管板的挠曲形式不仅取决于管子加强系数K，同时还与管板周边处的支承情况和附加载荷有关，定量地以管板的总弯矩系数M表示。（5）RVMDNM41当管板周边为简支时，MR0，则M0；当管板周边为固支时，其管板边缘转角R0，由此可求得某一特定的M值（表达式从略）；当管板周边仅承受弯矩的作用，即VR0时，则M。在一定的边界支承条件下，当K值逐渐增大时，管板的挠度、弯矩等自周边向中心呈衰减、波状分布，当K值越大时，则衰减越快，波数越多。在K值增大过程中，当经过某一确定的分界K值时，分布曲线会出现新的波，同时在板中心处，曲线从上凹（或下凹）转变为下凹（或上凹），求解分布曲线的的导数方程，即可得到曲线波数增加的K分界值。以管板周边简支情况为例，随着管子加强系数K的增大，其径向弯矩分布曲线和出现新波时的分界K值如图31示意，同时可看出，径向的极值也随着K值增大而远离管板中心移向周边。对于周边固支的弹性基础板，随K值的变化，其径向弯矩分布具有相类似的变化趋势，同样见图31。与简支边界不同的地方是固支边界支承的弹性基础板其最大径向弯矩始终位于圆板周边，而第二个径向弯矩的极值点则随K增大远离板中心移向周边。对于浮头式、填函式换热器管板，管束模数K与固定管板的弹性基础系数N类似，同样反映了管束作为弹性基础对管板的加强作用。2）管孔对管板的削弱作用管板上是密布着分散的管孔，因此管孔对管板有削弱作用。管孔对管板的削弱作用有两个方面对管板整体削弱作用，使管板整体的刚度与强度都减少，和管孔边缘有局部的应力集中，只作峰值应力考虑。图31弹性基础圆板弯矩图本规范只考虑开孔对管板整体的削弱作，计算平均的当量应力，作为基本的设计应力，即近似地把管板当作一块均匀连续削弱地当量圆平板来考虑。对管孔边缘地局部应力集中，只作峰值应力考虑。但在疲劳设计中要考虑。管孔对管板有削弱作用，但也考虑管壁的加强作用，故用刚度削弱系数和强度削弱系数。根据弹性理论分析、实验，本规范规定和04。3）管板布管区当量直径固定管板的管子加强系数计算是假定圆筒直径范围内全部均匀的布管。实际上，在通常情况下管板周边部份都存在着一个较窄的不布管区，该区域的存在使管板边缘的应力下降。布管区一般是一个不规则的多边形，现以当量圆形布管区去代替多边形布管区，当量直径DT的取值应使管子对管板的支承作用面积相等。该直径大小直接影响着管板的应力大小和分布情况，在GB151固定管板的应力16计算中位于环形板与布管区交界处的应力则是以全布管的管板在半径为DT/2处的应力近似取值，因此标准R限定该计算方法仅适用于周边不布管区较窄的情况，即管板周边不布管区无量纲宽度K较小的情况，KK（1T）1。不论是固定管板换热器，还是浮头式或填函式换热器，在计算布管区面积时，都是假定在布管区范围内，均匀的布满着管子。假设有N根换热管，管间距为S，对于管孔为三角形排列的布管，每根管子对管板的支承作用，面积是以管孔圆心为中心、以S为其内切圆直径的六角形面积，即；对于管孔为正方形排列的布管，每228603S根管子对管板的支承作用面积则是以管孔圆心为中心，以S为边长的正方形面积，即S2。管板布管区是将管板最外圈管子的支承作用面积连接起来所包围的区域，包括最外圈管子本身的支承作用面积。对于换热管均匀分布的单管程换热器管板，全部N根换热管对管板的支承作用面积即是布管区面积。4）考虑管板的弯曲作用，还考虑管板和法兰沿其中心面内的拉伸作用。5）假设法兰变形时，其横截面的形状不变，而只有绕环截面重心的转动与径向位移。由于这种转动与径向位移造成法兰与管板中心面连接点处地径向位移量，应与管板本身沿着中心面内地径向位移协调一致。6）由温度膨胀差与壳程压力PS及管程压力PT引起的壳壁的轴向位移与管束、管板系统的轴向位移，应在管板周边协调一致。7）管板边缘的转角受壳体、法兰、管箱、螺栓、垫片系统的约束，其转角在连接部位处应协调一致。8）当管板兼作法兰时，考虑了法兰力矩的作用对管板应力的影响。为了保证密封，对于其延长部分兼作法兰的管板，规定尚需校核法兰应力。此时在计算法兰力矩时，考虑管板与法兰共同承受外力矩，因而法兰所承受地力矩将有所折减。152管板应力关于固定管板换热器的管板强度计算，目前国外主要的设计规范有四个美国TEMA方法和ASME方法、英国BS方法及西德AD方法。