管殼式換熱器設計中易出現(xiàn)的問題

1、<p>　　管殼式換熱器設計中易出現(xiàn)的問題</p><p>　　摘 要：本文主要總結了設計管殼式換熱器時，出現(xiàn)的一些常見問題，通過對這些問題的進一步闡述解釋，提醒大家在以后的工作中能引起注意。 </p><p>　　關鍵詞：管殼式換熱器 常見問題 解釋 </p><p><b>　　一、引言 </b></p><p

2、>　　管殼式換熱器在煉油、石油化工、醫(yī)藥、化工以及其它工業(yè)中使用廣泛，它具有結構堅固、可靠性程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各個工程中仍得到普遍使用。在按GB151-1999《管殼式換熱器》進行設計時，設計者雖以本標準作為設計依據，但常常會因設計人員知識匱乏，對標準法規(guī)的理解不到位，導致設計不合理、取值有誤等問題發(fā)生。以下是我平常在換熱器設計中積累到的問題，通過對這些問題的進一步闡述解釋，希望在以后的工作中能夠對大家有所幫助。 &

3、lt;/p><p><b>　　二、問題概況 </b></p><p>　　1.管板材料由板材代替鍛件，或者是由鍛件代替板材后沒有重新進行強度校核 </p><p>　　管板一般情況用鍛件優(yōu)于用鋼板，但用鍛件的成本要高很多，故在條件不苛刻時，管板用板材。一般規(guī)定如下： </p><p>　　1.1厚度很大而不能確保質量要求時

4、，宜采用鍛件。因厚鋼板會有分層、夾雜等缺陷及性能指標波動大等問題。 </p><p>　　1.2管板以凸肩形式與圓筒相對接時，必須采用鍛件。為避免凸肩處可能產生的夾渣、分層及改善凸肩處纖維受力狀況，減小加工量，節(jié)省材料，采用凸肩與管板直接鍛造出來的整體鍛件來制造管板。 </p><p>　　1.3厚度大于60mm的管板宜采用鍛件。 </p><p>　　由于各種原因

5、，制造廠臨時用板材代替鍛件，或者是由鍛件代替板材，這種做法是萬不能取的。一定注意同一材料，同一厚度，同一設計溫度下板材與鍛件的許用應力是不同的。一般來說，厚度相同時，板材的許用應力略高于鍛件，所以如果原設計的圖紙管板為板材，在改為鍛件時，設計人員一定要重新校核管板的厚度。 </p><p>　　2.管板堆焊時技術要求不全面 </p><p>　　管板堆焊時，設計者對堆焊的管板沒有做詳細的技

6、術要求。下面以低合金碳鋼管板上堆焊不銹鋼為例： </p><p>　　2.1堆焊前，應按NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》進行耐蝕層堆焊的焊接工藝評定。 </p><p>　　2.2整個堆焊層的表面應平整，平面度公差為1mm.不進行加工的堆焊表面應平滑。兩相鄰焊道之間的凹陷不得大于2mm，焊接接頭的不平度不大于1.5mm。堆焊層厚度一般不小于6mm，其中耐蝕層厚度不小于3

7、mm。 </p><p>　　2.3基層材料的堆焊表面和加工后（鉆孔前）的堆焊表面應分別進行磁粉或滲透檢測。按JB/T4730.4-2005 MT-Ⅰ級或JB/T4730.5-2005 PT-Ⅰ級為合格。 </p><p>　　2.4對介質有晶間腐蝕傾向的，堆焊層還需要進行晶間腐蝕傾向試驗。 </p><p>　　2.5基層材料按要求進行夏比（V形缺口）常溫或低溫沖

8、擊試驗。 </p><p>　　2.6應該分別注明過渡層和面層的厚度及所用焊條的牌號。 </p><p>　　2.7對大直徑的管板，堆焊以后，為防止管板變形，在堆焊過渡層后，應提出進行消除應力熱處理的要求，然后再進行面層的堆焊。 </p><p>　　3.殼體厚度發(fā)生變化，沒有重新校核管板的強度 </p><p>　　某項目固定管板式換熱器殼

