管壳式换热器讲稿

GB151-1999 管壳式换热器换热器是在不同温度物料之间进行热量传递的设备，其主要作用是维持或改变物料的工作温度和相态，满足工艺操作要求，提高过程能量利用效率进行余热回收。 换热器广泛地应用在工农业各个领域，在炼油、化工装置中换热器占总设备量和设备投资的40左右。在换热器设备中，管壳式换热器又是应用最为广泛，使用量最大的换热器型式。GBl51-1999管壳式换热器规定了管壳式换热器的结构型式及其相应的设计、制造、检验要求。1 GBl51适用范围1.1 适用参数 GBl51规定了标准的适用参数范围见表1.1。表中同时对比列出了美国TEMA标准的适用参数范围。表1.1 适用参数范围标准DN（ mm）PN（MPa）DNPN注GB 15126003517500（1）TEMA2540（100）20.684（3000psi）17500（100000）（2）（1）GB 151中1.2：超出上述参数范围的换热器也可参照本标准进行设计与制造。（2）TEMARCB-1.11 规定这些参数的意图是限定壳壁最厚约为3（76mm）、双头螺栓的最大直径为4（102mm）。 本标准所提出的准则，也可以用于超出上述参数的换热器。 标准限定最大设计参数范围是为了避免过于笨重的、结构上的不合理设计。 对于超出上述参数范围的换热器，特别是工程中可能遇到的中、低压大直径(超过DN2600mm)换热器，作为设备整体在结构尺寸合理设计的前提下完全可以应用标准给出的设计原则。对于管壳式换热器的关键零部件管板的设计计算，GB 151对管板进行了尽可能详尽的力学分析，从本质上讲可以认为就是一种分析设计方法，只是为了能够利用图表公式进行计算在公式推导过程中作了某些简化和结构参数的限定，完全可以用于更大设计参数的管板设计。仅对管板等个别零部件进行应力分析计算并不等于对换热器进行“应力分析设计”。1.2 不适用情况1. 直接火焰加热的换热器及废热锅炉；2. 受辐射的换热器；3. 要求作疲劳分析的换热器；4. 有其他行业标准管辖的换热器；5. 结构特殊的换热器：对结构特殊、布管和载荷条件特殊、或是操作条件特殊的换热器设计应予以特殊考虑，即采用详细应力分析设计方法，如JB4732附录I给出的计算方法或是有限单元分析设计方法。上述的特殊情况包括：(1)与法兰搭焊连接的固定管板；(2)圆环形管板； (3)周边不布管区较宽(k1.0)的固定式管板； (4)部分布管或非轴对称布管的管板； (5)具有非同一换热管径的管板； (6)管程、壳程直径差别较大的换热器； (7)管板、壳体、管箱不是a型连接的浮头式或填函式换热器； (8)程间温差较大的换热器； (9)沿厚度方向温差较大的管板； (10)重量载荷有显著影响的立式换热器。特别要指出：如果是对整台换热器以JB 4732进行分析设计，则对选材、制造、检验都应有相应的配套要求。目前在工程实践中只有在极个别情况下，才作这种应力分析设计。13设计温度范围设计温度范围按金属材料允许的使用温度确定。主要结构型式及适用条件GB 151 中所列的管壳式换热器（以下简称换热器）主要有立式有卧式的固定管板式、浮头式、U形管式、一般为卧式的填料函式(和釜式重沸器)五种型式。不属于这五种型式的如折流杆换热器、绕管式换热器等机械设计，也应参照GB 151 进行设计。 GBl51虽然规定了PN、DN及PNXDN值，但管壳式换热器主要的五种型式中各自的适用参数范围是不同的。 2.1 固定管板换热器 1)固定管板换热器的主要特点 (1)结构简单，制造成本低； (2)排管数比浮头式、U形管式要多； (3)不能抽芯，无法进行机械清洗； (4)因不能单独更换管束，所以维修成本高。2)使用压力和温度的限制由于换热管、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算出的壳体轴向应力，换热管轴向应力，换热管与管板之间连接拉脱力q中有一项不能满足强度条件时，就需设置膨胀节；而GB 16749压力容器用波形膨胀节规定最高使用压力为6.4MPa，故带膨胀节的固定管板换热器使用压力一般不高，而且结构设计和制造也较复杂。目前工程实践中已有使用压力达10MPa的带有形膨胀节的固定管板式换热器。在壁温差很小无需考虑温差应力时，固定管板式换热器也有使用在很高压力的场合，此时往往管板与管箱或管板与壳体做成整体型式，或者管板、管箱(头盖)和壳体三者成为一个整体，如大化肥中的高压甲铵冷凝器的管程压力为15.8MPa。但一般高压用得比较少，而低压力、大直径固定管板式换热器用得很广。2.2 浮头式换热器 1)浮头换热器的主要特点 (1)可抽式管束，当换热管为正方形或转角正方形排列时，管束可抽出进行机械清洗，适用于易结焦及堵塞的工况；(2)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； (3)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，所以对于大直径浮头要充分考虑其结构的加工要求，或增设弹性垫圈以确保密封性能； (4)压力试验时的试压胎具复杂。 2)使用压力和温度的限制 浮头换热器在炼油行业或乙烯工业中应用较多，但内浮头结构限制了使用压力和温度，故一般情况为。