GB151戴季煌.docx
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GB151戴季煌
GB151《管壳式换热器》
1范围
参数
DN≤2600mm;≤2540(100〞)
PN≤35MPa;≤20.684(3000psi)
p×D≤1.75×104;≤1.75×104(105)
A.TEMA控制壳体壁厚3〞(76mm)、双头螺柱最
大直径为4〞(102mm).
2管壳式换热器类型
2.2浮头式换热器(图2)
一端管板与壳体固定连接(夹持式),另一端的浮头管板(包括浮头盖、勾圈等)在管
箱内自由浮动。
图2
2.3U形管式换热器(图3)
只有一块管板,换热管二端固定在同一块管板上,管板与壳体固定连接(整体或夹持
2.4填料函式换热器
一端管板与壳体固定连接(夹持式),另一端的管板在填料函内自由浮动。
3
4
适用设备直径在DN700mm以下,且操作压力和操作温度也不宜过高,一般用于p≤
2.0MPa场合。
2)单填料函式换热器(图5)
在填料内侧密封处,管壳程介质间仍会产生串流现象,不适用管壳程介质不允许混合
的场合。
3)双填料函式换热器(图6)
该结构以内圈为主要密封,防止内、外漏,而以外圈以辅助密封,防止外漏,且内外
密封圈之间设置泄漏引出管与低压放空总管相连。
该结构可用于有毒、易燃、易爆等介质。
2.6双管板式换热器(图8)
每一侧有二块管板,换热管的一端同时与二块管板连接。
7图8
主要用于管程和壳程之间介质相混合后,将会产生严重后果。
但制造困难;设计要求
高。
要考虑二块管板温度不同,产生不同热膨胀,从而管板的应力也不一样,易造成换热
管与管板的连接失效。
1)防腐蚀:
管程和壳程二介质相混合后会引起严重腐蚀。
2)劳动保护:
一程为剧毒介质,渗入另一程会引起系统大面积污染(如波及到冷却或
加热系统)。
3)安全方面:
管程和壳程介质相混合后,引起燃烧或爆炸。
4)设备污染:
管程和壳程介质相混合后,引起聚合或生成树脂状物质。
5)催化剂中毒:
另一程介质混入后造成催化剂性能改变或化学反应。
6)还原反应:
管程和壳程介质相混合后,引起化学反应终止或限制。
7)产品不纯:
管程和壳程介质相混合后,引起产品污染或产品质量下降。
2.7薄管板式换热器(图9)
薄管板式换热器的管板厚度较薄,一般厚度在12~16mm之间。
abc
图9
结构型式有:
1)贴面式(德国):
管板焊在设备法兰密封面上(图9a)。
2)镶平式(原苏联ГОСТ标准):
管板焊在设备法兰密封面其平(图9b)。
3)焊入式(原上海医药设计院):
管板焊在壳体上(图9c)。
薄管板式换热器的结构简单,一般用于中低压时。
可以节约材料;降低制造成本。
目
前用于温差不大的场合,即不能带膨胀节。
3换热器类别的划分
根据管程和壳程的工作(设计)压力、介质特性、温度、容积等参数,按《容规》分
别确定管程和壳程的容器类别,按容器类别高的作为该台换热器的容器类别。
管程的容积是指二个(或一个)管箱容积与全部换热管内容积之和。
壳程的容积是指壳程容积,其中扣除换热管所占的容积。
4设计参数
4.2压力
4.2.1工作压力
4.2.2设计压力
4.2.3计算压力
计算压力指在相应设计温度下,用以确定元件厚度的压力。
4.2.4试验压力
试验压力pT=1.25[σ]/[σ]t,当容器元件所用材料不同时,应取各元件材料的[σ]/[σ]t比值
中最小者。
外压容器和真空容器以内压进行压力试验。
(注:
壳程设计压力Ps,管程设计压力Pt)
