毕业设计：浮头式换热器设计

摘 要随着石油化工行业的迅速发展，换热器在石化行业设备中占据着重要的部分和地位。换热器是一种实现物料之间能量传递的设备，本设计主要是针对的浮头式换热器，浮头式换热器属于管壳式换热器的一种，是利用间壁使高温流体和低温流体进行对流传热从而实现物料间的热量传递。在设计的整个过程中，严格按照GB150-1998钢制压力容器和GB151-1999管壳式换热器等标准进行设计和计算。以及对换热器的强度，刚度和稳定性的校核。本设计包括四个部分：说明部分；计算部分；绘图部分和翻译部分。说明部分主要阐述了浮头式换热器的工艺流程及其在炼油化工生产中的地位，换热器设备及其发展现状和国内外换热器的最新发展趋势，同时介绍了换热器的结构设计，换热器主要零部件结构的设计及压力容器常用材料等。最后对压力容器的制造，检验和验收等问题也作了简单的介绍。计算部分主要针对筒体，封头，和法兰进行了详细计算，并对其进行了水压试验校核，还对换热器的管板，折流板，鞍座等进行了相关的设计计算。除此之外，还参阅相关的设计手册及大量的文献，完成了各个零件图的绘制，还对两万字符的外文进行了翻译等工作。因此，这是份比较具有创新性的毕业设计。关键词：浮头式换热器；筒体；压力试验；校核AbstractWith the oil of the rapid development of the chemical industry, heat exchanger equipment in the petrochemical industry occupies an important part and status. Is a heat exchanger to achieve energy transfer between the materials of the equipment, mainly for the design of the floating head heat exchanger, floating head heat exchangers are shell and tube heat exchanger type is the use of partitions so that high-temperature fluid and low-temperature fluid for convective heat transfer in order to achieve the heat transfer between materials.In the design of the whole process, in strict accordance with GB150-1998 Steel Pressure Vessels and GB151-1999 shell and tube heat exchanger and other standards for the design and calculation. As well as the heat exchanger strength, stiffness and stability of the check.The design includes four parts: that part of it; calculation part; mapping and translation of some parts. Note on some of the main floating head heat exchanger and its application in the process of refining the position of chemical production, heat exchanger and the development of equipment and heat exchangers at home and abroad the latest development trends, at the same time introduced the structure of heat exchanger design, heat exchanger design of the structure of the main components and pressure vessels commonly used materials. Finally, pressure vessel manufacturing, testing and acceptance of other issues also made a brief introduction. Calculated for some of the main cylinder, head, and carried out a detailed calculation of the flange, and its hydraulic test checking, but also on the heat exchanger tube sheet, baffle, such as a saddle-related design calculation. In addition, see the related design manuals and a lot of literature, completed