New 换热器工程设计中的常见问题

1、换热器工程设计中的常见问题,刘笑竺,2015,年,1,月,前言,在石油化工装置中，进行热量交换的换热器，一般要占设备总数的,30,40,常用的换热器型式有管壳式换热器、空冷器、板翅式换热器、板片式换热器等等,其中的管壳式换热器，因其操作弹性大、使用范围广、制造难度小而用得最多,为了保证管壳式换热器的质量，各个国家都有相应的标准。如,我国的,GB151,管壳式换热器标准（以下简称,GB151,美国的,TEMA,管式换热器制造商协会标准（以下简称,TEMA,美国的,API 660,管壳式换热器标准（以下简称,API 660,日本的,JIS B 8249,管壳式换热器标准（以下简称,JIS B 82

2、49,在管壳式换热器工程设计中，经常遇到在标准规范中没有规定、规定本身有,矛盾、国内和国外标准对同一问题的规定不相同等问题。下面介绍在工程设计中,常见的问题及解决的方法,1,换热器的设计条件,1,设计压力和设计温度,换热器的设计压力，应为在正常工作情况下，换热器管,壳程顶部的最高压力，与设计温度一起作为设计的载荷条件,换热器的设计温度，应为在正常工作情况下，换热器受压,元件的金属温度（有最高和最低值），与设计压力一起作为设,计的载荷条件,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。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

3、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,2,近些年来，许多设计单位对管壳程设计压力相差较大,的换热器，采用压力较高侧设计压力除以水压试验的放大系,数,GB150,规定为,1.25,的数值作为压力较低侧的设计压力,这种做法依据的工况，是不存在的。采用这种做法，除对,换热器的压力较低侧造成浪费外，还可能造成该换热器无法,进行设计,3,近年来，许多单位将蒸汽吹扫（设计压力,0.35MPa,设计温度为,150,180）作为设计工况，对换热,器进行校核。这种做法依据的

4、工况，是不存在的,4,固定管板换热器的管板强度计算中的管壁和壳壁金,属温度，应取正常操作情况下由传热计算得到的温度,2,换热器,的级别,在,GB151,中对换热器的碳钢和低合金钢管束规定了级和,级。级管束用的换热管、管板的管孔、折流板的管孔精,度较高，级管束用的换热管、管板的管孔、折流板的管孔,精度较低。对级和级管束的使用条件，标准没有规定,建议符合下列条件之一者采用级管束，否则采用级,管束,1,管或壳程设计压力,2.5MPa,2,管或壳程设计温度300，或,20,3,换热管长度,6000mm,4,管束中换热管的最大无支撑长度超过标准规定的换热,管的最大无支撑跨距值的,0.7,倍,3,换热面积

5、计算中换热管长度,在,GB151,的,3.7.1,中规定“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,在工程设计中，换热器的型式是多种多样的，有的型,式，如,S,型浮头式换热器，在靠近浮头的支持板以外区域的,壳程介质是不流动的死区，死区范围的换热管长度对传热是,无效的，不能将其作为计算面积的长度。因此，在工程设计,中计算换热面积，应取能有效传热的换热管长度，即有效长,度,Le,4,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,拉杆、定距管、折流板和支持板、防冲板、分程隔板,等非受压件和钩圈，不必考虑腐蚀裕量,GB151

6、,关于腐蚀裕量的条文中规定，钩圈要考虑腐蚀,裕量，但在,B,型钩圈厚度的确定公式中未涉及腐蚀裕量问题,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,5,复合板制管板,在,GB151,的,4.3.2.3,P16,规定“管板、平盖可采用堆焊,轧制或爆炸复合板”。采用复合板作管板，对换热管与管,板连接采用强度焊的管板，当管板计算中换热管受轴向压,缩应力时，换热管受到的轴向力就作用在复层和基层结合,的结合面上。由于目前的复合板材料标准中，对复层和基,层结合性能只有剪切强度而无拉

7、伸性能，所以对换热管在,受轴向压缩力作用下复层和基层结合面上结合强度能否满,足要求就无法判定。因此，当管板计算中换热管受轴向压,缩力作用时，对换热管与管板连接采用强度焊的管板，在,复合板材标准中对复层和基层结合强度有规定之前，管板,用复合板是不合适的，应采用堆焊结构,6,换热器型式代号,为了在工程中能用几个符号来说明换热器的结构型式,GB151,和,TEMA,都对换热器规定了用前端（管程流体入口,管箱、壳体（略去管束）和后端（包括管束）的结构代表字,母形式代号,两个标准规定的差别在于壳体结构形式的代号,GB151,将,TEMA,中的,E,单程）分为,E,单程,Q,单,进单出冷凝,I,U,形管,

8、O,外导流筒）四种，将,TEMA,中的分流,G,有隔板分流,穿流,X,无隔板分流,合并为,G,分流）一种（修订版增加了穿流,X,从两个标准规定看,GB151,将,TEMA,中的中的,E,分为,E,Q,I,O,四种，其中,E,和,Q,都是单程出现重复,I,为,U,形管与后端代,号,U,重复产生混淆,GB151,将,TEMA,中的,G,和,X,合并为分流,G,无隔,板,使工艺专业要求的分流和穿流无法区分,TEMA,规定的换热器代号在国际上是通用的，化学工程传,热软件是用的,TEMA,代号，工艺专业的设备设计数据表中自然,也是,TEMA,代号,因此，目前工程设计中按,TEMA,代号统一较,为合适,换

