1、换热器工程设计中的常见问题刘笑竺2015年1月前言 在石油化工装置中，进行热量交换的换热器，一般要占设备总数的3040%。常用的换热器型式有管壳式换热器、空冷器、板翅式换热器、板片式换热器等等。其中的管壳式换热器，因其操作弹性大、使用范围广、制造难度小而用得最多。为了保证管壳式换热器的质量，各个国家都有相应的标准。如：我国的 GB151管壳式换热器标准（以下简称GB151）美国的 TEMA管式换热器制造商协会标准（以下简称TEMA）美国的 API 660管壳式换热器标准（以下简称API 660）日本的 JIS B 8249 管壳式换热器标准（以下简称JIS B 8249）在管壳式换热器工程设计
2、中，经常遇到在标准规范中没有规定、规定本身有矛盾、国内和国外标准对同一问题的规定不相同等问题。下面介绍在工程设计中常见的问题及解决的方法。1.换热器的设计条件 (1)设计压力和设计温度 换热器的设计压力，应为在正常工作情况下，换热器管、壳程顶部的最高压力，与设计温度一起作为设计的载荷条件。换热器的设计温度，应为在正常工作情况下，换热器受压元件的金属温度（有最高和最低值），与设计压力一起作为设计的载荷条件。正常工作情况，包括正常操作、开车和停车、热循环、不正常操作、间断操作、环境温度等。其中开车和停车，对换热器是有专门规定的。如开车时要求用温度较低的介质对管壳程进行热循环，停车时要求先停热侧，后
3、停冷侧等。因此，那些将换热器的一侧的压力和温度为设计值，而另一侧的压力为零，温度为常温的工况是违反换热器操作规程的，是不允许存在的。(2)近些年来，许多设计单位对管壳程设计压力相差较大的换热器，采用压力较高侧设计压力除以水压试验的放大系数（GB150规定为1.25）的数值作为压力较低侧的设计压力。这种做法依据的工况，是不存在的。采用这种做法，除对换热器的压力较低侧造成浪费外，还可能造成该换热器无法进行设计。（3)近年来，许多单位将蒸汽吹扫（设计压力0.35MPa，设计温度为150180）作为设计工况，对换热器进行校核。这种做法依据的工况，是不存在的。(4)固定管板换热器的管板强度计算中的管壁和
4、壳壁金属温度，应取正常操作情况下由传热计算得到的温度。2.换热器 的级别 在GB151中对换热器的碳钢和低合金钢管束规定了级和级。级管束用的换热管、管板的管孔、折流板的管孔精度较高，级管束用的换热管、管板的管孔、折流板的管孔精度较低。对级和级管束的使用条件，标准没有规定。建议符合下列条件之一者采用级管束，否则采用级管束：(1)管或壳程设计压力2.5MPa。(2)管或壳程设计温度300，或6000mm。(4)管束中换热管的最大无支撑长度超过标准规定的换热管的最大无支撑跨距值的0.7倍。3.换热面积计算中换热管长度 在GB151的3.7.1中规定“计算换热面积 以换热管外径为基准扣除伸入管板内的换
5、热管长度后，计算得到的管束外表面积”。在工程设计中，换热器的型式是多种多样的，有的型式，如 S型浮头式换热器，在靠近浮头的支持板以外区域的壳程介质是不流动的死区，死区范围的换热管长度对传热是无效的，不能将其作为计算面积的长度。因此，在工程设计中计算换热面积，应取能有效传热的换热管长度，即有效长度Le。4.腐蚀裕量 凡与介质接触的受压元件（除传热元件换热管外），都应考虑腐蚀裕量。拉杆、定距管、折流板和支持板、防冲板、分程隔板等非受压件和钩圈，不必考虑腐蚀裕量。GB151关于腐蚀裕量的条文中规定，钩圈要考虑腐蚀裕量，但在B型钩圈厚度的确定公式中未涉及腐蚀裕量问题。TEMA标准关于腐蚀裕量的条文中明
6、确规定，钩圈及其内部螺栓连接件，是不必考虑腐蚀裕量。钩圈是一个非受压件，且是可拆卸件，按TEMA规定，对其不考虑腐蚀裕量是合理的。5.复合板制管板 在GB151的4.3.2.3（P16）规定“管板、平盖可采用堆焊、轧制或爆炸复合板”。采用复合板作管板，对换热管与管板连接采用强度焊的管板，当管板计算中换热管受轴向压缩应力时，换热管受到的轴向力就作用在复层和基层结合的结合面上。由于目前的复合板材料标准中，对复层和基层结合性能只有剪切强度而无拉伸性能，所以对换热管在受轴向压缩力作用下复层和基层结合面上结合强度能否满足要求就无法判定。因此，当管板计算中换热管受轴向压缩力作用时，对换热管与管板连接采用强
