管壳式换热器培训讲义.doc

管 壳 式 换 热 器Tubular Hat Echangers一基本知识1 换热器的主要类型2 管壳式换热器的主要结构型式l 固定管板式换热器；l 浮头式换热器；l U 形管式换热器；l 釜式重沸器；l 填料函式换热器。3 固定管板式换热器固定管板换热器的具体结构，见GB151中P5上的图2。1） 固定管板换热器的主要特点：结构简单、紧凑、没有壳程密封的问题，而且往往是管板兼作法兰。其适用于：l 管、壳程温差较大，但压力不高的场合(因为温差大，要加膨胀节，而膨胀节耐压能力差；l 管、壳程温差不大，而压力较高的场合；l 壳程无法机械清洗，故要求壳程介质干净；或虽会结垢，但通过化学清而能去除的场合；l 布管多，锻件少，一次性投资低；但不可更换管束，整台设备往往由换热管损坏而更换，故设备运行周期短。2） 用压力和温度的限制：由于换热管、管板和壳体焊在一起，故换热管与壳体间的金属壁温差引起的温差应力是其致命的弱点，因为在固定管板换热器的管板温差应力计算中，要进行以下三个方面的校核：（1）按有温差的各种工况算出的壳体轴向应力c；（2）换热管轴向应力t；（3）换热管与管板之间连接拉脱力q。上述三项中有一项不能满足强度条件时，就需设置膨胀节。根据工程经验，当壳体与换热管金属温差(注意不是介质温差)高于50时一般应设置膨胀节，而GB16749压力容器用波形膨胀节规定最高使用压力为6.4MPa,再高要用带加强装置的型膨胀节。故带膨胀节的固定管板换热器使用压力不高，而且结构设计和制造也趋于复杂。在壁温差很小无需考虑温差应力时，固定管板式换热器也有使用在很高压力的场合，此时往往管板与管箱或管板与壳体做成整体型式，或者管板、管箱(头盖)和壳体三者成为一个整体，如大化肥中的高压甲铵冷凝器的管程压力为15.8MPa ，但一般高压用得比较少，而低压力、大直径固定管板式换热器用得很广泛。4 浮头式换热器浮头换热器的具体结构，见GB151中P5上的图1。1） 浮头换热器的主要特点：l 可抽式管束，当换热管为正方形或转角正方形排列时，管束可抽出进行管间机械清洗，适用于壳程易结焦及堵塞的工况；l 一端管板夹持，一端内浮头型式可自由浮动，故无需考虑温差应力，可用于大温差的场合；l 浮头结构复杂，影响排管数，加之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；l 压力试验时的试压胎具复杂。2） 使用压力和温度的限制浮头换热器用于炼油行业中较多，但内浮头结构限制了使用压力和温度，故一般情况其使用限制为Pmax6.4 MPa; Tmax400（450），当直径大（DN1200mm）、同时又压力较高时，浮头端密封结构的设计和制造尤其是浮头内螺柱热松弛始终是个难题，而对壳程为加热介质时，更为突出。3) 浮头螺柱的安装因操作时无法热紧，要给予特别的注意。5 U形管式换热器U形管换热器是唯一适用于高温、高压和高温差的换热器，其具体结构见GB151中P6上的图3。U形管换热器的主要特点： l U形换热管尾端的自由浮动解决温差应力，可用于高温差；l 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；l 可以进行抽芯清洗；l 由于弯管Rmim 的限制，分程间距宽，故比固定管板换热器排管少；l 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，尤其对R小的管子；l 换热管泄漏时，除外圈U形管外，不能更换，只能堵管。6 釜式重沸器釜式重沸器的的具体结构，见GB151中P7上的图5。釜式重沸器的管程采用U形或浮头管束，壳程为单（或双）斜锥具有蒸发空间的壳体，一般为管程介质加热壳程介质，故管程的温度和压力比壳体的高，适用于如下场合：l 管、壳程温差大；l 塔底空间较小；l 汽化率要求高(3080%)；l 重沸工艺介质的液相作为产品或分离要求高的场合；l 用作蒸汽发生器，对蒸汽品质要求不高安装空间受限制的场合。7 填料函式换热器填料函换热器是另一种浮头式换热器，具体结构见GB151中P84上的各图。它的浮动端采用填料密封的浮动管板，通过浮动管板的自由滑动，来补偿换热管与壳体间的膨胀差。该结构设备直径不能太大，压力一般不高于2.5 MPa，且不能用于及易挥发、爆炸危险、有毒以及贵重介质。8 介质在壳程的流动路线9 壳程焊后需消除应力热处理（PWHT）的固定管板换热器壳程需要做焊后热处理的固定管板换热器，应先将壳程筒体（连同其上的管口、鞍、支座等等）进行整体焊后热处理，然后在与管板及换热管等组焊完毕后，进行局部热处理。