9、程筒體圖紙名義厚度為10mm，已經滿足強度設計計算要求，而在制造時，廠家用厚度為12mm同材質的庫存鋼板代替。而設計人員認為，以厚代薄，沒有用12mm的板厚重新去校核管板的強度。 </p><p>　　由于換熱器殼程筒體厚度增加后，相應的溫差應力也增加，殼體軸向應力σc發(fā)生變化。表現(xiàn)在： </p><p>　　3.1管子加強系數降低 </p><p>　　管子加強系

10、數反映了彈性基礎強弱相對于管板自身抗彎剛度的大小，即管束對管板承載能力的加強作用，它的降低表明管板的彈性基礎變弱。 </p><p>　　3.2殼體法蘭旋轉剛度及法蘭力矩變化系數增加 </p><p>　　對延長部分兼作法蘭的管板，在法蘭力矩作用下，管箱法蘭和殼體法蘭將產生轉動，其中，與管板連接的殼體法蘭僅承受一部分彎矩，其余部分傳遞給管板，此時管板將產生彎曲撓度。同時由于管板的撓曲受到管

11、束的軸向約束，在管板周邊上還產生了橫剪力。所以在法蘭力矩增大的情況下，管板中產生的整體彎曲變形及相應的應力也增大。 </p><p>　　3.3僅有殼程壓力Pa 作用下的危險組合工況（Pt=0）或者僅有管程壓力Pt作用下的危險組合工況（Pa=0） </p><p>　　對Pa （Pt）與法蘭力矩同時作用的情況（不計溫差應力），這兩種載荷使管板產生相同方向的變形，使得換熱管軸向應力、殼程圓筒

12、軸向應力、換熱管與管板連接拉脫應力減小。對Pa（Pt）與管殼熱膨脹差同時作用時（計溫差應力），管束軸向熱膨脹量小于殼體軸向熱膨脹量，兩種載荷對管板產生的應力將疊加。所以此時只有管板徑向應力增加。 </p><p>　　綜上，由于殼體厚度的增加，而使得管板的名義厚度也增加。所以即使殼體厚度滿足要求，制造者用比它更厚的板材代替后，應提前告知設計人員，重新進行管板的強度校核。 </p><p>

13、　　4.管殼程平均溫差的取值不當 </p><p>　　SW6中需要輸入沿筒體長度平均溫差和換熱管沿長度平均溫差，這兩項為金屬壁溫，GB151-1999《管殼式換熱器》中給出了金屬壁溫的計算方法（附錄F）， 需要的相關參數為對數平均溫差，兩側流體的定性溫度，總傳熱系數，兩側流體的傳熱系數，兩側流體的熱阻等等一系列數據，但往往因用戶提供的數據有限，用公式計算會遇到很大的麻煩，而且計算繁瑣，工作量大。當然設計院做工藝

14、計算時會有很詳細的計算過程，這兩個數據并不難得到，但對于一般的制造廠，并不具備工藝計算的能力，所以，在工程上我們采用取平均值的方法來估算金屬壁溫，換熱管沿長度平均溫差等于管程介質進/出口溫度與殼程介質進/出口溫度的平均值，沿筒體長度平均溫差考慮有無保溫層，若有，取殼程介質進/出口溫度的平均值，若無，取殼程介質進口溫度、出口溫度及環(huán)境溫度三者的平均值。 </p><p>　　5.法蘭夾持的管板兩側墊片材料不一致

15、　　在法蘭夾持管板的結構中，螺栓力對管板兩側的法蘭作用力是相等的，因為螺栓的設計是兼顧了管板兩側的條件，要求用較大的螺栓載荷進行設計。當管板兩側的設計壓力不同時，其墊片的壓緊力是不同的。在操作狀態(tài)下，螺栓力等于墊片的壓緊力加上介質的內壓力引起的軸向力。壓力較高的一側軸向力大，對墊片的壓緊力就小，而壓力較低的一側正好相反。假設在操作狀態(tài)下擰緊螺栓，壓力較低的一側首先達到密封要求。在兩側壓差比較大時，當壓力較高側還沒有達到密封要求時，壓力較

16、低側的墊片可能就會因為比壓過大而造成密封失效，墊片被壓潰，容易發(fā)生泄漏。所以管板兩側的墊片材料應該按壓力高的一側選擇，而且兩側墊片材料一致。 </p><p>　　6.臥式冷凝器支持板沒有左右布置 </p><p>　　根據傳熱機理，殼程通過冷凝介質的冷凝器無需設置折流板，但是，為了增加換熱管的剛度，防止產生過大的撓度或者引起換熱管振動。當換熱管的無支撐跨距超過標準中的規(guī)定時，需要設置一定

