1、摘 要隨著石油化工行業的迅速發展，換熱器在石化行業設備中占據著重要的部分和地位。換熱器是一種實現物料之間能量傳遞的設備，本設計主要是針對的浮頭式換熱器，浮頭式換熱器屬于管殼式換熱器的一種，是利用間壁使高溫流體和低溫流體進行對流傳熱從而實現物料間的熱量傳遞。在設計的整個過程中，嚴格按照GB150-1998鋼制壓力容器和GB151-1999管殼式換熱器等標準進行設計和計算。以及對換熱器的強度，剛度和穩定性的校核。本設計包括四個部分：說明部分；計算部分；繪圖部分和翻譯部分。說明部分主要闡述了浮頭式換熱器的工藝流程及其在煉油化工生產中的地位，換熱器設備及其發展現狀和國內外換熱器的最新發展趨勢，同時介紹

2、了換熱器的結構設計，換熱器主要零部件結構的設計及壓力容器常用材料等。最后對壓力容器的制造，檢驗和驗收等問題也作了簡單的介紹。計算部分主要針對筒體，封頭，和法蘭進行了詳細計算，并對其進行了水壓試驗校核，還對換熱器的管板，折流板，鞍座等進行了相關的設計計算。除此之外，還參閱相關的設計手冊及大量的文獻，完成了各個零件圖的繪制，還對兩萬字符的外文進行了翻譯等工作。因此，這是份比較具有創新性的畢業設計。關鍵詞：浮頭式換熱器；筒體；壓力試驗；校核AbstractWith the oil of the rapid development of the chemical industry, heat exch

3、anger equipment in the petrochemical industry occupies an important part and status. Is a heat exchanger to achieve energy transfer between the materials of the equipment, mainly for the design of the floating head heat exchanger, floating head heat exchangers are shell and tube heat exchanger type

4、is the use of partitions so that high-temperature fluid and low-temperature fluid for convective heat transfer in order to achieve the heat transfer between materials.In the design of the whole process, in strict accordance with GB150-1998 "Steel Pressure Vessels" and GB151-1999 "shel

5、l and tube heat exchanger" and other standards for the design and calculation. As well as the heat exchanger strength, stiffness and stability of the check.The design includes four parts: that part of it; calculation part; mapping and translation of some parts. Note on some of the main floating

6、 head heat exchanger and its application in the process of refining the position of chemical production, heat exchanger and the development of equipment and heat exchangers at home and abroad the latest development trends, at the same time introduced the structure of heat exchanger design, heat exch

7、anger design of the structure of the main components and pressure vessels commonly used materials. Finally, pressure vessel manufacturing, testing and acceptance of other issues also made a brief introduction. Calculated for some of the main cylinder, head, and carried out a detailed calculation of

8、the flange, and its hydraulic test checking, but also on the heat exchanger tube sheet, baffle, such as a saddle-related design calculation. In addition, see the related design manuals and a lot of literature, completed the mapping of various parts, but also on the20,000 foreign-language characters

9、for the translation work. Therefore, it is a comparison of graduates with innovative design.Keywords:Floating head heat exchanger; cylinder; pressure test; check目錄1前言11.1管殼式換熱器的分類11.2管殼式換熱器的結構2管束2殼程3管子的排列方式3管板3折流板與折流桿31.3管殼式換熱器相關分析4傳熱系數4平均溫差4流體流速4流體壓降4振動4其他41.4提高管殼式換熱器傳熱能力的措施51.5管殼式換熱器工作原理61.6管殼式換熱器

10、的發展7板式支承結構的發展7桿式支承結構的發展7空心環支承結構8管式自支承91.7管殼式換熱器特點101.8管殼式與其他換熱器的比較111.9腐蝕與防護14換熱器腐蝕的原因14管殼式換熱器的防腐蝕措施161.10換熱器設計軟件簡介19201.10.2 HTRI211.10.3 ASPEN PLUS BJAC221.11 結語232設計部分242.1浮頭式換熱器筒體的計算：24計算條件24厚度的計算242.2前后端管箱封頭的計算25設計條件25厚度計算25壓力試驗應力校核26壓力試驗應力校核272.3帶法蘭無折邊球形封頭及法蘭計算27設計條件27厚度計算282.4管子排列方式的設計312.5開孔

11、補強的計算31筒體開孔所需的補強面積要求32在有效補強范圍內作為補強的截面積32選擇補強圈補強332.6外頭蓋法蘭厚度計算33設計條件33厚度計算342.7管板的厚度計算38設計條件38計算各參數39厚度計算41校核換熱管軸向力423 致謝454 參考文獻461 前言換熱器是一種實現物料之間熱量傳遞的節能設備，在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業應用普遍。在煉油、化工裝置中換熱器占總設備數量的40左右，占總投資的3045。尤其是換熱器在化工生產裝置中應用十分廣泛，是化工操作單元中的重要組成部分。隨著工業裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化。目前在大型化工生產裝置中，各種換熱設備的數

12、量占工藝設備數量的30以上。因此，了解換熱器各方面知識是很有必要的。換熱器種類繁多，形式各異，如管殼式、釜式、板式、板翅式、螺旋板式、空冷器、套管式、蛇管式、升降膜式等。由于管殼式換熱器易于制造、適應性強、處理量大、成本較低以及可供選用的材料范圍廣泛，仍是當前應用最廣，理論研究和設計技術最完善，性能可靠的一類換熱器，所以這里我們重點研究這它們。1.1 管殼式換熱器的分類根據管殼式換熱器的結構特點，可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式及釜式重沸器等五類，每種結構形式各自發揮不同的作用。固定管板式換熱器它結構簡單、緊湊、造價低，往往是管板兼法蘭，適用于管、殼程溫差不大或管、殼程溫差大，但壓

