设备管理_压力容器审核及设计人员培训班

管壳式换热器 GB151 1999 郑州大学 方书起 fangsq 2012 11 1 郑州 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第一部分传热和换热器基本知识 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 管壳式换热器的结构组成 管程 壳程 受压元件 非受压元件 壳体 换热管 管箱 管板 接管 支座 折流板 拉杆 与换热管相连通的空间换热管外部 壳体内部的连通空间 传热与换热器设计 管壳式换热器的设计 工艺设计 换热器直径 换热管规格 材料 数量 长度 排列方式 程数 折流板结构和数量 机械设计 换热管束级别确定 结构设计 强度 刚度 稳定性计算 第一部分传热和换热器基本知识 河南省压力容器审核及设计人员培训班 A p 传热与换热器设计 1 传热量的计算 两流体无相变热量衡算式 第一部分传热和换热器基本知识 河南省压力容器审核及设计人员培训班 可知 要想计算传热量 需要知道4个温度和2个流量 列管式换热器的工艺设计步骤 1 计算传热量 平均温差 估计总传热系数K 估算传热面积 传热与换热器设计 2 传热温差的计算 第一部分传热和换热器基本知识 河南省压力容器审核及设计人员培训班 3 传热面积的估算 2 设定换热管规格和管内流体流速 计算换热管数和长度 确定管程数 传热与换热器设计 第一部分传热和换热器基本知识 河南省压力容器审核及设计人员培训班 管束分程 在满足流量和压降的前提下 采用多管程可提高流速 达到强化传热的目的 管程数一般有1 2 4 6 8 10 12等7种 布管原则为 应尽可能使各管程的换热管数大致相等 分程隔板槽形状简单 密封面长度较短 3 根据换热管数量和排列形式 确定换热器壳体直径 1 换热管的排列形式 三角形 正方形排列 2 换热管中心距 宜不小于1 25d0 常用管间距详见GB151表12 传热与换热器设计 第一部分传热和换热器基本知识 河南省压力容器审核及设计人员培训班 传热与换热器设计 3 布管限定范围 固定管板式换热器或U形管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离为0 25d0 一般不小于8mm 第一部分传热和换热器基本知识 河南省压力容器审核及设计人员培训班 4 确定折流板结构和数量 根据换热管最大无支撑跨距确定折流板间距 从而确定折流板数量 在满足要求的情况下 折流板数量应尽量少 筒体直径估算值 5 核算总传热系数和传热面积 实际传热面积要大于等于计算面积约10 15 为宜 传热与换热器设计 第一部分传热和换热器基本知识 河南省压力容器审核及设计人员培训班 6 计算管程 壳程压力降 应在合理范围内 否则需调整结构参数 重新进行计算 传热与换热器设计 第一部分传热和换热器基本知识 河南省压力容器审核及设计人员培训班 1 管程流体阻力 ft为结构系数 对三角形排列 ft 1 5 对正方形排列 ft 1 4 Np为管程数 为流体流动摩擦系数 传热与换热器设计 第一部分传热和换热器基本知识 河南省压力容器审核及设计人员培训班 2 壳程流体阻力 其中 u0 按壳程流通截面计算所得 m s NB 折流板数量 de 壳体的当量直径 按上面的公式计算 m 传热工艺流程的确定原则 不洁净或易于分解结垢的物料应流经易清洗的一侧 对于只管管束 一般是管内 具有腐蚀性的物料应走管内 压力高的物料走管内 温度很高 热媒 或很低 冷媒 的物料走管内 减少热损失 传热与换热器设计 第一部分传热和换热器基本知识 河南省压力容器审核及设计人员培训班 蒸汽一般走壳程 便于排液 传热系数也大 粘度大 1 5 2 5cp 或流量较小的流体一般走壳程 便于提高流速 在低雷诺数Re 100时即可达到湍流 给热系数小的流体如气体 应走壳程 易于提高速度 被冷却物料走壳程 便于散热 传热与换热器设计 第一部分传热和换热器基本知识 河南省压力容器审核及设计人员培训班 换热器机械设计 结构设计强度 刚度 稳定性计算一 换热管管束级别的确定1 换热管GB T1527 铜及铜合金拉制管 GB T3625 换热器及冷凝器用钛及钛合金管 GB T6893 工业用铝及铝合金拉 轧 制管 GB T8163 输送流体用无缝钢管 GB T8890 热交换器用铜合金管 GB9948 石油裂化用无缝钢管 GB13296 锅炉 热交换器用不锈钢无缝钢管 GB T14976 流体输送用不锈钢无缝钢管 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 碳钢 低合金钢 碳钢 低 高合金钢 注意 1 GB T8163 输送流体用无缝钢管 10 20钢和Q345D不得用于换热管 2 GB9948 石油裂化用无缝钢管 换热管应选用冷拔或冷轧钢管 钢管的尺寸精度应选用高级精度 3 GB6479 高压化肥设备用无缝钢管 换热管应选用冷拔或冷轧钢管 