固定管板式换热器毕业论文

标题标题换热面积为换热面积为 32.8m232.8m2 的固定管板式换热器的固定管板式换热器 摘要摘要 换热器按照结构形式可分为：固定管板式换热器、浮头式换热器；U 形 管换热器；填料函式换热器。 U 形管换热器只有一块管板，换热器都做成 U 字形，两端都固定在同一块管板 上，灌输可以自由插入和抽出，可在高温高压下工作。因此 U 形管式换热器一般 适用于温度低于 500，压力低于 10Mpa，管、壳程流体温差较大或管程介质容易 结垢而管程介质清洁、不宜结垢的高温，高压，腐蚀性较大的流体场合。 浮头式换热器的一端管板固定在管箱与壳体之间，另一端管板与壳体之间并 不相连，可以在壳体内沿轴向自由浮动。适用于壳壁与管壁温差大，管间流体容 易结垢、需经常清洗的场合，可在较高温度和压力下工作一般温度低于450，压 力低于 6.4Mpa. 填料函式换热器只是浮动管板一端与壳体之间采用填料函密封，适用于腐蚀 严重温差较大而经常更换冷束的冷却器。 固定管板式换热器由壳体，管束、管板、管箱及折流板等组成，加工制作简 单，用于管壳流体清洁，不易结垢，管程常要清洗，冷热流体温差不太大的场合。 固定管板式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、 化工、 、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、 化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的 30%45% 。近年来 随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能 回收带来了显著的经济效益。 1 目录 摘要摘要2 2 引言引言4 4 一、混合式换热器一、混合式换热器6 6 二、设计概述二、设计概述7 7 三、机械设计三、机械设计7 7 四、总体结构四、总体结构7 7 五、结构原理五、结构原理9 9 六、特点六、特点1010 七、选用要点七、选用要点1111 八、材料选择八、材料选择1111 九、结构设计九、结构设计1212 十、压力容器法兰的选用十、压力容器法兰的选用1616 十一、支座十一、支座1717 十二、固定管板式换热器的维护十二、固定管板式换热器的维护2020 十三、常见故障及处理方法十三、常见故障及处理方法2121 十四、换热器腐蚀的原因十四、换热器腐蚀的原因2222 十五、防腐保护十五、防腐保护2323 十六、固定管板换热器的检修十六、固定管板换热器的检修2323 十七、固定管板式换热器的清洗十七、固定管板式换热器的清洗2828 十八、施工、安装要点十八、施工、安装要点3030 十九、心得十九、心得3030 二十、参考文献二十、参考文献3232 2 引言引言 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效 能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工 艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外， 自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管 壳式换热器也得到了进一步的发展。70 年代中期，为了强化传热，在研究和 发展热管的基础上又创制出热管式换热器。 换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热 器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器 适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中， 热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及 水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热， 然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。 蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面， 从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器 主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷 器，多用于空气分离装置中。 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换 的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。 管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管 壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板 换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是 为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空 气冷却器等。 换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流 体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿 传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件 3 下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。 