管殼式換熱器設計要領

一 、前言

換熱器分類：

管殼式換熱器根據結構特點可分為下列兩類。

1.剛性結構的管殼式換熱器：這種換熱器又成為固定管板式，通常可分為單管程和多管程兩種。它的優點是結構簡單緊湊、造價便宜和應用較廣；缺點是管外不能進行機械清洗。

2.具有溫差補償裝置的管殼式換熱器：它可使受熱部分自由膨脹。該結構形式又可分成：

浮頭式換熱器：這種換熱器的一端管板能自由伸縮，即所謂「浮頭」。他適用於管壁和殼壁溫差大，管束空間經常清洗。但它的結構較複雜，加工製造的費用較高。

U形管式換熱器：它只有一塊管板，因此管子在受熱或冷卻時，可以自由伸縮。這種換熱器的結構簡單，但製造彎管的工作量較大，且由於管子需要有一定的彎曲半 徑，管板的利用率較差，管內進行機械清洗困難，拆換管子也不容易，因此要求通過管內的流體是清潔的。這種換熱器可用於溫差變化大，高溫或高壓的場合。

填料函式換熱器：它有兩種形式，一種是在管板上的每根管子的端部都有單獨的填料密封，以保證管子的自由伸縮，當換熱器內的管子數目很少時，才採用這種結 構，但管距比一般換熱器要大，結構複雜。另一種形式是在列管的一端與外殼做成浮動結構，在浮動處採用整體填料函密封，結構較簡單，但此種結構不易用在直徑 大、壓力高的情況。填料函式換熱器現在很少採用。

二、設計條件的審查：

1. 換熱器的設計，用戶應提供一下設計條件（工藝參數）：

管、殼程的操作壓力（作為判定設備是否上類的條件之一，必須提供）

管、殼程的操作溫度（進口/出口）

金屬壁溫（工藝計算得出（用戶提供））

物料名稱及特性

腐蝕裕量

程數

換熱面積

換熱管規格，排列形式（三角形或正方形）

折流板或支撐板數量

保溫材料及厚度（以便確定銘牌座伸出高度）

油漆: Ⅰ.如用戶有特殊要求，請用戶提供牌號，顏色

Ⅱ.用戶無特殊要求，設計人員自己選定

2. 幾個重點設計條件

操作壓力：作為判定設備是否上類 的條件之一，必須提供

物料特性：如用戶不提供物料名稱則必須提供物料的毒性程度。

因為介質的毒性程度關係到設備的無損監測、熱處理、鍛件的級別

對於上類設備，還關係到設備的劃分

a. GB150 10.8.2.1(f)圖樣註明盛裝毒性極度危害或高度危害介質的

容器100%RT.

b. 10.4.1.3 圖樣註明盛裝毒性為極度或高度危害介質的容器，應進行焊後熱處理（奧氏體不鏽鋼的焊接接頭可不進行熱處理）

c.鍛件. 使用介質的毒性為極度或高度危害性的鍛件應符合Ⅲ級或Ⅳ級要求。

管規格：

常用的 碳鋼 φ19×2，φ25×2.5，φ32×3， φ38×5

不鏽鋼φ19×2，φ25×2， φ32×2.5，φ38×2.5

換熱管的排列形式：三角形，轉角三角形，正方形，轉角正方形。

★ 換熱管間需要機械清洗時，應採用正方形排列。

三、基本設計參數的確定

1．設計壓力，設計溫度，焊接接頭係數

2．直徑：DN

DN≥400的圓筒，採用鋼板卷制。

16」鋼管------與用戶商量採用鋼板卷制。

3．布置圖：

根據換熱面積、換熱管規格畫布置圖，確定換熱管數量。

如果用戶提供了布管圖，也要覆核布管是否在布管限定圓以內。

★布管的原則：

在布管限定圓內應布滿管。

多管程的各管程數應儘量相等。

換熱管應對稱排列。

4．材料

管板本身具有凸肩並與圓筒（或封頭）連接時，應採用鍛件。由於採用此種結構的管板一般都用於壓力較高、易燃、易爆、以及毒性程度為極度、高度危害的場合， 對管板要求較高，管板也較厚。為避免凸肩處產生加渣、分層、及改善凸肩處纖維受力的狀況，減少加工量，節約材料，採用凸肩與管板直接鍛造出來的整體鍛件來製造管板

