管壳式换热器 GB151讲义.doc

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1、管壳式换热器 GB151-1999一.适用范围1.型式 固定Pt、PS大，t小 浮头、U形Pt大，t大一般不用于，易燃爆，有毒，易挥发和贵重介质。 结构型式：外填料函式、滑动管板填料函、双填料函式（径向双道）2.参数。参数超出时参照执行。DN:板卷按内径，管制按外径。3.管束精度等级仅对CS，LAS冷拔换热管 级采用较高级，高级精度（通常用于无相变和易产生振动的场合） 级采用普通级精度 （通常用于再沸，冷凝和无振动场合） 不同精度等级管束在换热器设计中涉及管板管孔，折流板管孔的加工公差。 GB13296不锈钢换热管，一种精度，相当级；有色金属按相应标准。4.不适用范围 受直接火焰加热、受核辐射

2、、要求疲劳分析、已有其它行业标准（制冷、造纸等）PD0.1MPa或真空度0.02MPa+二引用标准1. 压力容器安全技术监察规程监察范围，类别划分等 按管、壳程的各自条件划类，以其中类别高的为准，制造技术可分别要求。壳程容积不扣除换热管占据容积计，管程容积=管箱容积+换热管内部容积。 壳程容积=内径截面积X管板内侧间长度。 2. GB150-1998钢制压力容器设计界限、载荷、材料及许用应力、各受压元件的结构和强度计算。 3.有关材料标准。管材、板材、锻件等 4.有关零部件标准。封头、法兰（容器法兰、管法兰）紧固件、垫片、膨胀节、支座等三设计参数1. 有关定义同GB1502. 设计压力Mpa分

3、别按管、壳程设计压力，并取最苛刻的压力组合（一侧为零或真空）。管板压差设计仅适用确能保证管、壳程同时升降压，如1）自换热 2）Pt Ps均较高，操作又能绝对保证同时升降压。 3 设计温度0以上，设计温度最高金属温度。0以下，设计温度最低金属温度。（一般可参照HG20580设计基础） 应力计算用* 对气-气或液-液可近似取管、壳程介质平均温度的平均值。其它按估算。* 可近似取壳程介质平均温度。外有保温或流体温度近似等于环境温度4.腐蚀裕量C2（仅对管，壳程均匀腐蚀）年腐蚀率设计寿命 mm0.250123对换热器设计寿命通常考虑810年（对炼油设备或有磨蚀的C2较上表大）压缩空气、水蒸汽、水对CS

4、、LAS1mm,双面考虑的元件管板、浮头法兰、浮头盖、钩圈，管板、平盖的槽深作C2或加差值。(槽深与C2取大值)不另考虑C2的元件换热管*、拉杆、定距管、折流板、支持板等。*流动性较好腐蚀相对轻，换热元件要求给热系数小，管头胀接不宜过厚。5.许用应力CS、LAS、SS按GB150，有色金属按GB151附录D。 铝、铜及其合金 nb=4、ns=1.5 钛及其合金 nb=3、ns=1.5 复合板结合率B2级，可计入复层 6.焊接接头系数CS、LAS、SS按GB150，有色金属按GB151附录D，管板圆筒环向接头，用氩弧焊打底或有垫板焊接=0.6。7.换热面积 m2管束外表面积 ，L管板内侧有效长度

5、。U形管一般不包括弯管段面积。8.换热器公称长度 m9.压力试验、气密试验气密试验常用于易燃、极度、高度毒性介质或管、壳介质互漏时会有严重危害（例如加重腐蚀、引起爆炸、影响产品质量、催化剂中毒、吸附剂粉化等）。试验压力值同GB150管板按压差设计时，须规定管、壳程升、降压的具体压差值，A法： 100%NH3，23KPaB法： 1030%，NH3，0.151.0MpaC法： 1% NH3，11.05PD四.材料1. CS、LAS、SS按GB1502.有色金属按GB151附录D1) 铝和铝合金8Mpa，-269200，对65不宜用含Mg3%的Al-Mg合金*，2) 铜和铜合金 纯铜150，铜合金2