13、力不高，殼程介質干凈或雖結垢但通過化學清洗能清除的場合。其主要缺點是當殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數相差較大時，在殼體與管中將產生很大的溫差應力。浮頭式換熱器管束一端的管板可以自由移動，不受溫差應力的影響，其結構復雜，內浮頭密封困難，鍛件多，造價高。維修時可拆卸浮頭，抽出管束進行檢修或更換，適用于管、殼程溫差大但工作壓力不超過10 MPa的工況，缺點是需要抽出管束。還有一種浮頭式換熱器也稱為填料函式換熱器，其管束可自由伸縮，殼程和管程都可以拆開清洗，結構簡單，適用管、殼程溫差大工況，但其耐壓、耐溫及密封能力差，目前只是在低壓與小直徑的場合下使用。U形管式換熱器管束可自由伸縮，只有一塊管板，

14、密封面少，管束與殼體分離，消除了溫差應力，可抽芯檢修更換。適用場合為管、殼程溫差大，高溫，高壓。殼程需抽芯清洗，要求管內介質干凈或雖會結垢但通過化學清洗能清除。其他類型就不予解釋。1.2 管殼式換熱器的結構圖1.管殼式換熱器示意圖 管束在管殼式換熱器中最簡單的是單管程的換熱器，如需增加傳熱面，一般采用增加管數的方法，管數增加后可將管束分程，以防止管數增加后引起管內流速以及傳熱系數的降低，從制造、安裝、操作的角度考慮，一般采用偶數管程且程數不宜太多。 殼程圖2.列出了幾種代號的殼程型式。E型是最普通的一種，殼程是單程的，管程可為單程也可為多程；F型為二殼程的換熱器，是在殼體中裝入了一塊平行于管子

15、軸線方向的縱向隔板；G型也為二殼程的換熱器，縱向隔板從管板的一段移開使殼程流體得以分流；H型與G型相似，但進出口接管與縱向隔板均多一倍。圖2.換熱器的殼程型式 管子的排列方式管子在管板上的排列方式最常見的有4種：正三角排列、轉角正三角形排列、正方形排列和轉角正方形排列。 管板管板是換熱器的重要部件之一，用來排布換熱管并起著分隔管程、殼程空間的作用。薄管板有著節省材料的優點，是用于中、低壓換熱器中；橢圓形管板與換熱器的殼焊接在一起，受力條件較好，適用于高壓、大直徑的換熱器。 折流板與折流桿折流板體有助于提高殼程的流速，增強湍動，改善傳熱，在臥式換熱器中起支承管束的作用。常用的折流板有單弓形、雙弓

16、形、三重弓形等。折流桿是一種新型支承管子的結構，其優點：在傳熱量相同的情況下，其壓力降比弓形折流板的換熱器降低50以上，沒有傳熱死區，結垢速率慢，防止了橫向流誘發的振動。1.3 管殼式換熱器相關分析 傳熱系數在管側熱阻、殼側熱阻、污垢熱阻和管壁熱阻中分析導致熱阻的主要原因。一般管殼式換熱器的管壁熱阻在總熱阻中只占很小的比例，對傳熱系數影響不大。如是管側熱阻或殼側熱阻起決定作用，應該采取措施有效地增強湍動效果以提高傳熱系數，如是污垢熱阻起決定作用，應該采取措施使換熱器有效除垢以提高傳熱系數。 平均溫差平均溫差是對數平均溫差，但當多管程或多殼程時，需要修正平均溫差。 流體流速一般流體流速都有合理的

17、范圍，特別是對于甲類和乙類流體還有安全流速，因此要分析流速是否合理，操作安全性是否可靠。 流體壓降其實流體壓降與流速有密切關聯，要分析壓降是否合理，是否滿足工藝要求。 振動振動對于操作的安全性十分重要，因此對振動的分析也必不可少。 其他換熱器的長徑比、介質走向、防沖板的設置、折流板間距、換熱器清洗等問題也要在設計中加以注意。經過結果分析后，一切參數均能滿足工藝要求，換熱器的工藝設計才能完成。1.4 提高管殼式換熱器傳熱能力的措施管殼式換熱器的傳熱能力是由殼程換熱系數、管程換熱系數和換熱器冷、熱介質的對數平均溫差決定的，因此，提高管殼式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點。a.提高管殼式換熱器冷、熱

18、介質的平均對數溫差。冷、熱介質平均對數溫差除直接受冷、熱介質進出口溫度影響外，還受到冷、熱介質的流動方向和換熱流程的影響。當換熱器冷、熱流體的溫度沿傳熱面變化時，兩種流體逆流平均溫差最大，順流平均溫差最小，在實際換熱器設計中，冷、熱流體多采用交錯流方式，其平均對數溫差介于逆流和順流之間。因此，應盡量增加換熱器冷、熱流體的逆流比例，提高冷、熱流體的對數平均溫差，提高換熱器的傳熱能力。b.合理確定管程和殼程介質。在換熱器設計中，對于殼程安裝折流板的換熱器來說，Re>100時，殼程介質即達湍流，因此，對于流量小或粘度大的介質優先考慮作為殼程換熱介質；由于管程清洗相對于殼程清洗要容易，因此對于易