1)当pt 当pt(或ps)为真空时,则ps+0.1(或 pt+0.1)再乘以规定值。 2)当pt>ps时,壳程试验压力按管程试验压力,但要复验筒体厚度是否满足0.9φσs, 这主要是管板背面看不到泄漏处,如超过0.9φσs,则增加壳体壁厚至满足0.9φσs。 如不增 加壁厚时,也可用氨渗漏法试验。 2.1.1.1固定管板换热器试验 先壳程试压,检查连接接头和壳程的强度和致密性;再装上管箱进行管程试压。 2.1.1.2U形管板换热器 壳程试压,将放入壳体,用环形试压胎具将管束与壳体法兰及垫片用螺柱拧紧进行壳 程试压(图10),合格后卸下试压胎具,装上管箱后,进 行管程试验。 2.1.1.3浮头式换热器 管头试压,固定管板端加环状试压胎具,浮头端加专 用的试压胎具(图11和图12),试压合格后,拆除前后胎 具,装上管箱和浮头法兰进行管程试压;合格后装上外头 盖进行壳程试压。 4.2.5气密性试验压力气密性试验压力指容器顶部压力。 气密性试验压力等于设计压力。 4.2.6 4.1.6压力试验的应力校核 压力试验前应进行圆筒与封头的应力校核。 圆筒与封头应力σT应分别满足下列条件: 液压试验时: σT≤0.9φσs; 气压试验时: σT≤0.8φσs。 4.3温度 4.3.1设计温度 4.3.2计算温度 管程与壳程的受压元件的计算温度按设计温度。 管板计算时,计算温度是沿长度平均的壳体圆筒的金属温度(即壳体壁温)以及换热管的金属温度(即换热管壁温)来查找材料的线膨胀系数等参数。 4.3.3试验温度 4.3.4壁温(图13) 1)换热管壁温tt 13 热流体热量通过管壁传给冷流体。 热流体热量以对流传热方式传到管内壁,热量以导热方式传到管外壁,热 量再以对流传热方式传到冷流体。 在热流体到管内壁之 间和管外壁到冷流体之间均有污垢,热量通过污垢和管 壁均有热阻,因此热流体温度为Tm传至冷流体是温度 为tm。 因此换热管壁温tt 1 tttthttc 2 2)壳体圆筒壁温ts 4.4厚度 4.4.1计算厚度 4.4.2设计厚度 4.4.3名义厚度 4.4.4有效厚度 4.5厚度附加量 4.5.1钢材厚度负偏差 4.5.2腐蚀裕量的规定 根据预期的容器寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定。 各元件受到的腐蚀程度不同时,可采用不同的腐蚀裕量。 4.5.3腐蚀裕量的考虑原则 考虑两面腐蚀的元件: 管板、浮头法兰、球冠形封头、钩圈。 考虑内表面腐蚀的元件: 平盖、凸形封头、管箱、壳体、容器法兰和管法兰的直径面 上。 管板和平盖上开槽时: 当腐蚀裕量大于槽深时,要加上两者的差值。 不考虑腐蚀裕量的元件: 换热管、拉杆、定距管、拆流板、支持板。 当腐蚀裕量很大 时也要考虑。 4.6许用应力 由压力pt、ps及法兰力矩引起的管板中的应力为一次弯曲应力,由壳体与换热管的温 度膨胀差在管板中引起的应力为二次应力。 规定一次应力(包括一次弯曲应力)限制在1.5 倍的许用应力,一次加二次应力的总和限制在三倍的许用应力。 4.7公称长度LN 换热管为直管时,取直管长度; 换热管为U形管时,取U形管直管段的长度。 4.8面积 4.8.1换热面积(图14) 换热面积是以换热管外径为基准,以二管板内侧的换热管长度来计 算换热面积,计算得到的管束外表面积。 换热管长度L是扣除伸入管板 内的长度。 U形换热器一般不包括U形弯管段的面积,由于U形管除直 管段相同外,每根U形管的R均不一样,且R换算至直管也不是整图14 数,计算较复杂。 4.8.2公称换热面积 一般取整数。 一般3m2以下,可2.5、1.5m2等,3m2以上取整数。 40m2以上圆整至5、10。 