但由于上述各种计算方法，都对分析前提作了较多的简化，因此都不能说是精确的分析方法。固定管板换热器的精确应力分析，多采用以板壳理论为基础的弹性分析方法。我国管板计算规范，即GB151中管板计算方法即是这类方法。我国管板计算方法的力学模型见图30。1521管板应力的产生引起管板应力的载荷有压力（管程压力PT、壳程压力PS）、管壳热膨胀差及法兰力矩。15211管程压力PT作用情况有固定式换热器如图32中细线所示（为便于分析以不带法兰，直接与圆筒相连接的管板为例），其载荷为PT。假设将管板沿周边与圆筒分离，即解除管板与圆筒的相互约束，认为两者可各自自由变形。PT可对圆筒（包括封头等，可称为壳体系统）的作用分为两方面PT沿圆筒轴向作用于封头上，轴向载荷为，DI是圆筒内直径。此载荷TIP24使圆筒产生轴向应力。当PT为正压时，使圆筒轴向伸长，其上与管板上表面的连接点A将向上发生轴向移位。同时，在PT的径向作用下，圆筒产生环向应力，发生径向膨胀。由于轴向应力图32作用的泊松效应，虽使圆筒径向发生收缩，但最终圆筒还是发生径向膨胀。即A点在轴向位移的同时还有径向位移，设其最终位移至A（见图32中虚线）。PT对管板表面（不包括管孔部分）产生轴向载荷，此载荷由管束来承受，使管束受到轴向压缩而缩短。同时，PT径向作用使17换热管产生环向应力，发生径向膨胀，由于柏松效应，使管束在轴向进一步缩短，从而带动管板向下移动。设管板边缘的A，B点位移至A，B（见图32中虚线）。图33可见，在解除管板周边与圆筒的相互约束时，在PT作用下，它们的“自由变形”是相反的。圆筒上的A点和管板周边的A点将产生不同的移位，由此有位移差（见图32）。由于A和A实际上是同一点，即实际变形后的A与A应在同一位置。为此，圆筒的变形与管板变形必须协调。圆筒与管板间要产生边界力，即所谓的边缘力系，最终由圆筒、管束和管板三者的进一步变形使结构趋于连续。于是，圆筒必然要通过对管板周边产生的边缘横剪力VT（见图33）拉伸管束。反过来管束（包括管板，可称管板管束系统）必然以VT向下压缩圆筒。其相互作用的结果，使圆筒上的A向下产生轴向位移1。管板管束系统在自由压缩变形的基础上，在管板周边向上的横剪力VT作用下被拉伸，产生2的变形。而管板则在周边横剪力VT作用下，产生挠曲变形3（见图32）。其三者变形之和123满足总的自由变形差的要求。1、2、3的值与圆筒、管束的轴向刚度及管板的弯曲刚度有关。刚度大者，相应的变形较小，反之则大。圆筒、管束和管板三者变形协调后形状如图32中粗实线所示。由于管板在发生挠度时，边缘发生的偏转角尚又须与圆筒的转角相协调，因此在管板周边与圆筒间尚作用有边界力矩MT，最终管板的受力情况即如图33所示。于是，管板可视为放置在管束弹性基础上，周边作用有均匀的横剪力VT和弯矩MT的圆平板。图34根据弹性基础圆板理论，管板在周边剪力VT和弯矩MT作用下，将发生整体弯曲变形（见图33），在管板中产生整体性的弯曲应力，其应力大小与横剪力VT和弯矩MT成正比。管板在发生整体弯曲变形的同时，由于PT在管板的孔带上的作用，使管板产生局部的弯曲变形（如图33中的虚线所示）。实际管板的变形即为上述两种的组合。但必须强调指出的是以上两种变形中（同时对应两种弯曲应力），前者的整体变形及其应力是主要的，而局部的变形与应力相对是很小的，这已为众多的理论分析和试验应力分析所证实。GB151热交换器中的管板计算方法是基于弹性基础圆平板的分析方法，考虑了管板的整体弯曲，大量实验表明，其计算结果与实验所得应力吻合良好，是一种合理的计算方法。15212壳程压力PS作用情况固定式换热器如图36中细实线所示，其载荷为PS。类似PT作用情况的分析思路，解除圆筒与管板间的约束。PS的径向作用，使圆筒产生环向应力并径向膨胀。同时，由于泊松效应，使圆筒轴向收缩。为此圆筒上的A点将自由变形至A（见图34中虚线）。PS对管板下表面的轴向作用，使管束伸长。同时换热管在管外PS的作用下，产生环向压缩力，径向收缩。因泊松效应，使管子进一步轴向伸长。由此带动管板向上平移，其周边的A点位移至A（见图34中虚线）。因此，在解除管板周边与圆筒互相约束时，它们的自由变形也是相反的。