管壳式热交换器设计常见问题浅析

管壳式热交换器设计常见问题浅析张春燕   二O一五年五月,管壳式热交换器是工业中应用最为广泛的一种换热器，而设计是其质量保证的首要环节，故提高换热器的设计质量，对于行业发展来说至关重要。       针对管壳式热交换器设计过程中，以下五个方面的常见问题及注意事项，在此与在座各位同仁进行交流和探讨。 一、不同结构型式换热器特点  二、管壳式换热器设计参数确定  三、管壳式换热器材料选取  四、管壳式换热器结构设计  五、管壳式换热器强度计算,主要内容,固定管板式换热器    固定管板式换热器的型式见下图：    固定管板式换热器的主要特点：     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：     a)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，GB16749压力容器波形膨胀节中规定设计压力不大于6.4 MPa ）；     b)管、壳程温差不大，而压力较高的场合；     c)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；     d)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。,一、不同结构型式换热器特点,由于固定管板式换热器的换热管、管板和壳体焊在一起,故换热管与壳体间的金属壁温差（实际是管、壳间的热膨胀差）引起的温差应力是其致命的弱点,也是设计中的控制因素。        因为在固定管板换热器的管板计算中，按有温差的各种工况校核以下应力和力:     壳体轴向应力c,     换热管轴向应力t,     换热管与管板之间连接拉脱力q        三项中有一项不能满足强度条件时,就需设置膨胀节。,一、不同结构型式换热器特点,浮头式换热器  浮头式换热器的型式见下图：   浮头式换热器的主要特点如下：    a)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；    b)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；    c)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；    d)压力试验时的试压胎具复杂。     浮头式换热器使用压力和温度的限制：用于炼油行业中较多，其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。,一、不同结构型式换热器特点,U形管式换热器    U形管式换热器的型式见下图：  它是在换热器中是唯一适用于高温、高压和高温差的换热器,特点如下：   a）以U形换热管尾端的自由浮动解决温差应力，可用于高温差；  b）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；   c）可以进行抽芯清洗（管程走清洁流体），便于清洗换热管外壁；   d）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。   e）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。   f）换热管泄漏时，除外圈U形管外，不能更换，只能堵管。,一、不同结构型式换热器特点,釜式重沸器    釜式重沸器的型式见下图：   釜式重沸器的管程采用U形或浮头管束（管头试压时，要另配试压壳体），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，但设计压力一般不大于6.4Mpa。适用于：    a)管、壳程温差大的场合；    b)一般管程压力比壳程高，可采用T翅或表面多孔强化传热管。,一、不同结构型式换热器特点,填料函式换热器   填料函式换热器的型式见下图：   填料函式换热器是另一种浮头式换热器，它的浮动端采用填料密封浮动管板（裙）可在填料函内填料的压力下，自由滑动，以补偿换热管与壳体的膨胀差量。    这类结构直径不能太大，压力一般不高于2.5 MPa，且不能用于贵重介质及危害介质，当介质危害不是太大时，也可以采用双填函密封加以弥补，之所以有使用是因其解决温差应力的成本较低。,一、不同结构型式换热器特点,1、设计条件2、设计压力和设计温度3、腐蚀裕量4、焊接接头系数5、设计寿命6、试验压力7、类别划分,二、管壳式换热器设计参数确定,1、设计条件       管壳式热交换器的设计过程：工艺计算设备选型机械设计（材料选择、强度计算、结构设计等）。  A、工艺设计条件   工艺设计在换热器中占有主导地位，工艺设计条件至少包含以下内容：   1、操作数据，包括介质、流量、温度、压力、热负荷等；   2、物性数据，包括密度、比热、粘度、导热系数等；   3、允许阻力降；   4、其他：如操作弹性、工况、安装要求（几何尺寸、管口方位）等；     GB/T151-2014给出了管壳式热交换器数据表（表B.1）P116。   