9、热器结构形式和代号举例如下,7,换热器壳体的最小厚度,换热器壳体包括换热器壳程的圆筒和封头、釜式壳体,斜锥及其大小端连接的圆筒）和封头、外头盖圆筒和,封头,在,GB151,中,5.3.2,规定的圆筒最小厚度中，分档尺寸是,换热器公称直径，只解决了直径等于换热器公称直径的,壳程圆筒（含斜锥小端连接的圆筒）的最小厚度，而壳,程的封头和直径不等于换热器公称直径的釜式壳体（斜,锥及其大端连接的圆筒）和封头、外头盖筒体和封头的,最小厚度没有解决,在,TEMA-1999 RCB-3.13,中规定了壳体的最小厚度，其中,壳体包括斜锥及其大小端连接的圆筒，分档尺寸是壳体的名,义直径。按这个规定，釜式壳体的斜锥

10、及其大小端连接圆筒,的最小厚度是按自身的名义直径确定。在,RCB-3.2,中规定壳,体封头、外头盖圆筒和封头（即标准中的壳盖）的最小厚度,与各自壳体相同,在工程设计中，可按,TEMA,规定，对这些壳体按各自的,名义直径从,GB151,规定的圆筒最小厚度表中取值,8,管箱,管箱壳体和封头的最小厚度,管箱的结构有连接平盖的管箱和带封头的管箱。连接平盖,管箱的壳体为圆筒，带封头的管箱壳体为圆筒和封头,GB151,中,5.2.1,规定只涉及到这两种管箱中的圆筒，而对带,封头的管箱壳体中的封头最小厚度没有规定,TEMA-1999,中,RCB-9.11,规定管箱筒体和带封头的管箱,Bonnet,的最小厚度

11、与,壳体的相同，也就是管箱上的圆筒和封头的最小厚度都是按壳,体的最小厚度规定取值。因此，在工程设计中，带封头的管箱,封头最小厚度应按,TEMA,规定取与其筒体相同数值,管箱分程隔板,分程隔板厚度,分程隔板厚度，除必须满足,GB151,中最小厚度外，还应,满足设计条件所要求压降引起的强度要求,GB151,中,5.2.3.2,P18,和,TEMA,中,RCB-9.132,都对分程隔板强度计,算，规定了完全相同的计算方法和公式（如下式），但对其,中的压差P都没有给出确定的方法,式中,b,隔板尺寸,B,隔板尺寸系数,P 隔板两侧压差,t 隔板材料在设温下许用应力,t,B,P,b,5,1,公式中的压P,

12、API 660-2003,版中,7.4.2,规定计算分,程隔板厚度的压差取分程隔板两側压差的,2,倍,API660-2007,版中将,7.4.2,规定修改为取管程允许的总压降,对,API 660-2003,版中的规定存在两种情况：一是对,2,管,程，分程隔板两侧的压差就是管程总压降，再乘以,2,倍，取,值过大；二是对,4,或更多管程，分程隔板两侧的压差可能有,多个数值，没有规定如何选取,对,API 660-2007,版中的规定也存在两种情况：一是对,2,管,程，分程隔板两侧的压差就是管程总压降，取值合理；二是,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

13、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,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,MPa,Z,N,PZ,P,2,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,系数,Z,隔板布置,入口管箱隔板,两侧流动序号,系数,Z,出口管箱（浮头盖）隔板,两侧流动序号,系数,Z,程,1)/(2,1,程片条,1)/(2) (3)/(4,1,2)/(3,1,程工字,1)/(2,3,1,1)/(3) (2)/(4,1,2,3)/(4,1,2)/(3,1

14、,程十字,1)/(4,2,1)/(2) (3)/(4,1,1)/(2) (3)/(4,1,程王字,1)/(2,3,1,1)/(3) (4)/(6,1,4,5)/(6,1,2)/(5,2,2,3)/(4,5,1,2)/(3) (4)/(5,1,程十字,1)/(2) (5)/(6,1,1,2)/(3,4,1,1)/(4) (3)/(6,2,3,4)/(5,6,1,3)/(4,1,隔板厚度，应按隔板位置分别确定折返系数,Z,值和相应的隔,板宽度和长度,代入上述的公式进行计算，取其中的较大值,隔板厚度计算中的尺寸系数,B,按,GB151,表,7,见下表,其中的,a,和,b,分别是隔板在管箱或浮头盖中的

15、纵向截面和横,向截面尺寸,下表中左图为“三边固定，一边简支”，中图为“长边固,定，短边简支”，右图为“短边固定，长边简支,三边固,定”就是三边都是焊缝，“长边固定“就是焊缝在长边，“短,边固定”就是焊缝在短边,在左图中,a,为纵向截面尺寸,b,为横向尺寸,在中图,中,a,为纵向截面尺寸,b,为横向截面尺寸；右图中,a,为横向,截面尺寸,b,为纵向截面尺寸,由于设计条件中提供的允许总压降已经考虑了裕量，所以,在隔板厚度计算中按上述压降计算出的值可不再考虑附加裕量,三边固定,长边固定,短边固定,a / b,B,a / b,B,a / b,B,0.25,0.020,1.0,0.4182,1.0,0.