7、度焊的管板，在复合板材标准中对复层和基层结合强度有规定之前，管板用复合板是不合适的，应采用堆焊结构。6.两个标准规定的差别在于壳体结构形式的代号。GB151将TEMA中的E（单程）分为E（单程）、Q（单进单出冷凝）、I（U形管）、O（外导流筒）四种，将TEMA中的分流G(有隔板分流)、穿流X(无隔板分流)合并为G（分流）一种（修订版增加了穿流X）。从两个标准规定看，GB151将TEMA中的中的E分为E、Q、I、O四种，其中E和Q都是单程出现重复，I为U形管与后端代号U重复产生混淆；GB151将TEMA中的G和X合并为分流G(无隔板)，使工艺专业要求的分流和穿流无法区分。TEMA规定的换热器代号
8、在国际上是通用的，化学工程传热软件是用的TEMA代号，工艺专业的设备设计数据表中自然也是TEMA代号。因此，目前工程设计中按TEMA代号统一较为合适。换热器结构形式和代号举例如下:7.换热器壳体的最小厚度 换热器壳体包括换热器壳程的圆筒和封头、釜式壳体（斜锥及其大小端连接的圆筒）和封头、外头盖圆筒和封头。在GB151中5.3.2规定的圆筒最小厚度中，分档尺寸是换热器公称直径，只解决了直径等于换热器公称直径的壳程圆筒（含斜锥小端连接的圆筒）的最小厚度，而壳程的封头和直径不等于换热器公称直径的釜式壳体（斜锥及其大端连接的圆筒）和封头、外头盖筒体和封头的最小厚度没有解决。在TEMA-1999 RCB
9、-3.13中规定了壳体的最小厚度，其中壳体包括斜锥及其大小端连接的圆筒，分档尺寸是壳体的名义直径。按这个规定，釜式壳体的斜锥及其大小端连接圆筒的最小厚度是按自身的名义直径确定。在RCB-3.2中规定壳体封头、外头盖圆筒和封头（即标准中的壳盖）的最小厚度与各自壳体相同。在工程设计中，可按TEMA规定，对这些壳体按各自的名义直径从GB151规定的圆筒最小厚度表中取值。8.管箱管箱 管箱壳体和封头的最小厚度管箱壳体和封头的最小厚度 管箱的结构有连接平盖的管箱和带封头的管箱。连接平盖管箱的壳体为圆筒，带封头的管箱壳体为圆筒和封头。GB151中5.2.1规定只涉及到这两种管箱中的圆筒，而对带封头的管箱壳
10、体中的封头最小厚度没有规定。TEMA-1999中RCB-9.11规定管箱筒体和带封头的管箱(Bonnet)的最小厚度与壳体的相同，也就是管箱上的圆筒和封头的最小厚度都是按壳体的最小厚度规定取值。因此，在工程设计中，带封头的管箱封头最小厚度应按TEMA规定取与其筒体相同数值。管箱分程隔板 分程隔板厚度 分程隔板厚度，除必须满足GB151中最小厚度外，还应满足设计条件所要求压降引起的强度要求。GB151中5.2.3.2（P18）和TEMA中RCB-9.132都对分程隔板强度计算，规定了完全相同的计算方法和公式（如下式），但对其中的压差P都没有给出确定的方法。式中:b 隔板尺寸 B 隔板尺寸系数 P
11、 隔板两侧压差 t 隔板材料在设温下许用应力 tBPb5.1 公式中的压P，API 660-2003版中7.4.2规定计算分程隔板厚度的压差取分程隔板两側压差的2倍，API660-2007版中将7.4.2规定修改为取管程允许的总压降。对API 660-2003版中的规定存在两种情况：一是对2管程，分程隔板两侧的压差就是管程总压降，再乘以2倍，取值过大；二是对4或更多管程，分程隔板两侧的压差可能有多个数值，没有规定如何选取。对API 660-2007版中的规定也存在两种情况：一是对2管程，分程隔板两侧的压差就是管程总压降，取值合理；二是对4或更多管程，分程隔板两侧的压差比管程总压降小得很多，都取
12、为总压降，显然不合理。因此，对分程隔板厚度计算公式中的压差P应取隔板两侧的压差为宜，可按下式计算：式中：P隔板两侧的计算压降，MPa。PZ换热器数据表中允许总压降，MPa。N管程数。Z从隔板一侧到另一侧流体的折返次数。MPaZNPZP 2 确定Z值举例 管程数 流体流动顺序 入口管箱隔板布置 返回管箱隔板布置 IV VI系数 Z隔板布置入口管箱隔板两侧流动序号系数 Z出口管箱（浮头盖）隔板两侧流动序号系数 Z程(1)/(2)1程片条(1)/(2)(3)/(4)1(2)/(3)1程工字(1)/(2、3)1(1)/(3)(2)/(4)1(2、3)/(4)1(2)/(3)1程十字(1)/(4)2(1
