New-换热器工程设计中的常见问题

换热器工程设计中的常见问题刘笑竺2015年1月前言在石油化工装置中，进行热量交换的换热器，一般要占设备总数的30～40%。常用的换热器型式有管壳式换热器、空冷器、板翅式换热器、板片式换热器等等。其中的管壳式换热器，因其操作弹性大、使用范围广、制造难度小而用得最多。为了保证管壳式换热器的质量，各个国家都有相应的标准。如：我国的GB151《管壳式换热器》标准（以下简称GB151）美国的TEMA《管式换热器制造商协会》标准（以下简称TEMA）美国的API660《管壳式换热器》标准（以下简称API660）日本的JISB8249《管壳式换热器》标准（以下简称JISB8249）在管壳式换热器工程设计中，经常遇到在标准规范中没有规定、规定本身有矛盾、国内和国外标准对同一问题的规定不相同等问题。下面介绍在工程设计中常见的问题及解决的方法。1.换热器的设计条件(1)设计压力和设计温度换热器的设计压力，应为在正常工作情况下，换热器管、壳程顶部的最高压力，与设计温度一起作为设计的载荷条件。换热器的设计温度，应为在正常工作情况下，换热器受压元件的金属温度（有最高和最低值），与设计压力一起作为设计的载荷条件。正常工作情况，包括正常操作、开车和停车、热循环、不正常操作、间断操作、环境温度等。其中开车和停车，对换热器是有专门规定的。如开车时要求用温度较低的介质对管壳程进行热循环，停车时要求先停热侧，后停冷侧等。因此，那些将换热器的一侧的压力和温度为设计值，而另一侧的压力为零，温度为常温的工况是违反换热器操作规程的，是不允许存在的。(2)近些年来，许多设计单位对管壳程设计压力相差较大的换热器，采用压力较高侧设计压力除以水压试验的放大系数（GB150规定为1.25）的数值作为压力较低侧的设计压力。这种做法依据的工况，是不存在的。采用这种做法，除对换热器的压力较低侧造成浪费外，还可能造成该换热器无法进行设计。（3)近年来，许多单位将蒸汽吹扫（设计压力0.35MPa，设计温度为150～180℃）作为设计工况，对换热器进行校核。这种做法依据的工况，是不存在的。(4)固定管板换热器的管板强度计算中的管壁和壳壁金属温度，应取正常操作情况下由传热计算得到的温度。2.换热器的级别在GB151中对换热器的碳钢和低合金钢管束规定了Ⅰ级和Ⅱ级。Ⅰ级管束用的换热管、管板的管孔、折流板的管孔精度较高，Ⅱ级管束用的换热管、管板的管孔、折流板的管孔精度较低。对Ⅰ级和Ⅱ级管束的使用条件，标准没有规定。建议符合下列条件之一者采用Ⅰ级管束，否则采用Ⅱ级管束：(1)管或壳程设计压力2.5MPa。(2)管或壳程设计温度300℃，或-20℃。(3)换热管长度6000mm。(4)管束中换热管的最大无支撑长度超过标准规定的换热管的最大无支撑跨距值的0.7倍。3.换热面积计算中换热管长度在GB151的3.7.1中规定“计算换热面积以换热管外径为基准扣除伸入管板内的换热管长度后，计算得到的管束外表面积……”。在工程设计中，换热器的型式是多种多样的，有的型式，如S型浮头式换热器，在靠近浮头的支持板以外区域的壳程介质是不流动的死区，死区范围的换热管长度对传热是无效的，不能将其作为计算面积的长度。因此，在工程设计中计算换热面积，应取能有效传热的换热管长度，即有效长度Le。4.腐蚀裕量凡与介质接触的受压元件（除传热元件换热管外），都应考虑腐蚀裕量。拉杆、定距管、折流板和支持板、防冲板、分程隔板等非受压件和钩圈，不必考虑腐蚀裕量。GB151关于腐蚀裕量的条文中规定，钩圈要考虑腐蚀裕量，但在B型钩圈厚度的确定公式中未涉及腐蚀裕量问题。TEMA标准关于腐蚀裕量的条文中明确规定，钩圈及其内部螺栓连接件，是不必考虑腐蚀裕量。钩圈是一个非受压件，且是可拆卸件，按TEMA规定，对其不考虑腐蚀裕量是合理的。5.复合板制管板在GB151的4.3.2.3（P16）规定“管板、平盖可采用堆焊、轧制或爆炸复合板”。