在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传 热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降 低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量 采用逆流换热。 当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝 )时，由于相变时只 放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相 等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流 向外，还有错流和折流等流向。 在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重 要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界 层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。 增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但 增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作 合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传 热面。 一般换热器都用金属材料制成， 其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、 低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作 为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用 于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属 材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。 4 一、混合式换热器一、混合式换热器 混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方 式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有 较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换 器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的 冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其 它许多生产部门中。 按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型： (1)冷却塔 (或称冷水塔 ) 在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温 度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电 厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再 循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。 (2)气体洗涤塔 在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合 物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的 用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋 室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空 气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。但是，它也有对水质要求高、占 地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使 用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟 厂等仍大量使用 ! (3)喷射式热交换器 在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压 流体被引入混合室与射流直接接触进行传热，并一同进入扩散管，在扩散管 的出口达到同一压力和温度后送给用户。 (4)混合式冷凝器 这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。 5 二、设计概述二、设计概述 我所设计的是换热面积为 32.8m2 的固定管板式换热器用于重芳蒸馏工段的 T-102 塔顶冷凝器，通过制定设计方案合理进行设计，计算以及较全面的考虑设计 制定选用要求。设计固定管板式换热器从它的材料选择，结构设计，强度计算及 壁厚设计，标准件选取和总重计算等来了解固定管板式换热器的制作工艺。 