管壳式热交换器设计常见问题浅析

管壳式热交换器设计常见问题浅析张春燕二O一五年五月管壳式热交换器是工业中应用最为广泛的一种换热器，而设计是其质量保证的首要环节，故提高换热器的设计质量，对于行业发展来说至关重要。针对管壳式热交换器设计过程中，以下五个方面的常见问题及注意事项，在此与在座各位同仁进行交流和探讨。一、不同结构型式换热器特点二、管壳式换热器设计参数确定三、管壳式换热器材料选取四、管壳式换热器结构设计五、管壳式换热器强度计算主要内容●固定管板式换热器固定管板式换热器的型式见下图：固定管板式换热器的主要特点：结构简单、紧凑、没有壳程密封的问题，而且往往是管板兼作法兰。其适用于：a)管、壳程温差较大，但压力不高的场合(因为温差大，要加膨胀节，而膨胀节耐压能力差，GB16749《压力容器波形膨胀节》中规定设计压力不大于6.4MPa）；b)管、壳程温差不大，而压力较高的场合；c)壳程无法机械清洗，故要求壳程介质干净；或虽会结垢，但通过化学清而能去除的场合；d)布管多，锻件少，一次性投资低；但不可更换管束，整台设备往往由换热管损坏而更换，故设备运行周期短。一、不同结构型式换热器特点由于固定管板式换热器的换热管、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）引起的温差应力是其致命的弱点,也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校核以下应力和力:①壳体轴向应力σc,②换热管轴向应力σt,③换热管与管板之间连接拉脱力q三项中有一项不能满足强度条件时,就需设置膨胀节。一、不同结构型式换热器特点●浮头式换热器浮头式换热器的型式见下图：浮头式换热器的主要特点如下：a)可抽式管束，当换热管为正方形或转角正方形排列时，管束可抽出进行管间机械清洗，适用于壳程易结焦及堵塞的工况；b)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；c)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；d)压力试验时的试压胎具复杂。浮头式换热器使用压力和温度的限制：用于炼油行业中较多，其内浮头结构限制了使用压力和温度,故一般情况其使用限制为Pmax≤6.4MPa;Tmax≤400℃。一、不同结构型式换热器特点●U形管式换热器U形管式换热器的型式见下图：它是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：a）以U形换热管尾端的自由浮动解决温差应力，可用于高温差；b）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；c）可以进行抽芯清洗（管程走清洁流体），便于清洗换热管外壁；d）由于弯管Rmim的限制，分程间距宽，故比固定管板换热器排管略少。e）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。f）换热管泄漏时，除外圈U形管外，不能更换，只能堵管。一、不同结构型式换热器特点●釜式重沸器釜式重沸器的型式见下图：釜式重沸器的管程采用U形或浮头管束（管头试压时，要另配试压壳体），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，但设计压力一般不大于6.4Mpa。适用于：a)管、壳程温差大的场合；b)一般管程压力比壳程高，可采用T翅或表面多孔强化传热管。一、不同结构型式换热器特点●填料函式换热器填料函式换热器的型式见下图：填料函式换热器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）可在填料函内填料的压力下，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，当介质危害不是太大时，也可以采用双填函密封加以弥补，之所以有使用是因其解决温差应力的成本较低。