美國換熱器協會《電廠換熱器標準》分析與討論

陳紅生，應秉斌，巢孟科，李 煜

(上海核工程研究設計院，上海 200233)

0 引言

美國換熱器協會(HEI)成立于1933年，是知名的換熱和真空設備標準的開發組織，目前共發布7份標準，見表 1。《電廠換熱器標準》(PPHX)［1］是其中之一，我國引進的三門和海陽AP1000核電項目的一些換熱器就是采用該標準進行設計的。《電廠換熱器標準》反映了當前工程設計標準、采購要求以及制造經驗。標準中規定電廠換熱器重要的設計準則，得到各國電力行業包括核電行業的普遍重視和應用。最新修訂的第4版代表了換熱設備領域內的最新成果，文中將對其進行簡單的介紹和對比分析。

表1 美國換熱器協會標準

1 標準范圍、目的

《電廠換熱器標準》適用于核電廠中換熱管為光管和翅片管的管殼式換熱器。標準規定了核電廠換熱器在熱工、水力和機械設計方面的要求，并強調在遵循本標準的同時還應該符合相應設計規范的要求，比如 ASME 第Ⅲ卷［2］和Ⅷ卷［3］。

核電廠管殼式換熱器介質、運行工況等和石化行業換熱器差別較大。首先是介質單一，核電廠管殼式換熱器管、殼側的介質主要是水(海水)或水蒸氣，雖然核電廠一回路冷卻劑會加入控制反應性的5%硼酸，但這無法與石化行業復雜工質相比。其次，核電廠有大量換熱器運行在25 MPa，350℃以下，運行工況復雜。《電廠換熱器標準》針對核電廠換熱器的上述特點，總結并給出了相應的規定。

2 標準術語定義

《電廠換熱器標準》給出本標準術語的定義，包括清潔系數、污垢熱阻等。清潔系數、換熱器趨近溫度和設計點是此標準特有的概念(見表2)。清潔系數和運行后某一時刻的污垢熱阻有關，指換熱器運行后某一時刻總傳熱系數與換熱器完全清潔時傳熱系數的比值。換熱器趨近溫度是指熱流體出口溫度和冷流體進口溫度差。其他定義如設計溫度、設計壓力、壓力降等和 TEMA［4］，GB 151［5］相同。

表2 電廠換熱器術語定義

3 換熱器性能

《電廠換熱器標準》規定了換熱器性能要求，并討論了和性能密切相關的諸方面。換熱器應滿足采購方確定的設計要求，即設計要求中給出的一系列設計工況均要滿足。標準規定采購方應提供的設計參數，如換熱器類型、換熱量、空間限制、清潔系數、管殼側工藝參數、過載或異常工況的參數。這些參數在附錄F中以表格的形式給出，使用這些數據可以采用HTRI等設計軟件進行熱工計算。以下對性能密切相關的幾方面進行說明。

3.1 污垢熱阻和清潔系數

污垢熱阻和換熱器的性能密切相關。換熱器采購方有責任確定換熱器的污垢熱阻或清潔系數。正確的污垢熱阻和污垢產物有助于設計人員設計滿足工藝要求的換熱器，并確定合適材料以避免侵蝕、應力腐蝕等。

《電廠換熱器標準》討論了污垢熱阻產生的原因以及減少污垢的措施。產生污垢熱阻的原因很多，核電廠換熱器常見污垢主要有5類，如表3所示。

表3 電廠換熱器常見污垢

大多數情況下，定期清洗可以顯著地減少污垢。清洗方法主要有物理清洗和化學清洗，不同的清洗方法適用于不同的場合［6］。例如，可采用清洗球、清洗刷等進行機械方式清洗;高壓水沖洗可以沖掉松動的顆粒;熱沖擊可以使礦物沉積破裂并去除。在管側和殼側添加化學清洗劑可以加速污垢的脫落和去除。

一般提高含污垢較多的流體流速可以避免顆粒狀污垢在停滯區沉積，應避免管側流速小于0.6 m/s，最好應高于0.9 m/s。同樣也應避免過低的殼側流速。

如果采購方給出的是清潔系數，換熱器運行后某一時刻總傳熱系數應為完全清潔狀態下的初始總傳熱系數乘以清潔系數。圖1示出污垢熱阻、清潔系數和總傳熱系數的關系［1］。換熱器剛投入運行時的污垢最小，如果在此時進行性能試驗，將會得到初始總換熱系數。如果發現換熱器性能惡化的情況，通過對比換熱系數，即可得出污垢熱阻數值。這有助于確定合適的換熱器清洗周期。