三、机械设计三、机械设计 固定管板式换热器的机械设计除了最关键的换热板片以外，还有两块墙 板，我们称为框架板和压力板，框架板为外侧不可活动的墙板，压力板为换 热板片另一侧的可用拉杆螺栓调整位置的墙板；数根拉杆螺栓，用来加紧框 架板和压力板；立柱；上下导杆，连接在框架板和立柱之间，用来支撑并给 压力板和换热半片导向；框架板和立柱上可安装底脚底脚，用于固定机器。 除此以外，还可以有法兰，过滤器，温度计和压力计等一系列附件。 四、总体结构四、总体结构 固定管板式换热器主要由管箱、壳体、管板、管束及折流板等零部件组 成，管束两端固定在管板上，管板和壳体之间是刚性连接在一起，相互之间 无相对移动， （如图所示，其参数如下表。 ）这种换热器结够简单，制作方便， 造价较低；在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，而且每根换热管都可 单独进行更换和管内清洗；但管外壁清洗较困难。当两种液体温差较大时， 会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般温差大于50时就应考虑在壳体上设 置膨胀节以减小温差应力。但当管、壳温差大于70，壳程压力超过 0.6MPa 时，导致膨胀节过厚失去温差补偿作用。因此，固定管板式换热器适用于壳 程流体清洁，不易结垢，管程常要清洗，冷热流体温差不太大的场合。 固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接 6 或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程 的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进 出口管直接和封头焊在一起， 管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。 这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。 设计一台换热面积为 32.8m2 的固定管板式换热器设计参数如下： （1）工艺参数 名称 物料名称 操作压力 MPa 设计压力 MPa 操作温度 设计温度 流体密度 kgm3 传热量 kjh 程数 水压试验压力 气密性试验压力 换热面积 m2 （二）管口表： 符号 N1 N2 N3 N4 N5 （三）设计条件图 DNPN(mmMPa) 2501.6 401.6 1001.6 1001.6 801.6 法兰标准 HG20592-97 HG20592-97 HG20592-97 HG20592-97 HG20592-97 连接面 RF RF RF RF RF 用途 气相进口 抽真空口 循环冷却水出口 循环冷却水进口 凝液出口 壳程 T-102 顶气相物料 -0.08 0.6 进：153.7出：153.7 180 1.077 1123000 1 管程 循环冷却水 0.4 0.7 进：32出：40 90 1000 1123000 4 32.8 7 五、结构原理五、结构原理 固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完 成换热。当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程 的适当位置上，增加一个补偿圈（膨胀节） 。当壳体和管束热膨胀不同时，补 偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 流道的选择 ,进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：不洁净和 易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；腐蚀性流体宜走管程，以免管 束与壳体同时受腐蚀；压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；饱 和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出； 若两流体温度差较大 ,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走 壳程，以减小热应力。 操作强化 ,当管壁两侧传热分系数相差很大时（如粘度小的液体与气体间 的换热） ，应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。如果管外传热分系数小， 可采用外螺纹管，以增大管外一侧的传热面积和流体湍动，减小热阻。如果 管内传热分系数小，可在管内设置麻花铁，螺旋圈等添加物，以增强管内扰 动，强化换热，当然这时流体的流动阻力也将增大。 壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的 冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为 8 壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡 板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体 湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列 较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便， 适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次 称为一个壳程，为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子 均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这 称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流 体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。 