管殼式熱交換器管頭設計分析

棄全英(山西省工業設備安裝集團有限公司設計院，山西 太原 030032)

管殼式熱交換器管頭設計分析

棄全英(山西省工業設備安裝集團有限公司設計院，山西 太原 030032)

管殼式熱交換器的核心部件是管板和管束，而管頭是影響其的可靠性的重要部位。從設計上考慮其結構的安全可靠性是最根本的要求。本文對管頭的種類、適用條件、及制造要求等相關設計中的注意事項進行分析，方便在設計工作中進行應用。

熱交換器；管殼式；管頭；設計；分析

1 概述

管殼式熱交換器主體結構由殼體、傳熱管束、管板、折流板(擋板)和管箱、支座等部件組成。其中管束是管殼式熱交換器的核心部件，而管板與換熱管連接(簡稱管頭)又是影響其的可靠性的重要結構。管頭形式多樣，適用條件各不相同，從本質安全角度在源頭上把好設計關是最根本的保證。現對熱交換器的管頭設計相關事項進行詳細分析。

2 設計分析

管殼式熱交換器設計標準經過GB151-1989、GB151-1999到GB/T151-2014版次的發展，已經滿足絕大多數管殼式熱交換器的設計要求。GB/T151-2014《熱交換器》中對管板與換熱管連接方式(簡稱管頭)在原有基礎上還增加了新的連接方式。

2.1 相關術語理解

(1)強度脹接(焊接) 這是從強度角度定義的兩種連接方式，它能滿足換熱管軸向載荷設計要求同時實現密封要求。

(2)密封焊接 只滿足密封要求，保證管頭不泄漏的連接。

(3)貼脹 是從保護管接頭和預防間隙腐蝕角度，消除管子與管板的間隙的一種連接，不承擔強度要求。

(4)內孔焊 內孔焊是GB/T151-2014中新增加的換熱管與管板連接結構，是焊縫位于管孔內側(殼程側)的對接焊接結構。近年來內孔焊制造裝備發展迅速，制造工藝成熟，隨著標準的制定將在熱交換器結構設計上的得到推廣。

2.2 管板與換熱管連接方式分析

管板與換熱管的連接(管頭)方式有強度焊接、強度脹接、脹焊并用(強度脹加密封焊和強度焊加貼脹)和內孔焊四種類型。每種類型的結構型式都有各自的特點，適用條件有不同的局限性。

(1)強度焊接 適用于設計壓力不大于35MPa的場合，但不適用于有較大振動、有縫隙腐蝕傾向的場合。這種結構中換熱管管端可以伸出管板外，也可以與管板平齊或沉入管板平面以內。當立式安裝的換熱器上管板不允許有積液時可選擇沉入式結構。強度焊接結構的焊腳高度首先應滿足拉脫力的要求，同時不應小于換熱管壁厚。

(2)強度脹接 適用于設計壓力≤4．0MPa、設計溫度≤300℃、操作中無振動無過大溫度波動及無明顯應力腐蝕傾向的場合。這些因素中，溫度和振動是關鍵。當溫度不高時可適當調高設計壓力。國外制造經驗表明，在電力行業的給水加熱器采用多開槽的強度脹接時，設計溫度300℃時設計壓力高達10MPa以上。GB/T151-2014規定當壓力超過以上限制時，要針對拉脫力進行脹接工藝試驗。這種結構的換熱管要選擇硬度低于管板硬度的材料，對有冷作硬化傾向和有耐應力腐蝕要求的換熱管，宜采用柔性脹接。強度脹接的最小長度應取管板名義厚度減3mm的差值與50mm二者中的較小值，超出最小長度(如厚管板及避免縫隙腐蝕的場合下)段可采用貼脹方式。當有要求時也可全長強度脹接。

(3) 脹焊并用 適用于振動或循環載荷、有縫隙腐蝕傾向和復合管板(特別是覆層較薄的)或密封性能要求較高的場合。脹焊并用同時還應滿足相應的強度焊接和強度脹接的管孔結構要求。當采用先脹后焊接制造工藝時，為降低焊接熱能和縫隙氣體對脹接部分的影響，保證脹接質量，管孔結構中一般不留不脹部分，全脹至管板坡口根部，且脹接時不得采用影響焊接質量的潤滑劑。