圖1 污垢熱阻和清潔系數與總傳熱系數的對應關系

3.2 換熱器趨近溫度

換熱器趨近溫度是指熱流體出口溫度和冷流體進口溫度之差。采購方通過規定設計工況來指定換熱器趨近溫度。一般隨著換熱器趨近溫度的降低，換熱器所需的換熱能力升高。所選擇的趨近溫度會影響冷熱流體溫度，也會影響核電廠的運行成本。因此，確定趨近溫度時應綜合考慮換熱器制造和運行成本。

換熱器采用多程結構時，應避免換熱器在熱不穩定區操作，即入口參數的微小改變不會導致對數平均溫差校正因數的較大波動。此處規定和TEMA T－3.2多程流動校正相同。

3.3 換熱管內流速

流體流速的選擇，對換熱器的設計和運行維護均有重大影響。高流速可以降低結垢、減小熱阻、增大傳熱系數，進而可以降低設備制造成本。但是，過高的流速會顯著增大壓力降和沖刷腐蝕，提高運行成本。《電廠換熱器標準》規定設計點各工況下不同材質換熱管管內流速不應超過表4中的流速，這些流速限制適用于鍋爐給水。

表4 最大換熱管內流速

部分文獻中常用管內流速為 0.8 ～2 m/s［7］;TEMA RCB－4.63規定管側介質為液體時，介質的ρV2不超過8928 kg/(m·s2)，ρ為密度(kg/m3)，V為介質線速度(m/s)，如果介質為水，V不超過3 m/s。上述文獻和標準并未區分換熱管為不同材料的情況，《電廠換熱器標準》區分不同材料給出允許最大管內流速對設計有很強的指導意義。一般而言，隨著殼側或管側速度的增加，換熱面積和污垢沉積的可能性將減小。

3.4 壓力降

《電廠換熱器標準》指出殼程和管程的允許壓降應由采購方確定。允許壓降較高，設計者可以采用較小的折流板間距。這不但可以減小換熱管無支撐長度降低換熱管振動的可能性，還可提高殼側流速和換熱系數。

管程壓力損失有換熱管內損失、管箱接管進口、出口損失和換熱管入口、出口及回彎處損失組成。《電廠換熱器標準》給出的管側壓力損失計算方法適用于光管、雷諾數≥3000且無相變的情況。

對于更詳細的殼程、管程壓力降的計算方法在很多換熱器設計的文獻中均有闡述［7－8］。

3.5 接管尺寸和流通面積

標準推薦接管尺寸的選取應能保證設計工況下不要超過表5所列的數值。進入接管的流體應是均勻分布的，避免管道上游節流器、彎頭、閥門等引起的局部高流速區損傷換熱器內件。

《電廠換熱器標準》未具體規定設置防沖擋板的條件，只是說明這取決于換熱器設計、介質進口速度以及介質特性，并強調腐蝕性介質必須設定防沖擋板。

殼程和管束進出口的流通面積應不小于接管截面積。《電廠換熱器標準》流通面積的計算和TEMA，GB 151雖然表述不同，實質上沒有區別。

表5 接管尺寸標準

4 換熱器材料

換熱器承壓件和支撐的材料應符合設計規范書中指定的規范要求。采購方有責任根據使用環境確定適當的材料，使材料能承受規定的輻射劑量、避免沖刷腐蝕以及應力腐蝕等情況。

還應特別注意，ASME第Ⅷ卷［3］允許的有些材料，在 ASME第Ⅲ卷［2］中并不允許采用。ASME第Ⅲ卷ND中允許的材料在NC，NB中不允許使用。而且，不同規范所需的試驗和檢查也不同，例如考核材料沖擊韌性的沖擊試驗等。奧氏體不銹鋼材料廣泛應用于核電廠中，應特別注意避免奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕，一般不允許采用可導致奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的鹵化物。

5 機械設計標準

對于換熱器機械設計，《電廠換熱器標準》首先強調換熱器的設計、制造應符合采購方指定規范的要求，并對腐蝕裕量、換熱管、管板、管束等內容進行了詳細的規定。

5.1 腐蝕裕量

采購方應指定腐蝕裕量，所有與腐蝕性介質接觸的承壓零件應考慮腐蝕裕量。3個標準對于腐蝕余量的規定對比如表6所示。

表6 腐蝕裕量

對于腐蝕余量，設計人員首先應按照設計標準要求。并應注意，由于固定管板換熱器的管板、殼體、管束三者固定相連，任一者尺寸的改變會影響到其余二件的應力。ASME第Ⅷ卷規定對各元件要按已腐蝕和未腐蝕兩種情況進行計算，GB 151對此的規定則是含糊的［9］。因此，標準未規定的情況，可以由設計人員從偏保守的角度考慮確定。