19、結垢、有沉淀及雜物的介質宜走管程；從經濟性考慮，對于高溫、高壓或腐蝕性強的介質，作為管程換熱介質更加合理；對于剛性結構的換熱器，若冷、熱介質溫差大，因壁面溫度與換熱系數大的介質溫度接近，為減小管束與殼體的膨脹差，換熱系數大的介質走殼程更加合理，而冷、熱介質溫差小，兩介質換熱系數相差大，換熱系數大的介質走管程更加合理。c.采用強化管殼式換熱器傳熱的結構措施。在換熱器設計中，通常采用強化傳熱的措施來提高換熱器的傳熱能力。強化傳熱的常用措施有：采用高效能傳熱面、靜電場強化傳熱、粗糙壁面、攪拌等。1.5 管殼式換熱器工作原理圖3為固定管板式換熱器的構造。A流體從接管1流入殼體內，通過管間從接管2流出。

20、B流體從接管3流入,通過管內從接管4流出。如果A流體的溫度高于B流體,熱量便通過管壁由A流體傳遞給B流體；反之，則通過管壁由B流體傳遞給A流體。殼體以內、管子和管箱以外的區域稱為殼程，通過殼程的流體稱為殼程流體 (A流體)。管子和管箱以內的區域稱為管程,通過管程的流體稱為管程流體(B流體)。管殼式換熱器主要由管箱、管板、管子、殼體和折流板等構成。通常殼體為圓筒形;管子為直管或U形管。為提高換熱器的傳熱效能，也可采用螺紋管、翅片管等。管子的布置正如上面所提到的有等邊三角形、正方形、正方形斜轉45度和同心圓形等多種形式，前3種最為常見。按三角形布置時，在相同直徑的殼體內可排列較多的管子，以增加傳熱

21、面積，但管間難以用機械方法清洗，流體阻力也較大。管板和管子的總體稱為管束。管子端部與管板的連接有焊接和脹接兩種。在管束中橫向設置一些折流板，引導殼程流體多次改變流動方向，有效地沖刷管子，以提高傳熱效能，同時對管子起支承作用。折流板的形狀有弓形、圓形和矩形等。為減小殼程和管程流體的流通截面、加快流速，以提高傳熱效能，可在管箱和殼體內縱向設置分程隔板，將殼程分為2程和將管程分為2程、4程、6程和8程等。管殼式換熱器的傳熱系數，在水-水換熱時為14002850瓦每平方米每攝氏度W/(m();用水冷卻氣體時,為10280W/(m()；用水冷凝水蒸汽,為5704000W/(m()。1.6 管殼式換熱器的

22、發展 板式支承結構的發展傳統的管殼式換熱器采用單弓形折流板支承，由于殼程流體在轉折和進出口兩端渦流的滯留區易產生傳熱死區，傳熱面積無法得到充分利用，并且當流體橫向流過管束時，流體在管子后方形成的卡門旋渦產生周期性交變應力，使管子發生流體誘導振動。為了使折流板的性能得到改進，人們又提出了多弓形折流板、整圓形折流板、異形孔折流板、網狀板，偏心孔折流板。這些新型折流板支承結構的出現主要是為了使流體由橫向流動變為縱向流動，從而盡可能消除死區，使得傳熱綜合性能得到提高，也使得管束的抗振性能得到增強。 桿式支承結構的發展美國菲利浦石油公司于2O世紀7O年代，為了改進板式換熱器中管子與折流板的切割破壞和流體

23、誘導作用，開發了殼程流體縱流折流桿式換熱器，即在管子中插入網桿，不僅解決了誘導振動問題，也使傳熱效率得到了提高。這種殼程流體縱流折流桿式換熱器與傳統的板式換熱器相比，具有傳熱效率高、流體阻力小、有效消除流體誘導振動的優點，且不易結垢、質量輕、使用壽命長、設備投資及操作費用低等優點。因此世界各同對該類型的換熱器進行了深入的研究，出現了一種新的抗振結構的直扁鋼條；后來又有一些單位把圓桿變成波形扁鋼；由于圓桿在安裝上比較閑難，又有一些單位提出了把圓桿變為橢圓截面的桿。 空心環支承結構空心環支承(圖4)是由華南理工大學化學工程研究所鄧先和等首先研究的，它是由直徑較小的鋼管截成短節，均勻分布在換熱管之間

24、的同一截面上，呈線性接觸，在緊固裝置螺栓力的作用下，使管束對緊密固定。由于流體縱向沖刷管束，因此殼程具有流體阻力小、傳熱性能好及抗振能力強等特點。研究表明，當支承同樣的強化管束(即橫紋管束)時，空心環支承結構更能使粗糙管束獲得更好的強化效果，在同等殼程條件下給熱系數高50以上，并且殼程壓力更小。空心環支承的繞流作用不如折流桿支承，而且管束固定工藝相對較復雜。圖4.空心環支撐結構 管式自支承管子自支承的共同特點是靠管子自身變形的突出部位相互支承，無需其它支承物。因此，管子排列緊湊，單位體積內的換熱面積增大，管子間距小，可提高殼程流速，支承點干擾流體并分割流體邊界層，從而增強湍流度，使傳熱邊界層減