(4) 內孔焊 焊縫位置在殼程側，焊接接頭形式是對接接頭。內孔焊形式避免了傳統管板連接的換熱管與管板間縫隙腐蝕問題，對立置熱交換器上管板不積液。而且焊縫位于殼程側，當管程溫度過高時可利用殼程較低溫度對焊縫進行高溫保護。因管板與換熱管對接接頭相比角接頭應力狀況有很大改善，能承受更大的拉脫力，所以一般用在條件比較苛刻的高溫高壓、振動、交變載荷和應力腐蝕的工況下。

2.3 與管頭相關的設計參數

(1)壁厚 元件厚度是設計中要控制的一個重要參數。從結構設計、制造要求、剛度和穩定性、經濟性等角度考慮，GB/T151-2014中對不同元件提出了不同的要求。對管板的最小厚度的要求是按管頭的脹接或焊接方式、管板材料復合與否、介質爆炸特性及毒性程度等提出的，在GB/T151-2014中7．4．2中有明確規定。

(2)焊接接頭系數 焊接接頭系數是指對接焊接接頭強度與母材強度的比值。它反映因焊接材料、焊接缺陷和焊接殘余應力等因素對焊接接頭強度的削弱程度。在熱交換器受壓元件設計計算中它是一個重要參數。它確定的合理與否直接影響著設備設計質量和設備安全性能。焊接接頭系數僅根據A、B類對接接頭的焊縫形式及無損檢測的長度比例確定。對管頭連接方式為內孔焊的焊接接頭系數是只針對射線檢測(RT)規定的，當100%RT 時取1．0，局部RT 時取0．85，不進行RT 時取0．6。

2.4 熱處理

除內孔焊外，管板與換熱管的焊接接頭為角接頭，這種不連續結構處存在峰值應力，再加上焊接殘余應力的作用，易誘發裂紋產生。一般情況下換熱管和管板焊接接頭無需進行焊后熱處理。按材料和介質類別情況根據TSG 21-2016《大容規》和GB/T151-2014《熱交換器》及GB150-2011《壓力容器》等的相關要求，遇到必須進行焊后熱處理的材料、應力腐蝕較嚴重和極度毒性危害介質的碳鋼和低合金鋼材料時應當進行焊后熱處理。可以進行局部熱處理，但應保證管板面加熱均勻。

2.5 耐壓試驗和泄漏試驗

熱交換器的壽命及事故都與管頭的可靠性密切相關，所以對管頭進行壓力試驗是必不可少的環節。管殼式熱交換器的管頭耐壓試驗按GB/T151-2014的規定，在第一順序進行試壓。固定管板式熱交換器為殼程先試壓同時檢查管頭；U形管式熱交換器、U形管束釜式重沸器和填料函式熱交換器為先用試驗壓環進行殼程試壓同時檢查管頭；浮頭式熱交換器和釜式重沸器為先用試驗壓環和浮頭專用試壓工具進行管頭試壓；按壓差設計的熱交換器為先按圖樣規定的最大試驗壓力差值進行管頭試壓。重疊熱交換器管頭試壓和泄漏試驗可以單獨進行，如果殼程連通時還應在重疊組裝后進行。投用后無法維護修理管頭的熱交換器，應對管頭進行泄漏試驗。

在壓力試驗中會遇到一種管程試驗壓力高于殼程的情況，此時管頭試壓要在圖樣上進行規定。一般有三種處理。

(1)當管、殼壓力差不大時，用0．9φReL校核殼程元件或者增加殼程元件厚度以提高殼程試驗壓力至管程試驗壓力進行試壓，(2)如果壓力相差太多，可先用殼程允許的最大試驗壓力對殼程進行壓力試驗同時檢查管頭，再在殼程附加管頭泄漏檢測。(3)對可抽管束熱交換器，換熱管間距較大如正方形布管的，當管程試驗壓力高于殼程時，可以在抽出狀態下進行管程壓力試驗，用內窺鏡從管板背面進行泄漏檢查。

3 結語

近年來，熱交換器技術在節能增效、提高傳熱效率等方面的研究取得了很大進步。在熱交換器設計中選擇合適的管頭連接方式是個非常關鍵問題，它直接關系著換熱設備的安全性和經濟性等。對熱交換器的管頭設計全面分析有助于提高換熱設備的設計質量。針對不同的應用環境，在技術不斷發展過程中還將會有新型的管頭結構出現。

[1]李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京：新華出版社.2005.

[2]錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京：化學工業出版社.2006.