设计条件应由委托方以正式书面形式提出，并应有条件提出方的签署。,二、管壳式换热器设计参数确定,B、机械设计条件    经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、管壳程数、折流板形式/块数/缺口布置及切割比例等，交由机械设计专业完成其详细设计。故机械设计是为了保证实现工艺计算中的传热和压降的一种手段。机械设计条件至少包含以下内容：     1）设计所依据的主要标准和规范；   2）操作参数（包括工作压力、工作温度范围、液位高度、接管载荷以及疲劳工况等）；   3）使用地及其自然条件（包括环境温度、抗震设防烈度、风和雪载荷等）；   4）介质组分与特性；   5）预期使用年限；   6）几何参数和管口方位；   7）钢制管束等级；   8）设计需要的其他必要条件（如管道外推力等）。     参照GB/T151-2014附录B中B3.4 结构参数（P115）,二、管壳式换热器设计参数确定,注意：    固定管板式换热器的计算，在SW6程序中需要输入沿筒体长度平均温差和换热管沿长度平均温差，这两项为金属壁温。   设计院做工艺计算时会有很详细的计算过程，这两个数据并不难得到，但对于一般的制造厂，并不具备工艺计算的能力，所以，我们常采用GB/T151附录B中给出的金属壁温计算方法。     但采用该方法时，需要管壳程两侧流体相关的物性参数，如对流传热系数，污垢系数等数据，但往往因用户提供的数据有限，用公式计算会遇到很大的麻烦。           在工程上我们采用取平均值的方法来估算金属壁温：     1 沿筒体长度平均温差：考虑有无保温层，若有，取壳程介质进/出口温度的平均值，若无，取壳程介质进口温度、出口温度及环境温度三者的平均值    2 换热管沿长度平均温差等于管程介质进/出口温度的平均值,二、管壳式换热器设计参数确定,GB/T151-2104附录B  P120：,二、管壳式换热器设计参数确定,2、设计压力和设计温度      1）热交换器为多腔容器，其设计压力和设计温度的确定：         按“各管各”原则，即分别按各自最苛刻的工作压力、工作温度确定其设计压力、设计温度。  2）各受压元件的计算压力的确定：在各自的设计压力基础上确定。   壳程主要受压元件如筒体的计算压力数值上取壳程设计压力，管程主要受压元件如管箱筒体、封头/平盖的计算压力数值上取管程设计压力。      但立式换热器或直径较大的换热器的计算压力应考虑液柱（指操作介质而不是水压试验的介质）静压力（当元件所承受的液柱静压力小于5%的设计压力时，可忽略）。,二、管壳式换热器设计参数确定,3）管壳程的设计温度应分别为壳程壳体、管箱壳体的设计温度（选取材料的依据） 。   换热器涉及管壳程进出口介质4个温度，这4个温度是确定管壳程设计温度和各受压元件设计温度的依据。     对于介质温度高于0 者，常用管壳程进出口介质温度中较大值作为设计温度，对于介质温度低于0 者，常用管壳程进出口介质温度中较小值作为设计温度。  4）两侧受压的元件，如管板的计算压力的确定，要考虑6种工况，详见管板计算；其设计温度应按其金属温度确定。工程上，常按温度较恶劣一侧介质温度确定。  5）对于类似U形管式换热器管板两侧成对法兰的设计，由于两侧的压力和温度及所用垫片可能不同，因此在螺栓的设计中应兼顾两侧的条件，要求以较大的螺栓载荷和较高的设计温度进行设计，且对法兰设计力矩应以此为基础进行计算。（GB150.3-2011 P194 注）,二、管壳式换热器设计参数确定,6）介质为饱和蒸汽时，压力-温度要相对应。    注：正常工作情况，包括正常操作、开车和停车、热循环、不正常操作、间断操作、环境温度等。各种工况：正常操作工况、开停车工况、水压试验工况。   其中开车和停车，对换热器是有专门规定的。如开车时要求用温度较低的介质对管壳程进行热循环，停车时要求先停热侧，后停冷侧等。因此，那些将换热器的一侧的压力和温度为设计值，而另一侧的压力为零，温度为常温的工况是违反换热器操作规程的，是不允许存在的。(一个设计工况对应管板计算的6中工况，此工况非彼工况，不是一个概念)   GB/T151-2014 P111中：,二、管壳式换热器设计参数确定,3、腐蚀裕量        凡与介质接触的受压元件（除传热元件换热管外），都应考虑腐蚀裕量。    a. 两面应考虑腐蚀裕量：管板、浮头法兰、球冠形封头、分程隔板。    b. 壳体内表面应考虑腐蚀裕量：管箱平盖、凸形封头、管箱/壳体。    c. 设备法兰、管法兰内径面应考虑腐蚀裕量。      （计算时应注意大小端厚度减去腐蚀裕量，但常常带来结果不合格。处理：选用标准设备法兰可不计算，但需要保留基本计算数据，如：螺柱材质、规格及数量，垫片材质等）      d. 换热管、钩圈、浮头螺栓、纵向隔板一般不考虑腐蚀裕量。    TEMA标准关于腐蚀裕量的条文中明确规定，钩圈及其内部螺栓连接件，是不必考虑腐蚀裕量。钩圈是一个非受压件，且是可拆卸件，按TEMA规定，对其不考虑腐蚀裕量是合理的。          