25、薄。傳熱管的截面形狀的變化對管內、外流體的傳熱都具有強化作用。管式自支承結構主要有三種形式：刺孔膜片式，螺旋扁管式和變截面管式。(1)刺孔膜片式(圖5a)。在每根換熱管兩側相距180。開溝槽，溝槽中嵌焊沖有孔和毛刺的膜片。膜片上的毛刺具有擾流作用，增大了流體湍流程度；同時，使得流體通過ib-fL實現了昆合。由于刺孔膜片嵌焊在管壁上，是管壁的延伸，增大了單位體積的有效傳熱面積。刺和孔不斷使換熱表面上的邊界層更新，使層流厚度減薄，提高傳熱系數，殼程流體完全縱向流動，阻力主要是液體的粘性力，因此殼程壓力變得很低。(2)螺旋扁管式(圖5b)。把圓管軋制或橢圓管扭曲成一定導程的螺旋扁管，靠相鄰的管長軸處

26、的點接觸支承管子。殼程流體大體上呈縱向流動，同時伴隨有橫向螺旋運動。這種流速和流向的周期性改變加強了流體的軸向混合和湍流度。同時，流體流經相鄰管子的螺旋線接觸點后形成脫離管壁的尾流，增加了流體自身的湍流度，破壞了流體在管壁上的傳熱邊界層，從而強化了傳熱。(3)變截面管式(圖5c)。變截面管是普通圓管壓制而成的，相隔一定間距管子被壓制成互成60度(三角形布管)或90度(正方形布管)的扁圓形截面。這種管通過變徑部分的點接觸支承管子，同時組成殼程的繞流元件。因此，管子排列緊湊，單位體積內的換熱面積增大。由于管問距小，使得殼程流速得以提高，從而增強湍流度，使得管壁上的傳熱邊界層減薄。同時，換熱管的截面

27、形狀的變化對管內、外流體的傳熱都具有強化作用。圖5.自支承管及其自支承結構總體來說，管殼式換熱器的發展總體上是支承形式的發展，從板式支承到折流桿式支承，再到空心環支承，最后到管子的自支承當然其間也有交錯發展的情況。隨著支承形式的發展，管殼式換熱器的殼程給熱系數呈現不斷提高的趨勢，壓降呈現不斷下降的趨勢，換熱器的傳熱綜合性能得到很大的提高。從管殼式換熱器的發展可知，新的支承結構的出現，絕大多數是為了使流體的流動方式盡可能變為縱向流，這樣有利于管程和殼程的熱交換，從而提高傳熱系數，同時伴隨著壓降的降低，使得傳熱綜合性能得到很大的提高。1.7 管殼式換熱器特點管殼式換熱器是換熱器的基本類型之一，19

28、世紀80年代開始就已應用在工業上。這種換熱器結構堅固,處理能力大、選材范圍廣，適應性強，易于制造,生產成本較低，清洗較方便，在高溫高壓下也能適用。但在傳熱效能、緊湊性和金屬消耗量方面不及板式換熱器、板翅式換熱器和板殼式換熱器等高效能換熱器先進。1.8 管殼式與其他換熱器的比較這里我們主要研究管殼式與板式換熱器的不同點。（1)流動傳熱設計比較管殼式換熱器的管子是換熱器的基本構件，它為在管內流過一種流體和穿越管外的另一種流體之間提供傳熱面。根據兩側流體的性質決定管子材料，將具有腐蝕性，水質差的介質放在管內流動，水質較好的介質放在管子外殼側，這樣管子只需采用耐海水腐蝕的銅官或鈦管，同時清洗污垢較為方

29、便，管徑從傳熱流體力學角度考慮，在給定殼體內使用小直徑管子，可以得到更大的表面密度，但大多數流體會在管子表面上沉積污垢層，尤其管內水質較差，可能會在管壁上形成沉積物，將傳熱惡化并使定期的清洗工作成為必要，管子清洗限制管徑最小約為17mm。對給定的流體，污垢形成主要受管壁溫度和流速的影響，為得到合理的維修周期，管內側水的流速應在2m/s左右。對管殼式換熱器，應根據水質含雜量情況需設置膠球清洗裝置進行定期清洗。板式換熱器的兩種熱交換介質分別在波紋板的兩側對流，波紋采用人字形波紋，這樣既增強了剛度以防止板片受壓變形，同時也增強了流體的湍流程度，并加大了傳熱面積。這些傳熱板的波紋斜交，即在相鄰的傳熱板

30、上具有傾斜角相同而方向不同的波紋。沿流動方向橫截面積是恒定的，但是由于流動方向不斷變化致使流道形狀改變，而引起湍流。板片是傳熱元件，一般由0.60.8mm的金屬板壓制成波紋狀，傳熱板的波紋深度為35mm，湍流區流速約為030.8m/s，相鄰板間要有許多接觸點，以承受正常的工作壓力，相鄰的板有相反方向的人字形溝槽，兩種溝槽的交叉點就形成接觸點，這樣還可消除振動，并且在促進湍流和熱交換的同時，消除了由于疲勞裂縫引起的內部泄漏。人字形波紋板湍流度較高，高湍流還能充分發揮清洗作用，可以特別有效的將沉積污垢減至最小，但是波紋板的接觸點較多，當液體水質差，含有懸浮的固體顆粒、雜物和水草等時，由于板間隙很窄

