列管式換熱器設計中幾個問題的探討

1、<p>　　列管式換熱器設計中幾個問題的探討</p><p>　　摘要：提出了列管式換熱器設計中管接頭、管板結(jié)構(gòu)、溫差應力、拉脫力等幾個問題的分析討論并提出在設計中應充分考慮的一些問題。 </p><p>　　關鍵詞：列管式換熱器； 設計；規(guī)則 </p><p>　　中圖分類號：S611文獻標識碼：A文章編號： </p><p>&

2、lt;b>　　前言 </b></p><p>　　換熱器是進行熱量交換的的通用設備，在石油、化工生產(chǎn)過程中可用作加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，由于生產(chǎn)中對換熱器有不同的要求，所以換熱設備也有各種形式，但根據(jù)冷、熱流體間傳熱方式的不同可以分為三類，即間壁式、混合式和蓄熱式。在這三類換熱器中，以間壁式換熱器最為普遍。而列管式換熱器是目前化工生產(chǎn)上應用最為廣泛的一種間壁式換熱器，與其他間壁

3、式換熱器（夾套式，蛇管式，套管式）相比，主要優(yōu)點是：（1）單位體積所具有的傳熱面積大，并且傳熱效果好。（2）結(jié)構(gòu)較簡單，制造材料也較廣泛。（3）適應性強，尤其是在高溫、高壓和大型裝置中采用更為普遍。所以我們有必要對列管式換熱器進行探討。 </p><p>　　1．列管式換熱器的基本形式 </p><p>　　按材質(zhì)分為碳鋼列管式換熱器、不銹鋼列管式換熱器和碳鋼與不銹鋼混合式換熱器。按結(jié)構(gòu)分

4、為單管程、雙管程和多管程三種。目前廣泛使用的是，根據(jù)采取熱補償方法的不同主要分為以下幾種：固定管板式換熱器、U形管板換熱器、浮頭式換熱器和填料函式四種類型。選用時可根據(jù)應用條件的不同及各自的優(yōu)缺點設計適宜的換熱器。 </p><p>　　要設計一臺比較完善的換熱器，首先應滿足工藝條件所規(guī)定的要求，如換熱效果好，傳熱面積足夠，流體阻力小等。此外，還應滿足機械強度和剛度的要求，結(jié)構(gòu)要可靠，材料要節(jié)省，另外還要便于制造

5、、安裝和維修，成本要低。因此列管式管熱器的設計主要包括兩大部分，首先必須根據(jù)化工生產(chǎn)工藝條件的要求通過化工工藝的計算，確定換熱器的傳熱面積，同時選擇管徑、管長，決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)，然后進入機械設計，它又分為換熱器的總體結(jié)構(gòu)設計和強度計算兩大部分，內(nèi)容包括：（1）殼體直徑的決定和殼體壁厚的計算。（2）換熱器封頭的選擇和計算。（3）法蘭的選擇及強度校核。（4）管板厚度的計算和尺寸的確定，管子拉脫力的校核。（5）折流板的選擇與計算。（6

6、）溫差應力計算和波形膨脹節(jié)的設計。（7）開孔補強的計算。此外，還應考慮接管、支座等的選擇。下面就列管式換熱器機械設計過程中應著重考慮的幾個問題提出并分析討論。 </p><p>　　2．管子及其與管子的連接 </p><p>　　換熱器的管子構(gòu)成換熱器的傳熱面，計算換熱面積，以換熱管外徑為基準，扣除深入管板內(nèi)的換熱管長度，計算得到的管束外表面積，對于U形管式換熱器，一般不包括U形彎管段的面

7、積。管子的形狀一般為光管，為提高、強化傳熱也可采用異性管、翅片管、螺紋管等。管子的材料要根據(jù)操作壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕性能決定。管子的大小和形狀對傳熱有較大影響。針對管子中所流物體情況采用大或小直徑管子。若用小直徑管子換熱器單位體積的傳熱面積大，設備較緊湊，單位傳熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也稍高，但制造麻煩，且易積垢，不易清洗，應用與清潔的流體。大管子則用于粘性大或污濁的流體。管子的尺寸規(guī)格一般按GB151標準選取。 </p&

8、gt;<p>　　換熱管與管板的連接（以下簡稱管接頭），管接頭的質(zhì)量是管殼式換熱器質(zhì)量的最重要的標志，換熱器的失效絕大多集中在管接頭上，因此選用安全、可靠的管接頭形式，研制相應的加工設備與技術是 換熱器制造的關鍵。管接頭的型式有以下幾種：（1）強度脹。（2）強度焊。（3）強度脹+密封焊。（4）強度焊+貼脹，最近幾年，對一些比較苛刻的使用場合也有用強度脹+強度焊的管接頭形式。管接頭失效的原因有：（1）管接頭因高溫應力松弛失效