拉杆、定距管、折流板和支持板等非受压件，一般不考虑腐蚀裕量。,二、管壳式换热器设计参数确定,3、焊接接头系数：  a）GB/T151的焊接接头系数取自GB150；   b）GB/T151-2014中4.6.4 P9：    “对于无法进行无损检测的固定管板换热器壳程圆筒的环向接头，当采用氩弧焊打底或沿焊接接头根部全长有紧贴基本金属的垫板，其焊接接头系数取=0.6”（注意这是B类焊接接头不能作为筒体壁厚计算用）。     其原因为：   取=0.6是为了在计算固定管板换热器壳程圆筒轴向应力c时，确定c和tc3值用；(由换热管与壳程筒体产生的热膨胀差引起的）   具体做法：在SW6计算中，固定管板换热器筒体的环向焊接接头系数即指该道焊接接头，此时应输入=0.6。   当此类焊接接头因无法进行无损检测时，给出=0.6是要求焊接应按焊接工艺施焊，避免随意性，因不探伤，取值保守。（压力容器工程师培训手册P463）,二、管壳式换热器设计参数确定,二、管壳式换热器设计参数确定,4、设计寿命：  1) 设计寿命在一般压力容器中基本上只考虑腐蚀速率及使用年限即可，但对管壳式换热器来说，这一原则只能体现在外壳（包括管箱及头盖）及需考虑C2的元件上，对于管壳式换热器占主要地位的换热管由于从传热角度出发不考虑C2，故设计寿命应如下确定：    a) 对于可抽芯(管束)换热器，换热器寿命指壳体；    b) 对于不可抽芯(管束)，而且不能更换换热管的换热器，换热器寿命指换热管。    2) 管壳式换热器属两腔容器，管、壳程介质不尽相同，因此除换热管外，管、壳程若要保持相同的寿命时，则C2也应分别取值。    如材质为碳钢与不锈钢，分别取2/0mm；或介质为循环水与工艺介质，分别取3/2mm。,二、管壳式换热器设计参数确定,固容规问题解答：,二、管壳式换热器设计参数确定,HG/T20580-2011钢制化工容器设计基础规定：,二、管壳式换热器设计参数确定,5、试验压力：     a. 按GB150.1-2011中4.6要求。     b. 一般情况下，管壳程按各自设计压力、设计温度、材料分别确定其耐压试验的试验压力值。     c. GB/T151-2014中4.7.4 P9 ：               为了检查换热管与管板连接接头的质量，可能遇到下列4种情况：     1）管壳程均为正压，且壳程试验压力高于管程试验压力。        处理：管壳程按各自设计压力、设计温度、材料分别确定其耐压试验                      的试验压力值。     2）管壳程均为正压，且壳程试验压力低于管程试验压力。        处理：将壳程试验压力提高至管程试验压力，并应对壳程圆筒进行校              核。        在此，往往会忽视其他受压元件的强度和结构等问题，下面分别讨论：,二、管壳式换热器设计参数确定,二、管壳式换热器设计参数确定,管法兰的压力等级问题：管法兰的压力等级一般按壳程正常操作工况根据材料及升温降压原则选取，但壳程试验压力如果提高较大时，应注意其压力值是否超过管法兰标准规定的20 时最高无冲击工作压力的1.5倍。    管板的强度问题：壳程试验压力提高后，应对管板进行校核。可令壳程设计压力为管程试验压力，管程设计压力为零，且无温差进行校核，计算模型可按不带法兰的固定管板进行。   壳程开孔补强问题：此时圆筒开孔处的计算厚度可表达为：     壳程圆筒与管板的连接结构问题：如壳程设计压力原本不到4.0MPa，而管程设计压力大于4.0MPa，壳程试验压力提高后，壳程圆筒与管板的连接结构应选用GB/T151-2014附录I中如下图结构，且因为此结构管板具有凸肩，并与壳程圆筒对接连接，应采用锻件。,二、管壳式换热器设计参数确定,二、管壳式换热器设计参数确定,二、管壳式换热器设计参数确定,TCED 41002-2012化工设备图样技术要求,二、管壳式换热器设计参数确定,HG/T20584-2011钢制化工容器制造技术要求,二、管壳式换热器设计参数确定,3）管程是正压，壳程是真空。  4）管程是真空，壳程是正压。          这两种情况，管壳程试验压力值的确定都要考虑“真空”这一特殊工况条件下各种情况的组合。,6、类别划分：      GB/T151类别划分遵循“固容规”的规定，但因其是二腔容器（管程和壳程），故分类、设计与制造应遵守下列规定：     a)应分别按管、壳程的设计参数进行划类，并分别提相应的设计、制造、检验与验收的要求；如固容规问题解答中：,二、管壳式换热器设计参数确定,b)热交换器总类别，应以管、壳程中高的类别确定；         注意:    1、容积的概念。在固容规问题解答中：,二、管壳式换热器设计参数确定,2、气相空间。固容规P1中：    但在化工压力容器设计方法、问题和要点（P55）,二、管壳式换热器设计参数确定,3、质检总局关于修订特种设备目录的公告(2014年第114号)     根据中华人民共和国特种设备安全法特种设备安全监察条例的规定，质检总局修订了特种设备目录，经国务院批准，现予以公布施行。