2.3 U形管式换热器 U形管式换热器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： (1)以U形换热管尾端的自由浮动解决温度差应力，可用于高温差； (2)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； (3)可以进行抽芯清洗； (4)由于弯管时Rmim的限制，分程间距宽排管略少； (5)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。2.4 釜式重沸器釜式重沸器的管程采用U形或浮头管束，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，但设计压力一般不会高于6.4MPa；釜式重沸器的效率很多场合取决于强化沸腾管的合理应用，如表面多孔管，T翅管的应用会使沸腾在较小的推动力下发生。2.5 填料函式换热器 这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2.5MPa，且不能用于贵重介质及危害介质，当介质危害性不大时，也可以采用双填料函密封加以弥补。3换热器范围本标准管辖的换热器，其范围指换热器（管箱，壳体，管束，头盖）及换热器连为一体的受压部件，且划定在下列范围内。31换热器与外管道连接(a)焊接连接的第一道环向接头坡口端面；(b)螺纹连接的第一个螺纹接头端面；(c)法兰连接的第一个法兰密封面；(d)专用连接件或管件连接的第一个密封面。32接管，人孔，手孔等的承压封头，平盖及紧固件。33非受压元件与换热器壳体，管箱，头盖内外表面的焊接接头。接头以外的元件如支座，支耳，垫板等应符合本标准或相应标准的规定。4主要组合部件及规格型号4.1 主要组合部件 GBl51参照TEMA把换热器分成前端管箱、壳体型式和后端结构三大块，并用英文字母分别表达并组成一个完整的管壳式换热器的代号，各部分代号含义如下： 1)前端管箱 A平盖管箱，检修方便，用于可抽式较多； B封头管箱，管箱重量较轻； C用于可拆管束与管板制成一体的管箱； N与管板制成一体的固定管板管箱； D特殊高压管箱，此时壳程压力一般较低。 2)壳体型式 E程壳体，进出口一样大小，用于无相变工况；Q进单出冷凝器壳体，进口管大，出口管小，用于冷凝工况；F具有纵向隔板的壳体，适用于壳程流量小要求流速较高的场合； G分流式壳体； H分流壳体； IU形管式换热器壳体； J隔板分流(用于冷凝或沸腾壳体)； K式重沸器壳体； O外导流壳体，进出口压降小，排管多； 3).后端结构(包括管束) L与前端管箱A相似的固定管板结构； M与前端管箱B相似的固定管板结构； N与前端管箱N相似的固定管板结构； P填料函式浮头； S钩圈式浮头； T可抽式浮头； UU形管束； w套环填料函式浮头。 GB l51针对国内的具体情况相对TEMA中间壳体的型式进行了增删： (1)增加了U形管换热器壳体（I）； (2)增加了外导流壳体（O）； (3)增加了单进单出冷凝器壳体（Q）； (4)在釜式重沸器（K）中增加了双管束型式； (5)取消了穿流式壳体（X）。 GB l51以图1-图6举例表达了换热器的主要型式，并用三个英文字母表达管壳式换热器的具体型式，GB 151不可能把所有内容都包括进来，如换热器壳体内的膨胀节，再如在前端管箱可以是焊接式平盖管箱，这些都没有纳入GB l51，但都是有规可循，有公式可计算的，是可以使用的，如果说因为GB 151没有这些具体结构就不准使用，这是不正确的。4.2 管程和壳程 管程是指介质流经换热管内通道及其相贯通的部分，管程数N指介质沿管长度方向往返的流经次数。 壳程是指介质流经换热管外的通道及其相连通的部分，壳程数N就是介质在壳程内沿壳体轴向往返的次数。4.3 换热器的型号 为完整地表示换热器的全貌，把管壳式换热器型式代号与规格编在起称为“型号”并规定了具体的表示方法。 本表示方法适用于卧式和立式换热器。5设计参数换热器与一般压力容器尤其是储存容器不同，工艺设计在换热器设计中占有主导地位，机械设计除保证强度要求外还要实现工艺计算中的传热和压降的要求。 51 工艺设计计算 自20世纪80年代以来，国内一些设计单位开始直接采用国际先进的传热软件进行工艺设计，如： (1)HTRI(Heat Transfer Research，Inc)美国传热研究公司，采用会员制，交费会员可以获得 全部工艺设计资料及软件，也可参加其组织的会议及学术交流活动； (2)HTFS(Heat Transfer and Fluid Flow Service)美国传热与流体服务中心，采用了更为灵活 的办法，既可是会员，也可单独购买其软件。 上述两家公司的软件，用作投标文件时，是被广泛认可的。5.2 机械设计参数机械设计参数是指用以确定换热器施工图设计及制造、验收的参数。 1)公称直径DN (1)DN500mm，卷制圆筒，以圆筒内直径(mm)作为换热器的公称直径； (2)DN400mm，以钢管外径(mm)作为换热器的公称直径； (3)DN=450mm时，有卷制和钢管两种情况，此时可按前两种情况分别表示； (4)公称直径一般以100mm进档，也允许50mm进档，50mm进档时，应注意与壳体圆筒相配的封头、法兰等标准零部件系列尺寸的匹配。 2)公称长度LN 以换热管的长度(m)作为换热器的公称长度，换热管为直管时，取直管长度；换热管为U形管时，取U形管的直管段长度。 3)换热面积A(1)计算换热面积。