一、不同结构型式换热器特点1、设计条件2、设计压力和设计温度3、腐蚀裕量4、焊接接头系数5、设计寿命6、试验压力7、类别划分二、管壳式换热器设计参数确定1、设计条件管壳式热交换器的设计过程：工艺计算—设备选型—机械设计（材料选择、强度计算、结构设计等）。A、工艺设计条件工艺设计在换热器中占有主导地位，工艺设计条件至少包含以下内容：1、操作数据，包括介质、流量、温度、压力、热负荷等；2、物性数据，包括密度、比热、粘度、导热系数等；3、允许阻力降；4、其他：如操作弹性、工况、安装要求（几何尺寸、管口方位）等；GB/T151-2014给出了管壳式热交换器数据表（表B.1）P116。设计条件应由委托方以正式书面形式提出，并应有条件提出方的签署。二、管壳式换热器设计参数确定B、机械设计条件经工艺专业传热计算和管壳程压力降计算后，确定了换热器型式、换热面积、换热管管径、管壳程数、折流板形式/块数/缺口布置及切割比例等，交由机械设计专业完成其详细设计。故机械设计是为了保证实现工艺计算中的传热和压降的一种手段。机械设计条件至少包含以下内容：1）设计所依据的主要标准和规范；2）操作参数（包括工作压力、工作温度范围、液位高度、接管载荷以及疲劳工况等）；3）使用地及其自然条件（包括环境温度、抗震设防烈度、风和雪载荷等）；4）介质组分与特性；5）预期使用年限；6）几何参数和管口方位；7）钢制管束等级；8）设计需要的其他必要条件（如管道外推力等）。参照GB/T151-2014附录B中B3.4结构参数（P115）二、管壳式换热器设计参数确定注意：固定管板式换热器的计算，在SW6程序中需要输入沿筒体长度平均温差和换热管沿长度平均温差，这两项为金属壁温。设计院做工艺计算时会有很详细的计算过程，这两个数据并不难得到，但对于一般的制造厂，并不具备工艺计算的能力，所以，我们常采用GB/T151附录B中给出的金属壁温计算方法。但采用该方法时，需要管壳程两侧流体相关的物性参数，如对流传热系数，污垢系数等数据，但往往因用户提供的数据有限，用公式计算会遇到很大的麻烦。在工程上我们采用取平均值的方法来估算金属壁温：1沿筒体长度平均温差：考虑有无保温层，若有，取壳程介质进/出口温度的平均值，若无，取壳程介质进口温度、出口温度及环境温度三者的平均值2换热管沿长度平均温差等于管程介质进/出口温度的平均值二、管壳式换热器设计参数确定GB/T151-2104附录BP120：二、管壳式换热器设计参数确定2、设计压力和设计温度1）热交换器为多腔容器，其设计压力和设计温度的确定：按“各管各”原则，即分别按各自最苛刻的工作压力、工作温度确定其设计压力、设计温度。2）各受压元件的计算压力的确定：在各自的设计压力基础上确定。壳程主要受压元件如筒体的计算压力数值上取壳程设计压力，管程主要受压元件如管箱筒体、封头/平盖的计算压力数值上取管程设计压力。但立式换热器或直径较大的换热器的计算压力应考虑液柱（指操作介质而不是水压试验的介质）静压力（当元件所承受的液柱静压力小于5%的设计压力时，可忽略）。二、管壳式换热器设计参数确定3）管壳程的设计温度应分别为壳程壳体、管箱壳体的设计温度（选取材料的依据）。换热器涉及管壳程进出口介质4个温度，这4个温度是确定管壳程设计温度和各受压元件设计温度的依据。对于介质温度高于0℃者，常用管壳程进出口介质温度中较大值作为设计温度，对于介质温度低于0℃者，常用管壳程进出口介质温度中较小值作为设计温度。4）两侧受压的元件，如管板的计算压力的确定，要考虑6种工况，详见管板计算；其设计温度应按其金属温度确定。工程上，常按温度较恶劣一侧介质温度确定。5）对于类似U形管式换热器管板两侧成对法兰的设计，由于两侧的压力和温度及所用垫片可能不同，因此在螺栓的设计中应兼顾两侧的条件，要求以较大的螺栓载荷和较高的设计温度进行设计，且对法兰设计力矩应以此为基础进行计算。（GB150.3-2011P194注）二、管壳式换热器设计参数确定6）介质为饱和蒸汽时，压力-温度要相对应。