应避免换热器做焊后整体热处理，其原因如下：在热处理加热升温过程中，壳体受热快，管束受热慢。由于温差的作用，壳体的热膨胀要比管束大，因此壳体伸长会受到管束的约束，使管束受到拉应力，壳体受到较大的压应力，严重时，圆筒会鼓起而破坏。而在冷却过程中，其受力情况刚好相反。而精确地控制热处理加热与冷却过程中管束和壳体间的温差应力却是一件很难的事情。10 管程压力大于壳程压力时固定管板换热器压力试验的确定应优先采用以管程水压试验压力作为壳程的水压试验压力、并校核壳程筒体应力水平的方法，对壳程进行压力试验，这样便于更好地检查换热管与管板连接接头的严密性。当该试验压力值大到需要增加壳程筒体厚度，进而造成设备重量显著增加时，才采用以壳程试验压力试压后，再对壳程进行HG205841998附录A压力容器氨渗漏实验方法中的B法做为补充的方法来检验。11 固定管板换热器壳程圆筒的最后一条环向焊缝其焊接接头系数为0.6。该条环向焊接接头无法进行无损检测，一般应采用氩弧焊打底。12 采用衬层结构的限制当设计压力为真空（即0.1MPa）时，平盖不得采用衬层结构，法兰密封面尽量避免采用衬环结构，而最好代之以堆焊结构。13 管壳换热器流体通过管程或壳程的选择 换热时介质应走管程还是壳程，需要考虑多方面因素，总的原则是有利传热、防止腐蚀、减少阻力、不易结垢、便于清扫。具体需考虑如下因素：l 腐蚀性介质走管程，以免使管程和壳程材质都遭到腐蚀；l 有毒介质走管程，这样泄漏的机会就少一些；l 流量小的流体走管程，以便选择理想的流速，流量大的流体宜走壳程；l 高温、高压流体走管程，因管子直径较小可承受较高的压力；l 容易结垢的流体在固定管板式和浮头式换热器中走管程，在U形管式换热器中走壳程，这样便于清洗和除垢。若是在冷却器中，一般是冷却水走管程、被冷却流体走壳程；l 流体的流向对传热也有较大的影响，为充分利用同一介质冷热对流的原理，以提高传热效率和减少动力消耗，无论管程还是壳程，当流体被加热或蒸发时，流向应由下向上；当流体被冷却或冷凝时应由上向下。 二 GB151标准1 GB151 的范围 GB151标准规定了非直接受火管壳式换热器的设计、制造、检验和验收的要求，适用于固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式换热器。 1） 适用的参数为： 公称直径 DN2600mm； 公称压力 PN35MPa； 且公称直径(mm)和公称压力(MPa)的乘积不大于1.7510 。 超出上述参数范围的换热器也可参照本标准设计与制造。 2） 本标准适用的设计温度范围按金属材料允许的使用温度确定。 3） 不属GB151管辖的换热器：l 直接火焰加热的换热器及废热锅炉； l 受核辐射的换热器； l 要求作疲劳分析的换热器； l 已有其他行业标准管辖的换热器。诸如制冷、制糖、造纸、饮料等行业中的某些 专用换热器。 4） 设计压力低于0.1MPa及真空度低于0.02MPa的换热器,可按JB/T4735及本标准的有 关规定进行设计、制造、检验与验收。 2 总则 换热器的设计、制造、检验和验收除必须符合本标准的规定外，还应遵守GB l50 和国家颁布的有关法令、法规和规章。 3 换热器范围 本标准管辖的换热器，其范围是指换热器(管箱、壳体、管束、头盖)及与换热器连 为整体的受压零部件。 1） 接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件。 2） 非受压元件与换热器壳体、管箱、头盖内、外表面的焊接接头。接头以外的元件如支座、支耳、垫板等也应符合本标准或相应标准的规定。 3） 热器与外管道连接的方式：l 法兰法兰连接的第一个法兰密封面；l 焊接焊接连接的第一道环向接头坡口端面； l 螺纹螺纹连接的第一个螺纹接头端面。4 换热器的主要组合部件 换热器的主要组合部件有前端管箱、壳体和后端结构(包括管束)三部分。详细分类及代号见下图。 5 换热器的零、部件名称具体见下图与下表。 1平盖， 2平盖管箱(部件)，3接管法兰， 4管箱法兰，5固定管板， 6壳体法兰， 7防冲板， 8仪表接口，9补强圈， 10壳体(部件)， 11折流板， 12旁路挡板，13拉杆， 14定距管， 15支持板， 16双头螺柱或螺栓，17螺母， 18外头盖垫片， 19外头盖侧法兰， 20外头盖法兰，21吊耳， 22放气口， 23凸形封头， 24浮头法兰，25浮头垫片， 26球冠形封头， 27浮动管板， 28浮头盖(部件) ，29外头盖(部件)， 30排液口， 31钩圈， 32接管，33活动鞍座(部件)，34换热管， 35挡管， 36管束(部件)，37固定鞍座(部件)，38滑道， 39管箱垫片， 40管箱圆筒(短节)，41封头管箱(部件)，42分程隔板， 43耳式支座(部件)，44膨胀节(部件)，45中间挡板， 46U形换热管， 47内导流筒， 48纵向隔板，49 填料， 50填料函， 51填料压盖， 52浮动管板裙，53剖分剪切环， 54活套法兰， 55偏心锥壳， 56堰板，57液面计接口， 58套环， 59圆筒， 60管箱侧垫片。 