9、（多半發(fā)生在強度脹中）；（2）管接頭在高溫下，因腐蝕而破壞;(3)管束在橫流流體沖擊下產(chǎn)生振動，管接頭疲勞破壞；（4）制造工藝不合理，沒達到標準和圖紙規(guī)定的要求，或接頭中的殘余應力過大，在操作中引起應力腐蝕和疲勞破壞。（5）操作不當，溫度波動過頻，引發(fā)疲勞破壞。另外，在GB151中還規(guī)定了強度脹接的適用范圍，設計壓力小于等于4MPa;設計溫度小于等于300℃；操作中無劇烈的振動，無過大的溫度變化及無明顯的應力腐蝕。強度焊的適用范圍：可用

10、于本標準的適用范圍，但不適用于有較大振動及有間隙腐蝕的場合。脹焊并用的適用范圍：密封性能要求較高的場合;承受振動或疲勞載荷的場合；有間隙腐蝕的場合；采用</p><p><b>　　3．管板結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　換熱管標準的排列形式有四種（1）正三角排列；（2）轉(zhuǎn)角正三角排列；（3）正方形排列；（4）轉(zhuǎn)角正方形排列。換熱管中心距宜不小于1.25倍的換熱管

11、外徑。因為管間距的決定要考慮管板強度和清洗管子表面所需的間隙。當管子采用焊接法固定時，相鄰兩管的焊縫太近，會相互受到熱影響，使焊接質(zhì)量不易保證。而采用脹接時，過小的間距會造成管板在脹接時由于擠壓作用而變形，失去了管子和管板之間的連接力。此外還要考慮布管限定圓、管程分程、管孔、拉桿孔和管板的密封等。最后管板的厚度按GB151標準公式通過計算獲得。 </p><p>　　4．溫差應力和拉脫力 </p>

12、<p>　　在換熱器操作中，當管程溫度較高的流體與殼程溫度較低的流體進行換熱時，由于管壁溫度高于殼壁溫度，則管子的自由伸長量比殼體的自由伸長量大，但由于殼體與管子是剛性連接，所以管子和殼體的實際伸長必須相等，因此，就出現(xiàn)殼體被拉伸，產(chǎn)生拉應力，管子被壓縮，產(chǎn)生壓應力，此拉、壓應力就是溫差應力，也是熱應力。管壁和殼壁的溫度差越大，熱應力越大，易引起彎曲變形，造成泄漏，甚至使管子從管子從管板上拉脫。因此設計中要考慮溫差應力，進行溫

13、差補償。 </p><p>　　處于工作狀態(tài)下的換熱器，承受流體壓力和溫差應力的聯(lián)合作用，在這兩個力的聯(lián)合影響下，管子與管板會出現(xiàn)相互脫離的趨勢，這種使管子與管板部位產(chǎn)生脫離的力即為拉脫力。 </p><p>　　由于換熱管、管板和殼體焊在一起，故換熱管與殼體間的金屬壁溫差引起的溫差應力是其致命的弱點，因此在固定管板換熱器溫差應力計算中要校核以下三個方面的應力和力：（1）按有溫差的各種工況

14、算出殼體軸向應力σc;(2)換熱管的軸向應力σt；（3）換熱管和管板之間連接的拉脫力q.三項中有一項不能滿足強度條件時，就需設置膨脹節(jié)。根據(jù)工程經(jīng)驗，當殼體與換熱管金屬溫差（注意不是介質(zhì)溫差）高于50℃時，一般應設置膨脹節(jié)。當然，最后還是應該以SW6計算結(jié)果為準。 </p><p>　　除了上面提出分析討論的幾個問題外還應考慮折流板、支持板的作用和結(jié)構(gòu)等。 </p><p>　　總而言之，

15、列管式換熱器的設計必須遵守我國GB150.1-150.4-2011《壓力容器》、《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》之外，還必須遵守GB151《管殼式換熱器》以及該標準中涉及的相關標準、規(guī)范和制造技術條件，對于重要容器，還應進行全面的技術經(jīng)濟分析。雖然現(xiàn)在一般都用SW6軟件進行過程設備設計計算。殼體厚度、管板厚度、膨脹節(jié)等很快就能出結(jié)果，很大程度上解放了勞動力，但對一些標準規(guī)范和概念更要注重。筆者將設計計算中應注意的一些問題介紹給大家，以