換熱器設計中的常見問題

王冠男 楊鑫焱

摘要：本文簡略闡述了管殼式換熱器設計中易出現的一些問題，提醒設計者在設備設計中重視。

關鍵詞：換熱器；設計；SW6計算程序

前言：

石油和化工設備中的管殼式換熱器的設計是以GB151-1999《管殼式換熱器》為基礎進行設計的，但有些設計者因未能完全理解標準的內涵，對一些條款的忽視和不理解而造成設備設計的錯誤，從而影響了設備的安全可靠性。本文簡略闡述了其中的一些問題，提醒設計者在設備設計中重視。

1.GB151適用范圍

GB151適用參數為公稱直徑DN≤2600mm，公稱壓力PN≤35MPa，且公稱直徑和公稱壓力的乘積不大于1.75x104 mm？MPa。標準限定最大設計參數范圍是為了避免過于笨重、結構上的不合理設計。對于超出上述參數范圍的換熱器，特別是工程中可能遇到的中、低壓大直徑換熱器，作為設備整體在結構尺寸合理設計的前提下完全可以應用標準給出的設計原則。

除GB151中所列的五種常用的換熱器型式外，如折流桿換熱器、繞管式換熱器在合理的傳熱計算基礎上，也應參照GB151-99進行設計。

對于一些特殊結構、布管和載荷條件特殊、或操作條件特殊的換熱器設計應予以特殊考慮，特殊情況如下：

a.圓環形管板

b.邊不布管區較寬（k>1.0）的固定式管板

c.分布管或非軸對稱布管的管板

d.有非同一換熱管徑的管板

e.厚度方向溫差較大的管板

f.管殼程直徑差別較大的換熱器

g.殼體、管箱不是標準中a型連接的浮頭式或填料函式換熱器

h.較大的換熱器。

i.載荷有顯著影響的立式換熱器

j.與法蘭搭焊連接的固定管板

對上述情況采用詳細應力分析設計方法，如JB4732附錄I給出的計算方法或是可比的已投入使用的結構進行對比經驗設計。

2.管殼程壓差較大時，殼程壓力試驗的選取

當管程設計壓力大于殼程設計壓力時，殼程的試驗壓力仍按常規選取是錯誤的。為檢查管子與管板連接的嚴密性，殼程的試驗壓力可按下面的幾種方法處理，并應體現在施工圖紙中：

a）提高殼程的試驗壓力等于管程試驗壓力。這是一種較常使用的方法。采用這種方法時，必須首先核算殼體在壓力試驗過程中各殼程元件的強度，在用SW6-98程序計算中以用戶輸入壓力試驗值進行計算來驗算其強度，確保殼程任意點的一次薄膜應力的計算值不超過所用材料在試驗溫度下的90%屈服極限。

b）若經過計算后，不能采用上述方法試驗時，則殼程、管程按各自要求的試驗壓力進行試驗合格后，殼程再按HG20584-1998《壓力容器氨滲漏試驗方法》的四種方法之一進行檢漏，對殼程設計壓力較低的換熱器，還應注意試驗壓力的強度核算，避免超壓試驗造成危險。

c）對有特殊要求的換熱器，如強滲透介質、泄露易產生危險或密封性要求嚴格的換熱器，可采用低壓純氨進行試漏或采用氦檢等方法試驗。

值得注意的是，在提高殼程試驗壓力的方法中，程序計算僅止考慮了殼程的殼體及封頭，對于接管、法蘭等元件均未有顯示。對于接管可按GB150-1998要求進行核算，對于管法蘭檢驗令其水壓試驗壓力不大于HG20604或HG20625規定的20℃時最高無沖擊工作壓力的1.5倍。

3.換熱器受壓失穩當量長度Lcr的取值

在進行換熱器計算時，換熱器受壓失穩當量長度Lcr未按GB151-99中圖32進行計算取值。因為在標準中換熱器受壓失穩當量長度Lcr值是將換熱管作為壓桿，換熱管與管板的連接端視為固定端，折流板、支撐板視為鉸支端，即按材料力學壓桿的理論計算得出的，所以應根據此計算換熱管受壓失穩當量長度Lcr，才能保證管板計算結果的正確性。