六、特点六、特点 固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分 成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清 洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳 体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。 固定管板式换热器的特点是： 1、旁路渗流较小； 2、锻件使用较少，造价低； 3、无内漏； 4、传热面积比浮头式换热器大20%30%。 固定管板式换热器的缺点是： 1、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t50 ,当 t50时必 须在壳体上设置膨胀节； 2、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏； 3、壳程无法机械清洗； 4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低。 9 七、选用要点七、选用要点 1、根据已知冷、热流体的流量，初、终温度及流体的比热容决定所需的 换热面积。初步估计换热面积，一般先假定传热系数，确定换热器构造，再 校核传热系数 K 值。 2、选用换热器时应注意压力等级，使用温度，接口的连接条件。在压力 降，安装条件允许的前提下，固定管板式换热器以选用直径小的加长型，有 利于提高换热量。 3、换热器的压力降不宜过大，一般控制在0.010.05MPa 之间； 4、流速大小应考虑流体黏度，黏度大的流速应小于0.51.0m/s ；一般 流体管内的流速宜取0.41.0m/s ；易结垢的流体宜取0.81.2m/s 。 5、高温水进入换热器前宜设过滤器。 6、 热交换站中热交换器的单台处理和配置台数组合结果应满足热交换站 的总供热负荷及调节的要求。在满足用户热负荷调节要求的前提下，同一个 供热系数中的换热器台数不宜少于2 台，不宜多于 5 台。 八、材料选择八、材料选择 壳体、封头、折流板-选用 Q235-B Q235-B 的使用温度为 0-350，用作压力容器壳体厚度不超过 20mm,容器 的设计压力也不超过 1.6MPa，质量稳定，价格较低，无毒，具有较强的可塑性和 可焊性，是优质碳素钢。 管板、法兰、支座、螺栓螺母-选用 Q235-A 韧性和塑性较好，有一定的伸长率，具有良好的焊热性和热加工性，质量稳 定，价格较低，无毒。 换热管-选用 20 强度稍高，很少淬火，无回火脆性，冷变形塑性高，电弧焊和接触焊接性能 好，质量稳定，价格较低，无毒。 10 九、结构设计 （一）换热管与管板的连接 换热管的标准管长为 1.5、2.0、3.0、6.0、9.0（单位 m） ，换热管数量、长 度和直径根据换热器的换热面积确定，所选换热器直径和长度应符合标准规格。 一般小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但容易结垢，不 易清洗，因此为了提高传热率，对于较清洁的流体通常选取直径较小的换热管； 而对于粘性大或污染的流体通常选择大直径换热管。 换热管在管板上的排列方式主要有正三角形、转角正三角形，正方形和转角 正方形排列。我选用的为三角形排列，因为它们排列紧凑，同样的管板面积上排 列的管子束多 10左右，同一体积传热面积更大，应用最普遍，但管外不易清洗。 适用于壳程介质污染少，且不需要进行机械清洗的场合。正方形和转角正方形排 列，管间小桥形成一条直线通道，便于机械清洗。多用于经常清洗管子外表面上 的污垢。 管板是换热器的主要部件之一，一般采用圆形平板，在板上开孔并装设换热 管。管板还起分隔管程和壳程空间、避免冷热流体混合的作用。管板和管子的连 接方式有胀接、焊接、高温高压下采用胀、焊并用的方式。我选用的是焊接连接。 1、焊接连接 焊接连接是将换热管的端部和管板焊在一起，工艺较胀接简单、压力较低时 可使用较薄的管板，不受管子和管板材料硬度的限制，且在高温高要下仍能保持 良好的连接效果，所以对于碳钢和低合金钢，大多采用焊接连接，但是焊接连接 在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板 间存在间隙，易出现间隙腐蚀。因此焊接连接不适合于有较大振动及间隙腐蚀的 场合。 2、胀接连接 通常采用机械胀接，即利用管子与管板材料的硬度差，把胀管器挤压伸入管 板孔中的管子端部，使管端直径变大发生塑性变形，而管板孔只产生弹性变形， 这样胀管后撤去胀管器，管板在弹性恢复力的作用下与管子外表紧紧贴合在一起， 达到密封和紧固连接的目的。由于胀接是靠管子的变形来达到密封和压紧的一种 机械连接方法，当温度升高时，由于蠕变现象的作用可能引起接头脱落或松动， 发生泄漏。因此，胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或低合金钢，设计压力 11 不超过 4MPa、设计温度不超过 300，且操作中无剧烈运动，无过大的温度变化 及无明显应力腐蚀的场合。