13、)/(2)(3)/(4)1(1)/(2)(3)/(4)1程王字(1)/(2、3)1(1)/(3)(4)/(6)1（4、5)/(6)1(2)/(5)2(2、3)/(4、5)1(2)/(3)(4)/(5)1程十字(1)/(2)(5)/(6)1(1、2)/(3、4)1(1)/(4)(3)/(6)2(3、4)/(5、6)1(3)/(4)1 隔板厚度，应按隔板位置分别确定折返系数Z值和相应的隔板宽度和长度,代入上述的公式进行计算，取其中的较大值。隔板厚度计算中的尺寸系数B，按GB151表7（见下表）。其中的a和b，分别是隔板在管箱或浮头盖中的纵向截面和横向截面尺寸。下表中左图为“三边固定，一边简支”，中
14、图为“长边固定，短边简支”，右图为“短边固定，长边简支”。“三边固定”就是三边都是焊缝，“长边固定“就是焊缝在长边，“短边固定”就是焊缝在短边。在左图中，a为纵向截面尺寸，b为横向尺寸；在中图中，a为纵向截面尺寸，b为横向截面尺寸；右图中，a为横向截面尺寸，b为纵向截面尺寸。由于设计条件中提供的允许总压降已经考虑了裕量，所以在隔板厚度计算中按上述压降计算出的值可不再考虑附加裕量。三边固定长边固定短边固定a/bBa/bBa/bB0.250.0201.00.41821.00.41820.50.0811.20.46261.20.52080.750.1731.40.46801.40.59881.00.
15、3071.60.49681.60.65401.50.5391.80.47911.80.69122.00.6572.00.49732.00.71463.00.7180.50000.7500尺寸系数B 分程隔板端部密封面，应与管箱中的设备法兰密封面齐平，端部密封面的宽度，应比管板上隔板槽宽度小12 mm。换热器安装后，凡处于水平位置的隔板，在适当位置，应设置一个直径为6mm的泪孔；处于竖直位置的隔板，当其形成死腔时，应在该隔板与壳体连接的最高和最低点，分别设置半径为R5的半圆孔。分程隔板与管箱壳体或封头的连接焊缝 分程隔板与管箱壳体或封头的连接焊缝，GB151没有提要求。TEMA中RCB-9.13
16、3规定在隔板的两侧连续焊接，其焊脚高度不得小于隔板厚度的2/3。API 660中9.2规定在隔板的两侧连续焊接或全焊透。在工程设计中应按TEMA规定提要求。的 带分程隔板的多管程管箱，其内侧最大深度，主要应考虑分程隔板的焊接可能性。其最大深度Lmax按下述方法确定：在与管箱垂直的平面上，按下图6-2的中、右图规定的方法确定出H值（H取图中H1、H2或H3的较小值），再用H值从图的左图查出最大深度值Lmax（一般取推荐最大值，必要时可取可能最大值）。对带封头的多程管箱，最大深度，取从图6-2的左图中查出的数值；对带管箱平盖的多程管箱，最大深，取从图6-2的中查出数值的2倍。10020030040
17、05006007008009001000100 200 300 400 500 600 700 800mmmmLHmax 管箱长度，必须满足管箱内侧最小深度的规定，也要尽可能满足最大深度的规定。当采取各种措施都不能满足最大深度要求时，则应在管箱图的技术要求中提出隔板与管箱焊接的特殊要求。如根据管箱的实际情况，提出隔板应先与封头或先与封头和壳体焊接后，再组焊其它元件等等。管箱热处理 管箱组焊后，管箱部件的热处理，除必须符合GB150对焊后热处理的要求外，对GB151中6.8之a)范围内的管箱还必须进行焊后热处理。接管位置 换热器管、壳程接管的位置尺寸（见图7-1），影响到管箱的长度和壳程接管部位