31、，所以要盡可能地保證將所有2 mm以上顆粒在進人換熱器以前，都要過濾掉,假如濾網不能有效地發揮作用，就容易發生堵塞。(2)傳熱系數的比較管殼式換熱器中，一種流體橫向掠過管子通過管壁與管內流動的另一種流體彼此垂直交叉流動，其傳熱系數k值一般為10003000 w(m2k)。板式換熱器中，冷卻水側與被冷卻水側流動均勻湍流，兩種流體逆向流動，由于波紋的作用引起湍流，從而產生高傳熱率，并抑制了污垢在傳熱面上形成。其傳熱系數一般為35005600 w(m2k)，故傳熱系數高，而阻力損失并不大。此外，污垢熱阻也較小。(3)占地面積比較用于同一工況的板式換熱器的占地面積，約為管殼式換熱器的五分之一左右，這是

32、因為板式換熱器的總傳熱系數高，減少了換熱面積，并且板式換熱器本身結構緊湊，單位體積內的換熱面積，約為管殼式換熱器的2倍，又不需附加的檢修場地。(4)多種介質換熱管殼式換熱器不能進行多種介質操作。在一臺板式換熱器中，只要設置中間隔板，就可以進行多種介質的換熱，這一特點是管殼式換熱器難以達到的。乳品、飲料行業中，利用板式換熱器這一優點，可用同一臺板式換熱器來實現加熱、殺菌、熱回收等幾種操作。另外，可根據需要用調節板片數目的辦法來增減傳熱面積，或利用板片排列方式不同來調節流道長短的辦法，來適應冷熱流體流量和溫度變化的要求。(5)對數平均溫差t1m冷、熱流體在板式換熱器的板間流動，是平行的流動，且一般

33、可以設計成逆流的方式，因此溫差修正系數高于管殼式換熱器以錯流為主的流動方式的溫差修正系數，其結果是板式換熱器的對數平均溫差大于管殼式換熱器。(6)末端溫差的比較末端溫差是指一流體人口溫度與另一流體出口溫度之差。管殼式換熱器傳熱末端差難以達到5以下。板式換熱器的流道是相互平行的，一程內的流體(程內有多個流道)雖然流量分配并不十分均勻，但程與程之間不會有短路、旁路等現象，流體在流道內的運動不會有任何影響末端溫差的現象。由于它的結構特點可以經濟地做到低至l的端差。(7)水量比較管殼式換熱器一般冷卻水量和被冷卻水量之比為1.22.5:1。板式換熱器，由于2種介質流道基本相同且傳熱效率高，因此板式換熱器

34、可大大降低冷卻水量，一般冷卻水量和被冷卻水量之比為0.81.1:1，這樣可以降低管道閥門和泵的安裝運行費用。(8)安裝檢修的比較管殼式換熱器是由管束組成，自身重量體積都較大，在檢修抽管時需要留出管束一樣長的距離，故占地較多，還需配備必要的起吊檢修設施。管殼式換熱器的設計壽命一般為30年，大修周期4年，當換熱器發生泄漏時，(可能是管子與管板間的泄漏或是管子破裂引起的泄漏)可以采用堵管的辦法在短時間內恢復工作性能，管殼式換熱器允許有7的堵管裕量。對于管內的清洗可以根據需要采用膠球清洗裝置進行定期的機械清洗。板式換熱器具有體積小，重量輕的特點，檢修方便，不需設檢修起吊設施，故安裝占地較少。板式換熱器

35、的人工維護包括將整機折開，用噴水槍和刷子清洗板和墊片，檢查板片和墊片，如有必要，更換板片和墊片。板式換熱器一般每年要清洗1次，并且無論是否實際需要都要做。當應用河水、海水等水質較差的冷卻水時，由于泥沙和污物的存在，以及微生物的快速生長有引起表面污染和堵塞的危險。在國外，應用河水作冷卻水時，清洗頻率很高，平均每年3.3次。1.9 腐蝕與防護換熱器腐蝕的原因管殼式換熱器和板式換熱器腐蝕的類型基本相同,如表1所列。由表1可見換熱器中最嚴重的腐蝕隱患之一是孔蝕,在換熱管內外常會產生由于污垢附著而引起的孔蝕。孔蝕產生的原因多與鹵素有關,特別是Cl-和含Cl的離子,其中以CuFe、Hg等金屬的氯化物危害最

36、為嚴重。介質的流動條件和管子的表面狀況也影響孔蝕的產生,介質流速高可以消除局部地方高濃度的Cl-從而降低腐蝕的傾向,管子表面光潔可增強其耐孔蝕的能力。對于采用脹接形式的接頭,由于脹接過程中存在殘余應力，在已脹和未脹管段間的過渡區,管子內外壁都存在拉應力,對應力腐蝕非常敏感。一旦具備發生應力腐蝕的溫度、介質條件,換熱器就會發生應力腐蝕破壞。應力腐蝕破裂是由于腐蝕和拉應力的共同作用而造成的材料斷裂。只有當拉應力超過該體系的臨界壓力,才會產生應力腐蝕破裂。腐蝕介質和循環應力的共同作用也能形成腐蝕疲勞。如果換熱器中的介質是電解質溶液,氫以原子狀態在金屬表面析出,向金屬內部滲透,就會有氫破壞的可能,既可

37、能產生氫鼓泡,又有可能導致氫脆。含固體懸浮物的液體容易產生沖刷腐蝕,被沖刷腐蝕的部位,常有典型的溝狀、洼狀或波紋狀等外觀特征。換熱器入口管端,就存在沖刷腐蝕,發生在管殼式換熱器管程流體入口部分,距傳熱管管端34倍管徑長度處。我國換熱器的接頭多采用焊接形式,管子與管板之間存在間隙,殼程介質進入到間隙死角中,就會形成縫隙腐蝕。在換熱器中,污垢的附著部位也會產生縫隙腐蝕?？p隙腐蝕與介質在這些部位的滯流有關?？p隙腐蝕與孔蝕的機理相似,一般出現孔蝕的地方也常有縫隙腐蝕發生。縫隙腐蝕和孔蝕都有一個孕育期,一旦過了孕育期,速度就會逐步增加。 換熱管若采用奧氏體不銹鋼管,如果在450850保溫一定時