就A点，存在变形差。图35在实际结构中A和A是同一点，即实际变形时A和A应在同一位置。为此，圆筒的变形须与管板的变形保持协调。圆筒通过对管板周边产生横剪力VS（见图35）压缩管束。反过来管束（包括管板，即管板管束系统）必然以相反方向的VS拉伸圆筒。其相互作用的结果，使圆筒上的A在“自由缩短”的基础上被轴向拉伸伸长1。管板管束系统在“自由伸长”的基础上，在管板周边上的横剪力VS作用下使管束受到压缩，产生的2变形。而管板则在周边VS作用下产生3的挠曲变形。它们最终的协调变形如图34中的粗实线所示。三者的协调变形1、2、3之和即满足的要求。由上述分析可知，固定管板换热器，无论在PS或PT作用下，其圆筒与管板管束系统的轴向自由变形方向总是相反的，即管板的周边上总要产生横剪力VS或VT的，为此管板必然产生整体挠曲变形，而且这种挠曲引起的18管板应力是与管板直径D（圆筒直径）成正比的。而管板上由管孔间的局部挠曲（由P作用产生），引起的应力，则是与孔间距S成正比的。因S与D相比，仅为小量。上述123其1、2、3的大小与圆筒、管束的轴向刚度及管板的弯曲刚度有关，刚度大者，相对变形就小，反之则大。类似PT作用情况，在管板周边与圆筒间还将产生边界弯矩MS。于是，管板可简化为置于管束弹性基础上周边作用有均布横剪力VS和边缘弯矩MS的圆平板。如图35所示。其与PT作用时相比，因周边剪力等方向相反，故管板变形形状也相反。管板在周边剪力及弯矩作用下发生整体弯曲变形，产生整体弯曲应力。由于PS在管板孔间带上作用，使管板产生局部的变形和弯曲应力，如图35中虚线所示。管板实际变形为此两种变形的组合。图36与PT作用时一样，管板中的整体弯曲应力对管板设计起控制作用，计算必须以此为依据。15213管壳热膨胀差作用情况如图36的固定式换热器中细实线所示。换热管材料沿长度平均金属温度为TT，壳体材料沿长度平均金属温度为TS，设TTTS令管壳材料线膨胀系数相同，即管壳间将产生热膨胀差。图37假设解除圆筒与管板周边的约束。管束由于热膨胀将自由变形伸长T，管板上的A、B两点将位移至A、B。圆筒由于热膨胀产生轴向伸长S，其上A点将自由变形位移至A。由于TTTS，则TS。由此管壳发生热膨胀差。而在实际中换热器因必须保持结构连续，即A与A应为同一点，因此管壳的自由变形必须进行协调。即自由伸长较大的管束系统通过管板周边对圆筒产生向上的轴向力V。反之自由伸长较小的圆筒对管板周边产生反作用力V，对管束向下进行压缩，其相互用作的结果，使圆筒在自由伸长的基础上进一步轴向伸长，就其A点，变形量为1。管束在自由伸长的基础上，受到轴向压缩后，变形量为2。管板由于周边横剪力等作用下，产生挠度3。且123。它们的最终协调变形如图36的实线所示。其1、2、3的大小与管、壳的轴向刚度及管板的弯曲刚度有关。刚度大者，变形就小，反之则大。于是，作为弹性基础圆平板的管板，其周边上均匀作用有横剪力V，并通常尚有均布的弯矩M，最终管板受力情况如图37所示。管板在管壳热膨胀差作用下，管板中仅产生由边缘V和M产生的整体弯曲变形及其应力。15214法兰力矩作用情况设有延长部分兼作法兰的管板如图38中细线所示，管板将直接受到法兰力矩的作用。在法兰力矩作用下，管箱法兰和管板法兰将直接产生偏转（如图38中粗实线所示）。管板周边（DI）受到弯矩的作用，即在周边上产生边缘弯矩MM引起挠曲。同时由图38于管板的挠曲受到管束的轴向约束，由此在管板上尚产生横剪力VM，于是管板就成为作用有均布的VM和MM的弹性基础上的圆平板，如图39所示。管板在法兰力矩作用下，板中只产生整体弯曲变形及相应的应力。15215组合载荷作用下的管板应力管板在PT、PS管壳热膨胀差及法兰力矩同时作用时的变形与应力，可按其分别作用的情况进行叠加。图39根据上述1521115214款中，各种载荷单独作用时，作用于管板周边的横剪力V和弯矩M及管板的变形状况，可定性地分析各种载荷组合后管板应力的变化趋势，为便于理解，以下以两种载荷同时作用为例，加以分析。1）对PT与PS同时作用的情况（设压力均为正值）。见图33和图35。由于其管板的变形方向是相反的，即作用于管板周边的横剪力VT和VS及弯矩MT和MS是19趋于抵消的，管板应力