为了提高胀接质量，要求管板材料硬度大于管端材料 硬度，否则需采取热处理方法降低管端材料的硬度（注意：有应力腐蚀时不应采 用管端局部退火的方法降低管子硬度） ，然后在胀接。胀接时管板上的孔可以是开 孔，也可开槽，开槽数与管板厚度有关，具体可查 GB151。 3、胀焊结合， 胀接和焊接各有优点、缺点，因而目前广泛应用了胀焊并用的方法。该方法 能提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。胀焊结 合连接适用于密封性能较高的场合；承受振动或疲劳载荷的场合；有间隙腐蚀的 场合；采用复合管板的场合。胀焊结合连接主要有强度焊+贴焊（一般先焊后胀） 和强度胀+密封焊（一般先胀后焊）两种形式。 （二）管板及其与壳体连接 固定管板式换热器的管板与壳体连接为不可拆的焊接式连接，通常有管板兼 作法兰和管板不兼作法兰两种。其中管板兼作法兰这种结构在生产中应用广泛因 此我选用的为管板兼作法兰这种结构。 管板兼作法兰 （三）折流板与挡板 折流板的作用是使壳程流体反复地改变方向作错流流动或其他形式的流动， 提高管间流体的流动程度，并可调节折流板间距以获得适宜流速，提高传热效率。 另外，折流板还可起到支撑管束的作用。常用折流板有弓形和圆盘-圆环形两种， 我选用的是单弓形。 12 弓形的有单弓形、双弓形及三弓形，单弓形及双弓形应用最多，弓形缺口的 高度应使流体通过时的流速与横向流过管束时的流速相当，一般取缺口高度 h 为 壳体直径的 0.20.45 倍。当卧式换热器的壳程为单向清洁流体时，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；若液体中含有少量气体时，则应在缺口朝下的折流板的最高处开通气口。 当壳程为气、液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气口。折流板的最小间距应不小于圆筒内径的 1/5，且不小于 50mm。最大间距应不大于圆筒内直径。从传热考虑，有些换热器不需要设置折流 板。但是为了增交换热管刚度，防止管子振动，通常也设置一定数量的支持板（按 折流板一样处理） 。且折流板固定方式有两种,一种为拉杆-定距管固定方式，适用 于换热管外径19mm 的管束， 拉杆是一根两端皆带有螺纹的长杆， 一端拧入管板。 折流板穿在拉杆上，各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离。最后一 块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。另一种为拉杆点焊结构，适用于换热管 外径14mm 的管束，即采用螺纹与焊接相结合连接或全焊接连接的。 旁路挡板，为了防止壳程边缘介质短路，常设置旁路挡板以迫使壳体介质通 过管束之间与管壳流体进行换热。旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与 折流板相同。旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接。壳体公称直径DN 500mm 时， 增设一对旁路挡板； DN=500mm 时， 增设二对挡板； DN1000mm 时， 增设三对旁路挡板。 （四）管箱 管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体，管箱的结构有三种，第 一种为双管程管箱，适用于较清洁的介质，应检查管子及清洗时，只能将管箱整 体卸下，故不够方便；第二种是在管箱上装有平盖，只要卸下平盖即可进行清洗 和检查，所以工程应用较多，但材料用量较大；第三种是将 管箱与管板焊成整体， 这种结构密封性好，但管箱不能单拆下，检修、清洗都不方便，实际应用较少。 管箱的结构、密封形式、法兰连接和管箱上开孔等结构设计参见 GB151。在高压 下，应减少各种开口尺寸，以便采用较小尺寸的法兰连接。在高温下，还应尽可 能的减少法兰连接。因为在高温下，特别是当温度超过500时，材料的强度便急 剧下降，结果会使连接的法兰和螺栓都要设计的十分粗大。 接管一般与壳体内壁内平齐，排气或放液时因在最高点设排气口，最低点设 排液口。 13 （五）容器法兰 压力容器标准法兰有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰三种类 型。 1、甲型平焊法兰（JB/T4701） 是法兰盘直接与容器的筒体或封头焊接。这种法兰在预紧和工作时都会对容 器器壁产生一定的附加弯曲应力，法兰盘自身的刚度也较小，所以适用于压力等 级较低和筒体直径较小的场合。甲型平焊法兰用板材切削加工制造，其工作温度 为高于-20300。 2、乙型平焊法兰（JB/T4702） 与甲型平焊法兰相比是除法兰盘外增加了一个厚度大于筒体壁厚的短节，这 样既增加了整个法兰的高度，又可使容器器壁避免承受附加弯曲应力的作用。因 此这种法兰适用于较高压力和较高直径的场合。乙型平焊法兰可用板材或锻件加 工制造，其短节材料应与法兰材料相同或其材料强度级别应不低于法兰材料强度 级别，且应与法兰材料间有良好焊接性能。乙型平焊法兰工作温度为高于 -20350。 3、长颈对焊法兰（JB/T4703） 用根部增厚且与法兰盘外增加了一个厚度大于筒体壁厚的短节，从而更有效 地增大了法兰的整体刚度。由于法兰盘与颈部为一整体，所以消除了法兰制造中 可能发生的焊接变形及残余应力。这种法兰用专用型钢经机加工制造，降低了法 兰的成本，长颈对焊法兰的工作温度为-70450。 压力容器法兰的密封面有平面密封面、凹凸密封面和榫槽密封面三种形式。 1、平面密封面 时一个光滑平面。