采用复合板作管板，对换热管与管板连接采用强度焊的管板，当管板计算中换热管受轴向压缩应力时，换热管受到的轴向力就作用在复层和基层结合的结合面上。由于目前的复合板材料标准中，对复层和基层结合性能只有剪切强度而无拉伸性能，所以对换热管在受轴向压缩力作用下复层和基层结合面上结合强度能否满足要求就无法判定。因此，当管板计算中换热管受轴向压缩力作用时，对换热管与管板连接采用强度焊的管板，在复合板材标准中对复层和基层结合强度有规定之前，管板用复合板是不合适的，应采用堆焊结构。6.换热器型式代号为了在工程中能用几个符号来说明换热器的结构型式，GB151和TEMA都对换热器规定了用前端（管程流体入口）管箱、壳体（略去管束）和后端（包括管束）的结构代表字母形式代号。两个标准规定的差别在于壳体结构形式的代号。GB151将TEMA中的E（单程）分为E（单程）、Q（单进单出冷凝）、I（U形管）、O（外导流筒）四种，将TEMA中的分流G(有隔板分流)、穿流X(无隔板分流)合并为G（分流）一种（修订版增加了穿流X）。从两个标准规定看，GB151将TEMA中的中的E分为E、Q、I、O四种，其中E和Q都是单程出现重复，I为U形管与后端代号U重复产生混淆；GB151将TEMA中的G和X合并为分流G(无隔板)，使工艺专业要求的分流和穿流无法区分。TEMA规定的换热器代号在国际上是通用的，化学工程传热软件是用的TEMA代号，工艺专业的设备设计数据表中自然也是TEMA代号。因此，目前工程设计中按TEMA代号统一较为合适。换热器结构形式和代号举例如下:7.换热器壳体的最小厚度换热器壳体包括换热器壳程的圆筒和封头、釜式壳体（斜锥及其大小端连接的圆筒）和封头、外头盖圆筒和封头。在GB151中5.3.2规定的圆筒最小厚度中，分档尺寸是换热器公称直径，只解决了直径等于换热器公称直径的壳程圆筒（含斜锥小端连接的圆筒）的最小厚度，而壳程的封头和直径不等于换热器公称直径的釜式壳体（斜锥及其大端连接的圆筒）和封头、外头盖筒体和封头的最小厚度没有解决。在TEMA-1999RCB-3.13中规定了壳体的最小厚度，其中壳体包括斜锥及其大小端连接的圆筒，分档尺寸是壳体的名义直径。按这个规定，釜式壳体的斜锥及其大小端连接圆筒的最小厚度是按自身的名义直径确定。在RCB-3.2中规定壳体封头、外头盖圆筒和封头（即标准中的壳盖）的最小厚度与各自壳体相同。在工程设计中，可按TEMA规定，对这些壳体按各自的名义直径从GB151规定的圆筒最小厚度表中取值。8.管箱⑴管箱壳体和封头的最小厚度管箱的结构有连接平盖的管箱和带封头的管箱。连接平盖管箱的壳体为圆筒，带封头的管箱壳体为圆筒和封头。GB151中5.2.1规定只涉及到这两种管箱中的圆筒，而对带封头的管箱壳体中的封头最小厚度没有规定。TEMA-1999中RCB-9.11规定管箱筒体和带封头的管箱(Bonnet)的最小厚度与壳体的相同，也就是管箱上的圆筒和封头的最小厚度都是按壳体的最小厚度规定取值。因此，在工程设计中，带封头的管箱封头最小厚度应按TEMA规定取与其筒体相同数值。⑵管箱分程隔板①分程隔板厚度分程隔板厚度，除必须满足GB151中最小厚度外，还应满足设计条件所要求压降引起的强度要求。GB151中5.2.3.2（P18）和TEMA中RCB-9.132都对分程隔板强度计算，规定了完全相同的计算方法和公式（如下式），但对其中的压差ΔP都没有给出确定的方法。式中:b—隔板尺寸B—隔板尺寸系数ΔP—隔板两侧压差[σ]t—隔板材料在设温下许用应力tBPb5.1公式中的压ΔP，API660-2003版中7.4.2规定计算分程隔板厚度的压差取分程隔板两側压差的2倍，API660-2007版中将7.4.2规定修改为取管程允许的总压降。对API660-2003版中的规定存在两种情况：一是对2管程，分程隔板两侧的压差就是管程总压降，再乘以2倍，取值过大；二是对4或更多管程，分程隔板两侧的压差可能有多个数值，没有规定如何选取。