4.隔板槽面積取值錯誤

在用SW6-98程序進行管板計算時，要求輸入隔板槽面積，有很多設計者直接計算出長方形凹槽的幾何面積之和，這是錯誤的，這里要求輸入的應為標準中的Ad值（見標準5.7.1.1條），是在布管區范圍內，因設置隔板槽和拉桿結構的需要，而未能被換熱管支撐的面積。

5.設備法蘭的選用與設計

對于不同類型的設備法蘭腐蝕裕量是不同的，標準規定乙型法蘭腐蝕裕量為2mm，對焊法蘭腐蝕裕量為3mm。對于超出標準規定的腐蝕裕量的法蘭應按非標法蘭進行設計計算。計算時法蘭內徑加兩倍腐蝕裕量為SW6-98程序所需的法蘭內徑Di值，大端、小端厚度應分別減掉一個腐蝕裕量為SW6-98程序所需的頸部大、小端有效厚度值。

選用長頸對焊法蘭時，忽視標準要求的最小對接圓筒體厚度，對小于此要求值的長頸對焊法蘭的高度未做修正是錯誤的。標準給出的最小對接圓筒體厚度，是因長頸對焊法蘭的應用主要在管殼式換熱器上，該值的提出是以GB151為依據的。由于GB151中對殼體最小厚度的要求與其它容器的要求值要大得多，就會出上述情況。

6.管板計算中，管殼程平均溫差取值

在應用SW6-98程序進行管板計算時要求輸入殼程的平均金屬溫度和換熱管平均金屬溫度。這是兩個直接影響管板計算結果的重要數據。它們與殼體圓筒和換熱管材料的膨脹系數一起共同決定了圓筒與換熱管之間的熱膨脹差大小，從而影響著管板的計算應力和厚度、圓筒和換熱管的軸向應力、管板與換熱管的連接拉脫力。但因用戶提供數據不全，許多設計者便隨意取一個中間的數值，這是非常錯誤的，平均溫差應當由進出口溫度及換熱器的型式進行合理的計算得出的，否則計算出的管板厚度及是否需要設置膨脹節是有偏差的。

7.對U形管換熱器U形管

U形管換熱器U形管是唯一適用于高溫、高壓和高溫差的換熱器，U形管是其主要的受壓元件，因此對U形管有許多的特殊要求：

a）GB151-99規定最小彎管半徑應不小于2倍的換熱管外徑，并給出了Rmin的具體值，當Rmin比上述規定小而又能保證橢圓度要求時，是可以使用的。

b）彎管后U形管段外側會減薄，因此為了使減薄處的壁厚不小于直管段的計算壁厚，就必須按GB151-99標準中第5.5.3.2條式（13）計算彎管前的換熱管最小壁厚。

c）當U形管內流速成過高或有腐蝕時，應適當加厚彎管半徑較小的U形管的壁厚。

d）當有應力腐蝕時，冷彎U形管的彎管段及至少包括150mm的直管段應進行消除應力熱處理，對奧氏體鋼換熱管，在有應力腐蝕傾向且變形率超過15%時，應提出彎管后進行固溶處理要求。

e）低溫條件下的換熱管，冷彎的彎曲半徑小于10倍的管子外徑時，彎后應作消除應力熱處理。

f）U形管的靠近彎管起支撐作用的折流板，如超過GB151-99中表42中的最大無支撐跨距，應加特殊支撐。支撐形式設計者可根據布管情況自行確定。

8.換熱器管箱的熱處理

設計時常有兩種傾向：一種是管箱不做熱處理，另一種是管箱要進行熱處理，是否進行熱處理，要視以下具體情況而定：

a）碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱及管箱的側向開孔超過圓筒體內徑的三分之一，應在施焊后做消除應力的熱處理。

b）奧氏體不銹鋼的管箱，一般不做焊后消除應力熱處理，當有較高抗腐蝕要求或在高溫下使用時，可按供需雙方商定的方法進行熱處理。

結束語：

換熱器的應用較為廣泛，設計者只有真正的掌握標準，理解應用的相關軟件具體輸入值的含義、了解相關標準，才能設計出合格產品來滿足各種各樣的需求。

參考文獻：

[1]GB150-1998，《鋼制壓力容器》國家技術監督局 1998-03-20發布.

[2]GB151-1999，《管殼式換熱器》國家技術監督局 中國標準出版社 1999發布.