钢管的尺寸精度应选用高级精度 钢中含硫量应不大于0 020 4 GB5310 高压锅炉用无缝钢管 12Cr1MoVG用作换热管时应选用冷拔或冷轧钢管 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 5 GB T21833 奥氏体 铁素体型双相不锈钢无缝钢管 如用于换热管时应选用冷拔或冷轧钢管 钢管的尺寸精度应选用高级精度 6 GB T12771 流体输送用不锈钢焊接接管 类 类钢管不得用于换热管 7 GB T21832 奥氏体 铁素体型双相不锈钢焊接钢管 仅第 类钢管用于换热管 图样上应注明钢管类别 类 钢管的外径允许偏差应按高级精度交货 其使用规定满足GB150的规定 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 2 换热管束的分级1 采用碳素钢 低合金钢冷拔钢管做换热管时 其管束分为 两级 级管束 较高级冷拔管 用在较重要的场合 如无相变传热 易产生振动的场合 级管束 普通级冷拔管 用在重沸 冷凝传热 无振动的一般场合 2 不锈钢 铝及其合金 铜及其合金 钛及其合金管均为高精度 较高精度管 为 级管束 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 3 由于管束的分级 造成后续设计上的差别 管板上管孔直径的差别 表16 21 折流板 或支持板 上管孔直径的差别 表35 40 管板上钻孔孔桥宽度的差别 表51 52 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 注 降低换热管束级别使用的问题 传热与换热器设计 关于孔桥宽度尺寸的查表 表51 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 二 设计压力和设计温度1 设计压力 设定的换热器管 壳程顶部的最高压力 对于同时受管 壳程压力作用的元件 仅在能保证管 壳程同时升 降压时 才可以按压差设计 否则应分别按管 壳程工作压力来确定设计压力 并应考虑可能存在的最苛刻的管 壳程压力组合 按压差设计时 压差的取值还应考虑在压力试验时可能出现的最大压差值 同时设计者应提出压力试验的步骤 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 2 设计温度 换热器在正常工作情况下 设定的元件金属温度 沿元件金属截面积的温度平均值 在任何情况下 元件金属的表面温度不得超过材料的允许使用温度 铭牌上的管 壳程设计温度 分别为管程管箱和壳体的设计温度 对于同时受管 壳程温度作用的元件可按金属温度确定设计温度 也可以取较高侧的设计温度 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 三 压力试验 1 耐压试验 液压 气压和气液组合压力试验三种 优先选用前者 进行气压和气液组合试验时 取 1 0 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 1 当管程压力低于壳程压力时 压力试验时 按正常试压就可以 试验压力的最低值按下述规定 试验压力的上限还应满足应力校核的要求 钢制或有色金属换热器的试验压力应不小于 传热与换热器设计 注 液压时取1 25 气压和气液组合试验时取1 10 铸铁材料液压试验 系数取2 00 不允许气试 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 说明 A 当换热器铭牌上规定有最大允许工作压力时 试验压力公式中应以该最大工作压力代替设计压力 对在用压力容器为工作压力 B 立式换热器卧置压力试验时 试验压力应计入试验介质的液柱静压力 C 当各元件所采用材料不同时 修正系数用各元件应力比值中的最小值 传热与换热器设计 外压和真空换热器 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 2 而当管程压力高于壳程压力时 GB151规定 接头试压应按图样规定 或按供需双方商定的方法进行 出现上述工况时 一般按如下处理方法 1 用0 9 ReL的应力值计算壳程的试验压力 以尽量提高壳程试验压力使其达到管程试验压力 但此时必须注意壳程其它元件是否也能承受在此试验压力下的强度及密封性能 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 用上述办法不能提高到规定的管程试验压力时 可采取以下办法 若差距不大 可以考虑适当增加厚度 如仍然相差甚远 则只能以壳程允许的最大试验压力试压 其后 再在壳程用氨渗透 卤素渗透或氦渗透进行补充性试验 2 对于可抽式管束 可先打管程高压 用窥视镜从管板背面检查泄露情况 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 