the mapping of various parts, but also on the20,000 foreign-language characters for the translation work. Therefore, it is a comparison of graduates with innovative design.Key words: Floating head heat exchanger; cylinder; pressure test; check目 录1前言11.1管壳式换热器的分类11.2管壳式换热器的结构21.2.1管束21.2.2壳程31.2.3管子的排列方式31.2.4管板31.2.5折流板与折流杆31.3管壳式换热器相关分析41.3.1传热系数41.3.2平均温差41.3.3流体流速41.3.4流体压降41.3.5振动41.3.6其他41.4提高管壳式换热器传热能力的措施51.5管壳式换热器工作原理61.6管壳式换热器的发展71.6.1板式支承结构的发展71.6.2杆式支承结构的发展71.6.3空心环支承结构81.6.4管式自支承91.7管壳式换热器特点101.8管壳式与其他换热器的比较111.9腐蚀与防护141.9.1换热器腐蚀的原因141.9.2管壳式换热器的防腐蚀措施161.10换热器设计软件简介191.10.1HTFS201.10.2 HTRI211.10.3 ASPEN PLUS BJAC221.11 结语232设计部分242.1浮头式换热器筒体的计算：242.1.1计算条件242.1.2厚度的计算242.2前后端管箱封头的计算252.2.1设计条件252.2.2厚度计算252.2.3压力试验应力校核262.2.4压力试验应力校核272.3带法兰无折边球形封头及法兰计算272.3.1设计条件272.3.2厚度计算282.4管子排列方式的设计312.5开孔补强的计算312.5.1筒体开孔所需的补强面积要求322.5.2在有效补强范围内作为补强的截面积322.5.3选择补强圈补强332.6外头盖法兰厚度计算332.6.1设计条件332.6.2厚度计算342.7管板的厚度计算382.7.1设计条件382.7.2计算各参数392.7.3厚度计算412.7.4校核换热管轴向力423 致 谢454 参考文献461 前 言换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业应用普遍。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40左右，占总投资的30 45 。尤其是换热器在化工生产装置中应用十分广泛，是化工操作单元中的重要组成部分。随着工业装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化。目前在大型化工生产装置中，各种换热设备的数量占工艺设备数量的30以上。因此，了解换热器各方面知识是很有必要的。换热器种类繁多，形式各异，如管壳式、釜式、板式、板翅式、螺旋板式、空冷器、套管式、蛇管式、升降膜式等。由于管壳式换热器易于制造、适应性强、处理量大、成本较低以及可供选用的材料范围广泛，仍是当前应用最广，理论研究和设计技术最完善，性能可靠的一类换热器，所以这里我们重点研究这它们。1.1 管壳式换热器的分类根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式及釜式重沸器等五类，每种结构形式各自发挥不同的作用。固定管板式换热器它结构简单、紧凑、造价低，往往是管板兼法兰，适用于管、壳程温差不大或管、壳程温差大，但压力不高，壳程介质干净或虽结垢但通过化学清洗能清除的场合。其主要缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生很大的温差应力。浮头式换热器管束一端的管板可以自由移动，不受温差应力的影响，其结构复杂，内浮头密封困难，锻件多，造价高。维修时可拆卸浮头，抽出管束进行检修或更换，适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10 MPa的工况，缺点是需要抽出管束。还有一种浮头式换热器也称为填料函式换热器，其管束可自由伸缩，壳程和管程都可以拆开清洗，结构简单，适用管、壳程温差大工况，但其耐压、耐温及密封能力差，目前只是在低压与小直径的场合下使用。U形管式换热器管束可自由伸缩，只有一块管板，密封面少，管束与壳体分离，消除了温差应力，可抽芯检修更换。适用场合为管、壳程温差大，高温，高压。壳程需抽芯清洗，要求管内介质干净或虽会结垢但通过化学清洗能清除。其他类型就不予解释。1.2 管壳式换热器的结构图1.管壳式换热器示意图1.2.1 管束在管壳式换热器中最简单的是单管程的换热器，如需增加传热面，一般采用增加管数的方法，管数增加后可将管束分程，以防止管数增加后引起管内流速以及传热系数的降低，从制造、安装、操作的角度考虑，一般采用偶数管程且程数不宜太多。1.2.2 壳程图2.列出了几种代号的壳程型式。E型是最普通的一种，壳程是单程的，管程可为单程也可为多程；F型为二壳程的换热器，是在壳体中装入了一块平行于管子轴线方向的纵向隔板；G型也为二壳程的换热器，纵向隔板从管板的一段移开使壳程流体得以分流；H型与G型相似，但进出口接管与纵向隔板均多一倍。图2.