5.2 換熱管

換熱管壽命受介質、操作溫度、介質流速等因素的影響，設計中應予以考慮。換熱管最小壁厚與換熱管外徑、材料、設計參數有關，3個標準的對比情況如表7，8所示。

5.3 管板

《電廠換熱器標準》并未給出管板的計算方法，但指出管板是換熱器設計中最復雜的部件，受到管殼側壓力、法蘭螺栓載荷、墊片載荷、溫差應力等載荷的影響。《電廠換熱器標準》對管孔直徑、孔橋寬度的規定直接采用TEMA的規定，所以和GB 151差別也不大。

表7 換熱管厚度

表8 換熱管中心距

當可拆卸的管束采用法蘭/管板/法蘭的固定型式時，推薦采用管側、殼側能夠單獨拆卸的結構，管、殼側可以互不影響。這種結構允許對管、殼側分別進行檢修。如管、殼側壓力差別較大，允許管側和殼側采用不同厚度的法蘭，節省設備成本，而且有利于提高密封性能。此種結構在秦山核電廠等項目中均有應用。

如碳鋼管板與換熱管的連接僅采用脹接連接，其管板金屬溫度應符合表9的要求，超出表9溫度范圍的接頭應采用焊接連接方式。

表9 碳鋼管板換熱管脹接接頭的最大推薦溫度

5.4 折流板和支撐板

《電廠換熱器標準》對折流板和支撐板的管孔直徑、厚度、最大無支撐跨距的要求都嚴于TEMA和GB 151。

5.5 管束振動分析

管殼式換熱器當殼程流體橫向流過管束時，流體誘發振動主要有卡門漩渦、紊流抖動、流體彈性不穩定。

《電廠換熱器標準》對此處理得比較簡單，僅考慮了流體彈性不穩定。當管束實際橫流速度小于管束臨界橫流速度時，管束不會發生流體誘導振動。管束換熱管中存在軸向應力時，對固有頻率進行修正。

TEMA和GB 151對此管束振動分析更加全面，除流體彈性不穩定外，還考慮了卡門漩渦、紊流抖動等引起的振動。分析計算的方法、公式等也更為全面。同時必須指出，國內學者深入研究了TEMA標準流體誘導振動分析中多跨直管管子固有頻率、U形管固有頻率、對數衰減率等方面，并指出需要注意的問題［10－11］。文獻［12］詳細說明了GB 151非等跨直管固有頻率的計算，并給出簡便計算方法。

6 其他內容

除上述內容外，《電廠換熱器標準》還規定了超壓保護、現場安裝、檢查維護等方面。標準的14項附錄包含傳熱計算、外形尺寸允差等內容，在設計制造過程中具有較大的參考意義。

7 結語

(1)美國換熱器協會發布的《電廠換熱器標準》反映了當前工程設計、采購要求以及制造經驗，并規定電廠換熱器重要的設計準則，得到各國電力行業的普遍重視和應用;

(2)該標準可以看作是電廠換熱器的設計規范書，包含了性能、材料、設計、制造等方面要求，使用范圍僅限電廠管殼式換熱器;

(3)《電廠換熱器標準》部分規定對換熱器設計有很大參考意義，如最大換熱管內流速、材料選擇、脹接接頭最大允許溫度等。《電廠換熱器標準》可以作為TEMA，GB 151通用換熱器設計制造標準的完善和補充;

(4)該標準在流體誘導振動分析、強度計算方面不夠深入，還需參考其他標準。

［1］Standards for Power Plant Heat Exchangers［S］.4th Edition，2004.

［2］ASME鍋爐與壓力容器規范，第Ⅲ卷 核設施部件建造規則［S］.2004.

［3］ASME鍋爐與壓力容器規范，第Ⅷ卷第1冊，壓力容器建造規則［S］.2004.

［4］Standards of TEMA［S］.9th Edition，2007.

［5］GB 151—1999，管殼式換熱器［S］.

［6］Wayne W.Frenier，et al，Choose the Best Heat Exchanger Cleaning Method［J］.Chemical Engineering Progress，1998，(7):37 －44.

［7］董其伍，張垚，等.換熱器［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［8］秦叔經，葉文邦.化工設備設計全書——換熱器［M］.北京:化學工業出版社，2003.

［9］丁伯民.對我國壓力容器和換熱器標準的一些想法［J］.壓力容器，2009，26(11):50 －53.

［10］聶清德，段振亞，譚蔚，等.關于TEMA標準《流體誘發振動》若干問題的討論(一)［J］.壓力容器，2004，21(11):1 －4.

［11］聶清德，段振亞，譚蔚，等.關于TEMA標準《流體誘發振動》若干問題的討論(二)［J］.壓力容器，2004，21(12):1 －5.

［12］段振亞，譚蔚，聶清德.按GB 151—1999計算多跨管的固有頻率［J］.壓力容器，2003，20(2):17－19.