17、數量的支持板，支持板的形狀、尺寸都按折流板設計，只是支持板間的間距可以加大。而且在臥式冷凝器中，殼程介質為氣、液兩相共存時，弓形支持板缺口應左右布置，并在支持板的最低處開設通液口，有的設計者就將支持板缺口上下設置，這樣是不合適的，因為這極不利于冷凝液的排出，特別是當冷凝液的液位高于上置支持板（缺口向下）的下缺口時，會形成液封，從而阻礙蒸汽的流動，影響設備的傳熱和運行。 </p><p>　　7.換熱器管板上布管設

18、計常出現(xiàn)的錯誤 </p><p>　　7.1布管時，對于最外周的管孔只考慮換熱管管孔中心距的位置，而沒有考慮換熱管外徑到殼體內壁的距離，所以出現(xiàn)布管超出布管限定圓的問題。 </p><p>　　7.2也有出現(xiàn)布管數量太少，造成管板周圍不布管區(qū)太大（k>1）的情況。（k為管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度 ）。由于管板計算方法只適用k≤1的情況，所以用SW6-2011“壓力容器強度設計軟件”進

19、行管板強度計算時提示1/ρt超界的錯誤。以下兩種方法可以解決此問題：1）增加管板上開孔的數量 2）適當增大換熱管中心距的數值。 </p><p>　　7.3管板上布管還常常出現(xiàn)以換熱器內徑尺寸進行布管，而忽略了管板與殼體的焊接，需要在管板背面開凹槽時的尺寸，而出現(xiàn)換熱管穿過管板應力釋放槽的情況。 </p><p>　　8.圖紙中未提U形換熱管及U形彎管段的熱處理 </p>&

20、lt;p>　　8.1任何鋼制的換熱管當有應力腐蝕時，冷彎U形管的彎管段及至少包括150mm的直管段應進行消除應力熱處理，且在直管段應有溫度梯度，以避免溫度突變處的應力腐蝕，否則彎管后應整根熱處理。 </p><p>　　8.2已熱處理過的換熱管，在必須采用熱彎或彎曲半徑小于10倍管子的外徑的冷彎，必須重新進行與原熱處理相同的熱處理。 </p><p>　　8.3冷彎管伸長率判定：當冷

21、彎管外層纖維變形率超過鋼管標準伸長率一半，或伸長率A≥10%，應進行熱處理。 </p><p><b>　　三、結束語 </b></p><p>　　通過對以上管殼式換熱器設計時出現(xiàn)的一些常見問題的進一 </p><p>　　步闡述解釋，設計者在設計工作中應注重考慮換熱器的設計條件、標準要求。重視標準中的細節(jié)，避免忽視看似不重要的問題而導致設備

22、存在安全隱患，設備試驗和運行一段時間后，問題就會很快暴露出來。所以在以后的設計工作中要嚴格按照標準規(guī)范設計，結合GB151和其他相關的標準規(guī)范，秉持合理設計，低碳環(huán)保的設計理念，保證計算結果的正確性，保證產品的安全性及經濟性是每個設計者應具備的基本要求。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] GB151-1999，管殼式換熱器

23、[S]. </p><p>　　[2] 李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程[M]. 北京：新華出版社， 2005. </p><p>　　[3] 戴季煌，陳澤溥，朱秋爾等.承壓設備設計典型問題精解[M]. 北京：化學工業(yè)出版社. </p><p>　　[4] 王非.化工壓力容器設計方法、問題和要點[M]. 北京：化學工業(yè)出版社. </p><p&

24、gt;　　作者簡介：董 鵬（1977- ），女，陜西富平人，2003年畢業(yè)于陜西理工學院自動化控制專業(yè)，大學本科，工程師，現(xiàn)從事壓力容器設計及審核工作。 </p><p>　　孔巧莉（1982- ），女，陜西延安人，2004年畢業(yè)于陜西廣播電視大學，化工設備與機械專業(yè)，大專，助理工程師，現(xiàn)從事壓力容器制造技術工作。 </p><p>　　楊亞會（1981- ），女，陜西咸陽人，2004年畢