换热器的壳程型式1.2.3 管子的排列方式管子在管板上的排列方式最常见的有4种：正三角排列、转角正三角形排列、正方形排列和转角正方形排列。1.2.4 管板管板是换热器的重要部件之一，用来排布换热管并起着分隔管程、壳程空间的作用。薄管板有着节省材料的优点，是用于中、低压换热器中；椭圆形管板与换热器的壳焊接在一起，受力条件较好，适用于高压、大直径的换热器。1.2.5 折流板与折流杆折流板体有助于提高壳程的流速，增强湍动，改善传热，在卧式换热器中起支承管束的作用。常用的折流板有单弓形、双弓形、三重弓形等。折流杆是一种新型支承管子的结构，其优点：在传热量相同的情况下，其压力降比弓形折流板的换热器降低50 以上，没有传热死区，结垢速率慢，防止了横向流诱发的振动。1.3 管壳式换热器相关分析1.3.1 传热系数在管侧热阻、壳侧热阻、污垢热阻和管壁热阻中分析导致热阻的主要原因。一般管壳式换热器的管壁热阻在总热阻中只占很小的比例，对传热系数影响不大。如是管侧热阻或壳侧热阻起决定作用，应该采取措施有效地增强湍动效果以提高传热系数，如是污垢热阻起决定作用，应该采取措施使换热器有效除垢以提高传热系数。1.3.2 平均温差平均温差是对数平均温差，但当多管程或多壳程时，需要修正平均温差。1.3.3 流体流速一般流体流速都有合理的范围，特别是对于甲类和乙类流体还有安全流速，因此要分析流速是否合理，操作安全性是否可靠。1.3.4 流体压降其实流体压降与流速有密切关联，要分析压降是否合理，是否满足工艺要求。1.3.5 振动振动对于操作的安全性十分重要，因此对振动的分析也必不可少。1.3.6 其他换热器的长径比、介质走向、防冲板的设置、折流板间距、换热器清洗等问题也要在设计中加以注意。经过结果分析后，一切参数均能满足工艺要求，换热器的工艺设计才能完成。1.4 提高管壳式换热器传热能力的措施管壳式换热器的传热能力是由壳程换热系数、管程换热系数和换热器冷、热介质的对数平均温差决定的，因此，提高管壳式换热器传热能力的措施包括以下几点。a.提高管壳式换热器冷、热介质的平均对数温差。冷、热介质平均对数温差除直接受冷、热介质进出口温度影响外，还受到冷、热介质的流动方向和换热流程的影响。当换热器冷、热流体的温度沿传热面变化时，两种流体逆流平均温差最大，顺流平均温差最小，在实际换热器设计中，冷、热流体多采用交错流方式，其平均对数温差介于逆流和顺流之间。因此，应尽量增加换热器冷、热流体的逆流比例，提高冷、热流体的对数平均温差，提高换热器的传热能力。b.合理确定管程和壳程介质。在换热器设计中，对于壳程安装折流板的换热器来说，Re100时，壳程介质即达湍流，因此，对于流量小或粘度大的介质优先考虑作为壳程换热介质；由于管程清洗相对于壳程清洗要容易，因此对于易结垢、有沉淀及杂物的介质宜走管程；从经济性考虑，对于高温、高压或腐蚀性强的介质，作为管程换热介质更加合理；对于刚性结构的换热器，若冷、热介质温差大，因壁面温度与换热系数大的介质温度接近，为减小管束与壳体的膨胀差，换热系数大的介质走壳程更加合理，而冷、热介质温差小，两介质换热系数相差大，换热系数大的介质走管程更加合理。c.采用强化管壳式换热器传热的结构措施。在换热器设计中，通常采用强化传热的措施来提高换热器的传热能力。强化传热的常用措施有：采用高效能传热面、静电场强化传热、粗糙壁面、搅拌等。1.5 管壳式换热器工作原理图3为固定管板式换热器的构造。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体 (A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形;管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置正如上面所提到的有等边三角形、正方形、正方形斜转45度和同心圆形等多种形式，前3种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为14002850瓦每平方米每摄氏度W/(m();用水冷却气体时,为10280W/(m()；用水冷凝水蒸汽,为5704000W/(m()。1.6 管壳式换热器的发展1.6.1 板式支承结构的发展传统的管壳式换热器采用单弓形折流板支承，由于壳程流体在转折和进出口两端涡流的滞留区易产生传热死区，传热面积无法得到充分利用，并且当流体横向流过管束时，流体在管子后方形成的卡门旋涡产生周期性交变应力，使管子发生流体诱导振动 。为了使折流板的性能得到改进，人们又提出了多弓形折流板、整圆形折流板、异形孔折流板、网状板，偏心孔折流板。这些新型折流板支承结构的出现主要是为了使流体由横向流动变为纵向流动，从而尽可能消除死区，使得传热综合性能得到提高，也使得管束的抗振性能得到增强。1.6.2 杆式支承结构的发展美国菲利浦石油公司于2O世纪7O年代，为了改进板式换热器中管子与折流板的切割破坏和流体诱导作用，开发了壳程流体纵流折流杆式换热器，即在管子中插入网杆，不仅解决了诱导振动问题，也使传热效率得到了提高。这种壳程流体纵流折流杆式换热器 与传统的板式换热器相比，具有传热效率高、流体阻力小、有效消除流体诱导振动的优点，且不易结垢、质量轻、使用寿命长、设备投资及操作费用低等优点 。 因此世界各同对该类型的换热器进行了深入的研究，出现了一种新的抗振结构的直扁钢条；后来又有一些单位把圆杆变成波形扁钢；由于圆杆在安装上比较闲难，又有一些单位提出了把圆杆变为椭圆截面的杆。