1、管殼式換熱器的結構設計及強度(qingd)分析(二)保定(bo dn)金能公司共八十五頁3、管殼式換熱器的結構設計共八十五頁 管殼式換熱器的主要(zhyo)零部件管程與管束(gunsh)中流體相通的空間殼程換熱管外面流體及相通空間圖3-1 管殼式換熱器結構圖管程殼程管程共八十五頁 3.1管程結構(jigu)3.1.2 管板3.1.1 管束3.1.3 管箱3.1.4 管束分程3.1.5換熱管與管板連接共八十五頁強化(qinghu)傳熱管換熱管型式(xn sh)翅片管（在給熱系數低側螺旋槽管螺紋管換熱管尺寸192、252.5和382.5mm無縫鋼管252和 382.5mm不銹鋼管標準管長1.5、2

2、.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等3.1.1 管束（ tube bundle ）光管共八十五頁粘性大或污濁(wzhu)的流體小管徑大管徑單位體積傳熱面積增大、結構緊湊金屬耗量減少、傳熱系數提高阻力大，不便清洗，易結垢堵塞用于較清潔的流體共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)7在可以允許的范圍(fnwi)內，優先選用較小管徑； 管子數目的選擇取決于流體流量和允許的壓 力降；應該將管內的流速處于推薦的速度范圍內正確選擇高壓換熱器用換熱管標準建議采用JB/T10523-2005（管殼式換熱器用橫槽換熱管 ）標準，不選擇GB6479-2000（高壓化肥設備用無縫鋼管）標

3、準。因為進行設備水壓試驗時，如果其試驗水壓超過20MPa時，所采用的換熱管能夠承受設備水壓試驗壓力值的壓力，如果依據GB6479-2000 標準而采購換熱管時，如果沒有特殊的說明，則會使采購的換熱管雖然在說明上能夠符合該試驗的最大壓力，但是在實際使用的過程中，由于換熱管無法承受試驗水壓最大壓力值致使事故現象屢屢發生。因此，在設計時不建議選擇GB6479-2000標準。共八十五頁不適用于固體(gt)粉塵含量較高或易結焦的場合 螺紋管外表面積，一般可為光管外表面積的22.5倍。螺紋管使用在管外結垢(ji u)比較嚴重的場合，當有脆硬的結垢(ji u)發生時，往往沿著翅片的邊緣形成平行的垢，當溫度發

4、生變化會引起管子伸縮，使垢自行脫落，重新露出翅片金屬。 螺紋管共八十五頁共八十五頁共八十五頁共八十五頁碳素鋼低合金鋼不銹鋼銅銅鎳合金鋁合金鈦等石墨(shm)陶瓷(toc)聚四氟乙烯等換熱管材料金屬材料非金屬材料共八十五頁在管束中，通常管子按左圖所示的正三角形，轉角正三角形、正方形、轉角正方形等四種形式排列。其排列角依次為、與。正方形排列的管束也稱順列管束，其它三種(sn zhn)統稱為錯列管束。管子(gun zi)排列方式二、橫向流中的管束共八十五頁 流體進入管束前的主流(zhli)速度為，在管子之間間隙處的流速為，為便于計算，兩者間的關系示于下表。排列形式排列角v/(m/s)正三角形30轉角

5、三角形60正方形90轉角正方形45管間隙(jin x)中的流速表共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)15介質流經折流板缺口是垂直正對換熱管，沖刷換熱管外表面，傳熱學上稱為錯列，介質流動時形成湍流，對傳熱有利。因此，對無相變的換熱器，因其傳熱與介質流動狀態關系(gun x)較大，宜采用正三角形排列。正三角形排列用于殼程介質較清潔，換熱管外不需清洗。 共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)16介質流經折流板缺口是平行于三角形的一邊，傳熱上稱為直列，介質流動時一部分是層流，對傳熱有不利影響。對有相變的換熱器，宜采用轉角三角形排列，因為臥式冷凝器的