以换热管外径为基准，扣除深入管板内的换热管长度后，计算得到的面积(m2)；对于U形管换热器，一般不包括U形管弯管段的面积，当需要把U形弯管部分计人换热面积时，则应使U形端的壳体进(出)口安装在U形管末端以外，以消除U形管末端流体停滞的换热损失； (2)公称换热面积一经圆整后的换热面积(m2)，一般修正间隔为5。4)温度(1)设计温度，换热器在正常的工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属横截面的温度平均值），它与设计压力一起作为设计载荷条件，设计温度不得低于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度，对于0C以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。管程设计温度是指管程的管箱设计温度（注意不是换热管的设计温度）。壳程设计温度是指壳程壳体圆筒的设计温度； (2)在任何情况下，元件金属的表面温度不得高于材料允许使用的最高温度。这与设计温度中的元件金属温度(截面平均值)是完全不同的两个概念，前者是材料最高使用温度的限制，而后者是设计温度的确定方法； (3)同时受管程、壳程温度作用的元件，应按金属温度确定设计温度，该金属温度应通过传热计算确定，也可以在已使用的同类换热器上测定，也可以根据成熟的设计经验确定；(4)试验温度。指压力试验时，管箱和壳体的金属温度。 5)压力 (1)设计压力P。指设定的换热器管程、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力； (2)计算压力p。指在相应的设计温度下，用以确定换热器元件厚度的压力，其中包括液柱静压力，当元件承受的液柱静压力小于5的设计压力时，可忽略不计，此时，Pc=P； (3)对于同时受管程、壳程压力作用的元件，当能保证管程、壳程同时升、降压时，可按元件承受的压差设计，同时还应考虑压力试验时可能出现的最大压差值，一般只有在管板过厚时，才采用压差设计，以减薄管板，但会给操作和维修带来麻烦； (4)当元件一侧受真空作用，另一侧非真空作用时，其计算压力应为两侧设计压力之代数差，即为最苛刻的压力组合； (5)试验压力PT。指在压力试验时，换热器管程、壳程顶部的压力。 6)腐蚀裕量为防止换热器由于腐蚀，机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量:(a) 对于有腐蚀或磨损的零件，应根据预期的寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量；(b)换热器各元件受到的腐蚀程度不同时，可以采用不同的腐蚀裕量；（c）介质为压缩空气，水蒸汽或水的碳钢或低合金钢制换热器，腐蚀裕量不小于1mm。7).蚀裕量的确定原则(1)平盖、凸形封头，管箱、壳体圆筒的内表面以及设备法兰、管法兰的内径面应考虑腐蚀裕量； (2)管板、浮头法兰、球冠形封头和钩圈两面均应考虑腐蚀裕量； (3)管板和平盖上开槽(隔板槽、焊接结构槽)时，可把高出槽底面的金属作为腐蚀裕量，当腐蚀裕量大于槽深时，还应加上两者的差值；(4)换热管、拉杆、定距管、折流板和支持板不考虑腐蚀裕量。8)计算厚度，设计厚度，名义厚度，有效厚度与GB150-1998一致9)材料许用应力与GB150-1998一致注意：设计温度低于20度时，20度的许用应力10)对于地震力或风载荷与其他载荷组合时，立式换热器器壁的应力允许不超过许用应力的1.2倍；不考虑地震力和风载荷同时作用的情况。11).接头系数（joint efficiency）(1)焊接接头系数：系指换热器中受压元件对接接头的焊接接头系数；（2）对于无法进行无损检测的固定管板与壳程圆筒的环向焊接接头，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时，取。其一是为了在计算固定管板换热器壳程圆筒轴向应力后，确定许用值；其二是此类焊接接头因无法进行无损检测，给出要求，应按焊接工艺施焊，避免随意性。 12).容器类别的确定 (1)换热器的管程、壳程可分别确定类型，但换热器总的类别应取管程、壳程中的高者； (2)换热器管程、壳程类别的确定原则按“容规”第6条的规定。 13).压力试验 （1) 换热器制成后应对换热管与管板的连接接头，管程，壳程进行压力试验，压力试验的种类和要求应在图样中注明。 (2)管程试验压力大于壳程试验压力的换热器，图样上应对换热管与管板的连接接头的试验方法和压力提出详细要求。（3）压力试验一般采用液压试验；对于不适合作液压试验的换热器，如换热器不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满液体的换热器，可以采用气压试验。气压试验时应满足GB150第十章的有关要求。（4）换热器铭牌上规定有最大允许工作压力时，应以最大允许工作压力代替设计压力进行水压试验。（5）换热器各受压元件所用材料不同时，应取各元件材料/ t比值最小者。(6)立式换热器卧置压力试验时，试验压力为立置时的试验压力PT加液柱静压力。(7)GB151-1999 -3.17.1规定的试验压力为换热器最小试验压力。（8）压力试验前应校核圆筒和椭圆封头的应力（当采用其他封头时，也应校核封头应力）；压力试验时的应力T应分别满足下列条件：液压试验时，T0.9s气压试验时，T0.8s换热器管程、壳程压力试验的方法，试验压力应区别管程、壳程不同的工况按GB 151中有关“压力试验”的规定和14节的说明。