管殼式換熱器設(shè)計(jì)中易出現(xiàn)的問(wèn)題

1、<p>　　管殼式換熱器設(shè)計(jì)中易出現(xiàn)的問(wèn)題</p><p>　　摘 要：本文主要總結(jié)了設(shè)計(jì)管殼式換熱器時(shí)，出現(xiàn)的一些常見(jiàn)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的進(jìn)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(guān)鍵詞：管殼式換熱器 常見(jiàn)問(wèn)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(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性程度高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在各個(gè)工程中仍得到普遍使用。在按GB151-1999《管殼式換熱器》進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者雖以本標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，但常常會(huì)因設(shè)計(jì)人員知識(shí)匱乏，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的理解不到位，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合理、取值有誤等問(wèn)題發(fā)生。以下是我平常在換熱器設(shè)計(jì)中積累到的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的進(jìn)一步闡述解釋，希望在以后的工作中能夠?qū)Υ蠹矣兴鶐椭?&

3、lt;/p><p><b>　　二、問(wèn)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(méi)有重新進(jìn)行強(qiáng)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(shí)，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(zhì)量要求時(shí)

4、，宜采用鍛件。因厚鋼板會(huì)有分層、夾雜等缺陷及性能指標(biāo)波動(dòng)大等問(wèn)題。 </p><p>　　1.2管板以凸肩形式與圓筒相對(duì)接時(shí)，必須采用鍛件。為避免凸肩處可能產(chǎn)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(lái)的整體鍛件來(lái)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(shí)用板材代替鍛件，或者是由鍛件代替板材，這種做法是萬(wàn)不能取的。一定注意同一材料，同一厚度，同一設(shè)計(jì)溫度下板材與鍛件的許用應(yīng)力是不同的。一般來(lái)說(shuō)，厚度相同時(shí)，板材的許用應(yīng)力略高于鍛件，所以如果原設(shè)計(jì)的圖紙管板為板材，在改為鍛件時(shí)，設(shè)計(jì)人員一定要重新校核管板的厚度。 </p><p>　　2.管板堆焊時(shí)技術(shù)要求不全面 </p><p>　　管板堆焊時(shí)，設(shè)計(jì)者對(duì)堆焊的管板沒(méi)有做詳細(xì)的技

6、術(shù)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(yīng)按NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行耐蝕層堆焊的焊接工藝評(píng)定。 </p><p>　　2.2整個(gè)堆焊層的表面應(yīng)平整，平面度公差為1mm.不進(jìn)行加工的堆焊表面應(yīng)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(yīng)分別進(jìn)行磁粉或滲透檢測(cè)。按JB/T4730.4-2005 MT-Ⅰ級(jí)或JB/T4730.5-2005 PT-Ⅰ級(jí)為合格。 </p><p>　　2.4對(duì)介質(zhì)有晶間腐蝕傾向的，堆焊層還需要進(jìn)行晶間腐蝕傾向試驗(yàn)。 </p><p>　　2.5基層材料按要求進(jìn)行夏比（V形缺口）常溫或低溫沖

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

9、程筒體圖紙名義厚度為10mm，已經(jīng)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算要求，而在制造時(shí)，廠家用厚度為12mm同材質(zhì)的庫(kù)存鋼板代替。而設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，以厚代薄，沒(méi)有用12mm的板厚重新去校核管板的強(qiáng)度。 </p><p>　　由于換熱器殼程筒體厚度增加后，相應(yīng)的溫差應(yīng)力也增加，殼體軸向應(yīng)力σc發(fā)生變化。表現(xiàn)在： </p><p>　　3.1管子加強(qiáng)系數(shù)降低 </p><p>　　管子加強(qiáng)系