同时，关于公布的通知（国质检锅200431号）和关于增补特种设备目录的通知（国质检特201022号）予以废止。特种设备目录由质检总局负责解释。特此公告。                                          质检总局                                                 （2014-10-30）  附：特种设备目录,二、管壳式换热器设计参数确定,1、壳体材料     2、换热管材料        3、管板、管箱平盖材料,三、管壳式换热器材料选取,1、壳体材料     按GB150.2-2011 压力容器 第2部分：材料。   注意：小直径换热器用无缝钢管作壳体时，应遵循HG/T20581-2011中规定：,三、管壳式换热器材料选取,2、换热管材料  A  GB150.2-2011中5.1中规定：         a) GB/T8163 流体输送用无缝钢管        GB/T14976流体输送用不锈钢无缝钢管        GB/T12771流体输送用不锈钢焊接钢管        不得用于管壳式换热器的换热管；         b) GB9948  石油裂化用无缝钢管        GB6479  高压化肥设备用无缝钢管        GB13296 锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管        用作换热管应选用高精度级的冷拔或冷轧钢管。         c）GB/T24593 锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接钢管使用规定：        应逐根进行涡流检测，符合GB/T7735钢管涡流探伤检验方法中验收等级B规定；        设计压力小于10.0MPa；        不得用于毒性程度为极/高度危害的介质。,三、管壳式换热器材料选取,B 换热管订货技术条件    无缝钢管按NB/T47019.18-2011锅炉、热交换器用管订货技术条件   奥氏体不锈钢焊接钢管按GB/T24593 锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接钢管     C 管束级别    GB151-1999分级、级管束，主要取决于管子精度，仅仅针对碳钢、低合金钢换热管当时国内标准还存在“较高级”和“普通级”制订的。对于不锈钢换热管，只有级管束。     、管束的区别主要在于换热管的外径、壁厚偏差不同，相应地管孔尺寸和偏差不同。GB/T151仍将钢制管束分为、级管束，但整体提高了管束的内在质量,对管板、折流板管孔尺寸偏差进行了修订，级管束配合精度与TEMA-2007版相当，级管束配合精度与GB151-1999版级管束相当，     但GB150.2-2011中5.1中：钢管用作换热管均应选用高精度级的冷拔/轧钢管。     根据NB/T47019.1-2011锅炉、热交换器用管订货技术条件第一部分通则中表1、表2：,三、管壳式换热器材料选取,三、管壳式换热器材料选取,三、管壳式换热器材料选取,可知：普通级和高级钢管的外径、壁厚偏差均一致，与GB/T151中I级管束也一致，故均应设计为I级管束。    GB/T151 P21中：    注：在GB/T151 6.6.1.3 P25 换热管与管板采用强度胀接时：       如：16Mn管板与10#换热管之间的胀接要好于20#换热管，因为在GB9948-2013中10 #管C含量为0.07-0.13，而20 #管C含量为0.17-0.23。C的含量越高,它的硬度及强度越高。所以10#管会比20#管在胀接时可靠些,不容易出现裂。,三、管壳式换热器材料选取,3、管板、管箱平盖材料   A 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（因厚钢板会有分层、夹杂等缺陷及性能指标波动大等问题）。（GB/T151不限制大于60mm钢板的使用，但需附加要求）   2）带凸肩的管板，一般选用锻件；   3）管板、平盖用锻件，其级别不得低于级；   4）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/T5313-2010（厚度方向性能钢板）中的Z35级，并在设计文件上提出附件检验要求。   5）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。   6）管板采用爆炸焊接复合板时，应符合NB/T47002.14中B1级要求。   注：厚度方向性能级别是针对钢板的抗层状撕裂的能力提供的一种量度，厚度方向性能采用厚度方向拉伸试验的断面收缩率来评定。,三、管壳式换热器材料选取,B 材料代用   a)由于各种原因，制造厂临时用板材代替锻件，或者是由锻件代替板材，这种做法是不可取的。因为同一材料，同一厚度，同一设计温度下板材与锻件的许用应力是不同的。  