6材料 换热器用钢材除采用GB l50中第4章所规定的材料外，作为GB l51换热器还规定如下：6.1 管板、平盖 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得多，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)厚度很大而不能确保质量要求时，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；(GB151规定当管板厚度大于60mm时，宜采用锻件)(2)管板以凸肩形式与圆筒相对接时，必须采用锻件。 (3)采用钢板作管板和平盖时，厚度大于50mm的20R、16MnR，应在正火状态下使用。6.2 复合结构的管板、平盖 管板、平盖可采用堆焊、轧制或曝炸复合结构，当管程压力不是真空状态时，平盖亦可采用衬层结构。 1).堆焊结构 用堆焊制作的管板与平盖，其覆层与基层的结合是最好的，覆层厚度完全可计人管板的有效厚度(以许用应力比值折算)，但堆焊的加工难度大，中间检验、最终检验及热处理的要求高，堆焊一般有手工堆焊和带极堆焊两种方法。 2).爆炸、轧制复合板管板的平盖采用的复合板等级要求见表.5.2。表5.2标准元 件管 板平 盖GB/T81651997不锈钢复合钢板和钢带I级，210MPa结合率100%III级，200MPa结合率95%JB47331996压力容器用爆炸不锈钢复合钢板B1级，210MPa结合率100%B3级，200MPa结合率95%GB85471987钛-钢复合板B0级，196MPa结合率100%B2，BR2级，138MPa结合率95%GB/T 132381991铜-钢复合板（标准中没有分级）管子与管板采用强度胀或强度胀加密封焊。焊接接头不承受管子轴向载荷可作非真空状态的平盖注：B爆炸法； R轧制法； BR爆炸加轧制法。 3).管板复合结构的评价 (1)堆焊复合：其覆层可计人管板的有效厚度，与换热管连接采用强度焊时，有充分的能力来承受换热管的轴向剪切载荷； (2)轧制、爆炸或爆炸加轧制复合采用标准中I级、B1级、BO级的复合钢板时，覆层是否计人管板有效厚度由设计者自行决定，但管板覆层与换热管的强度焊，可以承受换热管的轴向剪切载荷； (3)覆层与基层有局部不结合时，除非在管板钻孔时能全部消除，或局部不结合符合级、B2，对于钛钢复合板为B1、BRl级要求，而又发生在管板不布管区较大的中心区域(管程进、出口处)则可使用；局部不结合若发生在孑L桥上时不允许使用，因此时若换热管承受压缩力时，会撕裂覆层，同时还会使壳程介质进入不结合的孔桥部位使结合面承受腐蚀，在壳程压力作用下不结合面可能愈来愈大最终造成失效。6.3 有色金属 GB 151加入了A1、Cu、Ti有色金属，取消了“钢制”。 1).铝及铝合金 (1)设计参数：P8MPa，-269T200； (2)在低温下，具有良好的塑性和韧性； (3)有良好的成型及焊接性能； (4)铝与空气中的氧迅速生成A12O3薄膜，故在空气和许多化工介质中有着良好的耐蚀性。 2).铜及铜合金 (1)设计参数： 纯铜：T150，150200许用应力衰减快； 铜合金：T200，一般的铜合金在200250许用应力衰减快，但铁白铜的性能稳定，可用到250；(2)具有良好的导热性能及低温性能；(3)具有良好的成型性能，但焊接性能稍差。 3).钛和钛合金(1)设计参数：35MPa，T300；(2)密度小(4510kgm3)，强度高(相当于20R)； (3)有良好的低温性能，可用到-269； (4)钛-钢不能焊，且铁离子对钛污染后会使耐蚀性能下降； (5)表面光滑，粘附力小，且表面具有不湿润性，特别适用于冷凝； (6)钛是具有强钝化倾向的金属，在空气或氧化性和中性水溶液中迅速生成一层稳定的氧化性保护膜，因而具有优异的耐蚀性能。6.4换热管 1).钢制无缝管 使用普通级换热管制造的II级管束，仅限于碳钢和低合金钢；不锈钢和有色金属采用高精度、较高精度换热管，因此全部为I级管束。 2).奥氏体不锈钢焊管 GB l51允许使用奥氏体不锈钢焊管作为换热管，但鉴于第一次列人标准，故给予了严格限制： (1)P6.4MPa，国外无此限制，从现有三家焊管的数据来看，焊接质量都较好，爆破压力都超过计算值，该限制有望提高到10MPa； (2)不得用于极度危害介质；(3)：0.85。(4)使用温度范围与相应钢号的无缝钢管。 国外各种焊管用作换热管的很普遍，国内目前继奥氏体不锈钢焊管后，碳钢焊管也有个别企业通过 了全国锅炉压力容器标准化技术委员会的认证允许作换热管使用。 3)强化传热管 实践证明：在蒸发、冷凝、冷却及无相变传热过程中，采用适当的强化传热管，将会起到显著的强化传热的效果；但如果选择不当，反而会适得其反。 一般的强化传热管有螺纹管(整体低翅片管)、波纹管。此外应用较多的还有： (1)适用无相变传热：螺旋槽管、横槽管、缩放管、内翅片管及内插入管等； (2)适用有相变传热：单面或双面纵槽管、锯形翅片管、T形翅片管及表面多孔管等。7 管箱 管箱的作用是把进入换热器的流体相对均匀地分布到管束的各换热管中，并通过另一端管箱使流体汇集在一起送出换热器。管箱可以有多种结构型式，如25.3.1所述。