1.6.3 空心环支承结构空心环支承(图4)是由华南理工大学化学工程研究所邓先和等首先研究的，它是由直径较小的钢管截成短节，均匀分布在换热管之间的同一截面上，呈线性接触，在紧固装置螺栓力的作用下，使管束对紧密固定。由于流体纵向冲刷管束，因此壳程具有流体阻力小、传热性能好及抗振能力强等特点。研究表明，当支承同样的强化管束(即横纹管束)时，空心环支承结构更能使粗糙管束获得更好的强化效果，在同等壳程条件下给热系数高50以上，并且壳程压力更小。空心环支承的绕流作用不如折流杆支承，而且管束固定工艺相对较复杂。图4.空心环支撑结构1.6.4 管式自支承管子自支承的共同特点是靠管子自身变形的突出部位相互支承，无需其它支承物。因此，管子排列紧凑，单位体积内的换热面积增大，管子间距小，可提高壳程流速，支承点干扰流体并分割流体边界层，从而增强湍流度，使传热边界层减薄。传热管的截面形状的变化对管内、外流体的传热都具有强化作用。管式自支承结构主要有三种形式：刺孔膜片式，螺旋扁管式和变截面管式。(1)刺孔膜片式(图5a)。在每根换热管两侧相距180。开沟槽，沟槽中嵌焊冲有孔和毛刺的膜片。膜片上的毛刺具有扰流作用，增大了流体湍流程度；同时，使得流体通过ib-fL实现了昆合。由于刺孔膜片嵌焊在管壁上，是管壁的延伸，增大了单位体积的有效传热面积。刺和孔不断使换热表面上的边界层更新，使层流厚度减薄，提高传热系数，壳程流体完全纵向流动，阻力主要是液体的粘性力，因此壳程压力变得很低。(2)螺旋扁管式(图5b)。把圆管轧制或椭圆管扭曲成一定导程的螺旋扁管，靠相邻的管长轴处的点接触支承管子。壳程流体大体上呈纵向流动，同时伴随有横向螺旋运动。这种流速和流向的周期性改变加强了流体的轴向混合和湍流度。同时，流体流经相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的尾流，增加了流体自身的湍流度，破坏了流体在管壁上的传热边界层，从而强化了传热。(3)变截面管式(图5c)。变截面管是普通圆管压制而成的，相隔一定间距管子被压制成互成60度(三角形布管)或90度(正方形布管)的扁圆形截面。这种管通过变径部分的点接触支承管子，同时组成壳程的绕流元件。因此，管子排列紧凑，单位体积内的换热面积增大。由于管问距小，使得壳程流速得以提高，从而增强湍流度，使得管壁上的传热边界层减薄。同时，换热管的截面形状的变化对管内、外流体的传热都具有强化作用。图5.自支承管及其自支承结构总体来说，管壳式换热器的发展总体上是支承形式的发展，从板式支承到折流杆式支承，再到空心环支承，最后到管子的自支承当然其间也有交错发展的情况。随着支承形式的发展，管壳式换热器的壳程给热系数呈现不断提高的趋势，压降呈现不断下降的趋势，换热器的传热综合性能得到很大的提高。从管壳式换热器的发展可知，新的支承结构的出现，绝大多数是为了使流体的流动方式尽可能变为纵向流，这样有利于管程和壳程的热交换，从而提高传热系数，同时伴随着压降的降低，使得传热综合性能得到很大的提高。1.7 管壳式换热器特点管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固,处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造,生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。但在传热效能、紧凑性和金属消耗量方面不及板式换热器、板翅式换热器和板壳式换热器等高效能换热器先进。1.8 管壳式与其他换热器的比较这里我们主要研究管壳式与板式换热器的不同点。（1)流动传热设计比较管壳式换热器的管子是换热器的基本构件，它为在管内流过一种流体和穿越管外的另一种流体之间提供传热面。根据两侧流体的性质决定管子材料，将具有腐蚀性，水质差的介质放在管内流动，水质较好的介质放在管子外壳侧，这样管子只需采用耐海水腐蚀的铜官或钛管，同时清洗污垢较为方便，管径从传热流体力学角度考虑，在给定壳体内使用小直径管子，可以得到更大的表面密度，但大多数流体会在管子表面上沉积污垢层，尤其管内水质较差，可能会在管壁上形成沉积物，将传热恶化并使定期的清洗工作成为必要，管子清洗限制管径最小约为 17mm。对给定的流体，污垢形成主要受管壁温度和流速的影响，为得到合理的维修周期，管内侧水的流速应在2m/s左右。对管壳式换热器，应根据水质含杂量情况需设置胶球清洗装置进行定期清洗。板式换热器的两种热交换介质分别在波纹板的两侧对流，波纹采用人字形波纹，这样既增强了刚度以防止板片受压变形，同时也增强了流体的湍流程度，并加大了传热面积。这些传热板的波纹斜交，即在相邻的传热板上具有倾斜角相同而方向不同的波纹。沿流动方向横截面积是恒定的，但是由于流动方向不断变化致使流道形状改变，而引起湍流。板片是传热元件，一般由0.60.8mm的金属板压制成波纹状，传热板的波纹深度为35mm，湍流区流速约为030.8m/s，相邻板间要有许多接触点，以承受正常的工作压力，相邻的板有相反方向的人字形沟槽，两种沟槽的交叉点就形成接触点，这样还可消除振动，并且在促进湍流和热交换的同时，消除了由于疲劳裂缝引起的内部泄漏。人字形波纹板湍流度较高，高湍流还能充分发挥清洗作用，可以特别有效的将沉积污垢减至最小，但是波纹板的接触点较多，当液体水质差，含有悬浮的固体颗粒、杂物和水草等时，由于板间隙很窄，所以要尽可能地保证将所有2 mm以上颗粒在进人换热器以前，都要过滤掉,假如滤网不能有效地发挥作用，就容易发生堵塞。