化工压力容器设计方法、问题和要点P216,三、管壳式换热器材料选取,b) 壳体厚度发生变化，须校核管板的强度。如某固定管板式换热器壳程筒体图纸名义厚度为10mm，在制造时，厂家用厚度为12mm同材质的库存钢板代替。设计人员认为，以厚代薄，没有用12mm的板厚重新去校核管板的强度。但由于换热器壳程筒体厚度增加后，相应的温差应力、壳体轴向应力c等都发生变化，故必须重新核算。     化工压力容器设计方法、问题和要点P219,三、管壳式换热器材料选取,c) 化工压力容器设计方法、问题和要点P216     GB150.2-2011,三、管壳式换热器材料选取,1、管程2、管板3、壳程4、其他,四、管壳式换热器结构设计,1、管程     1）布管     换热管的布置排列是管壳式换热器设计中非常重要的环节，必须考虑以下因素：     a. 换热管排列形式。     换热管排列形式：GB/T151 P17图示正三角排列（30）、转角正三角形排列（60）、转角正方形排列（45）、正方形排列(90)四种。     图中流向箭头表示壳程物料横向流动方向，箭头方向是与折流板缺边垂直的。设计中的换热管排列图，应据设计条件要求的排列形式和折流板缺边位置进行排列。,四、管壳式换热器结构设计,如何在图纸上表现出正确的换热管排列形式？   主要是折流板上换热管的排列及其缺口方向。如下图：      b.换热管的中心距，一般不宜小于1.25倍的换热管外径，常用换热管中心距见GB/T151-2014表6-2。,四、管壳式换热器结构设计,四、管壳式换热器结构设计,GB/T151 6.3.1.2-c规定：对于外径为25mm的换热管采用转角正方形排列时，其分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn可取（GB151-1999为应）32x32正方形的对角线，即Sn=322=45.25mm。（设计中常常会忽视）     如此要求使换热管各方向看都成行成列，便于清洗。,c.排管区域，即布管限定圆直径。     管束最外层换热管外壁与壳体内表面间的最小距离B       固定管板、U形管换热器， 取B=b3。b3为换热管外径的0.25倍，且8mm。       浮头换热器， B=b+b1+b2，b、b1、b2按GB/T151中6.3.1.3规定。    换热器的管束最外层换热管的限定圆尺寸为：,四、管壳式换热器结构设计,当管板为带凸肩、应力释放槽结构时，注意布管限定圆的确定应考虑躲开应力释放槽。           d.管程分程。         在管壳式换热器中，流体流经换热管内的通道及与其相贯通的部分称为管程。在管内流动的流体从换热管的一端流到另一端，称为一个管程。     在壳程直径已确定，满足流量和压降的前提下，在换热器一端或两端的管箱内分别配置一定数量的隔板，并使每一程中的换热管数量大致相等，使流体依次流过各程换热管，可提高流体流速，达到强化传热的目的。         GB/T151给出了1，2,4,6,8,10，12程等7种分程布置形式，见图6-12 P19。不同的分程布置会有不同的换热管排列。,四、管壳式换热器结构设计,四、管壳式换热器结构设计,管程分程原则：     应尽量使各管程换热管数大致相等，其相对误差（N）应控制在10%以内，最大不得超过20%。             分程隔板槽形状简单，以利加工，密封面长度较短，减少泄漏和用料。     注意：     当管程流体进 、出口温度变化很大时，应尽量避免流体温差较大的两部分管束相邻，否则管束与管板中将产生很大的温差应力，容易引起换热管变形或拉脱等故障。根据经验，管程温差以不超过20为宜，程数小于4时，采用平行的隔板更为有利。   对于4管程的分法，有平行、工字、十字形三种。一般为了接管方便，选用平行分法较合适，同时平行分法亦可使管箱内残液放尽。工字形排列法的优点是比平行法密封线短，而且可排列更多的换热管，而十字形排列法更适用于4管程的U形管式换热器，但相邻管程间温差较大，并接管为非径向接管，且需另设放空、排净口（如图所示）。,四、管壳式换热器结构设计,四、管壳式换热器结构设计,e.壳程进出口位置。     排管后应满足GB/T151中6.8.1.2 P29规定的流通面积的要求。      GB/T151中6.8.1.2规定:壳程进口或出口区域面积As和管束进口或出口区域面积At应使v2值不超过5950kg/(ms2)”（与老标准相比，删除了As和At应不小于进、出口接管截面积 ）。      此处v是按As和At的计算流体速度，即v=Q/（As), v=Q/（At)。 (Q为流量),四、管壳式换热器结构设计,GB/T151附录J P225中：As和At计算公式可见：    由As可确定管束上方或防冲板上方自由高度平均值h，即确定了管束上方的最高一层换热管的位置。        由At可确定进口或出口处折流板间距，即确定了第一块折流板的位置。    （尤其对于壳程进口管较大的情况，必须要核算As和At ）,四、管壳式换热器结构设计,f. 换热管与防冲板间的距离。