7.1管箱平盖 管箱平盖在结构上就是螺柱垫片联接的圆平盖，其强度计算与GB 150中给出的计算方法完全相同，其受力分析见第10章10.6.3。 对于多管程换热器，为保证分程隔板垫片间的一定密封要求，除对平盖进行上述的强度校核外，还要对平盖进行刚度校核，GB l51中给出的相关厚度计算公式即是控制平盖中心挠度Y为：DN600mm时，Y：0.75mmDN600mm时，Y：DN800mm7.2分程隔板 (1)一般按GB 151规定的最小隔板厚度即可，但在隔板两侧压差较大或载荷不稳定有冲击力时，GBl51给出了厚度校核公式，当通不过时应适当增加厚度或改变隔板的结构；(2)大直径换热器隔板可设计成双层结构，既增加刚度又有利于隔热；(3)水平分程隔板上最好开设排净孔(泪孔)，孔直径一般为6mm；(4)较厚的分程隔板，人管板槽端应削边。7.3最小内侧深度规定管箱的最小内侧深度，目的是为了使流体均匀流人换热管及减少流动的压力降。(1)轴向开孔：开孔处最小深度应不小于接管直径的1/3；(2)侧向开孔：应使两程之间的流通面积不小于每程换热管流通面积的1.3倍；当压力降允许时，也可等于每程换热管的流通面积。7.4短节由于结构尺寸的限制，且管箱圆筒(短节)一侧与法兰、另一侧与封头相联接，故不属拼接圆筒，GB l50中所规定的“筒节长度应不小于“300mm”规定，不能在此硬性套用。7.5管箱热处理GB l51规定在下列情况下应进行焊后消除应力热处理。(1)碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖应进行消除应力热处理，热处理后加工法兰和分程隔板的密封面；(2)碳钢、低合金钢制的管箱侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱应进行消除应力热处理；(3)上述情况的奥氏体不锈钢管箱和浮头盖是否热处理，供需双方要协商解决。8. 换热管8.1换热管的拼接换热管的拼接是允许的。如不允许拼接时，应在图样上加以规定。换热管的拼接要求：(1)应参照JB4708对焊接接头作焊接工艺评定，Al、Cu、Ti可参照执行；(2)直管拼接焊缝不得超过一条，U形管不得超过两条；最短管长不应小于300mm，包括至少50mm的直管段的U形管管段范围内不得有拼接的焊缝；(3)拼接坡口应用机械方法加工，焊前清洗干净；(4)对口错边量不得超过壁厚的15，且不大于0.5mm，直线段不得影响穿管；(5)对接后要按GB l51的规定进行通球检查；(6)对接焊接接头进行RT抽查，如有一条不合格则加倍，再出现不合格时100检查；(7)对接后换热管应逐根按2倍设计压力进行液压检查。正因为换热管的拼接要求十分严格，所以，制造厂一般不进行拼接，因为12m的换热管可以满足绝大多数换热器的要求，而且火车可直接发运；而大多数中小型钢管厂可以按要求供弯制好的U形管。8.2 U形管1GB l51规定最小弯管半径应不小于2倍的管外经，并给出了Rmin的具体值，当Rmin比上述规定小而又能保证椭圆度要求时，是可以使用的；2弯管后U形管段外侧会减薄，因此为了使减薄处的壁厚不小于直管段的计算壁厚，就必须计算弯管前的换热管最小壁厚；3当U形管内流速过高或有腐蚀时，应适当加厚弯管半径较小的U形管的壁厚；4当有应力腐蚀时，冷弯U形管的弯管段及至少包括150mm的直管段应进行消除应力热处理，对于奥氏体不锈钢管应考虑固溶处理，靠近加热的部分应采取保温措施以避免温度突变；5用作低温管时，冷弯的弯曲半径小于10倍的管子外径时，弯后应作消除应力热处理。经热处理供货的换热管材，在必须采用热弯或弯曲时半径小于10倍管子外径的冷弯，必须重新进行与原热处理相同的热处理。9. 壳体圆筒9.1 最小厚度换热器壳体圆筒的最小壁厚比压力容器要厚，是因为压力容器最小壁厚仅满足制造工艺、运输和安装的要求，而管壳式换热器尚需满足经常抽装管束和重叠安装的要求，对于不需抽芯的固定管板换热器的最小壁厚可稍薄。9.2 圆筒直径的允许偏差对于钢板卷制的壳体，TEMA RCB-3.122规定，通过测定周边所算出的壳体内径与名义内径之差不得超过1/8”(3.2mm)，它的特点是既规定了测量方法，又规定了偏差值，通过计算控制壳体内径的偏差，仅取决于周长的偏差(010mm)，在忽略了冷卷冷校中的材料延伸后，这一偏差仅取决于下料、刨边、纵缝的收缩量，而将这三项误差累计在10mm的范围内是完全必要的，也是可行的。但TEMA是通过测量周长后还要折算成直径是不方便的，故GB 151规定，壳体内径的偏差通过测量圆周加以控制，实测的外圆周长与名义的外圆周长相比，控制偏差为mm，同时规定了同一截面处圆筒的最大直径与最小直径差小于0.5%DN(GB l50为1%DN)和圆筒直线度，这两条同时起作用既保证了换热器能顺利穿管又能保证了圆筒与折流板的间隙能满足要求。管制圆筒的偏差按相应的钢管标准执行。9.3 壳体材料（1）用于制造换热器的圆筒或封头的钢板应符合GB150-1998;(2) 用于换热器的圆筒的碳素钢和低合金钢钢管应采用无缝钢管；(3) 符合GB150-1998A4.2的奥氏体不锈钢钢管，可用作换热器的圆筒。