这种密封面结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。但 上紧螺栓后，垫片材料容易往两侧伸展，不易压紧，密封性能较差，用于所需压 紧力较低且介质无毒的场合。 2、凹凸密封面 由一个凸面和一个凹面组成。在凹面上放置垫片，由于凹面在外侧有台阶， 压紧时垫片不会被挤出、且便于对中，密封性能比平面密封面好，可适用于密封 易燃、易爆、有毒介质及压力稍高场合。 3、榫槽密封面 由一个榫面和一个槽面组成。垫片放在槽内，压紧时垫片不会被挤出，但其 14 结构较复杂，更换垫片困难。这种密封面不能用非金属软垫片，可采用缠绕式或 金属包垫片，垫片较窄，容易获得良好的密封效果，适用于密封易燃、易爆、有 毒介质及压力较高场合。密封面的凸面部分容易碰坏，运输与拆装时应加以注意。 在密封面形式中，甲型平焊法兰有平面型与凹凸面型密封面，乙型平焊法兰 与长颈对焊法兰则三种密封面型式均有。 密封面型式 平面密封面 凹凸密封面 平面密封 凹密封面 凸密封面 榫密封面 榫槽密封面 容器法兰的公称直径是指与法兰相配的筒体或封头的公称直径。筒体用钢 板卷制时，此容器的的公称直径指筒体的内径；若以钢管作筒体时，此容器的公 称直径指钢管外径。容器法兰的公称压力是指在规定的设计条件下，确定法兰结 构尺寸所采用的设计压力，用“PN”表示，单位MPa。压力容器法兰的公称压力分 为 0.25、0.60、1.00、1.60、2.50、4.00、6.40（单位均为 MPa）七个等级。容 器法兰的尺寸是由公称直径和公称压力两个基本参数确定的。 法兰垫片与介质直接接触，是法兰连接密封的核心元件。垫片材料要求既 具有耐腐蚀性又不污染被密封介质，同时具有一定回弹能力和机械强度，在工作 环境下不易变质硬化和软化。压力容器法兰常用垫片有非金属软垫片、缠绕垫片 和金属包垫片三种，对应的标准号为 JB/T47044707-2000。 十、压力容器法兰的选用十、压力容器法兰的选用 根据容器的设计压力、设计温度、介质特性等，由法兰标准确定法兰的类型、 材料、工程压力、公称尺寸、密封面的型式，垫片的类型、材料及螺栓螺母的材 料等。具体选用步骤如下： 1、初步确定法兰的公称压力等级。按照设计压力小于等于公称压力的原则， 由容器法兰的公称压力等级和给定的容器设计压力，就近确定一个公称压力值； 15 代号 槽密封面 若设计压力非常接近这一公称压力且设计温度高于 200， 则就近提高一个公称压 力等级。 2、初步确定法兰类型。根据法兰的公称直径、容器设计温度和以上初步的公 称压力，并考虑不同类型法兰的适用温度来初步确定法兰的类型。 3、选用法兰材料。根据设计温度和介质特性，结合容器材料按标准选定。 4、确定法兰的公称压力和类型。根据所选法兰的材料、容器工作温度及初步 确定的法兰类型和公称压力表得其最大允许工作压力，若所得最大允许工作压力 大于等于设计压力，则初定的公称压力就是所选法兰的公称压力；若最大允许工 作压力小于设计压力则调换优质法兰材料或提高公称压力等级，使最大允许工作 压力大于等于设计压力，最后确定出法兰的公称压力和类型。 5、根据工作介质的特性确定密封面形式；根据法兰的类型、及工作温度确定 垫片，螺栓、螺母的材料。 6、根据法兰类型、公称直径、公称压力查标准JB/T47014703-2000，确定法 兰的具体结构尺寸。 十一、支座十一、支座 卧式容器的支座可分为有三种：鞍式支座、圈式支座和支腿式支座三种。其 中鞍式支座应用最为广泛，在卧式储槽和热交换器上应用较广，简称鞍座，现已 标准化，标准号为 JB/T4712.1-2007；圈式支座用于大直径薄壁容器和真空操作的 容器，或多于两个之承的长容器，圈座能使容器支撑处的筒体得到加强，能降低 支撑处的局部应力，采用圈座时除常温常压下操作的容器外，至少应有一个圈座 是滑动支撑的；支脚式支座结构简单，但支撑反力集中作用于局部壳体上，一般 只用于小型卧式容器和设备。 立式容器支座分为腿式支座、耳式支座、支承式支座和裙式支座四种。腿式 支座用于公称直径 DN 为 4001600mm、 圆筒切线长度 L 与公称直径 DN 之比不大 于 5、容器总高不大于8000mm，且不得用于通过管线直接与产生脉动载荷的机器 设备刚性连接的容器；耳式支座用于公称直径不大于4000mm 的立式圆筒形容器， 广泛用于反应釜及立式换热器等直立设备上；支承式支座用于公称直径 DN8004000mm、 圆筒长度 L 与公称直径 DN 之比 L/DN5、 容器总高度 H10m 16 钢 制 立 式 圆 筒 形 容 器 ， 以 上 三 种 类 型 的 支 座 均 已 标 准 化 ， 标 准 号 为 JB/T4712.24712.4-2007。裙式支座主要用于总高大于 10m、圆筒长度 L 与公称直 径 DN 之比大于 5 的高大的塔类设备。 对于比较高大的室外立式换热器应采用裙式支座。裙座设计计算过程如下： （1）裙座壁厚： 裙座壁厚的设计方法和思路是先参照简体壁厚，试取一裙座壁厚值，然后验 算危险截面上的应力。裙座上存在由重量载荷及风载荷或地震载荷引起的轴向压 缩应力与弯曲应力，而与 内、外压无关。裙座的危险截面一般发生在操作或水压 试验时裙座的根部，或裙座上人孔及较大管线引出孔处，或裙座与设备的环焊缝 面。各危险截面应力校核方法相同。 正常操作时，裙座除承受操作时的重量外，还要承受最大风载荷或地震载荷。 水压 试验肘，裙座除承受最大重量外，并可能承受较小的风载荷。所以要按两种 情况分别进行校核。也可直接参照筒体壁厚取一裙座厚度即可。 （2）确定裙座与筒体的连接方式：采用对接焊缝或搭接焊缝形式。 （3）基础环计算： A、基础环内外径确定：一般参考下式选取： 基础环的外径： D bo=Dso+(200400) mm 基础环的内径： D bi=Dso- (200400) mm 上式中 D so裙座底截面的外径，Dso=Dsi+2n mm D si裙座底截面的内径。