注：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。各种工况：正常操作工况、开停车工况、水压试验工况。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。(一个设计工况对应管板计算的6中工况，此工况非彼工况，不是一个概念)GB/T151-2014P111中：二、管壳式换热器设计参数确定3、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。a.两面应考虑腐蚀裕量：管板、浮头法兰、球冠形封头、分程隔板。b.壳体内表面应考虑腐蚀裕量：管箱平盖、凸形封头、管箱/壳体。c.设备法兰、管法兰内径面应考虑腐蚀裕量。（计算时应注意大小端厚度减去腐蚀裕量，但常常带来结果不合格。处理：选用标准设备法兰可不计算，但需要保留基本计算数据，如：螺柱材质、规格及数量，垫片材质等）d.换热管、钩圈、浮头螺栓、纵向隔板一般不考虑腐蚀裕量。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。拉杆、定距管、折流板和支持板等非受压件，一般不考虑腐蚀裕量。二、管壳式换热器设计参数确定3、焊接接头系数：a）GB/T151的焊接接头系数取自GB150；b）GB/T151-2014中4.6.4P9：“对于无法进行无损检测的固定管板换热器壳程圆筒的环向接头，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，其焊接接头系数取φ=0.6”（注意这是B类焊接接头—不能作为筒体壁厚计算用）。其原因为：—取φ=0.6是为了在计算固定管板换热器壳程圆筒轴向应力σc时，确定φ［σ］c和tc3值用；(由换热管与壳程筒体产生的热膨胀差引起的）具体做法：在SW6计算中，固定管板换热器筒体的环向焊接接头系数即指该道焊接接头，此时应输入φ=0.6。—当此类焊接接头因无法进行无损检测时，给出φ=0.6是要求焊接应按焊接工艺施焊，避免随意性，因不探伤，取值保守。（压力容器工程师培训手册P463）二、管壳式换热器设计参数确定二、管壳式换热器设计参数确定4、设计寿命：1)设计寿命在一般压力容器中基本上只考虑腐蚀速率及使用年限即可，但对管壳式换热器来说，这一原则只能体现在外壳（包括管箱及头盖）及需考虑C2的元件上，对于管壳式换热器占主要地位的换热管由于从传热角度出发不考虑C2，故设计寿命应如下确定：a)对于可抽芯(管束)换热器，换热器寿命指壳体；b)对于不可抽芯(管束)，而且不能更换换热管的换热器，换热器寿命指换热管。2)管壳式换热器属两腔容器，管、壳程介质不尽相同，因此除换热管外，管、壳程若要保持相同的寿命时，则C2也应分别取值。如材质为碳钢与不锈钢，分别取2/0mm；或介质为循环水与工艺介质，分别取3/2mm。二、管壳式换热器设计参数确定《固容规》问题解答：二、管壳式换热器设计参数确定HG/T20580-2011《钢制化工容器设计基础规定》：二、管壳式换热器设计参数确定5、试验压力：a.按GB150.1-2011中4.6要求。b.一般情况下，管壳程按各自设计压力、设计温度、材料分别确定其耐压试验的试验压力值。c.GB/T151-2014中4.7.4P9：为了检查换热管与管板连接接头的质量，可能遇到下列4种情况：1）管壳程均为正压，且壳程试验压力高于管程试验压力。处理：管壳程按各自设计压力、设计温度、材料分别确定其耐压试验的试验压力值。2）管壳程均为正压，且壳程试验压力低于管程试验压力。处理：将壳程试验压力提高至管程试验压力，并应对壳程圆筒进行校核。在此，往往会忽视其他受压元件的强度和结构等问题，下面分别讨论：二、管壳式换热器设计参数确定二、管壳式换热器设计参数确定——管法兰的压力等级问题：管法兰的压力等级一般按壳程正常操作工况根据材料及升温降压原则选取，但壳程试验压力如果提高较大时，应注意其压力值是否超过管法兰标准规定的20℃时最高无冲击工作压力的1.5倍。——管板的强度问题：壳程试