9.4 接管设计换热器的接管设计及计算除应符合GBl50的要求外，还应符合如下要求：(1)壳程的接管不允许伸人壳体的内表面；(2)接管尽量沿着径向或轴向设置；(3)设计温度高于或等于300时，应采用高颈对焊法兰； (4)必要时，可在接管上设置温度计、压力表接口；(5)对不能用接管排汽、放液的换热器，分别在管程和壳程的最高点及最低点设排气口和排液口,其最小公称直径为20mm；(6)立式换热器可设置溢流口，壳程为冷却介质时，必须在最高点设溢流口；(7)对于高温、大口径的接管，还应考虑来自管束的推力(三个方向的力和力矩)，此时要校核所在的壳体元件和接管根部的应力，同时还应考虑：法兰的型式、等级、接管厚度、垫片类别和螺栓等级； D类焊缝应焊透，焊缝表面应圆滑过渡及渗透检测的要求； 开孔补强、接管加筋，以增加与壳体元件的刚性和分散载荷； 必要时提请管道专业考虑管道上设置固定支架或限位支架，设备支耳处设弹簧支架等。10. 管板10.1 管板厚度1)管板有效厚度管板有效厚度指分程隔板槽底的管板厚度减去下列两者厚度之和：a)管程腐蚀量超出管程隔板槽深度的部分；b)壳程腐蚀裕量与管板在壳程侧的结构开槽深度两者中的较大值。 即管板有效厚度，等于管板实际厚度减去管板两侧的开槽深度或腐蚀裕量中的大值之和。2)管板的最小厚度a)管板与换热管采用胀接连接时，管板的最小厚度&min(不包括腐蚀裕量)按如下规定：用于易燃，易爆及有毒介质等严格场合时，管板的最小厚度应不小于换热管的外径；用于一般场合时，管板的最小厚度应符合下列要求： d025时，&min0.75 d0;25d050时，&min0.70 d0;d050时，&min0.65 d0b)管板与换热管采用焊接连接时，管板的最小厚度&min应满足结构设计和制造要求，且不小于12mm. 3)复合结构管板的最小厚度 a) 焊接连接的复合管板，-其覆层厚度应不小于3mm，为保证耐腐蚀性能还要求距表面2mm的覆层的化学成分和金相组织符合覆层材料的标准要求。 b) 胀接连接的复合管板，为了保证换热管与覆层的致密性和开槽增加拉脱力，其覆层厚度应不小于l0mm，且应保证距表面8mm覆层的化学成分和金相组织符合覆层材料标准要求。一般来讲，复合管板采用胀接的形式使用不多。 4)复合管板的有效厚度 当覆层允许计人管板有效厚度时，复合管板的有效厚度按整体管板的要求计算，但覆层的计人厚度(覆层最薄处的厚度)还应折算成当量厚度。10.2 布管 1)布管型式换热管的排列有四种型式， 2)换热管的中心距 换热管中心距宜不小于1.25倍的管子外径，按S=1.25d的计算值，还可作如下处理： (1)换热管与管板采用强度胀时，应向上圆整； (2)换热管与管板采用强度焊时，可向下圆整； (3)需要抽芯清洗时，两管净空距离宜不小于6mm。 3壳程进出口对布管的影响为得到合理的压力降，壳程和管程进出口处流体的流通面积应不小于进出口接管面积，并使流体流经进出口处的(ms)，有防冲板时，防冲板表面与壳程圆筒内壁距离不小于接管外径的14，无防冲板时，可略小。 3)布管限定圆a)固定管板和U形换热器布管限定圆直径DL=Di-2b3b3=0.25d(一般不小于8mm) b)浮头换热器布管限定圆直径DL当换热器内径1000mm时，b一般不小于3mm当换热器内径1000mm时，b一般不小于4mm 4)管程分程管程数一般有1,2,4,6,8,10,12等七种。管程分程的一般原则：a）应尽可能使各管程的换热管数大致相等；b)分程隔板槽形状简单，密封面长度较段。10.3 管孔 1)精度要求的一般考虑管孔与换热管的径向间隙的大小是影响管板与换热管连接接头(尤其是胀接)质量的关键性指标，而管孔的尺寸及允差又直接受控于换热管的精度。由于国内目前没有专用的钢制换热管的标准，且大量生产的是普通级换热管，所以GB l51在碳钢和低合金钢管中，不得不保留普通级钢管并允许级管束的存在，而对于新列入的有色金属管则从一开始就要求高精度的换热管。GB l51中关于管孔尺寸及允差的六个表，是根据如下原则确定的： (1)碳钢、低合金钢换热管所选配的管孔，允许使用两种精度管，所以给出了两种精度的管孔； (2)由于不锈钢管标准仅有较高精度以上等级，所以不锈钢换热管与管孔采用了I级管束的高精度配合； (3)铝管外径的偏差与高精度钢管相同，而铝管又以胀接为主，所以采用了钢管I级的配合，又由于铝比铝合金相对软一些，胀接困难，故铝管管孔的上偏差稍严一些(小于007mm)； (4)GBT 8890-1998铜换热管都呈负偏差，这是比较特殊的，加之铜管基本采用胀接(或加密封焊)，故为防止过胀，管孔的名义尺寸及允许偏差比钢的I级更小； (5)由于钛材贵，换热管壁厚薄，所以钛管与管板基本上采用焊接或加贴胀，同时GBT3625钛管外径、壁厚偏差都比高精度钢管小，所以钛材管孔与管的间隙比I级钢管的要小。 2)管孔直径及偏差 GB 151即使采用了国内换热管的高精度等级管，但与TEMA采用的换热管以及管孔直径在精度要求上仍然存在差距。的碳钢和低合金管对比见表25.9.3：表25.9.3 mm管外径及偏差管孔直径管孔直径偏差最小径向间隙最大径向间隙96%4%GB 151(GB/T8613)I190.2019.25+0.150+0.3000.050.60II190.4019.40+0.200+0.35001.00TEMA19.020.1019.30+0.050.10+0.25-0.100.050.40（1）对比表说明：同为高精度管，国内标准仍然存在差距；（2）两个标准的管孔直径偏差同样有4%允许有较大的偏差，这主要是从经济性考虑，不是所有的管孔都用最高级的加工手段来加工；（3）当冷作硬化会产生应力腐蚀的工况，或换热管与管板无法使其存在要求的硬度差时，适当地减少径向间隙是必要的，也是允许的。