38、間,將造成敏化,使不銹鋼具有晶間腐蝕的傾向,這可能與晶間的“貧鉻”有關。 管殼式換熱器的防腐蝕措施（1）操作工藝控制換熱器開車時,應首先用噴管將容器內的氣體和冷凝水完全排出,而后將冷流體充滿容器,關閉入口,然后緩慢注入熱流體,注意不要使加熱速度超過0.06·s-1,并使長度方向的溫度梯度不大于30.4·m-1,總之,應盡量使導入流體而形成的管子與殼體之間的熱膨脹差為最小。停車時,應先將熱流體流速逐漸減小至零,然后快速停止冷流體流動,這樣可使冷卻過程中的不等量收縮減至最小。停機后,用干燥的壓縮空氣將換熱器中的所有流體排出。這樣的開停車工序,可以將拉應力降至最小,避免產生應力腐

39、蝕。在換熱器運行中,應嚴格控制操作條件,避免驟冷驟熱導致溫差應力,產生應力腐蝕。采用定期清洗的方法降低污垢腐蝕。在運行中,可在規定的時間內,用瞬時增加流速的操作,或者采用逆流清洗的操作,也可用化學清洗的方法;停工時可采用噴射洗滌、機械清洗和化學清洗的方法。（2）維修工藝控制在試壓或操作中發現接頭泄漏時,對接頭脹管修復要慎重。脹管時,對其周圍的管子也要進行再次脹管,以免形成間隙。管子泄漏時采取堵管方法也應慎重,在可以更換管子時盡量換管,以免造成很大的溫差應力,導致應力腐蝕。保溫層破損后,應盡早使用防止水分的施工方法修復,以免殼體外積附水分,腐蝕殼體。用化學清洗清除換熱器污垢時,清洗后需將殘留液排

40、出,因為殘留液會腐蝕換熱器,換熱器長期不用時也要在換熱器清洗后,將殘留液完全排出。為避免管端磨損沖蝕,可用尼龍襯套防護。（3）水處理工藝控制在循環冷卻淡水中,可添加緩蝕劑以降低腐蝕。通常將阻垢分散劑、殺菌滅藻劑與緩蝕劑合用,稱為水質穩定劑。CrO2-4是一種陽極抑制劑,與適當的陰極抑制劑合用時,可得到滿意的防腐蝕效果,因此,常在水系統中使用。鉻酸鹽-鋅-聚磷酸鹽處理冷卻水,常用于低碳鋼、不銹鋼、海軍銅和銅鎳合金換熱器,但不能用于鋁合金制換熱器。水處理方法還有軟化、除氧、除銨、除磷酸鹽及硫等,以控制水中的pH值和氧含量,以免腐蝕。（4）電化學保護電化學保護分為陽極保護和陰極保護。陽極保護多用于換

41、熱器中工藝物料一側。陽極保護即通過外加電流使金屬電位向正向移動,促使金屬鈍化以進入鈍化區,可以大大降低腐蝕速度。硫酸工業中已廣泛使用配有陽極保護的不銹鋼換熱器。在人造絲生產中使用了陽極保護來防止鈦制換熱器的腐蝕。陰極保護常與保護性涂層聯合使用,如使用淡水的冷卻器采用富鋅涂料,與陽極保護聯合使用,簡化了輔助陽極的布置,降低所需的電流,取得了很好的效果,被認為是最經濟的防腐蝕方法。大型換熱器常采用外加電流陰極保護,小型海水換熱器則多用犧牲陽極的陰極保護。（5）設計、制造及安裝工藝控制設計時應將蒸汽放在管程側并避免高速氣體流經殼程。因為蒸汽的冷凝液中溶解有O2和CO2,具有較強的腐蝕性。安裝制造時管

42、排應略微傾斜,以便冷凝液及時排出。板式換熱器的防腐蝕措施板式換熱器的防腐蝕措施除可以采用以上方法外,還可采用以下措施:    (1)設計板片的成形模時,應采用殘余應力小的結構。板片的波紋斷面、波紋的高度和節距要合理。所有斷面要圓弧過渡,欽板圓角一般在R2R2.5。為減小內部殘余應力,應采用整體切邊或高頻振蕩等措施。    (2)為減輕對板片表面的劃傷,要對模具表面進行拋光。成形時要涂潤滑劑或加潤滑膜,以減輕對板片的劃痕。    (3)板片與墊片的粘結劑,不要采用過期的和含有C

43、l-的粘結劑,防止析出Cl-而引發腐蝕。    (4)選擇正確合理的板片結構和正常流速,一般板間平均流速為0.20.8m·s-1(主流線上的流速要比平均值高45倍)。流速低于0.2m·s-1時,流體達不到湍流狀態且會形成較大的死角區。正確合理選用流速,也可減輕入口處的板片腐蝕。    (5)增加板片觸點的接觸率,減少磨振對觸點的破壞。人字形波紋板片的兩相鄰板片互相倒置組合后,波紋相互接觸在11.6cm2的面積內(視波紋節距而定)就有一個支點,且分布均勻,所以板片觸點接觸率較高。水平直波紋的支點較