4.9焊接接头系数 根据焊接接头型式和无损检测选取焊接接头系数,对无法进行无损检测壳体圆筒的环 向焊接接头,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时,其焊接 接头系数φ=0.6。 铝、铜、钛焊接接头型式、保护焊气体和无损检测选取焊接接头系数,对无法进行无 损检测的有金属垫板的单面对接焊钛制换热器,焊接接头系数φ=0.65。 4.10管程和壳程 4.10.1管程 介质流经换热管内的通道及与其相贯通部分。 4.10.2壳程 介质流经换热管外的通道及与其相贯通部分。 5 平盖 采用平盖便于清洗管程,不必把管箱拆下。 平盖受力见图15。 1)均布载荷p作用在简支的圆平板上。 2)螺栓载荷W作用在圆平板周边上。 3)垫片反作用力FG作用在圆平板支承面上。 公式9~10是强度公式,是“中低压”部分的薄圆 平板公式。 公式11是刚度公式,主要控制平盖中心处挠度。 即 保证分程隔板处相互不泄漏。 此公式来源于TEMA。 6管箱 换热器中管板二侧称管箱。 管程介质进入换热管时起缓冲作用和再分配。 6.1管箱壁厚 管箱圆筒有最小厚度的规定。 管箱仅封头时可不按此规定。 6.2管箱深度 最小内侧深度规定。 1)轴向接管单管程。 2)多管程: 两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通面积1.3倍,每程换热管 16 流通面积即每程换热管数n乘上换热管内流通的截面积。 6.3分程隔板 最小厚度的规定,主要保证一定刚度和承受两程之间压差。 卧式换热器分程隔板上要开设排净孔(泪孔)。 6.4管箱热处理 当碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖,以及 管箱的侧向开孔大于1/3(即d>D/3)圆筒内径的管箱(图16), 管箱要进行整体热处理。 7圆筒 7.1圆筒的公称直径 当DN≤400mm时,一般用钢管制作筒体,以钢管外径作为换热器的公称直径。 当DN ≥500mm时,卷制筒体,以圆筒内直径作为换热器的公称直径。 当DN=450mm时,有卷 制和钢管两种,公称直径表示方法按上述规定。 7.2最小厚度的规定 最小厚度的规定主要保证刚度和支座处的局部应力。 U形和浮头式圆筒比固定式厚,主要考虑U形和浮头式在制造、安装、检修中经常抽 8接管 8.1接管设计 1)壳程的接管不允许伸入壳体内表面,妨碍管束的放入。 2)接管尽量沿着径向或轴向设置,有利于流体的分布。 3)对于不能用接管排气、放液的换热器,应分别在管程和壳程的最高点及最低点设置 排气口和排液口。 4)对于高温、大口径的接管,还应考虑来自管道的推力(三个方向的力和力矩),此 时要校核所在的壳体元件和接管根部的应力。 8.2放空口 用于液体介质操作时把气体赶光,不然不凝性气体占有一定空间,减少换热面积。 放 空口的最小公称直径为20mm。 8.3排液口 排净残液,如可利用接管排放,可不设。 排液口的最小公称直径为20mm。 8.4接管法兰 当设计温度≥300℃时,须采用整体法兰。 9换热管 换热管有光管、螺纹管、焊接管等。 奥氏体不锈钢焊接钢管使用范围: 不得用于极度危害介质和P≥6.4MPa。 除无缝钢管外,还可采用各种内外强化传热管。 9.1规格 常用规格按标准。 选用奥氏体不锈钢焊接钢管时,其许用应力按GB150中钢管许用应 力乘以0.85的焊接接头系数。 9.2U形管 U形管弯管段弯曲前应进行最小壁厚计算,最小壁厚计算按 11 d 4R 这主要保证弯曲以后的壁厚必须符合承受压力要求的厚度δo,此厚度δo不一定比原直 管壁厚厚。 