6、折流板的缺口邊是左、右布置，氣體流動方向與冷凝液流動方向是垂直(chuzh)的（右圖），當冷凝液向下流動時，氣體對下滴的冷凝液有吹除和切割作用，使管外壁的液膜厚度相對減少。共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)17介質(jizh)流經折流板缺口是平行于正方形，傳熱上稱為直列，介質(jizh)流動是層流，對傳熱有不利影響。正方形排列用于殼程介質(jizh)較臟，換熱管外需清洗場合。 共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)18介質流經折流板缺口是垂直(chuzh)正對換熱管， 沖刷換熱管外表面，傳熱上稱為錯列，介質流動時形成湍流，對傳熱有利。轉角

7、正方形排列用于殼程介質較臟，換熱管外需清洗場合。 共八十五頁無論哪種排列都必須在管束周圍(zhuwi)的弓形空間 盡可能多布管傳熱面積，且可防殼程流體短路。 管心距:保證管子與管板連接時，管橋有足夠(zgu)的強度和剛度原則影響因素 結構緊湊性 傳熱效果 清洗難易取值：t1.25d0 (保證管橋強度和清洗通道)共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)20表 常用(chn yn)換熱管中心距/mm管心距:保證管子與管板連接時，管孔間小橋在脹接時有足 夠的強度和剛度，便于焊接。影響因素有: 結構緊湊性 / 傳熱效果 / 清洗難易取值: t1.25d0 (保證管橋強度和清洗通

8、道)共八十五頁 最大布管圓直徑(zhjng)應在GB151-1999 所規定范圍內。 DL=Di-2b3 、B3=0.25d一般不小于8mm最大布管限定(xindng)圓直徑 (OTL) 共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)22固定管板和U形管換熱器管束最外層換熱管外表面(biomin)至殼體內壁的最短距離為0.25d（d換熱管外徑），且不宜小于8mm。 DL=Di-2b3 b3=0.25d一般不小于8mm。浮頭式換熱器從結構上考慮。 共八十五頁共八十五頁作用(zuyng)用來排布換熱管；將管程和殼程流體分開，避免冷、熱流體混合；承受管程、殼程壓力和溫度的載荷(zi

9、 h)作用。3.1.2 管板（tube-sheet）共八十五頁共八十五頁力學性能介質腐蝕性（tube-tubesheet間電位差對腐蝕影響）貴重(guzhng)鋼板價格流體無腐蝕性或有輕微腐蝕性時，管板采用壓力容器用碳素鋼或低合金鋼板或鍛件制造；腐蝕性較強時，用不銹鋼、銅、鋁、鈦等材料，為經濟考慮(kol)，采用復合鋼板或堆焊襯里。管板材料共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)27 高壓換熱器的管板與管箱殼體的連接一般不采用法蘭連接，而是將管板和管箱對接焊接或鍛成一體，目的是防止泄漏。當處理高壓腐蝕性介質時，管板應采用復合管板，使管板具有耐腐蝕性，不銹鋼就是常用的耐腐

10、蝕材料之一。當管板很厚，尤其是高壓換熱器，采用價格昂貴的整體不銹鋼管板，顯然是不合理，況且換熱器的失效往往是因為管子與管板連接處的局部腐蝕，而不是整體管板的均勻(jnyn)腐蝕造成的。因此，工程上常采用復合管板，以不銹鋼抵抗腐蝕，以碳鋼和低合金鋼承受介質壓力。共八十五頁 厚度滿足強度前提下，盡量(jnling) 減少管板厚度 管板結構 熱應力圖3-2 管板結構圖共八十五頁邊界(binji)區內的二次應力（制約因素）共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)30因為高溫和高壓對管板的要求是一對矛盾體，為了承受機械應力，要求管板厚一些；為降低溫差應力，則要求管板薄一些。對厚管

11、板來說，在管板兩側流體溫差很大時，則兩側壁面溫差也很大，這就造成了管板內部很大的溫差應力。在開停車時，由于管板厚，溫度變化慢，管壁薄，溫度變化快，在二者連接處會產生較大的熱應力，尤其是迅速停車或進氣溫度突然變化時，會產生過大的熱應力，使管子與管板的連接處發生破壞。由于這些(zhxi)原因，高溫、高壓換熱器在滿足壓力強度和熱應力（對于固定式管板還要考慮管束和殼體熱膨脹的溫差應力）的前提下，應盡量減少管板的厚度。共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)31薄管板式(bnsh)換熱器 相對于GB151-1999、TEMA計算所得的厚度要薄得多的管板，一般厚度為8-20mm；主