(2)传热系数的比较管壳式换热器中，一种流体横向掠过管子通过管壁与管内流动的另一种流体彼此垂直交叉流动，其传热系数k值一般为10003000 w(m2k)。板式换热器中，冷却水侧与被冷却水侧流动均匀湍流，两种流体逆向流动，由于波纹的作用引起湍流，从而产生高传热率，并抑制了污垢在传热面上形成。其传热系数一般为35005600 w(m2k)，故传热系数高，而阻力损失并不大。此外，污垢热阻也较小。(3)占地面积比较用于同一工况的板式换热器的占地面积，约为管壳式换热器的五分之一左右，这是因为板式换热器的总传热系数高，减少了换热面积，并且板式换热器本身结构紧凑，单位体积内的换热面积，约为管壳式换热器的2倍，又不需附加的检修场地。(4)多种介质换热管壳式换热器不能进行多种介质操作。在一台板式换热器中，只要设置中间隔板，就可以进行多种介质的换热，这一特点是管壳式换热器难以达到的。乳品、饮料行业中，利用板式换热器这一优点，可用同一台板式换热器来实现加热、杀菌、热回收等几种操作。另外，可根据需要用调节板片数目的办法来增减传热面积，或利用板片排列方式不同来调节流道长短的办法，来适应冷热流体流量和温度变化的要求。(5)对数平均温差t1m冷、热流体在板式换热器的板间流动，是平行的流动，且一般可以设计成逆流的方式，因此温差修正系数高于管壳式换热器以错流为主的流动方式的温差修正系数，其结果是板式换热器的对数平均温差大于管壳式换热器。(6)末端温差的比较末端温差是指一流体人口温度与另一流体出口温度之差。管壳式换热器传热末端差难以达到5以下。板式换热器的流道是相互平行的，一程内的流体(程内有多个流道)虽然流量分配并不十分均匀，但程与程之间不会有短路、旁路等现象，流体在流道内的运动不会有任何影响末端温差的现象。由于它的结构特点可以经济地做到低至l的端差。(7)水量比较管壳式换热器一般冷却水量和被冷却水量之比为1.22.5:1。板式换热器，由于2种介质流道基本相同且传热效率高，因此板式换热器可大大降低冷却水量，一般冷却水量和被冷却水量之比为0.81.1:1，这样可以降低管道阀门和泵的安装运行费用。(8)安装检修的比较管壳式换热器是由管束组成，自身重量体积都较大，在检修抽管时需要留出管束一样长的距离，故占地较多，还需配备必要的起吊检修设施。管壳式换热器的设计寿命一般为30年，大修周期4年，当换热器发生泄漏时，(可能是管子与管板间的泄漏或是管子破裂引起的泄漏)可以采用堵管的办法在短时间内恢复工作性能，管壳式换热器允许有7的堵管裕量。对于管内的清洗可以根据需要采用胶球清洗装置进行定期的机械清洗。板式换热器具有体积小，重量轻的特点，检修方便，不需设检修起吊设施，故安装占地较少。板式换热器的人工维护包括将整机折开，用喷水枪和刷子清洗板和垫片，检查板片和垫片，如有必要，更换板片和垫片。板式换热器一般每年要清洗1次，并且无论是否实际需要都要做。当应用河水、海水等水质较差的冷却水时，由于泥沙和污物的存在，以及微生物的快速生长有引起表面污染和堵塞的危险。在国外，应用河水作冷却水时，清洗频率很高，平均每年3.3次。1.9 腐蚀与防护1.9.1 换热器腐蚀的原因管壳式换热器和板式换热器腐蚀的类型基本相同,如表1所列。由表1可见换热器中最严重的腐蚀隐患之一是孔蚀,在换热管内外常会产生由于污垢附着而引起的孔蚀。孔蚀产生的原因多与卤素有关,特别是Cl-和含Cl的离子,其中以CuFe、Hg等金属的氯化物危害最为严重。介质的流动条件和管子的表面状况也影响孔蚀的产生,介质流速高可以消除局部地方高浓度的Cl-从而降低腐蚀的倾向,管子表面光洁可增强其耐孔蚀的能力。对于采用胀接形式的接头,由于胀接过程中存在残余应力，在已胀和未胀管段间的过渡区,管子内外壁都存在拉应力,对应力腐蚀非常敏感。一旦具备发生应力腐蚀的温度、介质条件,换热器就会发生应力腐蚀破坏。应力腐蚀破裂是由于腐蚀和拉应力的共同作用而造成的材料断裂。只有当拉应力超过该体系的临界压力,才会产生应力腐蚀破裂。腐蚀介质和循环应力的共同作用也能形成腐蚀疲劳。如果换热器中的介质是电解质溶液,氢以原子状态在金属表面析出,向金属内部渗透,就会有氢破坏的可能,既可能产生氢鼓泡,又有可能导致氢脆。含固体悬浮物的液体容易产生冲刷腐蚀,被冲刷腐蚀的部位,常有典型的沟状、洼状或波纹状等外观特征。换热器入口管端,就存在冲刷腐蚀,发生在管壳式换热器管程流体入口部分,距传热管管端34倍管径长度处。我国换热器的接头多采用焊接形式,管子与管板之间存在间隙,壳程介质进入到间隙死角中,就会形成缝隙腐蚀。在换热器中,污垢的附着部位也会产生缝隙腐蚀。缝隙腐蚀与介质在这些部位的滞流有关。缝隙腐蚀与孔蚀的机理相似,一般出现孔蚀的地方也常有缝隙腐蚀发生。缝隙腐蚀和孔蚀都有一个孕育期,一旦过了孕育期,速度就会逐步增加。换热管若采用奥氏体不锈钢管,如果在450850保温一定时间,将造成敏化,使不锈钢具有晶间腐蚀的倾向,这可能与晶间的“贫铬”有关。1.9.2 管壳式换热器的防腐蚀措施（1）操作工艺控制换热器开车时,应首先用喷管将容器内的气体和冷凝水完全排出,而后将冷流体充满容器,关闭入口,然后缓慢注入热流体,注意不要使加热速度超过0.06s-1,并使长度方向的温度梯度不大于30.4m-1,总之,应尽量使导入流体而形成的管子与壳体之间的热膨胀差为最小。