对API660-2007版中的规定也存在两种情况：一是对2管程，分程隔板两侧的压差就是管程总压降，取值合理；二是对4或更多管程，分程隔板两侧的压差比管程总压降小得很多，都取为总压降，显然不合理。因此，对分程隔板厚度计算公式中的压差ΔP应取隔板两侧的压差为宜，可按下式计算：式中：ΔP——隔板两侧的计算压降，MPa。ΔPZ——换热器数据表中允许总压降，MPa。N——管程数。Z——从隔板一侧到另一侧流体的折返次数。MPaZNPZP2确定Z值举例管程数流体流动顺序入口管箱隔板布置返回管箱隔板布置IVVI系数Z隔板布置入口管箱隔板两侧流动序号系数Z出口管箱（浮头盖）隔板两侧流动序号系数ZⅡ程(1)/(2)1Ⅳ程片条(1)/(2)(3)/(4)1(2)/(3)1Ⅳ程工字(1)/(2、3)1(1)/(3)(2)/(4)1(2、3)/(4)1(2)/(3)1Ⅳ程十字(1)/(4)2(1)/(2)(3)/(4)1(1)/(2)(3)/(4)1Ⅵ程王字(1)/(2、3)1(1)/(3)(4)/(6)1（4、5)/(6)1(2)/(5)2(2、3)/(4、5)1(2)/(3)(4)/(5)1Ⅵ程十字(1)/(2)(5)/(6)1(1、2)/(3、4)1(1)/(4)(3)/(6)2(3、4)/(5、、6)1(3)/(4)1隔板厚度，应按隔板位置分别确定折返系数Z值和相应的隔板宽度和长度,代入上述的公式进行计算，取其中的较大值。隔板厚度计算中的尺寸系数B，按GB151表7（见下表）。其中的a和b，分别是隔板在管箱或浮头盖中的纵向截面和横向截面尺寸。下表中左图为“三边固定，一边简支”，中图为“长边固定，短边简支”，右图为“短边固定，长边简支”。“三边固定”就是三边都是焊缝，“长边固定“就是焊缝在长边，“短边固定”就是焊缝在短边。在左图中，a为纵向截面尺寸，b为横向尺寸；在中图中，a为纵向截面尺寸，b为横向截面尺寸；右图中，a为横向截面尺寸，b为纵向截面尺寸。由于设计条件中提供的允许总压降已经考虑了裕量，所以在隔板厚度计算中按上述压降计算出的值可不再考虑附加裕量。三边固定长边固定短边固定a/bBa/bBa/bB0.250.0201.00.41821.00.41820.50.0811.20.46261.20.52080.750.1731.40.46801.40.59881.00.3071.60.49681.60.65401.50.5391.80.47911.80.69122.00.6572.00.49732.00.71463.00.718∞0.5000∞0.7500尺寸系数B②分程隔板端部的结构和泪孔分程隔板端部密封面，应与管箱中的设备法兰密封面齐平，端部密封面的宽度，应比管板上隔板槽宽度小1～2mm。换热器安装后，凡处于水平位置的隔板，在适当位置，应设置一个直径为φ6mm的泪孔；处于竖直位置的隔板，当其形成死腔时，应在该隔板与壳体连接的最高和最低点，分别设置半径为R5的半圆孔。③分程隔板的布置管箱分程隔板的布置，常用的Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ程，分程隔板布置见GB151图15，其布置应与管板上的分程隔板槽相匹配。④分程隔板与管箱壳体或封头的连接焊缝分程隔板与管箱壳体或封头的连接焊缝，GB151没有提要求。TEMA中RCB-9.133规定在隔板的两侧连续焊接，其焊脚高度不得小于隔板厚度的2/3。API660中9.2规定在隔板的两侧连续焊接或全焊透。在工程设计中应按TEMA规定提要求。⑶管箱长度①管箱内侧最小深度管箱内侧最小深度Lmin的确定原则为：管箱上各组焊件相邻焊缝间应保证有足够的距离（一般取3倍壳体厚度且不小于40mm）；管箱长度应满足接管开孔补强的要求；轴向接管的单程管箱，开口处中心线上的深度应≥接管内径的1/3；多管程管箱，流经相邻两管程之间的最小流通面积不小于每程换热管的平均截面积的1.0～1.3倍。对带封头的管箱，封头的曲面高度h在2管程以上时是需计算得到的。②管箱内侧最大深度Lmax带分程隔板的多管程管