16、4182,0.5,0.081,1.2,0.4626,1.2,0.5208,0.75,0.173,1.4,0.4680,1.4,0.5988,1.0,0.307,1.6,0.4968,1.6,0.6540,1.5,0.539,1.8,0.4791,1.8,0.6912,2.0,0.657,2.0,0.4973,2.0,0.7146,3.0,0.718,0.5000,0.7500,尺寸系数,B,分程隔板端部的结构和泪孔,分程隔板端部密封面，应与管箱中的设备法兰密,封面齐平，端部密封面的宽度，应比管板上隔板槽宽度,小,1,2 mm,换热器安装后，凡处于水平位置的隔板，在适当,位置，应设置一个直径为6

17、mm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,分程隔板的布置,管箱分程隔板的布置，常用的、程，分程隔,板布置见,GB151,图,15,其布置应与管板上的分程隔板槽相匹,配,分程隔板与管箱壳体或封头的连接焊缝,分程隔板与管箱壳体或封头的连接焊缝,GB151,没有提,要求,TEMA,中,RCB-9.133,规定在隔板的两侧连续焊接，其,焊脚高度不得小于隔板厚度的,2/3,API 660,中,9.2,规定在隔,板的两侧连续焊接或全焊透。在工程设计中应按,TEMA,规定,提要求,管箱长度,管箱内侧最小深度,管箱内侧最小深度,Lm

18、in,的确定原则为,管箱上各组焊件相邻焊缝间应保证有足够的距离（一般,取,3,倍壳体厚度且不小于,40mm,管箱长度应满足接管开孔补强的要求,轴向接管的单程管箱，开口处中心线上的深度应接管,内径的,1/3,多管程管箱，流经相邻两管程之间的最小流通面积不小,于每程换热管的平均截面积的,1.0,1.3,倍,对带封头的管箱，封头的曲面高度,h,在,2,管程以上时是需,计算得到的,管箱内侧最大深度,Lmax,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。其最大深度,Lmax,按下述方法确,定,在与管箱垂直的平面上，按下图,6-2,的中、右图规定,的方法确定出,H,值,H,取

19、图中,H1,H2,或,H3,的较小值），再用,H,值从图的左图查出最大深度值,Lmax,一般取推荐最大值，必,要时可取可能最大值,对带封头的多程管箱，最大深度，取从图,6-2,的左图,中查出的数值；对带管箱平盖的多程管箱，最大深，取从图,6-2,的中查出数值的,2,倍,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,100,200,300,400,500,600,700,800,mm,mm,L,H,max,管箱长度的确定,管箱长度，必须满足管箱内侧最小深度的规定，也要尽,可能满足最大深度的规定。当采取各种措施都不能满足最大深,度要求时，则应在管箱图的技术要求中

20、提出隔板与管箱焊接的,特殊要求。如根据管箱的实际情况，提出隔板应先与封头或先,与封头和壳体焊接后，再组焊其它元件等等,管箱热处理,管箱组焊后，管箱部件的热处理，除必须符合,GB150,对焊,后热处理的要求外，对,GB151,中,6.8,之,a,范围内的管箱还必须,进行焊后热处理,接管位置,换热器管、壳程接管的位置尺寸（见图,7-1,，影响,到管箱的长度和壳程接管部位死区的大小。因此，换热器,管、壳程接管的位置尺寸，应在满足接管处相焊各元件在,壳体上的焊缝间距和接管开孔在壳体上的补强范围要求条,件下，尽可能取较小的数值,相焊各元件在壳体上的焊缝间距，一般取,3,倍壳体厚,度且不小于,40mm,接

21、管开孔在壳体上的实际补强范围，如,果小于,GB150,的规定，则应在开孔补强计算中输入实际补强,范围进行计算,2,放空口和放净口,换热器在操作中，不能利用物料进出口接管将管程,或壳程中的物料放净时，应在热器的管程或壳程之最高位,置设置放空口、最低位置设置放净口,9,接管,10,防冲和导流,防冲板或导流筒的设置条件,管、壳程物料进口接管处，设置防冲板（包括防冲板,防冲杆、导流筒等，常用的是防冲板）的条件，在,GB151,中,5.11.1,和,5.11.2,作了规定。这里主要是应进行进口处的,v2计算，其中,v,是接管进口处的流速，应取接管的内截面,积进行计算,如果设计条件要求的壳程物料进口接管尺

22、寸过大或条,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,2,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入口处的物料流速不得高于入口接,管内的流速。因此,GB151,的,5.11.3,规定的“进出口处流体的流通,面积应不小于进出口接管截面积”，但,5.11.4,又规定为,接管外,径的,1/4,两者是不一致的。在工程上采用防冲板位置,h,采用下,式计算,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,GB151,中

23、,5.11.4,规定“应,大于接管外径,50mm,是不妥,的,2,4,1,h,d,h,i,11,换热管的排列,换热管排列形式,换热管排列形式，一般有图,9-1,所示的,30,60,45,90,四种,图,9-1,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,O,O,O,O,B,D,D,i,L,2,排管区域,管束最外层换热管的限定圆尺寸,DL,OTL,a,管束最外层换热管外壁与壳体间的最小距离,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,10 mm,GB151,