停车时,应先将热流体流速逐渐减小至零,然后快速停止冷流体流动,这样可使冷却过程中的不等量收缩减至最小。停机后,用干燥的压缩空气将换热器中的所有流体排出。这样的开停车工序,可以将拉应力降至最小,避免产生应力腐蚀。在换热器运行中,应严格控制操作条件,避免骤冷骤热导致温差应力,产生应力腐蚀。采用定期清洗的方法降低污垢腐蚀。在运行中,可在规定的时间内,用瞬时增加流速的操作,或者采用逆流清洗的操作,也可用化学清洗的方法;停工时可采用喷射洗涤、机械清洗和化学清洗的方法。（2）维修工艺控制在试压或操作中发现接头泄漏时,对接头胀管修复要慎重。胀管时,对其周围的管子也要进行再次胀管,以免形成间隙。管子泄漏时采取堵管方法也应慎重,在可以更换管子时尽量换管,以免造成很大的温差应力,导致应力腐蚀。保温层破损后,应尽早使用防止水分的施工方法修复,以免壳体外积附水分,腐蚀壳体。用化学清洗清除换热器污垢时,清洗后需将残留液排出,因为残留液会腐蚀换热器,换热器长期不用时也要在换热器清洗后,将残留液完全排出。为避免管端磨损冲蚀,可用尼龙衬套防护。（3）水处理工艺控制在循环冷却淡水中,可添加缓蚀剂以降低腐蚀。通常将阻垢分散剂、杀菌灭藻剂与缓蚀剂合用,称为水质稳定剂。CrO2-4是一种阳极抑制剂,与适当的阴极抑制剂合用时,可得到满意的防腐蚀效果,因此,常在水系统中使用。铬酸盐-锌-聚磷酸盐处理冷却水,常用于低碳钢、不锈钢、海军铜和铜镍合金换热器,但不能用于铝合金制换热器。水处理方法还有软化、除氧、除铵、除磷酸盐及硫等,以控制水中的pH值和氧含量,以免腐蚀。（4）电化学保护电化学保护分为阳极保护和阴极保护。阳极保护多用于换热器中工艺物料一侧。阳极保护即通过外加电流使金属电位向正向移动,促使金属钝化以进入钝化区,可以大大降低腐蚀速度。硫酸工业中已广泛使用配有阳极保护的不锈钢换热器。在人造丝生产中使用了阳极保护来防止钛制换热器的腐蚀。阴极保护常与保护性涂层联合使用,如使用淡水的冷却器采用富锌涂料,与阳极保护联合使用,简化了辅助阳极的布置,降低所需的电流,取得了很好的效果,被认为是最经济的防腐蚀方法。大型换热器常采用外加电流阴极保护,小型海水换热器则多用牺牲阳极的阴极保护。（5）设计、制造及安装工艺控制设计时应将蒸汽放在管程侧并避免高速气体流经壳程。因为蒸汽的冷凝液中溶解有O2和CO2,具有较强的腐蚀性。安装制造时管排应略微倾斜,以便冷凝液及时排出。1.9.3板式换热器的防腐蚀措施板式换热器的防腐蚀措施除可以采用以上方法外,还可采用以下措施:(1)设计板片的成形模时,应采用残余应力小的结构。板片的波纹断面、波纹的高度和节距要合理。所有断面要圆弧过渡,钦板圆角一般在R2R2.5。为减小内部残余应力,应采用整体切边或高频振荡等措施。(2)为减轻对板片表面的划伤,要对模具表面进行抛光。成形时要涂润滑剂或加润滑膜,以减轻对板片的划痕。(3)板片与垫片的粘结剂,不要采用过期的和含有Cl-的粘结剂,防止析出Cl-而引发腐蚀。(4)选择正确合理的板片结构和正常流速,一般板间平均流速为0.20.8ms-1(主流线上的流速要比平均值高45倍)。流速低于0.2ms-1时,流体达不到湍流状态且会形成较大的死角区。正确合理选用流速,也可减轻入口处的板片腐蚀。(5)增加板片触点的接触率,减少磨振对触点的破坏。人字形波纹板片的两相邻板片互相倒置组合后,波纹相互接触在11.6cm2的面积内(视波纹节距而定)就有一个支点,且分布均匀,所以板片触点接触率较高。水平直波纹的支点较稀疏。日阪制作的EX型板片,为了增加支点,研制出格子状的水平平直波纹板片。(6)板片换热器的密封垫片也是关键的零部件。取密封周边的长度(m)是换热面积(m)的68倍。由于在板片和密封压紧板的边缘,垫片沟槽和垫片之间存在缝隙,造成缺氧形成阳极而发生腐蚀破坏。所以垫片槽和垫片形状的设计要合理,密封垫片的截面必须与板片沟槽截面吻合。目前,密封垫片广泛采用弹性橡胶材料,对其力学性能和抗腐蚀性能有一定的要求,永久压缩变形量控制在20%,并热时效。垫片和板片夹紧后要尽量减少缝隙。这类垫片槽一般采用“粘贴型”密封结构。目前还发展了易装卸的“按扣”和“搭扣”密封结构,可直接扣在板片上,定位正确、牢固,无需粘结剂。此密封结构是借助弹性材料的过盈量将其压紧总之设计合理的密封结构和垫片形状,可减少缝隙腐蚀。总之，随着换热器应用领域扩大,介质多种多样,这就需要研制更多的能抗各种介质腐蚀的板材,并采取前述几方面的防腐措施,才能在各行各业中广泛应用,使换热器发挥出更大的经济效益。1.10 换热器设计软件简介在初步选定换热器形式后，就要确定换热器的几何参数。目前国内使用的换热器计算软件主要是HRFS(Heat Transfer and Huid How Service)和HTRI(Heat Transfer Research，Inc)，也可以应用ASPEN PLUS中的BJAC对换热器进行设计、核算和模拟，此外还有如换热器设计大师等。1.10.1 HTFS(1)软件介绍 HTFS是英国传热及流体流动学会推出的两相流管壳式换热器计算程序。可以进行冷却器、冷凝器、加热器、再沸器或冷凝冷却器、过热器等不同作用的管壳式换热器的计算。该程序有三种计算模式：设计型(DESIGN)、校核型(CHECK)和模拟型(SIMULATION).设计型，在一定限制条件下按面积最小进行设计. 校核型，核算已知换热器是否能满足换热要求，计算结果为实际面积所需面积。模拟型，模拟已知换热器，在给定的两侧流体的人口条件下，模拟物料的出口条件。