12、要有以下的幾種形式；貼面式（德國）：管板焊在設備法蘭密封面上（圖a），當管程為腐蝕性介質時，由于密封槽開在管板上，法蘭不用采用耐腐蝕材料。 （a）共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)32過程(guchng)設備設計（b）圖 薄管板結構形式鑲平式（原蘇聯標準）：管板焊在設備法蘭內，并將表明車平（圖b）。不管管程或者殼程有腐蝕性介質，法蘭都需采用耐腐蝕材料，而且管板受法蘭力矩影響較大。 共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)33過程(guchng)設備設計（c）焊入式（原上海醫藥設計院）：管板焊在殼體上（圖c）。殼程有腐蝕性介質時，法蘭不與其接

13、觸，不需采用耐腐蝕材料，而且管板離開了法蘭，減小了法蘭力矩對其的影響。同時管板與剛度較小的筒體相連，有助于減少管板的邊緣應力。 共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)34過程(guchng)設備設計（d）撓性薄管板結構（1）法蘭與殼程流體不接觸；（2）管板與殼體有過渡圓弧，可以減少管板邊緣的應力集中；而且殼體很薄，所以管板具有一定的彈性，可以緩沖管束與殼體之間的熱膨脹。 缺點：加工復雜。 共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)35過程(guchng)設備設計橢圓形管板以橢圓形封頭作為管板，與換熱器殼體焊接在一起。受力情況比平管板好得多，可以做

14、得很薄，有利于降低熱應力；適用于高壓、大直徑的換熱器。共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)36 當換熱器兩程之間的物料相混合，將會產生以下嚴重后果時，就會采用雙管板式換熱器：（1）腐蝕：管程和殼程的介質不接觸時沒有腐蝕發生，一旦兩種介質發生接觸混合后，會導致設備嚴重腐蝕；（2）環境保護：若一程為極度危害介質，滲透至另外一程時，引起其極度危害介質大面積的波及，如波及到冷卻系統及加熱系統等；（3）安全方面(fngmin)：當兩種介質相混合后，會產生燃燒或爆炸；（4）產生反應：當一種介質與另一種介質接觸后，使一種介質化學反應受到限制，或不產生反應，或兩種介質接觸后發生聚合

15、或生成樹脂狀物質；（5）催化劑中毒：當一種介質與另一種介質接觸后，造成催化劑性能改變或化學反應。（6）產品不純：當一種介質與另一種介質接觸后，可能會污染產品，使產品質量下降。共八十五頁方法(fngf)用于嚴格禁止管程與殼程介質互相混合的場合。從短節排出；短節圓筒充入高于管程、殼程壓力的惰性(duxng)介質。圖3-5 雙管板結構1空隙 2殼程管板3短節 4管程管板1234共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)38 雙管板換熱器的管箱殼體、封頭、殼程殼體、管箱法蘭及開孔補強的設計計算與普通固定管板式(bnsh)換熱器相同，關鍵是管程側管板和殼程側管板強度的計算。GB15

16、1沒有計算方法；可按照單板計算，結果偏安全；內外管板厚度可以不一樣；可以參閱相關的文獻。目前大多數采用ANSYS軟件進行設計。共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)39 雙管板間間距的確定：（1）采用雙管板結構時，一方面由于制造鉆孔的原因，兩管板間產生管孔錯位，另一方面兩管板的不同溫度，會產生不同的膨脹或冷縮，管板的徑向變化也不同，這時管板對換熱管產生橫向剪力和彎曲力，影響(yngxing)換熱管與管板連接處的強度及嚴密性，導致泄漏現象的發生。（2）由于兩塊管板間的管束不能用于傳熱，過大的間距會浪費管子的表面積。（3）液壓脹管器的脹桿長度。（4）兩塊管板間距能夠保證在

17、管殼程壓力試驗和氣密性試驗時，用于觀察檢漏的最小空間。共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)40假設換熱管為內管板固定(gdng)的柱（如圖所示），確定間距G共八十五頁3.1.3 管箱 管箱是由封頭、管箱短節、法蘭連接、分程隔板等組成。增加短節的目的是保證管箱有必要的深度安放接管(jigun)和改善流體分布。圖 3-6 管箱結構(jigu)共八十五頁共八十五頁共八十五頁特點：清洗(qngx)要拆除管線適用場合：適用于于較清潔的介質管箱結構(jigu)（a）圖 3-7管箱結構（a）共八十五頁清洗時不要(byo)拆除管線用材較多管箱結構(jigu)（b）特點圖 3-7管箱