因为标准是最低要求，工程需要（图样）可以比其要求高。3)孔桥宽度B、Bmin 查表法：GB 151 给出了I、II级管束对应不同管板厚度的孔桥宽度表，在管板厚度不大于160mm时，可直接或用插入法找出B、Bmin。计算法：当管板厚度大于160mm时，可用标准中给出的公式进行计算。B、Bmin值主要是针对管板采用强度胀时的要求。当换热管与管板为强度焊、焊接接头承受热管的轴向剪切载荷时，B和Bmin的数值可以适当放宽，同时管孔直径和偏差也可适当的放宽。在TEMACB-7.522中规定为“强度焊连接：当用焊接连接去随管子的轴向载荷时，可考虑修正RCB-7.4至RCB-7.51各节的要求”。在GB 151 的5.8.5中规定为：“当I级钢制管束和铝、钛、铜换热管采用强度焊或强度焊加贴胀，换热管与管板的焊接接头承受换热管轴向载荷时，5.6.4中管孔直径及偏差及6.4.5中桥宽偏差可参照碳素钢、低合金钢II级管束的管孔和桥宽尺寸予以适当放宽。关于B的检查及控制要求如下：（1）GB 151 规定，对管板中心任意一个60扇面进行抽查，当B合格率低于96%（或Bmin超过4%）时，应进行全管板的检查；（2）B及Bmin应在管板出钻面检查。10.4 管板的拼接和堆焊1)管板拼接（1）拼接管板的对接接头应进行100%的射线或超声检测，按JB/T 4730射线不低于II级、超声不低于I级合格；(2)除不锈钢外，拼接管板应作消除应力热处理。2)管板堆焊（1）堆焊前应作堆焊工艺评定；（2）基层待堆焊面及覆层加工钻孔前的面应按JB/T 4730进行表面检测，检测结果不得有裂纹，成排气孔并应符合II级缺陷显示；（3）堆焊覆层应在靠基层面采用超低碳的过渡层和覆层的双层堆焊，且从距表面最少2mm（在工程实践中多控制在3mm）的深处（按覆层厚度而定）其化学成分应符合覆层材料的要求；（4）不得采用换热管与管板焊后加桥间补焊的方法进行所谓的堆焊。10.5 双管板当换热器管程、壳程介质严格禁混合时，宜采用双管板结构，并需考虑如下设计原则：（1）较苛刻的介质一般在管程，换热管与管侧管板采用强度焊或强度胀；（2）壳侧管板采用强度胀；（3）封闭的间距内应设置集液口或排气口；双管板结构一般有如下三种形式:11 折流板和支持板等内件 折流板既用来支撑换热管，又使其产生理想的壳程流速，还可以减少换热管无支撑跨距避免流体诱导振动，因此折流板在换热器壳程设计中无论是对传热还是对压降都占有重要位置，因为折流板是可以调节的，合理的折流板设计将会在传热和压降上都取得比较满意的效果。 如果不是特别指明，折流板通常是指壳程的横向折流板，用于双壳程结构的分程隔板称为纵向折流板或纵向隔板。11.1 折流板间距 (1)标准规定了最小折流板间距为壳体内径的15或50mm，取大者；小间距会增加壳程的流速及压降，考虑到传热、压降的均衡性，一般折流板间距宜不小于壳体内径的30； (2)折流板最大间距可等于壳体的内径，若再加大将可能使壳程流体纵向流(顺流)大大增加，使传热效率大大下降，另外，无支撑跨距过大会诱导振动，必要时应进行振动校核； (3)壳程流动为紊流时，传热系数变化范围为流速的0.6-0.7次方，而压降则与流速成正比，因此，随着折流板间距减少，压力降的增加比传热系数上升要快得多。11.2 折流板形式 常用的折流形式有折流板、折流杆和螺旋折流板等。 1)弓形折流板 (1)单弓形折流板为最常用的形式，其形式简单，但压降较大； (2)双弓形折流板，适用于壳程流量较大的物流，或壳程流体为密度低的低压气体时，此时压降会有大的下降，而传热系数的下降要小得多；(3)三重弓形折流板类似双弓形折流板的功能，但其安装的难度较大。2)折流板布置a)折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板尽可能靠近壳程进，出口接管；b)卧式换热器的壳程为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下布置。若气体中含有少量液体时，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，在缺口朝上的折流板的最高处开通气口。C）卧式换热器的壳程介质为气液共存相或液体中含有固体物料时，折流板缺口应崔直左右布置，并在缺口最低处开通液口。3).弓形折流板缺口高度弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占筒体内直径的百分比来确定。弓形弦高h值，一般取0.20.45倍的筒体内直径。4).折流板和支持板最小厚度根据换热器直径和换热管无支撑跨距查GB151表3410.3支持板a)当换热器不需要设置折流板，但换热管无支撑跨距大于GB151表42规定时，应设置支持板，用来支撑换热管，以防止换热管产生过大的挠度。b)浮头换热器浮头端宜设置加厚的环形支持板10.4. U形换热器的尾部支持。U形换热器中，靠近弯管段起支撑作用的折流板，结构尺寸A+B+C大于GB151表42规定时，应在弯管部分加特殊支撑10.5 折流杆用与换热管垂直的四组圆钢所形成的“井”字将换热管固定住。折流杆换热器使壳程流体沿着管束轴线纵向流动，从而彻底消除流体横向流动而产生的诱发振动。并且折流杆会使流体不断地产生卡门漩涡以提高传热的效率。同时由于没有横向流动，故壳程流体压降较底。折流杆换热器的关键技术在于正确的传热工艺计算及制造组装技术。