6、003) 钛和钛合金 纯钛300，钛合金350*Mg在Al中的室温溶解度0.34%，极限溶解度14.9%，Mg含量较高，会在晶间析出相（Mg2Al3, Mg8Al5）,在某些介质中会产生应力腐蚀敏感性，只有在65以下不会产生。析出相过多也会降低冲击韧性。3.锻件1) 带凸肩与圆筒或管箱对接焊的管板，2) 厚度60mm的管板，3) 形状复杂的管板4) 锻件级别级。4.复合材料1) 筒体、封头复合板（轧制、爆炸复合）2) 管板、平盖复合或堆焊，堆焊分2层，第1层打底后热处理.3) 轧制复合不锈钢管板级，平盖级, 爆炸复合管板B1级，平盖B3级。（贴合率与剪切强度指标不同）5.换热管通常用无缝管，附

7、录C的SS有缝管用于PD6.4Mpa，非极度危害介质，并考虑接头系数0.85。五.设计1.管箱1) 管箱深度a) 轴向开孔 开孔中心处最小深度dib) 侧向开孔 满足元件焊接距离要求c) 对多管程管箱、相邻两程之间最小流通面积每程换热管流通面积的1.3倍2) 平盖厚度（用于平盖管箱）a) 无分程隔板（强度条件） 操作时 预紧时 b) 有分程隔板（含刚度条件） 中心扰度Y： DN600 Y=0.75 DN600 Y= （mm）最终取、中之大值3) 分程隔板a) 分程原则 每程换热管数大致相等，隔板槽形状简单，容易加工，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）b) 常用分

8、程形式c) 最小厚度压差大时按（式12）进行计算 B：尺寸系数与隔板结构尺寸有关d) 隔板密封端最大厚度10mm，超过时端部削边。 e) 隔板槽 槽深4mm（大于密封垫厚度） 槽宽 隔板密封端厚+2mm， 槽拐角处倒角 b45br（垫片转角）。f) 密封面与法兰齐平，同时加工。4) 管箱 PWHT（针对CS、LAS，SS一般不做）消除焊接残余应力，否则易引起法兰变形（甲型法兰尤甚），影响密封性能。2.圆筒1) 公称直径 宜与标准封头或容器法兰（以外径为标准的与管法兰匹配）匹配2) 厚度 最小厚度考虑保证刚性、变形小，管束/管板易安装，尤其对U形、浮头式重叠式局部应力；以及PTPs时，壳侧试压值

9、要提高 min (CS、LAS) mm* 表中含1mm C2值，当设计C21mm 时，增加差值。 min (SS) mm 3） 制造要求 e0.5%DN，且DN1200 e5，DN1200 e7；周长 内表面焊缝磨平。 直线度L/1000且L6000 4.5， L6000 83.接管1) 与圆筒内表面齐平2) 径向或轴向设置3) TD300，用带颈对焊法兰，4) 高点排气，低点排液，DN20（或螺塞）4.换热管（GB/T8163流体输送，GB9948石油裂解，GB13296锅炉、换热器S.S.无缝管）1) 公称长度（m）1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0,1

10、2.0（有利于提高管材利用率）2) 规格 按各自材料标准（见表10），其中CS，LAS，SS常用规格： （d0）14,19,25,32,38,45,573) 偏差分、级精度，SS均相当级精度4) U形管 a) 弯曲半径 R2d0(R管中心半径)b) 弯前最小min 直管 R弯曲半径（指到管中心）管外径c) 弯后圆度偏差10% ，R2.5 的可15% d) 热处理 对有应力腐蚀且冷弯，则弯管段+150mm直段：CS、 LAS消应处理；SS商定方法；有色金属一般不做5） 长度拼接a) 不允许拼接的图样要注明，b) 允许拼接的相关要求：焊接工艺评定接头数，直管1条，U形管2条，最短300mm，弯管段

11、+50mm直段内无接头坡口机械加工，错边量e32或ll900且管孔d允许偏差 级（CS、LAS） mm1416192532384557管孔d14.616.619.625.832.838.845.858.0允许偏差有色金属换热管详见表37表40.无诱导振动，并对传热影响不大时可适当放大管孔尺寸，但不超越钢管的级孔.e) 板的外径 mmDN400400500500900900130013001700170020002000230023002600名义外径DN-2.53.54.568101214允许偏差无缝钢制圆筒：Di-2mm4) 折流板布置a) 两端的尽量靠近壳程进、出口管，缺口位于远离接管方位