44、稀疏。日阪制作的EX型板片,為了增加支點,研制出格子狀的水平平直波紋板片。(6)板片換熱器的密封墊片也是關鍵的零部件。取密封周邊的長度(m)是換熱面積(m)的68倍。由于在板片和密封壓緊板的邊緣,墊片溝槽和墊片之間存在縫隙,造成缺氧形成陽極而發生腐蝕破壞。所以墊片槽和墊片形狀的設計要合理,密封墊片的截面必須與板片溝槽截面吻合。目前,密封墊片廣泛采用彈性橡膠材料,對其力學性能和抗腐蝕性能有一定的要求,永久壓縮變形量控制在<20%,并熱時效。墊片和板片夾緊后要盡量減少縫隙。這類墊片槽一般采用“粘貼型”密封結構。    目前還發展了易裝卸的“按扣”和“搭

45、扣”密封結構,可直接扣在板片上,定位正確、牢固,無需粘結劑。此密封結構是借助彈性材料的過盈量將其壓緊總之設計合理的密封結構和墊片形狀,可減少縫隙腐蝕?？傊?，隨著換熱器應用領域擴大,介質多種多樣,這就需要研制更多的能抗各種介質腐蝕的板材,并采取前述幾方面的防腐措施,才能在各行各業中廣泛應用,使換熱器發揮出更大的經濟效益。1.10 換熱器設計軟件簡介在初步選定換熱器形式后，就要確定換熱器的幾何參數。目前國內使用的換熱器計算軟件主要是HRFS(Heat Transfer and Huid How Service)和HTRI(Heat Transfer Research，Inc)，也可以應用ASPEN

46、 PLUS中的BJAC對換熱器進行設計、核算和模擬，此外還有如換熱器設計大師等。 HTFS(1)軟件介紹HTFS是英國傳熱及流體流動學會推出的兩相流管殼式換熱器計算程序?？梢赃M行冷卻器、冷凝器、加熱器、再沸器或冷凝冷卻器、過熱器等不同作用的管殼式換熱器的計算。該程序有三種計算模式：設計型(DESIGN)、校核型(CHECK)和模擬型(SIMULATION).設計型，在一定限制條件下按面積最小進行設計.校核型，核算已知換熱器是否能滿足換熱要求，計算結果為實際面積所需面積。模擬型，模擬已知換熱器，在給定的兩側流體的人口條件下，模擬物料的出口條件。HTFS程序中殼體形式為TEMA標準的E、I、J、G

47、和K型；管子有光管和翅片管兩種類型，管程數為116；折流板有單弓形、雙弓形、無折流板和折流桿等多種形式。在TEMA標準中有R、C和B三種級別的管殼式換熱器：R級適用于石油及相關工藝工程中的一般嚴格要求的非直接受火的管殼式換熱器；C級適用于工業一般工藝過程的中等程度要求的非直接受火的管殼式換熱器；B級適用于一般化工過程的非直接受火的管殼式換熱器。根據具體情況來選擇不同級別的換熱器。（2）應用在進行換熱器設計時，一般先用設計型初步計算出合適的換熱器形式和規格，然后經過圓整，選擇具體的換熱器的幾何尺寸，用校核型進行核算，計算結果中實際面積/所需面積一般為11 12。經核算表明能完全滿足工藝要求并具有

48、良好傳熱性能的換熱器并不能保證操作中的安全性，因為在換熱器中流體流動可能會引起管子的振動，進而引起換熱器的機械故障。因此還需對所選換熱器進行振動計算，這就需要用到該程序的模擬型計算模式。如有明顯的振動則需調整換熱器的某些幾何參數甚至改變其結構形式，經過反復的性能核算和振動計算，直至傳熱性能和振動這一機械性能同時滿足要求，換熱器的工藝設計才算完成。HTFS程序中有常用組分的物性數據庫，在計算時可根據物料組成的不同利用數據庫中的物性數據，如數據庫不足或數據不夠準確，用戶也可自己輸入物料的物性數據進行計算。 HTRIHTRI是美國熱傳遞研究公司推出換熱器計算程序，可以進行管殼式換熱器、板式換熱器、套

49、管式換熱器、加熱爐、空冷器、螺旋板式換熱器等不同形式換熱的計算。HTRI程序中殼體形式為TEMA標準的E、F、G、H、J12、J21、X和K型，換熱管有光管、低翅片管、縱向翅片管和維蘭德“GEWAKS”管等多種形式，管程數為116，折流板形式單弓形、雙弓形、窗口不布管形、拉桿形、螺旋板形、雙螺旋板形等多種形式。同樣，HTRI程序也有設計、校核、模擬三種計算模式，使用條件和方法與HTFS程序基本相同。HTRI的物性數據庫比較豐富，它有一百余種常用單組分和混合物的物性數據，同時也能使用用戶自定義物性數據。1.10.3 ASPEN PLUS BJACASPEN BJAC是ASPEN工程軟件包的一部分

50、，該軟件包是一套用于工藝過程設計、模擬及分析的綜合工具，它由三個程序組成的集成軟件：ASPEN HETRAN、ASPEN AEROTRAN和ASPEN TEAMS。ASPEN BJAC程序是用來設計在成本和性能方面最有效的換熱器。程序提供詳細的投資成本估算，包括材料及建筑成本。換熱器部件的設計與國際設計代碼是一致的。設計計算結果和圖形可以直接給制造者用來換熱器的制造。ASPEN BJAC程序提供了一整套工具用來設計、核算及模擬各種管殼式、空冷式換熱器。ASPEN HETRAN和ASPEN TEAMS能夠模擬所有主要的TEMA管殼式換熱器的加熱、冷凝及蒸發過程。ASPEN AEROTRAN能夠模