24、中,5.6.3.3,规定8,（见图,9-2,S,型浮头换热器（见图,9-3,B=b+b1+b2,b,b1,b2,按,GB151,中,5.6.3.3,规定,T,型浮头换热器（见图,9-4,B=b+b1+b2+b4,b,b1,b2,按,GB151,中,5.6.3.3,规定,b4,为浮头端管板外圆与管板密封面,外圆间距离，其值与浮头盖紧固螺栓直径有关。通常浮头盖紧,固螺栓直径为,M20,M24,M27,相应的,b4,之值为,36,42,46mm,b,换热器的管束最外层换热管的限定圆尺寸为,壳程进出口位置，排管后应满足,GB151,中,5.11.3,规定的,流通面积的要求。但,GB151,之,5.11

25、.3,所规定的“壳程和管束进,出口处流通面积应,不小于进出口接管截面积,并使流体流经,进出口处的v2值不超过5950kg/(ms2)”是错误的，正,确的规定应为“壳程和管束进出口处流通面积应使流体流经,进出口处的v2值不超过5950kg/(ms2)”。此处,v,是壳程,和管束进出口区域的流速，应取该区域的流通面积进行计算,管束最外层管换热管外壁与防冲板下表面间的最小距,离，一般取为,6mm,见图,9-5,管束的排管范围，就是在管束最外层换热管的限定圆,尺寸,DL,范围内扣除和所要求部分的整个范围,换热管排列原则,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,换热管排

26、列，应在排管范围内排满管子，并尽可能使整,个管束对称,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。在换热器设计条件中，除提了换热面积外，有的还提,了换热管的数量要求。设计中应以换热面积为准，将换热管的,数量看作参考。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,多管程换热器的换热管排列，还应满足下列各条,a,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,b,各程管数应尽可能相等，其相对误差应控制在,5,10,以内（换热器直径小

27、时，取较大值,拉杆应布置原则,拉杆的数量不得少于,GB151,表,44,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,12,折流板和支持板,折流板的结构形式,折流板、支持板（以下简称折流板）多为弓形，也有,圆盘圆环形。弓形折流板有单弓、双弓和三弓形，见,GB151,中图,37,常用形式为单弓形和双弓形,单弓形和双弓形折流板的结构如图,10-1,图中单弓折,流板缺边的位置，可以是水平的也可以是竖直的（对立式换,热器

28、，水平是指壳程物料进口管与折流板缺边垂直者，竖直,是指平行者）。卧式换热器的折流板，应在其工作位置的最,高或最低处，设置深度为,15mm,夹角为,90,的,V,形缺口，见,图,10-1,折流板的布置,一般型式壳体的折流板布置，应符合设计条件的要求,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，还应使折流板与防冲板边缘或接管内壁间距离至少为,10,20mm,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,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（见图,17,中,Ln,，应满足管壳程热膨胀差的要求，一般,应为

29、,50,60mm,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,GB151,中,5.9.5.3,的表,42,所列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,折流板的尺寸,折流板缺边的位置,折流板缺边的位置尺寸（图,10-1,，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。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

30、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,折流板的外圆直径,折流板的外圆直径,GB-151,在中,5.9.4,的表,41,作了规,定。但这个规定与,5.6.3.3,的表,15,中规定的浮头式换热器,的,b1,值不匹配。如,DN=2000,2600mm,的浮头换热器，按表,15,确定管板外径，就大于按表,41,确定折流板外径，使折流,板对管束不能起支撑作用,由于表,15,中规定的浮头式换热器的,b1,值涉及的因素很,多，所以在工程设计中，建议对,

31、DN1700,2600mm,浮头式换,热器，将表,41,中的折流板外径都采用,DN-8mm,折流板的厚度,折流板的厚度,GB151,中,5.9.2.2,的表,34,列出的数据的确,定因素为“换热器的名义直径”和管束中“换热管最大无支,撑跨距”。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,GB151,的规定，折流板的厚度是据管束上任何部位的,换热管无支撑跨之较大值确定；按,TEMA,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

32、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,TEMA,不考虑管板和折流板间跨距,是合理的。因此，在工程设计中，折流板的厚度应按,TEMA,规定确定,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,圆环板的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,GB151,中,5.9.6,条规定为加厚环板，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

33、厚度可按,GB151,的表,34,P72,中跨距大于,1500mm,栏的数据选取,折流板的管孔直径,GB151,的,5.9.3.1,的表,35,和表,36,中折流板管孔直径，在一,些情况级和级是矛盾的，在一些情况下级的要求比级,低,GB151,征求意见稿已对此进行了修改,折流板的管孔间距公差,GB151,和,TEMA,对折流板的管孔间距公差都没有规定。在制,造中要保证这个间距精度，就必须采用定位准确的钻模板或数,控机床钻孔和逐块加工。在我国制造换热器的厂家很多，制造,装备差异很大，在那些不具备条件的厂家中往往采用定位不准,确的划线来定位，而我们在设计换热器时又不知道将来的制造,厂家是否具备条件

34、。基于这种情况，我们在施工图设计中，对,折流板的管孔间距加注公差,0.3mm,如果制造厂家已具备了定,位准确的钻孔条件，且采用逐块进行加工，那末设计图中对折,流板的管孔间距就不必注公差,13,管板,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,GB151,附,录,G,中有提示性规定,图,G1(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，其值应取计算值和,10mm,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,管板与换热管的连接,管板与换热管的连接,