12、b) 等距分布c) 最小间距1/5Di，且50mm，一般不大于Di，缺口处Lla(螺纹深)10防冲与导流1）作用 减轻冲蚀，改善流体不均匀分布。2）防冲板 a） 设置条件 轴向进口流速3m/s 壳程进口流体的2值：非腐蚀、磨蚀单相2230Kg/ms2 其他液体740Kg/ms2有腐蚀、磨蚀气体、蒸汽、气液混合物。b） 尺寸 间距1/4接管外径板的直径或边长=接管外径+50mm。厚度：CS4.5mm,SS3mmc） 组合式单片防冲罩 （适用于满布管） 3）导流筒 防冲与均布作用a） 设置条件 壳程进出口管距管板较远，流体停滞区过大，b） 作用 减少流体停滞区，增加有效换热长度，提高换热面积利用率

13、，c） 内导流筒 筒壳间隙1/3接管外径，筒端空距以流通面积对等为准，即F环隙=F周向外导流筒 筒壳间隙：接管外径200mm 为50mm， 接管外径200mm为75mm。 4）扩大管 起缓冲作用，常用于蒸汽进口管11. 双壳程1） 纵向隔板a） =6mm， 端部与管板连接（焊接或螺栓）（取决于刚度和压差）b） 回流端通道面积折流板缺口面积2） 密封 单向密封和双向密封2种结构，单向的应设置在压力高的一侧（进流侧）。常用于可抽式管束，固定管板式可焊死或插入壳体槽口12防短路1） 旁路挡板(密封条)a)设在与折流流向相垂直处，焊于折流板槽口，厚度=折b)数量 DN500mm 1对500DN1000

14、mm 2对DN1000mm 3对对DN小的，管数少的效果明显2） 挡管（假管） a） 结构 空管+端板(温度太高的不宜堵死)，直径同换热管，长度超出首尾折流板50mm与折流板点焊。b） 数量 每隔34排换热管设1根。3） 设置部位a） 旁路挡板在周边。b） 挡管在管箱分程隔板对应处。c） 两者均应设置在有效折流区内。 4）中间挡板 用于U形管束的壳侧中间通道，与折流板点焊13滑道1） 用途 可抽式管束装拆用2） 结构 滑板、滚轮、滑条3种结构 滑条（卧式再沸点用，管束d与外壳D相切）14支座 1）鞍座 鞍座距离 L3000 LB=（0.40.6）LL3000 LB=（0.50.7）LL管板间长

15、度；LB支座中心间距；两端对称 2）耳座 DN800 至少2个，对称分布， DN800 至少4个，均匀分布。3） 重叠式a） 重叠支座高度比接管高度少5mm，b） 重叠支座处增设调整垫片，c） 重量较大时，可增设1组支座，并校核筒体局部应力。 15波形膨胀节 GB16749-1997标准是按TD=300，许用循环次数N=3000次 1）结构 单波，多波（轴向刚度Kn= 单层，多层（各层的）多层膨胀节的优越性：挠性好，补偿变形能力强挠曲时有多个中性面，断面弯曲应力趋于总体均衡疲劳寿命高，约为单层的6倍结构紧凑，占用空间小利于采用耐腐蚀材料不会发生突然破坏，相对安全2） 选材a） 耐腐蚀介质，且C

16、21mm，否则用SS，b） 温度 CS、LAS375C， SS500C。3）热处理a）体钢冷成形，消除应力热处理，b）钢冷成形不热处理，热成形固溶处理。4）制造 a）整体式（ZD或ZX）有纵缝，无环缝，挤压或滚压成形，减薄量10%壁厚。b）冲压，环向拼接成形接头全焊透结构，接头100% X检测，消除应力热处理或固溶处理（SS），接头无角变形，错边量，焊缝内外表面磨光与圆弧一致。 C）焊接接头控制要点 错边量 影响应力分布均匀性，多层结构的贴合度等。有限制值 余高 余高对最后一层焊道有保温和缓冷作用，有利于减小焊接应力。但局部形状突变引起应力集中影响疲劳寿命。有限制值。 咬边 相当于尖锐缺口，造

17、成应力集中大，对膨胀节的强度、应力腐蚀、疲劳寿命均不利。不允许存在5）衬筒a） 减少涡流阻力和流体对膨胀节的磨蚀，b）条件 空气、蒸汽、气体V7m/s 水 V3m/sc） 焊接固定在流体进流端，立式衬筒下端开泪孔。6） 应力计算采用工程近似法，将膨胀节视为梁、曲杆或环板（两个半环壳和环板组合）计算方法同EJMA美国膨胀节制造商协会a）内压 1内压波壳周向薄膜应力 MPa一次总体薄膜应力，非自限性，与内压平衡所必须，直接关系到膨胀节的安全使用。2内压波壳经向薄膜应力 MPa 一次总体薄膜应力，非自限性，与内压平衡所必须，但数值小，对膨胀节安全使用不具主导影响3内压波壳经向弯曲应力 MPa 一次弯