51、擬矩形管束換熱器包括強制式或吸入式空冷器以及加熱爐及煙氣節能器的對流段。ASPEN HETR AN 和ASPEN AER0TR AN有三種應用方式：設計方式，程序搜索滿足熱負荷規定及操作約束的最佳換熱器；核算方式，它用于核算在指定操作條件下換熱器是如何表現的；模擬方式，它確定在使用了所有傳熱面積情況下，冷熱側流體出口狀況。ASPEN HETR AN 和ASPEN AEROTRAN有一個高級的優化算法能夠找到滿足所有工藝要求的、成本最低的換熱器。程序可進行詳細的成本計算。用戶可以交互式分析優化路徑和評價可選的設計方案。ASPEN TEAMS做一個完整的機械設計包括綜合應力分析及外部負載計算，它包

52、括詳細的代碼依從計算，詳細材料及人工成本估算、比例放大制造圖。ASPEN BJAC程序與ASPEN PLUS集成在一起，使得用戶可以在ASPEN PLUS流程中輸人一個ASPEN BJAC模型。與ASPENPLUS集成使得用戶能夠確定換熱器瓶頸，預測當工藝條件發生變化的換熱器的性能，降低維護費用。換熱器的性能是根據在ASPEN BJAC的輸人文件中指定的詳細的換熱器幾何尺寸以及用船N PLUS提供的物流及物性數據來計算的。流程結果可從ASPEN PLUS中瀏覽，詳細結果可以從ASPEN BJAC中瀏覽。1.11 結語換熱器是石油、化工中重要的熱工設備，其中管殼式換熱器的發展已經取得了巨大進步。

53、我們在了解管殼式換熱器各方面性質后，也應該注意到設計過程中可能出現的問題，在實際應用過程中，還應該結合工程實際情況，輔之以工程經驗才能設計出更合理的換熱器，使設計的產品向安全、經濟的方向發展。2設計部分2.1 浮頭式換熱器筒體的計算：2.1.1計算條件計算壓力：Pc=2.45mpa 設計溫度：200C°內徑：Di=700mm 鋼板負偏差：C1=0.3mm材料名稱：Q345R 腐蝕裕度： C2=2mm操作溫度許用應力 =170mpa設計溫度下許用應力 =170mpa常溫下屈服強度=345mpa焊接系數=0.85厚度的計算計算厚度：設計溫度：名義厚度：有效厚度： 壓力試驗應力校核試驗類型

54、：水壓試驗水壓試驗校核2.2前后端管箱封頭的計算2.2.1設計條件計算壓力：內徑=700mm 設計溫度：200C° 材料名稱：Q345R腐蝕裕度： 鋼板負偏差：常溫下許用應力設計溫度下許用應力：焊接系數：厚度計算A前端根據化工設備手冊查表得橢圓形封頭形狀系數K=1計算厚度設計厚度：名義厚度：有效厚度：壓力試驗應力校核類型：水壓試驗允許最大壓力水壓試驗校核B后端根據化工設備手冊得：K=1設計厚度設計厚度：名義厚度：有效厚度：壓力試驗應力校核類型：水壓試驗允許最大壓力：水壓試驗校核2.3帶法蘭無折邊球形封頭及法蘭計算設計條件設計壓力： 設計溫度：200C°法蘭厚度： 封頭材料：

55、Q345R許用應力： 法蘭材料：16Mn法蘭材料設計溫度下許用應力：法蘭常溫下許用應力：螺栓：雙頭螺柱M24-220螺栓材料：40Cr螺栓材料常溫下許用應力：設計溫度下許用應力：焊縫系數：厚度計算封頭半徑：A.管程壓力下封頭厚度設計厚度：名義厚度：B.殼程壓力下封頭厚度封頭有效厚度：封頭外徑：查GB150-1998圖6-5得B=158封頭許用外壓C.浮頭法蘭校核設計浮頭法蘭厚度。球冠型封頭的外壁與法蘭內壁交點距離法蘭表面的距離l=16mm。管/殼程設計壓力: 法蘭材料:16Mn墊片外徑: 墊片內徑:墊片系數: m=2.5 墊片比壓力: y=20mpa墊片密封寬度墊片壓緊力作用中心圓直徑:墊片壓緊力預緊狀態下需要的最小墊片壓緊力操作狀態下需要的最小墊片壓緊力螺栓載荷預緊狀態下最小螺栓載荷操作狀態下最小螺栓載荷預緊狀態下所需螺栓面積操作狀態下所需螺栓面積所需螺栓面積取和的最大值取32個M20螺栓螺栓有效面積實際螺栓總面積預緊狀態下的螺栓載荷操作狀態下的螺栓載荷浮頭法蘭內徑 法蘭螺栓圓直徑 法蘭外徑 操作工況下法蘭力矩預緊法蘭力矩2.4管子排列方式的設計無縫鋼管材料：設計溫度下許用應力：按正方形旋轉45°排列由于換熱器用于煉油化工制品中，流體會給換熱器內部留有殘余物質核材料和本身腐蝕產生銹垢，需要用酸洗，因此用正方形