35、GB151,中,5.8,规定了强度胀、强度,焊、强度焊加贴胀和强度焊加强度胀等结构型式,胀接结构。胀接的方法，有机械胀接和液压胀接。机械,胀接是国内普遍采用的方法，由于胀接质量涉及许多因素难,于得到有效控制，所以其使用的范围也受到限制；液压胀接,国内许多制造厂已经使用，由于液压胀接的压力受到多种因素,的影响，所以在技术上尚不够成熟,GB151,中,5.8,的是基于机械,胀接规定的，故其使用的压力不宜超过,2.5MPa,GB151,规定为,4.0MPa,，使用的温度不宜超过300,焊接结构。焊接的方法，有手工焊接和自动焊接。手工焊,接是国内普遍采用的方法，自动焊接国内许多制造厂也已经,使用。两种

36、焊接方法的焊接质量，都能有效地得到控制。因,此，焊接的使用范围是不限制的。但是，只用焊接，在管板,孔与换热管间存在间隙，不仅会引起间隙腐蚀，而且还会在,运输或操作过程中因管子抖动使焊缝损坏,强度焊加贴胀和强度焊加强度胀结构，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，在目前国内制造技术水平下是一种较好,的结构,在工程设计中，通常采用强度焊加贴胀结构。对于设计,参数高、工艺要求苛刻的换热器，可采用强度焊加强度胀结,构,管板分程隔板槽拐角处倒角尺寸,GB151,中,5.6.6.2-c,规定分程隔板槽拐角处倒角一般,为,45,o,倒角宽度,b,近似等于分程垫

37、片的圆角半径,R,这个规定,是不妥的，特别对,4,管程以上的隔板槽更是不行。对隔板槽,与凸台外圆相交拐角处用这样的倒角尺寸，因其中心线偏离,管板中心线而使倒角与垫片分程条相碰；对隔板槽之间的拐,角处用这样的倒角尺寸，可能造成管孔被倒角切掉。正确的,做法为，前者应根据相关元件的尺寸计算得到，后者应采用,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,见图,11-1,平盖上的分程隔板槽拐角处倒角尺寸，与管板的要求,相同,管板的管孔孔桥宽度偏差计算中的钻头偏移量,2,在,GB151,中,6.4.5,对管板管孔的孔桥宽度做了规定，并在,GB151,

38、中,6.4.5.1,规定钻头偏摆量,2,0.0016mm,这是错误,的（在征求意见稿中已修改,TEMA,在表,RCB-7.42,中规定了管桥宽度。表中数据的计算方,法为：钻头偏移量,0.0016,管孔直径分之管板厚度,英寸,写成公式为,式中：管板厚度,mm,d,管孔直径,mm,工程设计中,2,的数值应按,TEMA,的公式计算,mm,d,d,041,0,4,25,0016,0,2,5,管板的强度计算,管板的强度，一般按,SW6,计算。但要注意下面几个问,题,管板分程处未布管区域面积,A,d,在管板强度计算中的布管区面积，对单程换热器是按换,热管排列形式、间距和管子直径均匀排列计算的；对多管程,换

39、热器，由于分程处的换热管间距和排列形式不同，且又是,在布管区之内，所以其布管区面积除按换热管排列形式、间,距和管子直径均匀排列计算外，还必须加上分程处因换热管,间距和排列形式不同而在布管区域所占的面积，这就是,Ad,见图,11-2,阴影部分）。在,GB151,中,5.7.1.1,中列出的公式为,S,S,S,n,A,S,S,S,n,A,n,d,n,d,866,0,和,这里的公式只适用于,2,管程的正三角形及正方形（见图,11-2,左侧的两个图）。因为，公式中的,n,对,4,程及以上的,排列，分程处两侧管排上的管孔数是不相同的，应取两侧管,孔数的平均值；公式中的,S,对转角三角形及转角正方形,见图

40、,11-2,右侧的两个图）括号内和括号外也是不相同的,因此，适用于各种情况的公式可近似为,式中,N,换热管排列形式，三角形排列为,3,正方,形排列为,4,n1,n2,分程处两侧管排上的管孔数,S,1,分程处两侧管排上的管孔排列间距,其余符号，同,GB151,规定,2,1,2,1,2,2,S,N,S,S,n,n,A,n,d,固定管板换热器管板延长法兰厚度,固定管板换热器管板延长法兰厚度，在,GB151,中称为,壳体法兰”，其厚度是用在四种操作工况下进行管板计算中,得到的。在现行的,SW6,的管板计算中，还取管箱法兰厚度的,0.6,倍作为管板延长法兰厚度的最小值（目前已取消,固定管板换热器管板延长

41、法兰，是通过螺栓与管箱连接的,其厚度应由与管箱连接的螺栓载荷确定。在,TEMA,ASME,EN,13445,中，都是与管箱连接的螺栓载荷进行计算的。其中,ASME,EN 13445,的计算公式为,式中,W,管箱法兰的螺栓载荷（操作和预紧,hG,管箱法兰垫片力矩的力背,S,管板材料在设温和常温下的许用应力,G,管箱法兰垫片压紧圆直径,G,S,h,W,h,G,r,9,1,GB151,的计算方法，对管板延长法兰的厚度，只考虑了操,作条件下的四种工况，预紧条件下能否满足要求，以前是用管,箱法兰厚度的,0.6,倍来控制。以管箱法兰厚度的,0.6,倍作为管板,延长法兰的最小厚度，是上,70,年代初，在还没