18、曲应力，非自限性，与内压平衡所必须，数值较大，对波壳的承压能力和疲劳寿命有较大影响。但它是弯曲应力，应力沿厚度呈线性分布，应力达到屈服时，仅是上下表面屈服，中面仍是弹性状态，可继续承压；直至全部屈服。 b）位移 4轴向位移波壳经向薄膜应力 MPa （总轴向力/一个波的轴向刚度） 一次应力，一般数值很低，对波壳强度不起主导作用。 5轴向位移波壳经向弯曲应力 MPa 二次应力，有自限性，满足变形协调而产生，应力沿厚度线性分布，数值较大，对膨胀节强度影响较大，二次应力用“安定性”控制。c）应力控制 单项1、2分别t 组合2+31.5st0. 7（2+3）+4+52st 对CS、LAS抗疲劳性能差，此

19、项必须合格（安定状态），否则不适用。对SS，若合格可不考虑低周疲劳问题；若不合格时，可校核疲劳寿命及平面失稳确定的极限设计压力。）疲劳寿命控制N操作N，N = N（疲劳破坏次数）/Nf（安全系数15），N可按应力幅在疲劳曲线上查取允许循环次数，或按公式计算N= 平面失稳压力控制P3P，否则刚度不够，变形过大而平面失稳。d） 外压校核原则当I膨I筒时，将膨胀节视为当量圆筒作外压校核。当量圆筒的长度为波纹管长度（L=nw），直径为Dm ，厚度为膨胀节横截面对形心轴11的惯性矩I1-1所相当的圆筒厚 度 I1-1=IP+Ir IP膨胀节环板部分截面惯性矩 Ir波峰、波谷圆弧横截面惯性矩。当I膨I筒时

20、，将膨胀节视为圆筒的一部分，作圆筒整体外压校核（校核方法按GB150 6章）。六管板计算本计算不适用于非同一管径换热管、非轴对称布置、部分部管或载荷特殊的条件。 1U形管式 常用图18 a型结构，管板不受换热管支持，考虑开孔削弱的普通圆平板 1）管板计算厚度 Pd管板设计压力 或或管板在垫片DG处的计算厚度2） 同时计算换热管的轴向应力 对S.S、可取高值，轴向应力按PS、Pt单侧分别等于0及PS、Pt同时作用三种工况计算换热管拉脱力 qq 2.浮头式和填料函式 （常用结构同上）1） 管板计算厚度 与无量纲压力有关的Pd同上关系2） 同时计算 换热管轴向应力 对S.S、可取高值 换热管拉脱力

21、3. 固定管板式 常用图18 e型结构，管板受换热管支撑1） 结构 管板与壳程圆筒连为整体延长部分兼作法兰用垫片紧固件与管箱连接 2）假设 承受均匀载荷，周边支承，弹性基础，管孔均匀削弱，受整体弯曲的当量圆平板。 AD规范局部弯曲且不计温差应力 3）载荷 内压力（Pt、Ps），温度引起膨胀差，法兰力距。 4）适用 周边不布管区较窄（k1.0）的情况。若k1 a）加大管间距t b）按JB4732附录I c）加大管板 因为k=K（1-） 而 本管区当量直径/壳内径（Dt/Di） 5）计算内容a）管板应力（内压力、法兰力矩引起的弯曲应力和剪切应力）b）兼作法兰应力，c）圆筒轴向应力，d）换热管轴向应

22、力及临界应力，e）换热管与管板连接的拉脱应力。 6）计算前提a）最大绝对压差（自换热除外），即仅有Ps作用或仅有Pt作用的危险组合，当一侧为真空时要同时考虑。 b) 管，壳程一侧卸压，但不卸温度（即不断流体，短时停流不会形成最大温差）c)不计温差应力、计温差应力2类4种工况。(当一侧为真空时，成为Pt、Ps同时作用或压力、温差同时作用的2种工况) 7计算程序a)程序号 SW6-98（V3.0 2002.10）七.固定管板换热器（延长部分兼作法兰）b)模式 设计计算或校核计算（设定管板厚度和兼作法兰厚度，校核相关应力小于许用值。c)输入参数 a） 壳程圆筒参数 （平均金属温度ts），b） 管箱圆