（钢制列管式固定管板换热器结构设计手册 P51）     换热管外表面与邻近防冲板表面的距离，一般取为6mm（如图所示）。       g. 管束的排管范围，就是在布管限定圆范围内扣除e和f所要求部分的整个范围。      注：对于U形管、浮头式换热器要考虑留出下部滑道的空间。2）换热管排列原则        a. 换热管排列，应符合设计条件中规定的换热管排列形式和折流板缺边位置的要求。        b. 换热管排列，应在排管范围内排满管子，并尽可能使整个管束对称。        c. 换热管排列出的管子数量，应满足设计条件中换热面积的要求。    如果排列出的管子数量，超过换热面积的要求的数量，则可在壳程接管进出口部位适当减少管排；如果排列出的管子数量，小于换热面积的要求的数量，且又超过工艺专业允许的范围，则应考虑设置导流筒等。,四、管壳式换热器结构设计,d. 多管程换热器的换热管排列，还应满足下列各条：        换热管排列的分程，应符合设计条件中的分程数量和布置要求。    各程管数应尽可能相等，其相对误差应控制在510%以内（换热器直径小时，取较大值）。  3）管箱     a. 常用管箱结构：   平盖管箱：      优点便于清洗管程，清洗时只需要拆开平盖即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路。      缺点平盖结构用材较多，尺寸较大时需用锻件，提高制造成本，并增加了一道密封的泄漏可能。一般用于压力较低、直径较小（DN900）的换热器。    封头管箱：      优点结构简单，便于制造，适于高压、清洁介质，可省掉造价较高的平盖、法兰及紧固件，且椭圆封头受力情况好于平盖。      缺点检查换热管和清洗管箱时必须拆下连接管道和管箱，需要一定的检修空间。但这种形式用的最多。,四、管壳式换热器结构设计,b. 管箱长度     1) 筒节（管箱圆筒）：   原GB150规定“筒节长度不小于300mm”，对换热器管箱等部件上仅有一个筒节的情况下，这一要求是不合理的。GB150.4-2011中6.5.5 条c）款将其修改为：“组装筒体中，任何单个筒节的长度不得小于300mm”。    所谓组装筒体是指由两个或两个以上筒节组成的一个筒体，对仅有一个筒节的换热器管箱筒节不限制筒节长度。（GB150-2011标准释义P229）        立式换热器管箱设备法兰与封头连接应按HG/T20583-2011钢制化工容器结构设计规定P436其他：GB/T151 中6.10.3 P43,四、管壳式换热器结构设计,HG/T20583-1998    2)管箱接管的有效补强宽度：        管箱筒节的长度应满足接管按等面积法或分析法补强计算所需的有效补强宽度。        设计中常常会忽视这个问题。对于受工艺条件的限制，管箱长度不够又不能随意增加管箱长度的情况，接管虽然设了补强圈，但补强效果可能不能满足要求，此时，应按实际的补强宽度进行核算。,四、管壳式换热器结构设计,3) 管箱结构尺寸（GB151-1999为最小内侧深度）：    规定管箱的最小内侧深度，目的是为使流体均匀流入换热管及减少流动 的压力降。    GB/T151 6.3.4 P20：      但很多设计人员对此的理解有些模糊，在此推荐钢制列管式固定管板换热器结构设计手册P165中有详细解释计算方法（同时了解管箱最大长度的确定原则，带分程隔板的多管程管箱，其内侧最大深度，主要应考虑分程隔板的焊接可能性）,四、管壳式换热器结构设计,四、管壳式换热器结构设计,c. 管箱法兰   NB/T47020-2012 压力容器法兰分类与技术条件：d. 管箱热处理   管箱组焊后，管箱部件的热处理，应符合GB/T151中8.10的规定，还应符合固容规、GB150.4对焊后热处理的要求（如：有应力腐蚀的、盛装极度或高度危害介质的碳钢、低合金钢制管箱等）。,四、管壳式换热器结构设计,4）分程隔板      a. 厚度确定：            除满足GB/T151中表7-3规定的最小名义厚度外，还应满足设计条件所要求压降引起的强度要求，即按式7-7进行计算，然后加2C2（双面腐蚀）。    当计算的分程隔板厚度较厚时，如大于20mm，应设置支撑板减小分程隔板的计算长度。,四、管壳式换热器结构设计,公式中的P为隔板两侧压力差值，但对其没有给出确定的方法。    API 660-2007版中规定：一对2管程，分程隔板两侧的压差就是管程总压降，取值合理；二对4或更多管程，分程隔板两侧的压差比管程总压降小得很多，都取为总压降，显然不合理。   因此，对分程隔板厚度计算公式中的压差P应取隔板两侧的压差为宜，可按下式计算：,四、管壳式换热器结构设计,式中：P隔板两侧的计算压降，MPa。         PZ换热器数据表中允许总压降，MPa。          N管程数。          Z从隔板一侧到另一侧流体的折返次数。      确定Z值举例    管程数     流体流动顺序     入口管箱隔板布置      返回管箱隔板布置    IV                    VI,四、管壳式换热器结构设计,系数Z值,四、管壳式换热器结构设计,b. 