5．換熱器與管板的連接方式

管子於管板的連接，在管殼式換熱器的設計中是一個比較重要的結構部分。他不僅加工工作量大，而且必須使每一個連接處在設備運作中，保證介質無洩漏及承受介質壓力能力。

管子與管板的連接方式主要有以下三種：a脹接；b焊接；c脹焊接

脹接用於管殼之間介質滲漏不會引起不良後果的情況，特別適用於材料可焊性差（如碳鋼換熱管）及製造廠的工作量過大的情況。由於脹接管端處在焊接時產生塑性變 形，存在著殘餘應力，隨著溫度的升高，殘餘應力逐漸消失。

這樣使管端處降低密封和結合力的作用，所以脹接結構受到壓力和溫度的限制，一般適用於設計壓力 ≤4Mpa，設計溫度≤300度，並且在操作中無劇烈地震動，無過大的溫度變化及無明顯的應力腐蝕；

焊接連接具有生產簡單、效率高、連接可靠的優點。通過焊接，使管子對管板有較好的增將作用；並且還有可降低管孔加工要求，節約加工工時，檢修方便等優點，故應優先採用。

此外，當介質毒性很大，介質和大氣混合 易發生爆炸介質有放射性或管內外物料混合會產生不良影響時，為確保接頭密封，也常採用焊接法。焊接法雖然優點甚多，因為他並不能完全避免「縫隙腐蝕」和焊 接節點的應力腐蝕，而且薄管壁和厚管板之間也很難得到可靠的焊縫。

焊接法雖然較脹接可以乃更高的溫度，但是在高溫循環應力的作用下，焊口極易發生疲勞裂 紋，列管與管孔存在間隙，當受到腐蝕介質的侵蝕時，以會加速接頭的損壞。

因此，就產生了焊接和脹接同時使用的方法。這樣不但能提高接頭的抗疲勞性能，同時 可以降低縫隙腐蝕傾向，因而其使用壽命比單用焊接時長的多。在什麼場合下適宜施行焊、脹接並用的方法，目前尚無統一標準。

通常在溫度不太高而壓力很高或介 質極易滲漏時，採用強度脹加密封焊（密封焊是指單純防止滲漏而施行的焊接，並不保證強度）。當在壓力和溫度都很高的情況下，則採用強度焊加貼脹，（強度焊 是即使焊縫有嚴密性，又能保證接頭具有較大的拉脫力，通常是指焊縫強度等於管子軸向負荷下的強度時的焊接）。

貼脹的作用主要是消除縫隙腐蝕和提高焊縫的抗 疲勞性能。具體的結構尺寸標準中（GB/T151）已有規定，在此不再詳述。

對於管孔表面粗糙度的要求：

a當換熱管與管板焊接連接時，管的表面粗糙度Ra值不大於35uM

b單換熱管與管板脹接聯接時，管孔表面粗糙度Ra值不大於12.5uM脹接連接時，管孔表面不應有影響脹接緊密性的缺陷，如貫通的縱向或螺旋狀刻痕等

四、設計計算

1.殼體壁厚計算（包括管箱短節、封頭、殼程筒體的壁厚計算）管、殼程筒體壁厚應滿足GB151中最小壁厚的規定，對於碳素鋼和低合金鋼最小壁厚是按腐蝕裕量C2=1mm考慮的，對於C2大於1mm的情況，殼體的最小壁厚應相應增加。