42、有管板延长法兰,厚度计算方法时，根据当时的经验确定的,在四种工况的计算中，所用的法兰力矩是用法兰计算中需,要的螺栓面积确定的，这种方法与法兰计算方法有较大的差异,同时，用管箱法兰厚度的,0.6,倍来作为管板延长法兰的厚度,现在已被取消，也就是在预紧条件下的管板延长法兰的厚度是,否满足要求不得而知。现在，管板延长法兰厚度的计算方法,在国外标准中已经使用多年，取消,0.6,倍这个判断依据是合理,的，但在预紧条件下的管板延长法兰的厚度是否满足要求，也,是必须进行核算的。因此，建议在用,SW6,计算合格后，再用,ASME,公式对管板延长法兰的厚度进行核算来解决这个问题,浮头式换热器的换热管轴向应力,在

43、浮头式换热器工程设计中，采用现行的,SW6,软件计算时,常常出现换热管的轴向应力超过其许用压缩应力，且被判断为,不合格。要使其合格最有效的方法是减小折流板间距，而折流,板间距的改变会影响传热，就必须重新进行传热计算。如何解,决这个问题呢,首先，看看国外标准的规定。在,TEMA-7.2,中，只对固定管,板式换热器才计算换热管和壳体的轴向应力，对,U,形管和浮头,式换热器，不要求进行轴向应力计算,其次，在工程实际中有大量从国外进口的按,TEMA,设计的浮,头式换热器，都没有计算这个轴向应力，使用多年没有反映出,换热管失稳问题；国内设计的这类换热器，虽然计算出的这个,应力有的不满足要求，但多年使用也

44、没有反映出有换热管失稳,的问题,第三,GB151,规定的计算方法中有几点与国外标准,ASME,EN 13445,规定不一致,a,垫片压紧圆直径,Dg,GB151,规定按固定端管板取,值,ASME,EN 13445,规定是按浮动端管板取值,b,管束刚度,GB151,规定只与管板的弹性模量有关而,与管板厚度无关,ASME,EN 13445,规定不仅管板的弹性,模量有关也与管板厚度有关,c,换热管的稳定安全系数,GB151,的,5.7.1.2,之,43,44,规定为,2,征求意见稿修改为,1.5,ASME,EN 13445,规,定应计算获得并在,1.25,2.0,之间,鉴于如此，当用现行的,SW6,

45、计算出的浮头式换热器的,换热管轴向应力，不能满足要求时，可只将其作为参考，不,作为判断依据,T,型浮头的浮动端管板计算,在,GB151,中，没有规定,T,型浮头式换热器的浮动端管,板的计算方法，在,TEMA-7-132,中有这种管板的计算规定。因,此，在工程上设计中，对,T,型浮头式换热器的浮动端管板,应采用,TEMA,规定的方法进行计算，即取浮动端管板延长法,兰计算厚度加结构尺寸和固定端管板计算厚度之较大值,浮动端管板延长法兰厚度，按,ASME,规定的方法较为简,单，公式如下,式中,W,浮头盖法兰的螺栓载荷（操作和预紧,hG,浮头盖法兰垫片力矩的力背,S,浮动管板材料在设温和常温下的许用应力

46、,G,浮头盖法兰垫片紧圆直径,G,S,h,W,h,G,r,9,1,14,浮头盖,浮头盖内侧最小的深度,浮头盖内侧最小深度，是指浮头盖法兰密封面至球面,封头内表面间的距离，其值应根据分程隔板的布置确定，并,应满足,GB151,中,5.14.2,规定的保证流通面积的要求,浮头盖的分程隔板,分程隔板的厚度，与管箱隔板的要求相同,分程隔板的布置，应与浮动端管板上的分程隔板槽,相匹配,在换热器操作时，处于水平位置的分程隔板，应设,置,6 mm,的泪孔,浮头盖的热处理,GB151,中,6.8-a,规定“碳钢、低合金钢的,焊有分程隔,板的管箱和浮头盖,在施焊后作消除应力热处理”，在,应用中产生了不同的理解。

47、一种认为只有带分程隔板的浮,头盖才要热处理,另一种认为带和不带分程隔板的浮头盖都,要热处理,浮头盖是一个法兰与一个球面封头直接相焊。因焊缝,属于角焊缝，既承受内压也承受外压力的作用，要求焊缝,尺寸比较大，焊接应力也相应较大，且焊缝距密封面又很,近。故浮头盖无论带和不带分程隔板都应在焊后进行消除,应力热处理,浮头盖法兰强度计算,浮头盖法兰计算按,GB151,中,5.14.5,计算，需注意,下列几点,浮头盖法兰厚度，应满足,5.14.2,条规定的浮,头盖最小内侧深度,流通面积,的要求,浮头盖法兰的螺栓直径应M27，且应采用,GB,的标准螺母,浮头盖既受内压也受外压，应在满足内压和,外压要求前提下找