折流杆的直径等于换热管的间隙；可视一组折流圈相当于一块折流板（或支板承） 10.6螺旋折流板 由数块扇形板排列在有一定升角的螺旋线上，使流体在壳体内形成螺旋流，其特点为： (1)可以使流体达到近似于柱塞流的效果； (2)返混程度很低，几乎没有流动的死区； (3)传热效率提高的同时，又获得了较佳的压降； (4)传热系数与螺旋角关系密切，最佳的螺旋角为2540； (5)为减少无支撑跨长避免振动可用二头或多头螺旋。 10.7 拉杆，定距管a)换热外径19mm时，采用拉杆定距管结构；b). 换热外径14mm时,采用拉杆与折流板点焊结构；c)拉杆应尽量均匀布置在管束外边缘。对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。e)拉杆直径和数量根据GB151表43,表4410.8 防冲与导流1)管程设置防冲板条件当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过3m/s时，应设置防冲板，以减少流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀。2） 壳程设置防冲板条件（1）当壳程进口管流体的2为下列数值时，应在壳程进口管设置防冲板或导流筒：a) 非腐蚀，非磨蚀的单向流体的22230kg/(m.s2)b) 其他液体，包括沸点下的液体2740kg/(m.s2（2）有腐蚀或磨蚀的气体，蒸汽及汽液混合物，应设置防冲板;3） 壳程设置导流筒条件当壳程进出接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒。以减少流体停滞区，增加换热管的有效换热长度。4） 防冲板a) 防冲板外表面到圆筒内壁的距离，应不小于接管外径的1/4;b) 防冲板的直径或边长，应大于接管外径的50mm;c) 防冲板的最小厚度：碳钢为4.5mm,不锈钢为3mm。d) 防冲板的固定形式有： 防冲板焊在拉杆或定距管上，也可以同时焊在靠近管板的第一块折流板上； 防冲板焊在圆筒上（考虑穿管， 应注意拉杆应固定在远离防冲板一侧的管板上） 防冲板与换热管采用U形螺栓固定。5) 导流筒导流筒分内导流筒和外导流筒a)内导流筒：内导流筒外表面到壳体内壁的距离宜不小于接管外径的1/3。导流筒端部至管板的距离，应使该处的流通面积不小于导流筒的外侧流通面积。b)外导流筒：内衬筒内表面到外导流筒的内表面距离为： 接管外径d250mm时，间距50mm；接管外径d250mm时，间距75mm。c)立式外导流换热器，应在内衬筒下端开泪孔。10.9 双壳程结构 当管程流量较大，壳程流量较大、壳程流量较小时，或为达到全逆流传热的目的，采用双壳程是很普遍的。双壳程设计的关键在于纵向隔板的密封和安装结构，GB l51有下列三种结构型式，见图图中(a)（b）、（c）三种型式都适用于不抽芯式的换热器，其优缺点如下： （1）（a）型：组装很方便，但密封结构较为复杂，也可用于浮头式或U形管式换热管的可抽管束； （2）（b）型：隔板必须先焊人壳体，因此组装管束十分困难； （3）（c）型：作为固定管板换热器的使用，比（b）型组装简单，可在壳体外侧基本完成管束的组装；也可用于U形管式换热管器的可抽管束。纵向隔板的最小厚度为6mm,当壳程压力降较大时，隔板应适当增加。11浮头盖和钩圈 1)浮头式换热器的浮头盖 浮头盖相当于管程的一个管箱，通常为带法兰的球冠形封头结构。其浮头法兰的设计计算分析GB150。对于带有分程隔板的浮头盖要热处理。2)钩圈 钩圈对于保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起重要作用。GB 151给出了两种钩圈的结构型式。 (1)A型钩圈为传统的结构形式，其厚度计算公式是活套法兰的计算式，因其剖分为两半，故其厚度为整体活套法兰的倍；这种钩圈，加工要求低，但过大的结构尺寸会造成双头螺柱长，刚性差，同时会在浮头端造成过大的介质停滞区，减少了有效换热面积。鉴于B型钩圈近30年的成功使用，目前A型钩圈在国内的应用已愈来愈少。 (2)B型钩圈的计算公式是个经过验证的经验公式，其优点是双头螺柱短、钩圈薄、浮头端停滞区相对A型要少，但加工有难度，要达到B型钩圈的良好性能必须要保证以下两点： 应保证浮头管板外径与钩圈内径0.4mm的径向间隙，在拧紧螺栓时间隙消失，从而使管板对钩圈起到支撑作用，控制了钩圈的转角变形，也能保证螺栓不致产生过大的弯曲变形，因此保证了有效的密封； 保证颈部承受剪切载荷的30mm的厚度。 JB/T4714浮头式换热器冷凝器型式与基本参数系列就是采用B型钩圈。3）浮头法兰球冠浮头装入法兰深度l对法兰计算厚度有较大影响：在外压作用下，增加l可使法兰厚度减薄，而在内压作用下增加l使法兰厚度增大，应慎重选择l。一般取： l球冠封头厚度+2mm；或者参照SW6默任值选取。5） 浮头法兰垫片一般应采用金属包垫片或缠绕垫，不宜采用非金属垫。 12 填料函换热器1） 填料函换热器结构形式填料换热器结构有：外填料浮头式； 单填料函滑动管板式 双填料函滑动管板式填料函换热器不适用于易燃，易爆，有毒及贵重介质。 13支座1）卧式换热器鞍座布置原则： a)当L3000mm时，两鞍座之间距离取LB=(0.40.6)L;b)当L3000mm时，两鞍座之间距离取LB=(0.50.7)L;c)尽量使Lc和Lc相近。 2）