23、筒参数，c） 换热管参数 换热管平均温度t 管子受压失稳当量长度lcr (图32 取不同部位的大值)，材料、d0、（管间距）d） 管板参数，材料、tP（设计）、Ad（槽面积）、连接型式（管子管板）、l（连接高度）、qe） 管箱法兰参数 （需输入法兰详细参数 包括垫片、紧固件），f） 壳体法兰（兼作法兰）参数，材料、（外径）g） 膨胀节总体轴向刚度。如无膨胀节为“0”，N/mm 8）应力限制a)由压力（Pt、Ps）和法兰力矩引起的管板应力为一次弯曲应力，限制r*1.5rtb)计入圆筒与换热管的温度膨胀差引起的管板应力为二次应力，限制r*3rt * 管板及本管区周边径向应力c)布管区周边剪切应力p

24、，不计温差0.5rt；计温差1.5rtd)兼作法兰应力f， 不计温差1.5ft，计温差 3.0ft e)换热管轴向应力t， 不计温差1.0tt，及1.0cr（受压缩时）计温差 3.0tt 及1.0cr（受压缩时） f）圆筒轴向应力 c， 不计温差ct；计温差3ctg）管头连接拉脱应力q， 不计温差1.0q 计温差：胀接1.0q；焊接3.0q * 对S.S许用值t应取低值。 h）极限分析和安定性准则 极限分析 受弯曲的梁，一点的应力达时，整个结构未失效，当全截面各点应力达，构件才达到极限承载能力。在弯矩作用下表面进入屈服，继续加载，应力不增加，而是相邻层面相继进入屈服，但计算公式仍为弹性公式，此

25、时计算应力（虚线值）比实际应力大（实线值）。表面屈服时，全截面屈服时已加载到弯矩，代入前式得： 安定性准则 按纯弹性理论，在载荷作用下应力达到D点时的应力应变分别为和，卸载时沿BC下降，当应力将为零时，留有残余应变，而当应变值为零时，相应存在残余应力OC，再次加载，卸载，应力应变沿BC线变化，构件仍呈弹性状态，没有塑性应变发生，结构是安定的。 若结构承受更高载荷，应力沿OA至D，点，对应的应力应变点为和，且若2时，卸载沿BE下降，在应力-处，出现反向压缩EF，应变才降为零.再次加载、卸载时，应力应变沿FBBE变化，相继产生拉伸屈服变形和压缩屈服变形，重而反复出现弹塑性变形，结构不处于安定状态，

26、在一定的载荷循环下，导致材料疲劳破坏。 所以，对局部区域应力或一次+二次应力（相当3t）结构是安全的。 9调整 应力超限时的调整a)增加管板厚度，b)设置膨胀节，(一般情况可减薄管板)c)减小换热管无支撑跨距（即减小lcr）d)增加换热管壁厚，e)增加壳程圆筒厚度，f)改变材料，使管、壳材料的线胀系数接近或相同（减少膨胀差）。g)改型对压力高，温差大条件。七.图样技术参数（至少）技术特性表序号项目管程壳程1设计压力 MPa2工作压力 MPa3设计温度 C4工作温度 C（进、出）（进、出）5介质名称6腐蚀裕量 mm7焊接接头系数8金属平均温度9程数10换热面积 m211主要受压元件材料12容器类

27、别八 低温管壳式换热器1低温脆性断裂1）低于某一温度，韧性指标明显下降，在应力远低于材料强度指标下脆性断裂，冷脆性只产生于体心立方晶格的金属，如Cr, Mo，铁C.S, LAS.面心立方晶格的金属不产生冷脆性，如Cu,Al,铁S.S2）低温界限，各国具体条件不同而不同，中国t-20为界（美国-30，日/德-10）3）低温低应力工况， 应力是低温脆性的动力，同样条件下，应力越低，脆断动力越小。降低应力可相应降低容器使用温度，即温度一定，降低应力相当于提高使用温度。 温度-20，环S标1/6，且50Mpa不适用于b下540Mpa的低温换热器。. 不适用于紧固件。4）评定指标，“临界脆性转变温度”工业上用低温冲击功指标2材料 1） 镇静钢，使用温度按相应钢号规定的最低温度（随有变） 2） 20mm,逐张UT，20mm,按GB150第四章。 3