48、出经济合理的结构尺寸,在,GB151,中,5.15,规定钩圈有,A,型和,B,型。其中,B,型，因管板插入,钩圈较深，浮头部分所占的轴向空间比,A,型小，所以一般应优选用,B,型,GB151,规定,B,型钩圈的厚度等于浮动管板厚度加,16mm,公,式,46,钩圈的剪切面处厚度,30mm,钩圈与管板的配合偏差为钩,圈内径,0.2/+0.05mm,管板外径,0/-0.2mm,按,GB151,的规定，钩圈与管板的配合偏差可使钩圈与管板成,一体而不存在弯曲应力，剪切面,30mm,厚度可保证,B,型在任何工况都,是安全的。因此，钩圈是不需要进行强度计算的。由于钩圈的受力,是来自于与之连接的法兰螺栓，而螺

49、栓载荷与浮动管板的厚度并无,线性关系，所以按,GB151,所规定的钩圈尺寸在强度上不能说是安全,的,实际使用中反映出剪切面厚度,30mm,就有问题。因此,在,GB151,征求意见稿中，就补充了剪切面厚度的计算公式,GB151,管板和钩,圈规定的配合偏差，其精度等级是相当高的，采用提高配合精度来,免除相当简单的钩圈的弯曲强度计算，这种做法是否合理，大家可,以分析,15. B,型钩圈,对这种结构的钩圈，在,TEMA-1999RCB-5.141,和,PD,5500-2003,的,3.8.3.7,中，除对法兰与钩圈之间有足够的间隙,9.5mm,有规定外，还规定钩圈内径与管板外圆间的间隙,为0.8mm和

50、对钩圈的弯曲强度和剪切强度的计算方法,两个标准规定的计算方法，所受的载荷都是连接法兰的,螺栓设计载荷,TEMA-1999,计算方法较简便,PD 5500,2003,方法考虑因素较全面。下面简介,TEMA-1999,在,RCB,5.141,规定的钩圈计算方法,按弯曲计算,按剪切计算,mm,S,B,Y,H,W,T,3,10,mm,S,Z,W,t,S,6,10,式中,A,钩圈外径,mm,B,钩圈内径,mm,C,螺栓圆直径,mm,H,力背,H = (C-B)/2,mm,T,钩圈厚度,mm,t,钩圈剪切厚度,mm,W,螺栓设计载荷,kN,Z,浮动管板外径,mm,Y,法兰系数，按,K=A/B,查取,S,S

51、s,许用弯曲、剪切应力,kPa,在,GB151,征求意见稿中，补充了,TEMA,规定公式，但钩圈厚,度仍然是管板厚度加,16mm,16,设备法兰,法兰结构,法兰型式,换热器的设备法兰型式，在,GB151,中没有规定,API,660-2007,的,7.8.2,规定“除另有规定外，设备法兰应为锻制,焊颈法兰,在工程设计中,一般选用锻制长颈对焊法兰，与,API,规定是一致的,法兰总高度,锻制长颈对焊法兰的总高，由法兰厚度、锥颈高度和连,接壳体的圆筒长度组成,ASME,1,附录,2,图,2-4,中,6,6a,6b,所示的法兰结,构见图,14,按,ASME,图,2-4,中,6,的规定，当设备法兰锥颈的斜

52、,度13，且锥颈高度1.5倍小端厚度时，锥颈小端与壳体,可直接相焊（可没有直段圆筒）。当壳体厚度小于小端厚度,时，在小端与壳体处可加一长度满足,GB150,中,10.2.4.3,削薄要,求的圆筒,GB151,对设备法兰没有提要求，也就是按,GB150,规定,在,GB150.3-2011,中，将,ASME,1,附录,2,图,2-4,中,6,6a,6b,所示的法兰结构分成并列的三个图，并在设备法兰标准,NB,中，不管锥颈的斜度大小全带直段圆筒，致使该标准规定的法,兰总高过长,换热器的设备法兰，其总高影响到接管口的位置，接管口,的位置不仅影响到管箱长度，更影响到壳程死区的大小。因,此，设备法兰的总高

53、不宜过长,法兰密封面,换热器的设备法兰密封面，在,GB151,中没有规定,TEMA,1999,中的,R-6.5,规定为“垫片连接应是限制型的”。所谓“限制型”连,接就是法兰为凹凸面连接。在工程设计中，法兰花一般采用凹凸面,与,TEMA,要求是一致的。密封面的粗糙度，国内外的标准所规定粗糙度,要求基本一致，设备法兰的要求如下表所示,在工程设计中对换热器设备法兰密封面的粗糙度，是按,NB,设备,法兰标准中的规定，除金属平垫外基本上都是采用,Ra 6.3,目前，换,热器在制造和使用中，设备法兰连接处容易产生泄漏，法兰密封面的,粗糙度要求过低可能是一个重要因素。因此，换热器设备法兰密封面,的粗糙度要求

54、，应适当提高,垫,片,型,式,API 660,要求的粗糙度,HG-20583,要求的粗糙度,金属平垫,1.6,0.8,金属包垫,1.6,3.2,1.6,缠绕垫,3.2,6.3,3.2,12.5,软垫片密封的齿形金属垫,3.2,6.3,12.5,垫片,GB151,中附录,H,的规定，是一般法兰连接对垫片的要求,TEMA-1999,RCB-6.2,规定“内浮头连接处、设计压力,300 psi(2.1MPa)或介质为碳氢化合物的连接处，应采用金属,包垫片或实心金属垫片,API 660-2007,中,7.10.1,条规定“烃介质下的垫片应为内填纤,维的双面包金属垫、实心金属垫、有软垫片密封面的金属齿形