结构布置    管箱分程隔板的布置，常用的、程，分程隔板布置见GB/T151管程分程布置形式，其布置应与管板上的分程隔板槽相匹配。            c. 泪孔    分程隔板安装后，凡处于水平位置的隔板，在适当位置，应设置一个直径为48mm的泪孔；处于竖直位置的隔板，当其形成死腔时，应在该隔板与壳体连接的最高和最低点，分别设置半径为R5的半圆孔。    设计中往往容易忽视在分程隔板上设置泪孔。该孔有三个作用：    泪孔作用，排净液体；    平衡作用，平衡两腔的压力；    排气作用，水压试验时排净气体。,四、管壳式换热器结构设计,d. 与管箱内壁的焊接：     采用双面连续焊，最小焊脚尺寸为3/4倍的隔板厚度。必要时，隔板边缘应开坡口，允许采用与焊接连接等强度的其他连接方式。2、管板         a.管板分程隔板槽拐角处倒角尺寸        GB/T151中6.5.3.2-c) 规定多管程的隔板槽倒角不应妨碍垫片的安装；隔板槽拐角处倒角一般为45，倒角尺寸b宜大于分程垫片的圆角半径Rg。        对4管程以上的隔板槽，因其中心线偏离管板中心线,对隔板槽之间的拐角处倒角尺寸的确定，要避免管孔被倒角切掉。    做法：隔板槽倒角尺寸确定后，隔板槽之间的拐角处应圆弧过渡，拐角的外角处圆角半径取隔板槽宽度的1/2，拐角的内角处圆角半径取垫片圆角半径加2mm（如图所示）。,四、管壳式换热器结构设计,注：1、平盖上的分程隔板槽拐角处倒角尺寸，与管板的要求相同。    2、多管程管板上分程隔板槽与管箱分程隔板布置在不同视图（装配图、部件图及零件图）中一定要一致。,四、管壳式换热器结构设计,b. 管板零件图的技术要求中各技术数据的填写：     按TCED 41002-2012化工设备图样技术要求,四、管壳式换热器结构设计,其中：    垂直度允差按下表（要清楚主参数指什么）,四、管壳式换热器结构设计,其中：    允许孔桥宽度和最小允许孔桥宽度按GB/T151中8.4.5及表8-2,四、管壳式换热器结构设计,注：对于换热管中心距不同于表8-2中所列时，应按式8-1,8-2进行计算确定。,四、管壳式换热器结构设计,c.拉杆孔    GB/T151 P24明确了钻孔深度，如图：              新旧标准比较下：    注意：如果管板厚度较薄时，拉杆孔会或几乎会钻穿管板。          处理方法：可在拉杆孔处管板的背面处加一垫板，或加厚管板。,四、管壳式换热器结构设计,GB151-1999中没有给出钻孔深度，一般按：,四、管壳式换热器结构设计,d. 固定管板换热器的管板与壳体的连接         固定管板换热器的管板与壳体的连接，在GB/T151附录I中有提示性规定。应注意其各结构的适用条件。         图I1(d) 焊缝处管板颈部高度10mm。图中管板颈部高度应按相关尺寸计算得到（结构上要满足按厚度开的焊缝坡口要求），其值应取计算值和10mm且大于tan30(-2)+5间的较大值。对壳程设计压力较高、管程设计压力较低的换热器，采用这个结构时，应对连接管箱的螺栓中心圆直径能否满足安装螺母的要求进行核算。（按比例绘图，较容易发现问题）    e. 换热管与管板的焊接        GB/T151中6.6规定了强度胀、强度焊、强度焊加贴胀、强度胀加密封焊等结构型式，并增加了内孔焊结构。        胀焊并用结构，既采用了焊接，又采用了胀接。焊接保证了强度和密封，胀接消除了管板孔与换热管间的间隙，在目前国内多用的结构。,四、管壳式换热器结构设计,在工程设计中，通常采用强度焊加贴胀结构。        GB/T151附录H P220中给出了立式换热器的上管板不允许有积液的场合。         注意：换热管与管板接头需进行焊接工艺评定,四、管壳式换热器结构设计,为保证换热管与管板焊接接头的质量，在工程设计中，一般要求对此接头进行MT或PT表面检测。    （此焊接接头属于异种钢焊接，按固容规、GB150.4规定此类接头应进行表面检测）。3、壳程       1）壳程防冲和导流          a.防冲板或导流筒的设置条件           GB/T151 6.8.1 P29：,四、管壳式换热器结构设计,壳程进口管的流体速度v可由壳程流量Q/(A)计算得出，此处A应取接管的内截面积。      如果设计条件要求的壳程物料进口接管尺寸过大（接管距离管板较远）或条件要求排管数过多，使设置防冲板的空间不够，此时应设置导流筒。   b.壳程防冲板的位置和尺寸     壳程防冲板的位置h        壳程入口接管处防冲板是为防止物料冲蚀换热管而设置的，防冲板的位置必须保证壳程进口区域面积As使该处25950kg/(m.s2)。（计算较繁琐，可参考下式确定后，在进行核算： 式中：di接管内径      h1接管内径与壳体内径连接处矢高       壳程防冲板尺寸       壳程防冲板一般尺寸采用正方形，其边长为接管内径di+50mm。,四、管壳式换热器结构设计,c.