计算公式中,δ1不是指直管段的壁厚,而是根据压力、温度、材质按内压计算 所需壁厚。 因此算出的弯管厚度δo有可能小于等于直管段壁厚。 一台U形管换热器有许多 根U形管,而弯管段半径R不相同,则U形管壁厚就不一样。 9.3螺纹管 螺纹管外表面积,一般可为光管外表面积的2~2.5倍。 螺纹管使用在管外结垢比较严 重的场合,当有脆硬的结垢发生时,往往是沿着翅片的边缘形成平行的垢,当温度发生变 化会引起管子的伸缩,使垢自行脱落,重新露出翅片金属。 不适用于固体粉尘含量较高或易结焦的场合。 10管板 管板起管程和壳程介质分隔作用。 管板有不兼作法兰的管板和管板延长部分兼作法兰。 10.1管板计算 17 管壳式换热器结构复杂,影响管板强度的因素很多,绝大多数国家规范的管板是强度计算公式,基本上都是把管板作为承受均 布载荷,放置在弹性基础上,且受管孔均匀消弱的当量圆平板来考虑(图17)。 因为影响管板强度的因数很多,因此正确地进行管板强度分析是较困难、较复杂,所以各国对管板厚度计算公式都对管板作一定地简化、 假定而得到地近似公式。 引起管板应力的载荷有压力(管程压力pt、壳程 压力ps)、管壳热膨胀差及法兰力矩。 GB151对管板厚 度计算作如下假定和简化。 固定式换热器管板计算方 法的力学模型见图18。 我国规范对影响管板应力作了几方面考虑和简 化: 1)管束对管板的支承作用 管束对管板在外载荷作用下地挠度和转角都有约 束作用,管束的约束作用可以减少管板中的应力。 当 管板的直径与换热管直径相比有足够大,而换热管的 数量又足够多,则离散的各个换热管的支承作用可以 简化为均匀连续支承管板的弹性基础。 管束对管板转 角又约束作用,对实际参数的分析计算,发现管束对 管板转角的约束作用对管板强度的影响是很小的,完 全可以忽略不计,因此本规范不考虑管束对管板转角 的约束作用,只考虑管束对管板挠度的约束作用,并 用管束加强系数K来表示。 DiEtna K1.318it图18 EpL 2)管孔对管板的削弱作用 管板上是密布着分散的管孔,因此管孔对管板有削弱作用。 管孔对管板的削弱作用有 两个方面: 对管板整体削弱作用,使管板整体的刚度与强度都减少;管孔边缘有局部的应 力集中。 本规范只考虑开孔对管板整体的削弱作用,计算平均的当量应力,作为基本的设计 应力,即近似地把管板当作一块均匀连续削弱地当量圆平板来考虑。 对管孔边缘地局部应 力集中,只作峰值应力考虑。 但在疲劳设计中要考虑。 管孔对管板有削弱作用,但也考虑管壁的加强作用,故用刚度削弱系数η和强度削弱 系数μ。 根据弹性理论分析、实验,本规范规定η和μ=0.4。 3)管板周边不布管区的折算方法 在管板周边部分,存在一个较窄地不布管区,一般布管区是个多边形而不是圆形,该 区域的存在使管板边缘应力下降。 现折算成半径为Rt的圆形布管区的方法来近似真实的 多边形布管区。 Rt的取值应使两者地面积相等。 本规范仅适用于周边不布管区较窄的情况,即管板周边不布管区无量纲宽度k较小的 情况,k=K(1-ρt)≤1。 4)考虑管板的弯曲作用,还考虑管板和法兰沿其中心面内的拉伸作用。 5)假设法兰变形时,其横截面的形状不变,而只有绕环截面重心的转动与径向位移。 由于这种转动与径向位移造成法兰与管板中心面连接点处地径向位移量,应与管板本 身沿着中心面内地径向位移协调一致。 6)由温度膨胀差γ与壳程压力ps及管程压力pt引起的壳壁的轴向位移与管束、管板 系统的轴向位移,应在管板周边协调一致。 7)管板边缘的转角受壳体、法兰、管箱、螺栓、垫片系统的约束,其转角在连接部位 处应协调一致。 8)当管板兼作法兰时,考虑了法兰力矩的作用对管板应力的影响。 