55、垫,或内填纤维的缠绕式金属垫,7.10.2,条规定当采用缠绕垫时,应规定避免螺旋缠绕垫片过度压缩的办法,可见，换热器设备法兰连接处的垫片，若采用缠绕垫需要有,特别的要求，在工程设计中，用得较多的是金属包垫,法兰计算,换热器上设备法兰有管板两侧的法兰、管箱平盖连接法兰,外头盖法兰、外头盖侧法兰等。这些设备法兰因所在部位不同而,受到设计条件的的影响也不同。因此，换热器上的设备法兰设,计，除按,GB150,规定外，还必须根据所在部位考虑下列因素,螺栓设计温度,管板两侧的法兰，由于管、壳程的温度都作用在螺栓上,所以螺栓设计温度应取管、壳程设计温度中之较大值,螺栓载荷,夹持式管板两侧的法兰，由于螺栓是管

56、、壳程法兰共有,的，所以螺栓的预紧载荷和操作载荷都应取管、壳程计算所,需要的较大值,管、壳程设计压力、温度和垫片的相互影响,夹持式管板两侧的法兰，由于管程和壳程的设计压力、温,度和垫片，既分别作用在各自法兰上，又通过螺栓和管板作用,到另一侧的法兰上，所以在这对法兰计算中还应考虑管板两侧,设计条件不同带来的影响,垫片分程隔条的影响,带分程隔板的法兰。由于垫片带有分程隔条，所以计算螺,栓的预紧载荷和操作载荷时，还要考虑垫片分程隔条的影响,考虑垫片分程隔条的影响的螺栓载荷计算方法,TEMA-1999,中,RPG-RCB-11.7,做了规定,法兰刚度,换热器各部位的设备法兰，都应按,ASME,1-20

57、07,附录,2,14,进行刚度校核计算。换热器设备法兰的刚度校核,TEMA,中一,直要求对低压力大直径的法兰按,ASME,1,附录,S,参考性附录,进行核算,ASME,1-2007,版，已将法兰刚度校核计算列入附,录,2-14,强制性附录）中，且没有规定进行核算的限制条件，也,就是按,ASME,1,附录,2,规定设计法兰，既要进行强度计算，也,要进行刚度校核,GB150.3-2011,的法兰部分，也按,ASME,规定,了计算公式,进行法兰刚校核的条件,TEMA,中规定为低压力大直径。国,内外的工程公司也根据各自的经验有不同的规定。有的规定为设,计压力2.0MPa、名义直径,90mm,的法兰需进

58、行刚度校核；有的,规定名义直径超过,1200mm,的法兰要进行刚度计算,旁路挡板是为防止物料横向流动区域未布换热管的部分之间,隙较大而形成旁路设置的。对弓形折流板，应设置在物料横向,流动区域相邻两块折流板切口间重叠部分。旁路挡板的设置与,否取决于旁路间隙的大小；旁路挡板的数量取决于重叠部分的,大小，重叠部分越大，需要的旁路挡板数量也越多,GB151,的,5.13.1,规定按换热器公称直径规定旁路挡板的数量是不合适的,什么情况下应设置旁路挡板？旁路挡板数量如何确定？旁路,挡板的布置有和要求？旁路挡板与换热管间的间隙取多少？旁,路挡板的厚度如何确定,API660,2003,2007,版）的规定（见

59、,图,15,可供设计中采用,API660,的规定如下,17,旁路挡板,7.6.5.1,对非等温介质，当旁路间隙超过,5/8,英寸,16 mm,时，应采用旁路挡板（如密封条、假管、拉杆）。其位置如下,a,当折流板切口边缘间距为6个管间距时，应提供位于折流,板切口间大约中间部位的单个旁路挡板,b,当折流板切口边缘间距为超过,6,个管间距时，应提供多个旁,路挡板。在每块折流板切口边缘至最外侧旁路挡板不大于,3,英寸,76,mm,的情况下，旁路挡板应位于折流板切口间每,5,7,个管间距部,位。,7.6.5.2,外围旁路挡板，应从横向折流板外边缘延伸进入管,束，其与邻近管子的间隙不得超过管子间名义间隙。,7.6.5.3,内部旁路挡板，应放在与邻近管子的间隙不得超过管,子间名义间隙的部位。,7.6.5.5,旁路挡板的厚度应为横向折流板的名义厚度或,1/4,英,寸,6 mm,，取较薄者。,7.6.5.6,旁路挡板，应在每块横向折流板的一侧连续焊上。,7.6.5.7,旁路挡板的导向端和尾端都应提供斜角或半圆角，以防止,安装和拆卸管束时损伤壳体。,7.6.5.8,外围旁路挡板不得节制管束入口或出口物流。,按上述规定,当旁路间隙超过,5/8,英寸,16 mm,，在各部位旁路挡板,的设置和要求,可应按下述方法处理,a,对管束外围，局部旁路间隙超过规定值区域小于,3,英寸者，不必设,置