2 泄漏试验 气密性 氨检漏 卤素检漏 氦检漏气密性试验 PT p 当符合下述情况时 应在压力试验合格后作气密性试验 介质为 易燃 易爆 介质的毒性程度为极度或高度危害 对真空有较严格要求 管 壳程介质互漏会产生严重危害 如有泄漏将危及容器的安全性 如衬里等 和正常操作者 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 四 饱和蒸汽介质时工作压力与工作温度 设计压力与设计温度的对应问题 五 筒体设计计算和开孔补强计算时筒体壁厚计算公式中焊接接头系数的取值问题 传热与换热器设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 六 管子受压计算时临界长度Lcr的确定 第二部分设计中出现的共性问题 河南省压力容器审核及设计人员培训班 传热与换热器设计 七 开孔直径的定义模糊和开孔超标问题d 接管内直径 两倍 接管 厚度附加量八 气压试验的焊接接头系数取值问题九 凹凸面 榫槽面的设置问题十 封头焊接接头系数和筒体焊接接头系数取值一致性的问题 第二部分设计中出现的共性问题 河南省压力容器审核及设计人员培训班 传热与换热器设计 十一 管板密封面问题 第二部分设计中出现的共性问题 河南省压力容器审核及设计人员培训班 传热与换热器设计 第二部分设计中出现的共性问题 河南省压力容器审核及设计人员培训班 传热与换热器设计 十二 分程管箱的密封面问题 第二部分设计中出现的共性问题 河南省压力容器审核及设计人员培训班 传热与换热器设计 第二部分设计中出现的共性问题 河南省压力容器审核及设计人员培训班 传热与换热器设计 十三 壳程大尺寸接管结构的处理 第二部分设计中出现的共性问题 河南省压力容器审核及设计人员培训班 大尺寸接管 传热与换热器设计 十四 排气 排液接管对不允许有气体或不凝性气体存在的空间最上方应设置排气管 对停车需要将液体排净的空间最下方应设置排液管 排气管 排液管的结构 对卧式换热器 对立式换热器 第二部分设计中出现的共性问题 河南省压力容器审核及设计人员培训班 传热与换热器设计 十五 筒体 包括管箱筒体 设计由强度决定的厚度由刚度决定的厚度由稳定性决定的厚度1 由强度确定的壁厚 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 计算压力设计温度焊接接头系数 钢制换热器焊接接头系数 按下表选取 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 2 由刚度确定的壁厚 壳体与管箱的最小厚度 是指满足制造 运输和安装等刚度要求的厚度 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 十六 封头的设计一般采用标准椭圆形封头1 满足强度要求的厚度 2 满足内压作用下的稳定性要求的厚度K 1椭圆封头的有效厚度应不小于封头内直径的0 15 K 1时 为0 30 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 1 管板的有效厚度 对整体管板而言 是指管程分程隔板槽底部的管板厚度减去下列二者之和 a 管程腐蚀裕量超出管程分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 对复合管板而言 复层可计入有效厚度中 当复层材料强度低于基层时 要相应折减 十七 管板的设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 管板厚度 应不小于下列三者之和 管板的强度计算厚度或5 6 2规定的最小厚度 取大者 壳程腐蚀裕量或结构开槽深度 取大者 管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度 取大值 管板的最小厚度 是满足结构设计和制造要求 不包括腐蚀裕量的厚度 视换热管胀接和焊接取不同的厚度 见GB151第5 6 2 1和5 6 2 2条 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 2 管板计算 1 力学模型 承受均布载荷 放置在弹性基础上 且受管孔均匀削弱的当量圆平板 2 内力分析图 详见右图 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 3 设计条件的四种危险组合 如果不能保证ps和pt在任何情况下都能同时作用时 则不允许以壳程压力和管程压力的压力差进行管板设计 如ps和pt之一为负压时 还应考虑压差的危险组合 1 不带法兰的管板 ps 0 pt 0 不计膨胀变形差 ps 0 pt 0 同时计入膨胀变形差 pt 0 ps 0 不计膨胀变形差 pt 0 ps 0 同时计入膨胀变形差 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 