防冲板的固定      GB/T151 P30：    注意：GB/T151 8.7规定：                  故防冲板不能焊在换热管上！                    另：工程设计中常会出现以下情况：       图中防冲板的设置在哪种情况下将影响到换热器的组装？,四、管壳式换热器结构设计,化工压力容器设计方法、问题和要点,四、管壳式换热器结构设计,四、管壳式换热器结构设计,2）拉杆    a. 拉杆布置原则     拉杆的直径按GB/T151表6-32，数量不得少于GB/T151表6-33中规定的数量。     有缺边的折流板，应在其外边缘和靠近缺边位置布置拉杆且相邻拉杆间直线距离，一般应700mm。     无缺边的支持板，除在外边缘布置拉杆外，在布管区中间区域也应布置拉杆，相邻拉杆间直线距离，一般应700mm。     拉杆应尽量对称布置。     任何折流板不应少于3个栏杆支承点。        b. 拉杆设计中常出现的问题    化工压力容器设计方法、问题和要点,四、管壳式换热器结构设计,四、管壳式换热器结构设计,3）折流板/支持板          压力容器设计工程师培训教程P471：               a.折流板的结构形式         折流板结构形式见GB/T151中图6-23。常用形式为单弓形和双弓形。,四、管壳式换热器结构设计,b. 折流板缺边   缺口尺寸（即切口百分数）   GB/T151 P31中:     折流板缺边的位置尺寸由工艺专业在设计条件中提出，其数据为折流板切去部分的弓形高度h与换热器内径之比值。         工程设计中，缺口弦高h：一般无相变换热器取h0.25Di；冷凝器取h0.250.45Di；壳程沸腾再沸器取h0.45Di。     对单弓形折流板，缺边的位置h按设计所提数据乘以换热器内径确定；对双弓折流板，其单块折流板的缺边的位置h两侧都按设计数据表所提数据乘以换热器内径确定，其双块折流板的缺边的位h1置按切去的面积等于单块折流板两侧切去面积之和确定。     缺边的位置尺寸，还应根据换热管的排列，尽可能使缺边通过换热管排或分程处通道的中心线进行适当圆整。,四、管壳式换热器结构设计,缺口布置      GB/T151 P34中：    即：缺口位置有两种：    1）当卧式换热器的壳程为单相清洁流体时，缺口应水平上下布置；    2）当卧式换热器、冷凝器、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，缺口应垂直左右布置。,GB/T151 P31还规定：,四、管壳式换热器结构设计,c.折流板的间距布置 GB/T151 P33中,四、管壳式换热器结构设计,注意：   一般型式壳体的折流板布置，应符合设计条件的要求，尽量不要改动。      对靠近壳程进、出口接管的折流板，其位置除满足设计条件要求外，还应使折流与防冲板边缘或接管内壁间距离至少为1020mm。     分流式壳体的折流板布置，应使壳程分流的路程尽可能相等。   壳程进出口接管处的折流板缺口位置，不得形成短路。,四、管壳式换热器结构设计, 浮头换热器靠近外头盖的支持板与外头盖侧法兰密封面间的距离（图中Ln），应满足管壳程热膨胀差的要求，一般应为5060mm。U形管换热器的弯管切线与邻近折流板间距离，一般取50mm。     折流板布置后，在管束任何部位的换热管无支撑跨距（包括U形管束的弯管部位的A+B+C），都不得超过GB/T151中表6-31所列换热管直管最大无支撑跨距的要求。如果超过，在超过部位应设局部支撑。    d.折流板的厚度          GB/T151 P32中表6-21列出因素为“换热器公称直径”和管束中“折流板或支持板间的换热管无支撑跨距”。,四、管壳式换热器结构设计,在TEMA-1999的RCB-4.4.1的表RCB-4.4.1中列出的板厚的确定因素为：“换热器的名义直径”和“折流板间的换热管无支撑管子长度之较大值，管板和折流板间距离不在考虑之内”。     按以上规定，折流板的厚度是根据管束上折流板间的换热管无支撑跨距之较大值确定，管板和折流板间距离是不考虑的。因管板的厚度较厚，对换热管有支撑的作用，所以不考虑管板和折流板间跨距是合理的。   可参照换热管受压失稳当量长度：（GB/T151 P56）,四、管壳式换热器结构设计,e. 折流板技术要求      TCED 41002-2012化工设备图样技术要求   f. 支持板      GB/T151 P35：    浮头式换热器浮头端的支持板，是为支撑重量较大的浮头而设置的。支持板以外区域，无论支持板是满圆板或圆环板，其壳程物料都是不流动的死区。        以前习惯做法是将支持板作成圆环板，其中空部分使换热管缺少支撑，不仅使换热管无支撑长度因此而加大，而且增加了加工带孔板的麻烦。国内外的这种换热器基本上都是采用满圆板。,四、管壳式换热器结构设计,GB/T151.8.2.5.2中规定为加厚环板，又没有规定如何加厚。因此，浮头式换热器浮头端应设置加厚满圆的支持板，支持板的厚度可按GB/T151的表6-21（P32）中跨距大于1500mm栏的数据选取。