HTFS程序中壳体形式为TEMA标准的E、I、J、G和K型；管子有光管和翅片管两种类型，管程数为116；折流板有单弓形、双弓形、无折流板和折流杆等多种形式。在TEMA标准中有R、C和B三种级别的管壳式换热器：R级适用于石油及相关工艺工程中的一般严格要求的非直接受火的管壳式换热器；C级适用于工业一般工艺过程的中等程度要求的非直接受火的管壳式换热器；B级适用于一般化工过程的非直接受火的管壳式换热器。根据具体情况来选择不同级别的换热器。（2）应用在进行换热器设计时，一般先用设计型初步计算出合适的换热器形式和规格，然后经过圆整，选择具体的换热器的几何尺寸，用校核型进行核算，计算结果中实际面积/所需面积一般为11 12。经核算表明能完全满足工艺要求并具有良好传热性能的换热器并不能保证操作中的安全性，因为在换热器中流体流动可能会引起管子的振动，进而引起换热器的机械故障。因此还需对所选换热器进行振动计算，这就需要用到该程序的模拟型计算模式。如有明显的振动则需调整换热器的某些几何参数甚至改变其结构形式，经过反复的性能核算和振动计算，直至传热性能和振动这一机械性能同时满足要求，换热器的工艺设计才算完成。HTFS程序中有常用组分的物性数据库，在计算时可根据物料组成的不同利用数据库中的物性数据，如数据库不足或数据不够准确，用户也可自己输入物料的物性数据进行计算。1.10.2 HTRIHTRI是美国热传递研究公司推出换热器计算程序，可以进行管壳式换热器、板式换热器、套管式换热器、加热炉、空冷器、螺旋板式换热器等不同形式换热的计算。HTRI程序中壳体形式为TEMA标准的E、F、G、H、J12、J21、X和K型，换热管有光管、低翅片管、纵向翅片管和维兰德“GEWAKS”管等多种形式，管程数为116，折流板形式单弓形、双弓形、窗口不布管形、拉杆形、螺旋板形、双螺旋板形等多种形式。同样，HTRI程序也有设计、校核、模拟三种计算模式，使用条件和方法与HTFS程序基本相同。HTRI的物性数据库比较丰富，它有一百余种常用单组分和混合物的物性数据，同时也能使用用户自定义物性数据。1.10.3 ASPEN PLUS BJACASPEN BJAC是ASPEN工程软件包的一部分，该软件包是一套用于工艺过程设计、模拟及分析的综合工具，它由三个程序组成的集成软件：ASPEN HETRAN、ASPEN AEROTRAN和ASPEN TEAMS。ASPEN BJAC程序是用来设计在成本和性能方面最有效的换热器。程序提供详细的投资成本估算，包括材料及建筑成本。换热器部件的设计与国际设计代码是一致的。设计计算结果和图形可以直接给制造者用来换热器的制造。ASPEN BJAC程序提供了一整套工具用来设计、核算及模拟各种管壳式、空冷式换热器。ASPEN HETRAN和ASPEN TEAMS能够模拟所有主要的TEMA管壳式换热器的加热、冷凝及蒸发过程。ASPEN AEROTRAN能够模拟矩形管束换热器包括强制式或吸入式空冷器以及加热炉及烟气节能器的对流段。ASPEN HETR AN 和ASPEN AER0TR AN有三种应用方式：设计方式，程序搜索满足热负荷规定及操作约束的最佳换热器；核算方式，它用于核算在指定操作条件下换热器是如何表现的；模拟方式，它确定在使用了所有传热面积情况下，冷热侧流体出口状况。ASPEN HETR AN 和ASPEN AEROTRAN有一个高级的优化算法能够找到满足所有工艺要求的、成本最低的换热器。程序可进行详细的成本计算。用户可以交互式分析优化路径和评价可选的设计方案。ASPEN TEAMS做一个完整的机械设计包括综合应力分析及外部负载计算，它包括详细的代码依从计算，详细材料及人工成本估算、比例放大制造图。ASPEN BJAC程序与ASPEN PLUS集成在一起，使得用户可以在ASPEN PLUS流程中输人一个ASPEN BJAC模型。与ASPENPLUS集成使得用户能够确定换热器瓶颈，预测当工艺条件发生变化的换热器的性能，降低维护费用。换热器的性能是根据在ASPEN BJAC的输人文件中指定的详细的换热器几何尺寸以及用船N PLUS提供的物流及物性数据来计算的。流程结果可从ASPEN PLUS中浏览，详细结果可以从ASPEN BJAC中浏览。1.11 结语换热器是石油、化工中重要的热工设备，其中管壳式换热器的发展已经取得了巨大进步。我们在了解管壳式换热器各方面性质后，也应该注意到设计过程中可能出现的问题，在实际应用过程中，还应该结合工程实际情况，辅之以工程经验才能设计出更合理的换热器，使设计的产品向安全、经济的方向发展。2设计部分2.1 浮头式换热器筒体的计算：2.1.1 计算条件计算压力：Pc=2.45mpa 设计温度：200C内径：Di=700mm 钢板负偏差：C1=0.3mm材料名称：Q345R 腐蚀裕度： C2=2mm操作温度许用应力 =170mpa设计温度下许用应力 =170mpa常温下屈服强度=345mpa焊接系数=0.852.1.2 厚度的计算计算厚度：设计温度：名义厚度：有效厚度：2.1.3 压力试验应力校核试验类型：水压试验水压试验校核2.2 前后端管箱封头的计算2.2.1 设计条件计算压力：内径=700mm 设计温度：200C 材料名称：Q345R腐蚀裕度： 钢板负偏差：常温下许用应力设计温度下许用应力：焊接系数：2.2.2 厚度计算A前端 根据化工设备手册查表得椭圆形封头形状系数K=1计算厚度设计厚度：名义厚度：有效厚度：2.2.3 压力试验应力校核类型：水压试验允许最大压力水压试验校核B后端 根据化工设备手册得：K=1设计厚度设计厚度：名义厚度：有效厚度：2.2.4 压力试验应力校核类型：水压试验允许最大压力：水压试验校核2.3 带法兰无折边球形封头及法兰计算2.3.1 设计条件设计压力： 设计温度：200C法兰厚度： 封头材料：Q345R许用应力： 法兰材料：16Mn法兰材料设计温度下许用应力：法兰常温下许用应力：螺栓：双头螺柱M24-220螺栓材料：40Cr螺栓材料常温下许用应力：设计温度下许用应力：焊缝系数：2.3.2 厚度计算封头半径：A.