10、數(shù)反映了彈性基礎(chǔ)強(qiáng)弱相對(duì)于管板自身抗彎剛度的大小，即管束對(duì)管板承載能力的加強(qiáng)作用，它的降低表明管板的彈性基礎(chǔ)變?nèi)酢?</p><p>　　3.2殼體法蘭旋轉(zhuǎn)剛度及法蘭力矩變化系數(shù)增加 </p><p>　　對(duì)延長(zhǎng)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(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)管板將產(chǎn)生彎曲撓度。同時(shí)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(chǎn)生了橫剪力。所以在法蘭力矩增大的情況下，管板中產(chǎn)生的整體彎曲變形及相應(yīng)的應(yīng)力也增大。 </p><p>　　3.3僅有殼程壓力Pa 作用下的危險(xiǎn)組合工況（Pt=0）或者僅有管程壓力Pt作用下的危險(xiǎn)組合工況（Pa=0） </p><p>　　對(duì)Pa （Pt）與法蘭力矩同時(shí)作用的情況（不計(jì)溫差應(yīng)力），這兩種載荷使管板產(chǎn)生相同方向的變形，使得換熱管軸向應(yīng)力、殼程圓筒

12、軸向應(yīng)力、換熱管與管板連接拉脫應(yīng)力減小。對(duì)Pa（Pt）與管殼熱膨脹差同時(shí)作用時(shí)（計(jì)溫差應(yīng)力），管束軸向熱膨脹量小于殼體軸向熱膨脹量，兩種載荷對(duì)管板產(chǎn)生的應(yīng)力將疊加。所以此時(shí)只有管板徑向應(yīng)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(yīng)提前告知設(shè)計(jì)人員，重新進(jìn)行管板的強(qiáng)度校核。 </p><p>

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

14、計(jì)算時(shí)會(huì)有很詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，這兩個(gè)數(shù)據(jù)并不難得到，但對(duì)于一般的制造廠，并不具備工藝計(jì)算的能力，所以，在工程上我們采用取平均值的方法來(lái)估算金屬壁溫，換熱管沿長(zhǎng)度平均溫差等于管程介質(zhì)進(jìn)/出口溫度與殼程介質(zhì)進(jìn)/出口溫度的平均值，沿筒體長(zhǎng)度平均溫差考慮有無(wú)保溫層，若有，取殼程介質(zhì)進(jìn)/出口溫度的平均值，若無(wú)，取殼程介質(zhì)進(jìn)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(cè)墊片材料不一致

15、　　在法蘭夾持管板的結(jié)構(gòu)中，螺栓力對(duì)管板兩側(cè)的法蘭作用力是相等的，因?yàn)槁菟ǖ脑O(shè)計(jì)是兼顧了管板兩側(cè)的條件，要求用較大的螺栓載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)管板兩側(cè)的設(shè)計(jì)壓力不同時(shí)，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(zhì)的內(nèi)壓力引起的軸向力。壓力較高的一側(cè)軸向力大，對(duì)墊片的壓緊力就小，而壓力較低的一側(cè)正好相反。假設(shè)在操作狀態(tài)下擰緊螺栓，壓力較低的一側(cè)首先達(dá)到密封要求。在兩側(cè)壓差比較大時(shí)，當(dāng)壓力較高側(cè)還沒(méi)有達(dá)到密封要求時(shí)，壓力較

16、低側(cè)的墊片可能就會(huì)因?yàn)楸葔哼^(guò)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(cè)的墊片材料應(yīng)該按壓力高的一側(cè)選擇，而且兩側(cè)墊片材料一致。 </p><p>　　6.臥式冷凝器支持板沒(méi)有左右布置 </p><p>　　根據(jù)傳熱機(jī)理，殼程通過(guò)冷凝介質(zhì)的冷凝器無(wú)需設(shè)置折流板，但是，為了增加換熱管的剛度，防止產(chǎn)生過(guò)大的撓度或者引起換熱管振動(dòng)。當(dāng)換熱管的無(wú)支撐跨距超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定時(shí)，需要設(shè)置一定

17、數(shù)量的支持板，支持板的形狀、尺寸都按折流板設(shè)計(jì)，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(zhì)為氣、液兩相共存時(shí)，弓形支持板缺口應(yīng)左右布置，并在支持板的最低處開(kāi)設(shè)通液口，有的設(shè)計(jì)者就將支持板缺口上下設(shè)置，這樣是不合適的，因?yàn)檫@極不利于冷凝液的排出，特別是當(dāng)冷凝液的液位高于上置支持板（缺口向下）的下缺口時(shí)，會(huì)形成液封，從而阻礙蒸汽的流動(dòng)，影響設(shè)備的傳熱和運(yùn)行。 </p><p>　　7.換熱器管板上布管設(shè)