18、結構（b）共八十五頁 避免管箱和管板連接處的泄漏，檢查、清洗不方便，很少使用。管箱結構(jigu)（c）圖 3-7管箱結構(jigu)（c）共八十五頁設置多層隔板( bn)的管箱結構管箱結構(jigu)（d）圖 3-7管箱結構（d）共八十五頁管箱圓筒有最小厚度的規定。管箱僅封頭時可不按此規定。兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積1.3倍，每程換熱管流通面積即每程換熱管數n乘上換熱管內流通的截面積。當碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱和浮頭蓋，以及(yj)管箱的側向開孔大于1/3（即dD/3）圓筒內徑的管箱管箱要進行整體熱處理。管箱的最小深度(shnd)的問題共八十五頁 管內流動的流

19、體從管子的一端(ydun)流到另一端(ydun)，稱為一個管程。換熱面積要變大管數增加流速下降傳熱系數下降多管程管子加長3.1.4 管束(gunsh)分程共八十五頁圖 3-8管束(gunsh)分程結構示意圖共八十五頁管束(gunsh)分程布置圖共八十五頁共八十五頁共八十五頁共八十五頁應盡量使各管程的換熱管數大致相等，其相對誤差（N）應控制在10以內，最大不得超過(chogu)20。N= Ncp-Nmin(max) /Ncp 100分程隔板槽形狀簡單以利加工，密封面長度較短，減少泄漏。程與程之間的溫度相差不易過大，一般溫差不超過10（50）。管程分程時應注意(zh y)的問題共八十五頁2022/

20、7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)56 （4）分程隔板槽槽深宜不小于4mm，這主要考慮采用石棉橡膠板或金屬包墊，采用纏繞墊時，槽深應大于4mm。 分程隔板槽槽寬一般為12mm，當分程隔板厚度(hud)大于10mm時，密封面處應削至10mm。 分程墊片轉角處一定要有R（見下圖），不然墊片很易斷裂。Rb（b為分程隔板槽轉角處的倒角）。 共八十五頁強度(qingd)脹強度(qingd)焊脹焊并用3.1.5 換熱管與管板連接連接方法共八十五頁保證換熱管與管板連接的密封性能(xngnng)及抗拉脫強度的脹接強度(qingd)脹設計壓力4.0MPa；設計溫度300；操作中無劇烈振動、無過大溫度波

21、動，及無明顯應力腐蝕等場合。應用共八十五頁注意：管子硬度一般須低于管板硬度，若達不到，可進行管頭退火(tu hu)處理非均勻(jnyn)脹接，機械滾珠脹接均勻脹接，液壓、液袋、橡膠與爆炸脹接脹接方法共八十五頁脹接的結構(jigu)形式帶有鋸齒和溝槽的脹接多用于壓差較大時，管壁能承受的推力或拉力比平頭高上2倍以上；需要采用復合管，推薦(tujin)用溝槽或者鋸齒形，而且管子末端做成喇叭口或者翻邊口。共八十五頁常用(chn yn)的幾種脹接方法機械(jxi)滾脹液壓脹接爆炸脹接橡膠脹接共八十五頁 利用脹管插入管內，通過滾動使管子擴大來達到脹接目的，所需的設備簡單，操作靈活方便，是應用最廣泛的一種脹

22、接法。但是，機械(jxi)脹勞動強度大，且脹接質量與操作熟練程度有很大的關系，質量難以保證。在高壓厚管板和厚壁管的脹管，小口徑管子的脹管及壁厚小于1mm的薄壁管脹管表面，均受到限制。機械(jxi)滾脹共八十五頁共八十五頁 在液壓的作用下使管子脹大與管孔壁緊貼在一起。它有一個脹桿，兩端有密封圈, 插入管內, 在管內徑和脹桿外徑間形成一個很小的封閉間隙, 通過靜高壓(goy)使管子產生塑性變形, 使其緊貼在管板孔上而達到脹接目的。液壓脹接共八十五頁共八十五頁 爆炸脹接利用高能源的炸藥, 在爆炸的瞬間產生沖擊波的巨大壓力, 使管子產生高速塑性變形, 把管子與管板脹接在一起。爆炸脹接所用(su yn)