2 其延长部分兼作法兰的管板 除应考虑以上的组合之外 还应考虑到法兰力矩对管板强度的影响 4 管板应力的调整 在设计中 管板应力超过许用应力后 为使其满足强度要求 可采用两种方法调整厚度 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 1 增加管板厚度 增加管板厚度 可以大大提高管板的抗弯截面模量 有效地降低管板应力 因此一般在压力引起的管板应力超过许用应力时 通常采取增加管板厚度的方法 2 降低壳体轴向刚度 由于管束和壳体是刚性连接 当管束与壳壁的温差较大时 在换热管和壳体上将产生很大的轴向热应力 从而使管子产生较大的变形量 出现挠曲现象 使管板应力增加 这时可采取降低壳体轴向刚度的方法 如设置膨胀节 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 3 膨胀节的设置设置条件当以下任意一条不能满足时 a 壳体中的轴向应力不能满足强度条件时 b 管子中的轴向应力不能满足强度条件时 c 管子稳定性不够时 d 管子的拉脱力过大时 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 4 管板与壳体的连接 1 延长部分兼作法兰的管板 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 延长部分兼作法兰的管板 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 2 不兼作法兰的管板 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 5 分程隔板槽 a 槽深宜不小于4mm b 分程隔板槽的宽度 碳钢12mm 不锈钢11mm c 分程隔板槽拐角处的倒角一般为45 倒角宽度近似等于分程垫片的圆角半径 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 1 弓形折流板的缺口高度 应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近 单弓形缺口弦高宜取h 0 20 0 45 Di 十八 折流板 或支持板 设计 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 弓形折流板的缺口应切在管排中心线以下 或切于两排管孔的小桥之间 传热与换热器设计 2 折流板的间距 折流板最小间距一般 圆筒内直径的1 5 且不小于50mm 特殊情况也可取更小的间距 折流板最大间距应满足最大无支撑跨距要求 按换热管的外径和材料查GB151表42确定 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 3 折流板的布置 折流板一般应按等距离布置 管束两端的折流板尽可能的靠近壳程进出口接管 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 卧式换热器的壳程为单相清洁流体时 折流板缺口应水平上下布置 若气体中含有少量液体时 则应在缺口朝上的折流板的最低处开通液口 若液体中含有少量的气体时 则应在缺口朝下的折流板最高处开通气口 如下图 a b 所示 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 卧式换热器 冷凝器和重沸器的壳程介质为气 液相共存或液体中含有固体物料时 折流板缺口应垂直左右布置 并在折流板最低处开通液口 如下图 c 所示 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 4 折流板的固定 拉杆 定距管结构 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘 拉杆的直径和数量分别见表43和表44 注 在保证表44拉杆总截面积时 拉杆直径和数量可以变动 但其直径不得小于10mm 数量不少于4根 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 十九 管箱的设计 1 管箱筒节的长度 要满足管箱最小内侧深度的要求 不受GB150最小筒节长度300mm的要求限制 2 管箱的最小内侧深度 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 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管流通面积的1 3倍 当操作允许时 也可等于每程换热管的流通面积 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 3 分程隔板 分程隔板的最小厚度符合表6的要求 必要时按下式计算 必要时 分程隔板上可开设排净孔 直径宜为6mm 