为了保证密封,对 于其延长部分兼作法兰的管板,规定尚需校核法兰应力。 此时在计算法兰力矩时,考虑管 板与法兰共同承受外力矩,因而法兰所承受地力矩将有所折减。 9)许用应力 由压力pt、ps及法兰力矩引起的管板中的应力为一次应力(一次弯曲应力),由壳体与 换热管的温度膨胀差在管板中引起的应力为二次应力。 规定一次应力(一次弯曲应力)限 制在1.5倍的许用应力,一次加二次应力的总和限制在三倍的许用应力。 10.2几个压力组合 1)有效压力组合PaspstptEt 2)边界效应压力组合 对于不带法兰的管板PbC'ps0.15pt0.85C"pt 对于其延长部分兼作法兰的管板Pb=0 3)当量压力组合Pcpspt1 10.3公式求解 根据力学模型图14可知共有13个未知数,即Mh、Hh、Vh、Vb、VG、MR、H、VR、 Ms、Hs、Vs、Mt、Vt。 有4个轴向力平衡方程式,9个协调公式,这13个方程式可列成一 矩阵求解13个未知数。 10.4 管板厚度 20 就是管板厚度等于: 管板按公式计算的厚度或GB151规定的最小厚度(δ)中大者+壳 程腐蚀裕量或结构开槽深度中大者+管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度中大者。 10.5复合管板 1)堆焊复合; 2)轧制、爆炸或爆炸加轧制复合钢板; 3)覆层与基层有局部不结合时,除非在管板钻孔时能全部消除,或局部不结合符合标 准要求,而又发生在管板不布管区较大的中心区域(管程进、出口处)则可使用;局部不 结合若发生在孔桥上时不允许使用。 10.6最小厚度δmin 在满足计算厚度和结构需要后,也必须满足规定的最小厚度。 10.7管板分程隔板槽 分程垫片转角处一定要有R,不然垫片很易断裂。 10.8管板的拼接 1)拼接管板的对接接头应进行100%的射线或超声检测,合格等级不低于Ⅱ级和Ⅰ级。 2)拼接后的管板应进行消除应力热处理(奥氏体不锈钢除外)。 10.9管板堆焊 1)堆焊前应作堆焊工艺评定。 2)基层待堆焊面及覆层加工后钻孔前的面进行表面检测,检测结果不得有裂纹,成排 气孔并应符合Ⅱ级缺陷显示。 3)堆焊覆层应在靠基层面采用超低碳的过渡层和覆层的双层堆焊,且从距表面最少 2mm(一般为3mm)的深处(按覆层厚度而定)其化学成分应符合覆层材料的要求。 23 4)不得采用换热管与管板焊后加桥间补焊的方法进行所谓的堆焊。 1)较苛刻的介质一般在管程,换热管与管侧管板采用强度焊或强度胀。 24 2)壳侧管板采用强度胀。 3)封闭的间距g内应设置集液口或排气口。 11U形管板计算 11.1符号 AR—一根换热管承受载荷面积,即阴影部分(图24); At—管板布管区面积 Ad—隔板槽面积; 1)二管程正三角形排列(图25中阴影面积) AdnSSn 32 n3S2nSSn0.866S 2 2)二管程正方形排列(图26中阴影面积) AdnSSnS 3)二管程转角三角形排列(图27) 28 27 Adn'3SSn0.5S 4)二管程转角正方形排列(图 28) 'S Adn2SSndn2 5)四管程正三角形排列(图 29) AdnSSn0.866Sn3SSn0.5S 6)四管程转角三角形排列(图 30) 31) AnnSSnSnSSnS 图29 8)四管程转角正方形排列(图32) 图31图32 S—换热管中心距,mm; Sn—隔板槽两侧相邻管中心距,mm; n′—沿隔板槽一侧的排管根数; n"—另一隔板槽一侧的排管根数。 Dt—管板布管区当量直径。 这是推导管板计算公式时,将一个多边形折算成一个当量直径,以利公式推导。 