2.開孔補強計算

對於殼體採用鋼管制的，建議採用整體補強（增加筒體壁厚或採用厚壁管）；對於比較厚的管箱上開大孔考慮綜合經濟性

不另行補強應滿足的幾點要求：

設計壓力≤2.5Mpa

相鄰兩孔中心距應不小於兩孔直徑之和的兩倍

接管公稱直徑≤89mm

接管最小壁厚應表8-1的要求（接管腐蝕裕量為1mm）

3．法蘭

設備法蘭採用標準法蘭時應注意法蘭與墊片、緊固件的匹配，否則應對法蘭進行計算。比如甲型平焊法蘭在標準中與其匹配的墊片為非金屬軟墊片；當採用纏繞墊片應對法蘭重新計算

4．管板

需注意以下幾個問題：

管板的設計溫度：根據GB150及GB/T151的規定,應取不低於元件的金屬溫度,但在管板計算中無法保證管\殼程介質作用,且管板的金屬溫度很難計算,故一般取較高側的設計溫度為管 板的設計溫度。

多管程換熱器：在布管區範圍內，因設置隔板槽和拉杆結構的需要而未能被換熱器支承的面積Ad：按GB/T151公式計算

管板的有效厚度

管板的有效厚度係指管程分程隔板槽底部的管板厚度減去下列二者之和

a管程腐蝕裕量超出管程隔板槽深度的部分

b殼程腐蝕裕量與管板在殼程側的結構開槽深度二者中的最大植

5.膨脹節的設置

在固定管板換熱器中，由於管程內流體與管程流體之間具有溫差，而換熱器和殼體與管版固定連接，這樣在使用狀態時，殼體與管子之間有膨脹差存在，殼體和管子受 到軸向載荷。為了避免殼體和換熱器破壞、換熱器失穩、換熱管從管板上拉脫，就應設置膨脹節，以降低殼體和換熱器的軸向載荷。

一般在殼體和換熱器壁溫差較大時，需考慮設置膨脹節，在管板計算中，按有溫差的各種共況計算出σt、σc 、q ，其中有一個不合格時，就需增加膨脹節。

σt——換熱管軸向應力

σc——殼程圓筒軸向應力

q——換熱管與管板連接的拉脫力

五、結構設計

1．管箱

（1）管箱的長度

a最小內側深度

向開孔的單管程管箱，開口中心處的最小深度應不小於接管內直徑的1/3

管程的內外側深度應保證兩程之間的最小流通面積不小於每程換熱管流通面積的1.3倍

b最大內側深度

考慮內件焊接和清理是否方便，尤其對於公稱直徑較小的多管程換熱器。

（2）分程隔板

隔板的厚度和布置按GB151表6和圖15，對於厚度大於10mm的分程隔板，密封面應削邊至10mm；對於列管式換熱器，隔板上應設置淚孔（排淨孔），排淨孔的直徑一般為6mm

2.殼體及管束

管束級別

Ⅰ、Ⅱ級管束，僅僅針對碳鋼、低合金鋼換熱管國內標準中還存在著「較高級」和「普通級」制訂的。一旦國內換熱管能夠採用「較高級」鋼管時，碳鋼、低合金鋼換熱管束無需再分Ⅰ級和Ⅱ級

Ⅰ、Ⅱ管束的區別主要在於換熱管的外徑、壁厚偏差不同，相應地管孔尺寸和偏差不同

Ⅰ級管束的精度要求高一些，對於不鏽鋼換熱管，只有Ⅰ級管束；對於常用的碳鋼換熱管

管板

a管孔尺寸偏差

注意Ⅰ、Ⅱ級管束的區別

b分程隔板槽

Ⅰ槽深一般不小於4mm

Ⅱ分程隔板槽寬：碳鋼12mm；不鏽鋼11mm

Ⅲ分程隔板槽拐角處的倒角一般為45度，倒角寬度b近似等於分程墊片的圓角半徑R。

折流板

a管孔尺寸：按管束級別區分

b弓形折流板的缺口高度

缺口高度應使流體通過缺口時與橫過管束的流速相近，缺口眩高一般取0.20—0.45倍的圓角內直徑，缺口一般切在管排中心線以下或切於兩排管孔的小橋之間(便於穿管方便)。