6 公称直径DNl 卷制圆筒以圆筒内直径(mm)作为换热器的公称直径； l 钢管制圆筒以钢管外径(mm)作为换热器的公称直径。 7 换热面积A（m2）l 计算换热面积以换热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算 得到的管束外表面积；对于U形管式换热器，一般不包括U形弯管段的面积。l 公称换热面积经圆整后的计算换热面积。 8 公称长度LN（m） 以换热管的长度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形管直管段的长度。 9 管程和壳程 l 管程系指介质流经换热管内的通道及与其相贯通部分。 l 壳程系指介质流经换热管外的通道及与其相贯通部分。 l 管程数N 系指介质沿换热管长度方向往、返的次数。 l 壳程数N 系指介质在壳程内沿壳体轴向往、返的次数。10 换热器型号的表示方法例1：浮头式换热器平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54，较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程单壳程的浮头式换热器，其型号为：AES500-1.6-54-6/25-4例2：固定管板式换热器封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积200 ，较高级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器，其型号为：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4例3：U型管式换热器封头管箱，公称直径500mm，管程设计压力4.0MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积75 ，较高级冷拔换热管外径19mm,管长6m，2管程单壳程的U型管式换热器，其型号为：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2例4：釜式重沸器平盖管箱，管箱内直径600mm，圆筒内直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积90，普通级冷拔换热管外径25mm,管长6m，2管程釜式重沸器，其型号为：AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2例4：浮头式冷凝器封头管箱，公称直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积610，普通级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的浮头式冷凝器，其型号为：BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-411 主要元件腐蚀裕量的取法l 管板、浮头法兰、球冠形封头和钩圈两面均应考虑腐蚀裕量；l 平盖、凸形封头、管箱和圆筒的内表面应考虑腐蚀裕量；l 管板和平盖上开槽时，可把高出隔板槽底面的金属作为腐蚀裕量，但当腐蚀裕量大于槽深时，还应加上两者的差值；l 压力容器法兰和管法兰的内直径面上应考虑腐蚀裕量；l 换热管不考虑腐蚀裕量；l 拉杆、定距管、折流板和支持板等非受压元件，一般不考虑腐蚀裕量。12 分程隔板1） 分程原则l 每程换热管数大致相等；l 隔板槽形状简单，容易加工；l 密封面长度较短（计算隔板槽面积时，包括未被换热管支承的面积槽两测）。2） 常用分程形式 具体见下图。3） 分程隔板的厚度最小厚度不应小于P18上表6中的数值，同时，当工艺条件提供了管程压降时，还应按P18上的公式（12）进行校核计算。厚度计算过程中在取系数a/b时，应注意表7中分程隔板各边约束形式与其实际约束的对应关系，见下图所示。4） 隔板密封端最大厚度10mm，超过时端部应削边。 5） 隔板槽 l 槽深4mm，并应大于垫片的厚度；l 槽宽应取隔板密封端厚度+2mm；l 槽拐角处倒角 b45b r（r为垫片圆角半径）；l 密封面应与法兰密封面齐平，同时精加工。