管程压力下封头厚度设计厚度：名义厚度：B.壳程压力下封头厚度封头有效厚度：封头外径：查GB150-1998图6-5得B=158封头许用外压C.浮头法兰校核设计浮头法兰厚度。球冠型封头的外壁与法兰内壁交点距离法兰表面的距离l=16mm。管/壳程设计压力: 法兰材料:16Mn垫片外径: 垫片内径: 垫片系数: m=2.5 垫片比压力: y=20mpa垫片密封宽度垫片压紧力作用中心圆直径: 垫片压紧力预紧状态下需要的最小垫片压紧力操作状态下需要的最小垫片压紧力螺栓载荷预紧状态下最小螺栓载荷操作状态下最小螺栓载荷预紧状态下所需螺栓面积操作状态下所需螺栓面积所需螺栓面积取和的最大值取32个M20螺栓螺栓有效面积实际螺栓总面积预紧状态下的螺栓载荷操作状态下的螺栓载荷浮头法兰内径 法兰螺栓圆直径 法兰外径 操作工况下法兰力矩预紧法兰力矩2.4 管子排列方式的设计无缝钢管 材料：设计温度下许用应力：按正方形旋转45排列由于换热器用于炼油化工制品中，流体会给换热器内部留有残余物质核材料和本身腐蚀产生锈垢，需要用酸洗，因此用正方形旋转45排列。换热面积=换热管外径3.146000nn=461根2.5 开孔补强的计算2.5.1 筒体开孔所需的补强面积要求圆筒开孔处的计算厚度=6mm 开孔直径：d=273mm接管材料：Q345R钢补强有效宽度有效高度： 补强截面积：2.5.2 在有效补强范围内作为补强的截面积接管计算厚度： 接管有效厚度：2.5.3 选择补强圈补强参照JB/T4736选取补强圈补强圈外径:D=480mm内径:d=273+5=278mm厚度8mmb=D-d=480-278=202mm满足补强要求管箱采用整体加厚补强2.6 外头盖法兰厚度计算2.6.1设计条件设计压力: =2.45mpa设计温度: 200C法兰材料: 16Mn螺栓材料: 40Cr腐蚀裕度: 垫片: 金属包垫垫片系数: m=2.5比压力: y=20由于密封宽度有效密封宽度垫片中心圆直径2.6.2 厚度计算A.垫片压紧力预紧状态下：操作状态下：B. 螺栓载荷预紧状态下：操作状态下：C.螺栓面积双头螺栓M24180个数：32设计温度下许用应力：操作温度下许用应力：预紧状态下所需最小面积操作状态下所需最小面积实际螺栓面积D.螺栓设计载荷预紧状态下操作状态下法兰力矩预紧状态下 操作工况下法兰力矩 形状系数查GB150-1998表9-5，图9-3，9-4，9-7得：T=1.84 Z=5.40 Y=10.47 U=11.51设合格2.7 管板的厚度计算2.7.1 设计条件管/壳程设计压力：P=2.45MPa设计温度: 200C腐蚀裕度: 管程数: 2换热管外径: d=19mm管子壁厚: 换热管根数: n=461根换热管长度: l=6000mm受压失稳长度: 换热管按正方形旋转45排列管间距: s=25mm隔板槽两侧相邻管中心距: 管板上管程分程隔板槽深: 壳程结构槽深: 换热管材料: 10钢管板材料: Q345R2.7.2 计算各参数管板强度消弱系数无量纲压力管板区内未被换热管支撑的面积管板布管区面积管板布管区当量直径垫片外径: 垫片内径: 垫片密封宽度:因为所以有效宽度b=6mm垫片压紧力作用中心圆直径假设管板名义厚度管板材料在管板设计温度下许用应力两管板内侧间换热管长度管束模数管板刚度消弱系数管板材料在管板设计温度下弹性模量管束无量纲刚度系数2.7.3 厚度计算系数C是与管板周边支撑方式有关的系数,用和查GB151-1999图23得到C=0.38管板计算厚度管板公称厚度管板最小厚度取管板公称厚度2.7.4 校核换热管轴向力换热管材料在管程设计温度下的屈服点换热管的回转半径系数换热管的稳定需用压应力换热管的稳定许用应力 管板非开孔面积系数系数按和查GB151-1999图24得应力校核只有管程设计压力时 只有壳程压力时管程和壳程同时作用时 校核换热管与管板的连接拉脱力q换热管与管板焊缝高度3.5mm换热管的轴向应力为上述最大值换热管与管板的连接拉托力 在三种工况下，换热管与管板连接的拉脱力均满足要求取管板的工程厚度。3 致 谢4 参考文献1GB150-1998 钢制压力容器2GB151-1999 管壳式换热器3GB713-2008 锅炉和压力容器用钢板 4JB/4730-2005 承压设备无损检测 5JB/T4712-2007 容器支座6衡世权,姜莉.换热器腐蚀污垢的形成机理及其防治措施J.节能,2004,(4):28-30.7王淑娟,郑美丽.板式换热器的腐蚀与防护J.石油化工设备,1996,25(5):47-49.8张晓峰,张小萌.管壳式换热器的腐蚀与防护分析J.化工技术与装备,1997,18(1):52-55.9祁玉红,俞树荣,李治国.焊接板式换热器的应力腐蚀及防护J.石油化工设备, 2007,36(2):91-93.10雷国庆,张治川.板式换热器缝隙腐蚀J.石油化工设备2003,