23、的設備簡單, 勞動強度小, 爆炸技術也簡單,容易掌握, 成本較低, 是一項有發展前途的工藝。爆炸(bozh)脹接共八十五頁圖 3-8 多孔管板爆炸(bozh)脹管示意圖共八十五頁 橡膠脹接利用圓柱形軟質橡膠件為主要脹管介質, 當加載拉桿向橡膠脹管介質施加拉力, 使橡膠脹管介質受軸向壓力而產生軸向壓縮和徑向膨脹(png zhng), 形成數值很大的脹管壓力, 使管子產生塑性變形而緊貼在管板孔壁上。橡膠(xingjio)脹接共八十五頁脹接結構簡單，換熱管換修簡便。但脹接管端處在脹接時產生塑性變形，存在著殘余應力，當溫度上升時，殘余應力會逐漸下降或消失，使管端處結合力降低致密封失效而泄漏(xilu)

24、。脹接結構設計溫度不得大于300。換熱管材料的硬度值一般低于管板的硬度值。若達不到，可進行管頭退火處理，但有應力腐蝕時，不能采用管端局部退火來降低換熱管硬度。外徑小于14mm的換熱管，不宜采用脹接。 注意事項共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)70管孔表面的粗糙度對脹管質量有影響，表面粗糙，可產生較大摩擦力，脹接后不易拉脫，但易發生泄漏；孔表面光滑易拉脫，但不易發生泄漏。 為保證結合面不產生泄漏現象，結合面上不允許存在縱向槽痕。管孔與換熱管之間的孔隙大小，對脹管質量也有影響，在強度脹接中，根據不同材料、管孔和換熱管尺寸，確定一個合適的脹度K，其控制(kngzh)值見

25、下表，一般用管壁減薄率表示脹度。注意事項共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)71共八十五頁2022/7/21Qust 管殼式換熱器設計(shj)72脹接時的結構(jigu)尺寸：最小脹接長度：管板的名義厚度減去3mm后與50mm二者的最小值。 強度脹接有關尺寸 mm換熱管外徑d14192532384557伸出長度l1324252槽深k不開槽0.50.60.8開槽的相關形式見GB151-1999共八十五頁保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度(qingd)的焊接。強度(qingd)焊特點結構管孔不開槽，換熱管端不須退火，加工簡便，而且焊接連接強度高，換熱管易更換，

26、適用的壓力、溫度范圍不受限制。適用范圍如下：可用于GB151規定的設計壓力，但不適用于有較大振動及有間隙的場合。 共八十五頁優點(yudin)焊接結構(jigu)強度高，抗拉脫力強度高。高溫下也能保證連接處的密封性能和抗拉脫能力。泄露處可補焊和更換。焊后，管子與管板中存在殘余熱應力和應力集中，運行時可能引起應力腐蝕與疲勞破壞；縫隙腐蝕除較大振動和縫隙腐蝕場合外，該方法應用廣泛;薄管板不能脹，只能焊。缺點應用共八十五頁用于整體(zhngt)管板用于復合管板圖 3-9 強度(qingd)焊接管孔結構共八十五頁 國標規定如下表，但是在石油化工中使用時需要注意：介質中含有多種硫化物，會引起鋼材多種形式的腐蝕破壞，換熱管伸出長度大小決定了管端焊縫截面積的大小，決定了焊縫強度。實際使用中我們的設計(shj)人員一般選取最小值，使用效果發現有些偏小。換熱管最小伸出長度(chngd)共八十五頁 在實際生產過程中，某化纖廠的幾臺換熱管為192mm與252.5mm的換熱器，由于按照圖紙、標準制造的換熱管伸出長度為1.5mm,焊接時僅能施焊一層焊縫金屬，運行不到4個月，管端焊縫就發生多處泄漏(xilu)；常頂換熱器運行不到3個月發生泄漏。在重新制造的管束中，將伸出長度調整為3mm，運行一年沒有發生泄漏