对接焊缝可取 Dsi=Di B、基础环厚度计算： 在重量及风载荷作用下，可计算出基础环上的合成应力 凝土基础的许用压应力，否则应加大基础环尺寸。 max，使其不超过混 基础环厚度可分别按金属环上无筋板和有筋板两种情况计算。无筋板的基 础环厚度 b= bmax ,有筋板时可看成受均布载荷、简支平板，按公式 b 计算。 b= 6M g b 也可直接取基础环厚度。 1、鞍座的结构和类型 鞍 座 是 卧 式 容 器 和 设 备 广 泛 采 用 的 一 种 支 座 ， 现 行 鞍 座 标 准 为 17 JB/T4712.1-2007容器支座第一部分：鞍式支座 ，其结构分焊制和弯制两种。 焊制鞍座一般是由底板、腹板、筋板和垫板组焊而成；而弯制鞍座的腹板与底板 是由同一块钢板弯制而成，两者之间不存在焊缝，只有当 DN900mm 的设备才 使用弯制鞍座。鞍座本体的焊接均为双面连续角焊，鞍座与容器圆筒焊接采用连 续焊。焊缝腰高取较薄板厚度的 0.50.7 倍，且不小于 5mm。当容器壳体有热处理 要求时，鞍座垫片应在热处理前焊于容器上。 鞍式支座分为轻型（代号 A） 、重型（代号 B）两种类型，DN900mm 的设 备鞍座只有重型而没有轻型，因为设备直径较小，轻重型没有明显差异。重型鞍 式支座按制作方法、包角及附带垫板情况分 BB五种型号。鞍座大部分带垫 片，但公称直径 DN900mm 的设备也有不带垫片的。 为了使容器在壁温发生变化时能够沿轴线方向自由伸缩，每种型式鞍座又分 为固定式（代号 F）和滑动式（代号S）两种安装型式，及固定式支座的底板上开 园形螺栓孔滑动式支座的底板上开长圆形螺栓孔。双鞍座支承板上的卧式容器必 须是固定式鞍座与滑动式鞍座搭配使用。鞍座时，F 型鞍座通过底板上的地脚螺栓 固定在基础上，S 型鞍座地脚螺栓上则使用两个螺母，先拧上去的螺母拧到底后倒 退一圈，再用第二个螺母锁紧，这样当容器产生热变形时， S 型鞍座可以随容器一 起做轴向移动。为便于 S 型鞍座的轴向滑动，如果容器的基础是钢筋混凝土时， 在 S 型鞍座的下面必须安装基础垫片。 2、鞍座的材料 鞍式支座材料为 Q235-A，也可用其他材料。垫板材料一般应与容器筒体材料 相同，焊接材料的选用参照有关标准。当鞍式支座设计温度等于或低于-20时， 应根据实际设计条件，如有必要设计者可以对腹板等材料提出附加低温检验要求， 或是选用其他合适的材料。 3、鞍座的选用 （1）鞍座型式的选定 根据设备的工程直径及鞍座实际承载的大小确定选用轻型或重型鞍座。 按容器圆筒强度的需要确定选用 120包角或 150包角的鞍座。 （2）确定鞍座的允许载荷（Q） 按照鞍座实际承受的最大载荷 Qmax 必须小于等于鞍座的允许载荷（Q）的原 则，查表确定标准高度下鞍座的允许载荷。当鞍座高度增加时，鞍座允许载荷随 之降低，其值可参照 JB/T4712.1-2007 来确定。 18 （3）垫片的选择 公称直径 DN900mm 的容器，重型鞍座分为带垫板和不带垫板两种结构型 式当符合下列条件之一时，必须设置垫板： a、容器圆筒有效厚度小于或等于 3mm 时； b、容器圆筒鞍座处的周向应力大于规定值时； c、容器圆筒有热处理要求时； d、容器圆筒与鞍座间温度大于 200时； e、当容器圆筒材料与鞍座材料不具有相同或相近化学成分和性能指标时。 4、确定基础垫片 当容器基础为钢筋混凝土是滑动鞍座底板下面必须安装基础垫片，基础垫片 应保持平整光滑，垫板尺寸参照 JB/T4712.1-2007 时，基础垫板由设计者在图样上 规定其供货关系。 (4)地脚螺栓 地脚螺栓的作用是将设备固定在基础上，以免倾倒。设备在重量和风载（或 地震）弯矩作用下，向风侧受拉伸，背风侧受压缩。在计算地脚螺栓时，一般先 假设螺栓个数（一般为 4 的倍数，最少取为 6 个。 ）再根据每个地脚螺栓所受的拉 力计算其应力，再按公式计算出螺栓直径后圆整成螺栓公称直径，对于高塔，一 般地脚螺栓不宜小于 M24。 螺栓座由筋板和压板构成。筋板是为了加强基础环和支承压板；压板是为了 连接地脚螺栓。 十二、固定管板式换热器的维护十二、固定管板式换热器的维护 （一）点检和日常维护 对固定管板换热器应注意定期进行设备检查，精心进行日常保养。 点检重点项目有：运行时的异常响声，压力、温度、流量、泄漏、介质、基 础支架、保温、振动以及换热器内外部的腐蚀情况。 1、温度 对重要换热器，定期测量换热器两种介质的出入口温度、流量，当换热器效 率低于生产工艺需要时应清洗以提高换热效率。还需防止因温度急剧变化产生温 19 差应力。 2、压力 通过对流体及进出口压差的测量与检查，判断内部的结垢情况、堵塞及流体 流量的变化或泄漏，如发现压力有较大变化，应分析原因及时采取措施。 3、泄漏 要加强并采取各种措施观察判断换热器外部和内部的泄漏（定期从压力较低 一侧排放口排液，根据排出介质的颜色、相态、气味、PH 值等判断是否有泄漏） 。 4、振动 检查基础支架的振动，固定螺栓是否有松动。 5、保温 保温层的损坏会直接影响换热器的传热效率，甚至会引起壳体外部积水而发 生腐蚀。保温层损坏要及时更换。 6、腐蚀 换热器主要腐蚀部位发生在管道、管道与管板连接处及壳体焊缝及其附近处。 应根据介质腐蚀性和具体情况定期检查。 十三、常见故障及处理方法常见故障及处理方法 在生产过程中，由于热交换器管板受水分冲刷、气蚀和微量化学介质的 腐蚀，管板焊缝处经常出现渗漏，导致水和化工材料出现混合，生产工艺温 度难以控制，致使生成其它产品，严重影响产品质量，降低产品等级。冷凝 器管板焊缝渗漏后，企业通常利用传统补焊的方法进行修复，管板内部易产 生内应力，且难以消除，致使其它换热器出现渗漏，企业通过打压，检验设 备修复情况，反复补焊、实验，24 人需要几天时间才能修复完成，使用几 个月后管板焊缝再次出现腐蚀，给企业带来人力、物力、财力的浪费，生产 成本的增加。