18、計(jì)常出現(xiàn)的錯(cuò)誤 </p><p>　　7.1布管時(shí)，對(duì)于最外周的管孔只考慮換熱管管孔中心距的位置，而沒(méi)有考慮換熱管外徑到殼體內(nèi)壁的距離，所以出現(xiàn)布管超出布管限定圓的問(wèn)題。 </p><p>　　7.2也有出現(xiàn)布管數(shù)量太少，造成管板周?chē)徊脊軈^(qū)太大（k>1）的情況。（k為管板周邊不布管區(qū)無(wú)量綱寬度 ）。由于管板計(jì)算方法只適用k≤1的情況，所以用SW6-2011“壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)軟件”進(jìn)

19、行管板強(qiáng)度計(jì)算時(shí)提示1/ρt超界的錯(cuò)誤。以下兩種方法可以解決此問(wèn)題：1）增加管板上開(kāi)孔的數(shù)量 2）適當(dāng)增大換熱管中心距的數(shù)值。 </p><p>　　7.3管板上布管還常常出現(xiàn)以換熱器內(nèi)徑尺寸進(jìn)行布管，而忽略了管板與殼體的焊接，需要在管板背面開(kāi)凹槽時(shí)的尺寸，而出現(xiàn)換熱管穿過(guò)管板應(yīng)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(dāng)有應(yīng)力腐蝕時(shí)，冷彎U形管的彎管段及至少包括150mm的直管段應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，且在直管段應(yīng)有溫度梯度，以避免溫度突變處的應(yīng)力腐蝕，否則彎管后應(yīng)整根熱處理。 </p><p>　　8.2已熱處理過(guò)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(jìn)行與原熱處理相同的熱處理。 </p><p>　　8.3冷彎管伸長(zhǎng)率判定：當(dāng)冷

21、彎管外層纖維變形率超過(guò)鋼管標(biāo)準(zhǔn)伸長(zhǎng)率一半，或伸長(zhǎng)率A≥10%，應(yīng)進(jìn)行熱處理。 </p><p><b>　　三、結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　通過(guò)對(duì)以上管殼式換熱器設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的一些常見(jiàn)問(wèn)題的進(jìn)一 </p><p>　　步闡述解釋，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)注重考慮換熱器的設(shè)計(jì)條件、標(biāo)準(zhǔn)要求。重視標(biāo)準(zhǔn)中的細(xì)節(jié)，避免忽視看似不重要的問(wèn)題而導(dǎo)致設(shè)備

22、存在安全隱患，設(shè)備試驗(yàn)和運(yùn)行一段時(shí)間后，問(wèn)題就會(huì)很快暴露出來(lái)。所以在以后的設(shè)計(jì)工作中要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)，結(jié)合GB151和其他相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，秉持合理設(shè)計(jì)，低碳環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，保證計(jì)算結(jié)果的正確性，保證產(chǎn)品的安全性及經(jīng)濟(jì)性是每個(gè)設(shè)計(jì)者應(yīng)具備的基本要求。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </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(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)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(shè)備設(shè)計(jì)典型問(wèn)題精解[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社. </p><p>　　[4] 王非.化工壓力容器設(shè)計(jì)方法、問(wèn)題和要點(diǎn)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社. </p><p&

24、gt;　　作者簡(jiǎn)介：董 鵬（1977- ），女，陜西富平人，2003年畢業(yè)于陜西理工學(xué)院自動(dòng)化控制專業(yè)，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)從事壓力容器設(shè)計(jì)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(xué)，化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，大專，助理工程師，現(xiàn)從事壓力容器制造技術(shù)工作。 </p><p>　　楊亞會(huì)（1981- ），女，陜西咸陽(yáng)人，2004年畢