厚度大于10mm的分程隔板 密封面处应削边至10mm 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 二十 接管 1 接管的结构要符合GB150的有关规定 2 接管的一般要求 a 接管宜与壳体内表面平齐 b 接管应尽量径向或轴向设置 c 设计温度高于或等于300 时 应采用对焊法兰 d 有必要设置排气口或排液口 其最小公称直径为20mm 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 二十一 支座换热器鞍式支座 耳式支座按JB T4712选用 1 鞍式支座在换热器上的布置 见下图 按下列原则确定 当L 3000mm时 取LB 0 4 0 6 L 当L 3000mm时 取LB 0 5 0 7 L 尽量使Lc和LC 相近 固定支座应尽量布置在大管端或多管端 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 耳式支座在换热器上的布置应按下列原则确定 a DN 800mm时 至少安装两个支座 且应对称布置 b DN 800mm时 至少安装四个支座 且应均匀布置 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 二十二 管箱 浮头盖的热处理 1 碳钢 低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖以及管箱的侧向开孔超过1 3圆筒内直径的管箱 在施焊后作消除应力热处理 设备法兰密封面应在热处理后加工 2 除图样另有规定外 奥氏体不锈钢制管箱 浮头盖可不进行热处理 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 二十三 防冲板的设置 1 管程设置防冲板的条件 当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过3m s时 应设置防冲板 以减少流体的不均匀分布和换热管管端的冲蚀 2 壳程设置防冲板 导流筒 的条件 a 当壳程进口管流体的 v2值为下列值时 应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 非腐蚀 非磨蚀性的单相流体 v2 2230kg m s2 者 其他液体 包括沸点下的液体 v2 740kg m s2 者 b 有腐蚀或有磨蚀的气体 蒸汽及气液混合物 应设置防冲板 c 当壳程进出接管距管板较远 流体停滞区过大时 应设置导流筒 以减少流体流动死区 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 3 防冲板的结构 尺寸 a 防冲板外表面到圆筒内壁的距离 应不小于接管外径的1 4 b 防冲板的直径或边长 应大于接管外径50mm c 防冲板的最小厚度 碳钢为4 5mm 不锈钢为3mm 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 防冲板的固定 a 焊在圆筒上 b 用U形螺栓固定在换热管上 c 焊在定距管或拉杆上 也可同时焊在靠近管板的第一块折流板上 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 二十四 防短路结构 1 旁路挡板 2 挡管 3 中间挡板 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第二部分设计中出现的共性问题 传热与换热器设计 计算软件 SW6 使用SW6进行换热器设计时 首先应输入一系列的设计条件 例如 主体设计参数 筒体数据 管板数据 前端管箱数据 后端管箱数据 前端管箱法兰数据 筒体法兰数据 等 第三部分计算软件 河南省压力容器审核及设计人员培训班 传热与换热器设计 主体设计参数 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第三部分计算软件 传热与换热器设计 管壁壁温tw的计算 附录F 热流体侧的壁温计算公式 冷流体侧的壁温计算公式 式中 Tm tm 热流体 冷流体的平均温度 tm 两种流体平均温度差 一般情况下 取 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第三部分计算软件 传热与换热器设计 当管壁热阻很小 且管壁很薄时 也可按下式进行估算 两种流体平均温度差 a 纯逆流或并流 b 多程换热器 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第三部分计算软件 传热与换热器设计 流体的平均温度 液体的平均温度 过渡流及湍流阶段 液体 层流阶段 和气体的平均温度 河南省压力容器审核及设计人员培训班 第三部分计算软件 传热与换热器设计 有的参考书中还给出以下壁温计算公式 热流体在管外