11.2压力确定 1)当ps和pt均为正压或负压时,取两者中的较大值,pd=︱ps︱(令pt=0)或pd=︱ pt︱(令ps=0); 2)若能保证ps与pt在任何情况下都同时作用或ps与pt之一为负压时,pd=︱ps-pt︱。 U形管换热器结构是管板夹持在二个法兰中,由于温度、压力等不同,选用的二个法 兰和垫片就不一样,此时垫片的DG可能不一样,因此公式中DG应按二个垫片中大值。 11.3a型连接 满足ttt和qq。 11.4b、c、d型连接 满足r1.5tr、ttt和qq。 11.5e、f型连接 tt和qq。 满足r1.5tr、f1.5tf、t 12浮头式和填函式 12.1 符号 At—同上; Al—管板布管区内开孔后n根换热管承受的面积; L—换热管有效长度,即两管板内侧间距; 管板厚度δ初算时取管板最小厚度或假设厚度,当计算出管板厚 度大于原假设厚度,重新设δ后修正L。 12.2压力确定 因为浮头式和填函式换热器中换热管轴向作用力不一样,浮头式有壳程压力作用,而 填函式无此压力作用,因此轴向应力计算不一样。 浮头式: 1)当ps和pt均为正压或负压时,取两者中的较大值,pd=︱ps︱(令pt=0)或pd=︱ pt︱(令ps=0); 2)若能保证ps与pt在任何情况下都同时作用或ps与pt之一为负压时,pd=︱ps-pt︱。 填函式: pd=︱pt︱。 12.3 a型连接 t<0时,tcr和q≤[q]。 13固定式 本计算公式仅使用k≤1.0的情况,即管板周边不布管区较窄。 当k>1.0时,可按JB4732 附录Ⅰ计算。 当k>1.0时,在工艺或结构上允许时,多布管或管间距放大些,即At=1.732nS2, Dt4At,则Dt就大些,则ρt大,则k会小,使达到k≤1.0。 13.1符号 δs—壳程圆筒厚度,除按GB151规定外,此处厚度指名义厚度, 即不扣除C2。 δt—换热管的名义厚度,即不扣除C2。 δh—管箱圆筒厚度,即圆筒名义厚度,即不扣除C2。 1)管箱为凸形封头,并凸形封头直接焊于管箱法兰上,图33 δh取凸形封头厚度(图33); 2)管箱有筒节,δh取筒节厚度(图34); 3)管箱法兰为乙型法兰,δh取法兰加强短节厚度(图35); 4)管箱法兰为高颈法兰,δh取法兰颈部大小端厚度之和的平均值(图36) 34图35图36 Es—壳程圆筒材料弹性模量,即壳程圆筒金属温度下的弹性模量。 Et—换热管材料弹性模量,即换热管金属温度下弹性模量。 Ep—管板材料的弹性模量,取管、壳程设计温度中大值的管板材料弹性模量; E'f—壳程法兰材料弹性模量,当管板延长部分兼作法兰时,即管板材料弹性模量Ep; E"f—管箱法兰材料弹性模量,即管程设计温度下的管箱法兰材料弹性模量。 Eh—管箱圆筒材料的弹性模量: 1)管箱有筒节取筒节材料弹性模量; 2)管箱凸形封头直接焊于法兰上,取凸形封头材料弹性模量; 3)管箱法兰为乙型法兰,取法兰加强短节材料弹性模量; 4)管箱法兰为高颈法兰,取高颈法兰材料弹性模量; αs—壳程圆筒材料线膨胀系数,即壳程圆筒金属温度下的线膨胀系数。 αt—换热管材料线膨胀系数,即换热管金属温度下线膨胀系数。 tc—壳程圆筒材料在设计温度下的许用应力,此设计温度即指壳程侧设计温度。 ts—换热管材料设计温度下的许用应力,此设计温度即指管程侧设计温度。 st—换热管材料设计温度下的屈服限,此设计温度也指管程侧设计温度。 tr—管板材料设计温度下许用应力,此设计温度取管、壳程设计温度中大值。 tb—管箱法兰螺栓设计温度下的许用应力,此设
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- GB151 戴季煌