c缺口方位

單向清潔流體，缺口上下布置；

氣體中含少量的液體，缺口朝上的折流板的最低處開通液口；

液體中含少量氣體，缺口朝下的折流板的最高處開通氣口

氣液共存或液體中含有固體物料時，缺口左右布置，並在最低處開通液口

d折流板的最少厚度；最大無支撐跨距

e管束兩端的折流板儘可能靠近殼程進出、口接管

拉杆

a拉杆的直徑和數量

直徑和數量按表6-32，6-33選用，在保證大於或等於表6-33所給定的拉杆截面積的前提下，拉杆的直徑和數量可以變動，但其直徑不得小於10mm，數量不小於4根

b拉杆應儘量均勻布置在管束的外邊緣，對於大直徑的換熱器，在布管區或靠近折流板缺口處應布置適當數量的拉杆，任何折流板應不小於3個支撐點

c拉杆螺母，有的用戶要求下面一個螺母與折流板電焊

防衝板

a防衝板的設置是為了減少流體的不均勻分布和對換熱管端的衝蝕

b防衝板的固定方式

儘可能固定在定距管上或靠近管板的第一塊折流板，當殼程進口位於非固定拉杆的管板的一側時，防衝板可焊在筒體上

膨脹節的設置

a位於兩側折流板之間

為了減少膨脹節的流體阻力，必要時可在膨脹節內側設置一個襯筒，襯筒應在順流體流動方向上與殼體焊接，對於立式換熱器，當流體流動方向朝上時，應在襯筒下端設置排液孔

b膨脹節的保護裝置，防止設備在運輸過程中或使用中拉壞

管板與殼體的連接

a延長部分兼作法蘭

b不帶法蘭的管板（GB151附錄G）

3.管法蘭：

設計溫度大於等於300度，應採用對接法蘭。

對於不能利用接管式接口進行放棄和排洩的換熱器，應在管、殼程最高點設置放氣口、最低點設置排液口，其最小公稱直徑為20mm。

立式換熱器可設置溢流口

4．支座：按GB151種5.20條的規定

5.其他附件

吊耳

質量大於30Kg的官箱及管箱蓋宜設置吊耳

頂絲

為了便於拆卸管箱、管箱蓋，應在官板、管箱蓋上設置頂絲

六、製造、檢驗的要求

1．管板

拼接管板的對接接頭進行100%射線檢驗或UT,合格級別：RT：Ⅱ級UT:Ⅰ級

除不鏽鋼外，拼接的管板消除應力熱處理

管板孔橋寬度偏差:按公式進行計算孔橋寬度：B=(S-d)-D1

孔橋最小寬度：B=1/2(S-d)+C

2．管箱熱處理：

碳鋼、低合金鋼製的焊有分程隔板的管箱，以及管箱的側向開孔超過1/3圓筒內直徑的管箱，在施焊後作消除應力熱處理，法蘭及隔板密封面應在熱處理後加工。

3．壓力試驗

當殼程設計壓力低於管程壓力時，為了檢查換熱管與管板連接的質量好壞

將殼程壓力提高到與管程試驗壓力一致進行水壓試驗，來檢查管接頭是否洩漏。（但需保證水壓實驗時殼體的一次薄膜應力≤0.9ReLΦ ）

上述方法不合適時，可對殼體按原來的壓力進行水壓試驗合格後，再對殼體進行氨滲漏試驗或滷素檢漏試驗。

七、圖面上應注意的一些問題

1.註明管束級別；

2.換熱管應寫明標註號；

3.管板布管輪廓線外設為封閉的粗實線；

4.裝配圖中應標出折流板缺口方位；

5.標準膨脹節排液孔,排氣孔上的管接頭、管塞是否要出圖。

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