13 管箱、浮头盖组焊后消除应力热处理(PWHT)对于设有分程隔板的管箱、浮头盖，以及管箱侧向开孔1/3Di的碳钢及低合金钢管箱，进行PWHT，密封面在热处理后精加工。不锈钢管箱、浮头盖组焊后，一般不做PWHT。14 壳体最小厚度的限制l 考虑换热器整体需要具有一定的刚性，不致因刚性不足而难于组装管束；l 对U形管、浮头换热器及重叠式换热器，降低其较大的局部应力尤其必要；l 对于固定管板换热器，在管程压力高于壳程的情况下，需将壳程水压试验压力提高。15 设计管口时应注意l 径向接管内伸端部须与圆筒内表面齐平；l 当设计温度300时，应采用带颈对焊法兰；l 管、壳程最高点及最低点均必须设有接管，以保证排气、排液。16 管板厚度1) 有效厚度整体管板：2） 最小厚度（不含C2）(I)胀接:l 爆炸危险及有毒介质场合： l 一般场合： 时 时 时 (II)焊接： 满足结构设计和制造要求，且12mm。管板名义厚度不得小于：最小厚度+C2（腐蚀裕量）及计算厚度+C2两者的最大值。17 布管1） 排列形式注意：壳程介质流向应垂直于折流板缺口边。18 布管区未被换热管支撑的面积AdAd=LSn nAt其中：L依据不同的布管，其计算公式不同，具体见下图；At每根换热管所支撑的面积：l 三角形排列时，At=3/2S2；l 正方形排列时，At=S2。19 热管与管板连接（抗拉脱+密封）连接方式主要有强度焊、强度胀及胀焊并用。1） 强度焊凡在GB151规定的压力范围内均可采用，但不适用有较大振动及有间隙腐蚀的情况。结构尺寸见GB151中P69上的图34及表33。2） 强度胀（1）要求l 换热管的硬度不得超过管板的硬度；l 当有应力腐蚀时，不应采用管端局部退火的方法降低换热管硬度。 (2)适用范围l 设计压力4.0Mpa；l 设计温度300；l 中无剧烈振动、无过大温度变化及无明显应力腐蚀的工况存在。3） 胀焊并用即强度焊加贴胀或强度胀加密封焊，可消除管孔与换热管之间的间隙。 胀焊并用适用于如下场合：l 密封要求高；l 有振动或疲劳载荷；l 有间隙腐蚀；l 复合管板。20 折流板和支持板1） 折流板作用提高传热系数，增大换热管轴向压缩稳定度（减小失稳当量长度），减小管束振动。2） 支持板作用缩小换热管无支撑跨距，防止产生过大挠度（不超越最大无支撑跨距）。3） 折流板、支持板形式l 弓形：单弓形，双弓形及三弓形；l 圆盘圆环形。具体结构见GB151中P71上的图37。4） 弓形折流板缺口高度 切割率一般为（0.20.45）Di切口处于管孔中心线以下或两排管孔的小桥之间5） 折流板布置（1）两端的尽量靠近壳程进、出口管，缺口位于远离接管方位。(2)折流板缺口方向对于卧式换热器，缺口分水平上下布置及垂直左右布置两种。l 水平上下布置单相清洁流体，若气体中含少量液体，缺口朝上的折流板最低处开通液口（见下图(a)）；若液体中含少量气体，缺口朝下的折流板最高处开通气口（见下图(b)）。l 垂直左右布置气液共存或液体中含固体颗粒，同时最低处开通液口（见下图(c)）。6）加工要求 折流板的外缘角倒钝，管孔边缘去毛刺。21 U形管的尾部支撑对于U形管换热器，还须注意跨距A+B+C不得大于换热管的最大无支撑跨距。换热管的最大无支撑跨距数值查GB151中的表42。22 拉杆及定距管1） 拉杆的结构形式主要有两种，即拉杆定距管结构及拉杆与折流板点焊结构。l 螺纹端拉杆+定距管 +双螺母，用于换热管 d0 19mm；l 点焊拉杆，用于换热管 d0 14mm 。2） 直径和数量查GB151中的表43及表44。3） 拉杆的布置 应尽量均匀，每块折流板不得少于3根。4） 当入口防冲板与壳程圆筒相焊时，拉杆的螺纹端应远离该入口接管，便于圆筒的组装。23 防冲板1) 管程设防冲板条件：管箱入口接管为轴向，以及换热管内流速3m/s。2） 壳程设防冲板条件：l 非腐蚀、非磨蚀性单相进口流体的v22230Kg/ms2；l 其他液体的v2740Kg/ms2。l 有腐蚀、磨蚀气体、蒸汽、气液混合物。3） 防冲板尺寸 l 与筒体内壁的净距1/4接管外径；l 板的直径或边长接管外径+50mm；l 最小厚度：CS4.5mm,SS3mm。24 导流筒导流筒有内导流筒与外导流筒两种形式，其作用是减少流体停滞区，增加换热长度，提高换热面积利用率。1） 设置条件壳程进出口管距管板较远，流体停滞区过大。2） 内导流筒导流筒与壳体之间的净间隙1/3接管外径，同时导流筒端部的流通面积不小于导流筒与壳体之间的环形流通面积。3） 外导流筒导流筒与内衬筒之间的净间隙：l 接管外径200mm时，净间隙50mm；l 接管外径200mm时，净间隙75mm。