通过福世蓝高分子复合材料的耐腐蚀性和抗冲刷性，通过提前 对新换热器的保护，这样不仅有效治理了新换热器存在的焊缝和砂眼问题， 更避免了使用后化学物质腐蚀换热器金属表面和焊接点，在以后的定期维修 时，也可以涂抹福世蓝高分子复合材料来保护裸露的金属；即使使用后出现 了渗漏现象，也可以通过福世蓝技术及时修复，避免了长时间的堆焊维修影 20 响生产。正是由于此种精细化的管理，才使得换热器渗漏问题出现的概率大 大降低，不仅降低了换热器的设备采购成本，更保证了产品质量、生产时间， 提高了产品竞争力。 其常见故障与处理如下表： 故障产生原因 壳体介质流动过快； 振动 管路振动导致； 管束与折流板的结构不合理； 机座刚度不够。 管板与壳 体连接处 开裂 管束、管 头泄漏 焊接质量不好； 处理方法 调节流量和流速； 加固管路； 改进管束与折流板的结构； 加固机座。 消除补焊； 外壳歪斜，连接管线拉力或推力过大；重新调整找正； 腐蚀严重，外壳壁厚减薄。 管子被折流板磨坏； 壳体和管束温差过大； 管口腐蚀或胀（焊）接质量差。 列管结垢； 壳体内不凝气或冷凝液增多； 列管、管路或阀门堵塞。 检测后修补； 堵管或换管； 补胀或焊接； 换管或补胀（焊）。 清洗管子； 排放不凝气或冷凝液； 检查清理。 传热效率 下降 十四、换热器腐蚀的原因 换热器的材料一般以碳钢、不锈钢和铜为主，其中碳钢材质的管板在作 为冷却器使用时，其管板与列管的焊缝经常出现腐蚀泄漏，泄漏物进入冷却 水系统污染环境又造成物料浪费。 换热器在制作时，管板与列管的焊接一般采用手工电弧焊，焊缝形状存 在不同程度的缺陷，如凹陷、气孔、夹渣等，焊缝应力的分布也不均匀。使 用时管板部分一般与工业冷却水接触，而工业冷却水中的杂质、盐类、气体、 微生物都会构成对管板和焊缝的腐蚀，这就是我们常说的电化学腐蚀。研究 表明，工业水无论是淡水还是海水，都会有各种离子和溶解的氧气，其中氯 21 离子和氧的浓度变化，对金属的腐蚀形状起重要作用。另外，金属结构的复 杂程度也会影响腐蚀形态。因此，管板与列管焊缝的腐蚀以孔蚀和缝隙腐蚀 为主。从外观看，管板表面会有许多腐蚀产物和积沉物，分布着大小不等的 凹坑。以海水为介质时，还会产生电偶腐蚀。化学腐蚀就是介质的腐蚀，换 热器管板接触各种各样的化学介质，就会受到化学介质的腐蚀。另外，换热 器管板还会与换热管之间产生一定的双金属腐蚀。 综上所述，影响固定管板式换热器腐蚀的主要因素有： （1）介质成分和浓度：浓度的影响不一，例如在盐酸中，一般浓度越大 腐蚀越严重。碳钢和不锈钢在浓度为50%左右的硫酸中腐蚀最严重，而当浓 度增加到 60%以上时，腐蚀反而急剧下降； （2）杂质：有害杂质包括氯离子、硫离子、氰离子、氨离子等，这些杂 质在某些情况下会引起严重腐蚀 （3）温度：腐蚀是一种化学反应，温度每提升10，腐蚀速度约增加 13 倍，但也有例外； （4）ph 值：一般 ph 值越小，金属的腐蚀越大； （5）流速：多数情况下流速越大，腐蚀也越大。 十五、防腐保护十五、防腐保护 针对换热器防腐问题，传统方法以补焊为主，但补焊易使管板内部产生 内应力，难以消除，可能造成冷却塔管板焊缝再次渗漏。现西方国家多采用 高分子复合材料的方法进行保护，其中应用最多的是美嘉华技术产品。其具 有优异的粘着性能及抗温、抗化学腐蚀性能，在封闭的环境里可以安全使用 而不会收缩，特别是良好的隔离双金属腐蚀和耐冲刷性能，从根本上杜绝了 修复部位的腐蚀渗漏，为换热器提供一个长久的保护涂层 十六、固定管板换热器的检修十六、固定管板换热器的检修 (一)检修前的准备 1、详细了解被检修换热器停车前的运行情况，查阅相关的技术资料和图纸， 明确固定管板换热器主要零部件的技术要求和质量检测，必要时编写施工方案。 22 2、备好检修所用工机具、材料和各类防护用品。更换所用的零部件应有材 质合格证、质量证明书，并准备好压力试验的胎具、卡具等。 3、应按操作规程和顺序切断与被检修换热器相连的管路阀门，卸压后放净 换热器管程和壳程的介质，并根据介质特性进行相应吹扫、置换等，检测合格后 加堵盲板，办理安全检修交接手续。 4、认真做好换热器检修前的检查工作。通过观察、无损探伤、测厚、水压 试验、气密性试验等方法确认故障的部位、大小等。 5、需注意有保温层的换热器要先拆除保温层，搭好检修用的脚手架、平台、 跳板，并用铁丝固定好。 6、凡参加对受压元件进行施焊的焊工，必须持有相应有效的焊工操作证。 (二)、检修内容 1、小修内容 拆卸两端顶盖或管箱。打开管箱法兰，仔细观察管板的分程密封情况，管 板入口有无异物堵住管口，有无垢层及腐蚀产物堆积，记录；分析腐蚀物和垢层。 清洗或清扫管子内表面和壳体异物。检查两端盖、管箱有无腐蚀、锈蚀、 裂纹、砂眼等缺陷。 进行管束和壳体试压，检查泄漏点，堵漏。 进行局部测厚。 检修连接螺栓是否完好，必要时更换。 检查保温及防腐蚀情况。 2、中修内容 包含小修所有内容。 抽出管束，清理、清洗、清扫，检查换热管变形及弯曲情况。 检查隔板和拉杆螺栓腐蚀及锈蚀情况。 检查各密封面情况，表面不能有刮痕、沟槽、凹坑、点蚀等。 3、大修内容 包含中、小修所有内容。 若管束被堵管束超过总换热管束的 10以上则更换管子或管束。 全面检查运行情况，并对管板与管子焊接处进行渗透检查。 对壳体进行检验，超标时必须消除壳体焊缝缺陷或更换壳体。 （三）检修安全注意事项 23 1、所有进行换热器检修现场的人员必须带好安全帽，穿好工作鞋，登高作 业必须系好安全带。 2、吊装用的吊车、抽芯用的机具和移位用的起重设备等应事先检查、试车， 并选用足够强度的钢丝绳，注意严禁用钢丝绳直接吊装换热器管束芯，以免造成 管束变形。 3、换热器检修多为连续作业，夜间作业必须保证有足够的照明；危险区