18、死区的大小。因此，换热器管、壳程接管的位置尺寸，应在满足接管处相焊各元件在壳体上的焊缝间距和接管开孔在壳体上的补强范围要求条件下，尽可能取较小的数值。相焊各元件在壳体上的焊缝间距，一般取3倍壳体厚度且不小于40mm。接管开孔在壳体上的实际补强范围，如果小于GB150的规定，则应在开孔补强计算中输入实际补强范围进行计算。10.(2)壳程防冲板的位置和尺寸 壳程防冲板的位置h 壳程入口接管处防冲板是为防止物料冲蚀换热管而设置的，防冲板的位置必须保证入口处的物料流速不得高于入口接管内的流速。因此GB151的5.11.3规定的“进出口处流体的流通面积应不小于进出口接管截面积”，但5.11.4又规定为接
19、管外径的1/4，两者是不一致的。在工程上采用防冲板位置h采用下式计算：式中：di接管内径 h1接管内径与壳体内径连接处矢高 壳程防冲板尺寸 壳程防冲板一般尺寸采用正方形，其边长为接管内径di+50mm（GB151中5.11.4规定“应大于接管外径50mm”是不妥的）。241hdhi 11.OOOO BDDiL2 壳程进出口位置，排管后应满足GB151中5.11.3规定的流通面积的要求。但GB151之5.11.3所规定的“壳程和管束进出口处流通面积应不小于进出口接管截面积，并使流体流经进出口处的v2值不超过5950kg/(ms2)”是错误的，正确的规定应为“壳程和管束进出口处流通面积应使流体流经
20、进出口处的v2值不超过5950kg/(ms2)”。此处壳程和管束进出口流通面积 管束最外层管换热管外壁与防冲板下表面间的最小距离，一般取为6mm（见图9-5）。管束的排管范围，就是在管束最外层换热管的限定圆尺寸DL范围内扣除和所要求部分的整个范围。换热管排列，应符合设计条件中规定的换热管排列形式和折流板缺边位置的要求。换热管排列，应在排管范围内排满管子，并尽可能使整个管束对称。换热管排列出的管子数量，应满足设计条件中换热面积的要求。在换热器设计条件中，除提了换热面积外，有的还提了换热管的数量要求。设计中应以换热面积为准，将换热管的数量看作参考。如果排列出的管子数量，超过换热面积的要求的数量，则
21、可在壳程接管进出口部位适当减少管排；如果排列出的管子数量，小于换热面积的要求的数量，且又超过工艺专业允许的范围，则应考虑设置导流筒等。多管程换热器的换热管排列，还应满足下列各条：a.换热管排列的分程，应符合设计条件中的分程数量和布置要求。b.各程管数应尽可能相等，其相对误差应控制在510%以内（换热器直径小时，取较大值）。12.折流板和支持板 折流板的布置 一般型式壳体的折流板布置，应符合设计条件的要求。对靠近壳程进、出口接管的折流板，其位置除满足设计条件要求外，还应使折流板与防冲板边缘或接管内壁间距离至少为1020mm。分流式壳体的折流板布置，应使壳程分流的路程尽可能相等。壳程进出口接管处的
22、折流板缺口位置，不得形成短路。浮头换热器靠近外头盖的支持板与外头盖侧法兰密封面间的距离（见图17中Ln），应满足管壳程热膨胀差的要求，一般应为5060mm。U形管换热器的弯管切线与邻近折流板间距离，一般取50mm。折流板布置后，在管束任何部位的换热管无支撑跨距（包括U形管束的弯管部位的A+B+C），都不得超过GB151中5.9.5.3的表42 所列最大无支撑跨距的要求。如果超过，在超过部位应设局部支撑。折流板的厚度 折流板的厚度，GB151中5.9.2.2的表34列出的数据的确定因素为“换热器的名义直径”和管束中“换热管最大无支撑跨距”。在TEMA-1999的RCB-4.4.1的表RCB-4.
23、4.1中列出的板厚的确定因素为：“换热器的名义直径”和“折流板间的换热管无支撑管子长度之较大值，管板和折流板间距离不在考虑之内”。按GB151的规定，折流板的厚度是据管束上任何部位的换热管无支撑跨之较大值确定；按TEMA规定，折流板的厚度是根据管束上折流板间的换热管无支撑跨距之较大值确定，管板和折流板间距离是不考虑的。因管板的厚度较厚，对换热管有支撑的作用，所以TEMA不考虑管板和折流板间跨距是合理的。因此，在工程设计中，折流板的厚度应按TEMA规定确定。浮头式换热器浮头端的支持板，是为支撑重量较大的浮头而设置的。支持板以外区域，无论支持板是满圆板或圆环板，其壳程物料都是不流动的死区。圆环板的
24、中空部分使换热管缺少支撑，不仅使换热管无支撑长度因此而加大，而且增加了加工带孔板的麻烦。国内外的这种换热器基本上都是采用满圆板。GB151中5.9.6条规定为加厚环板，又没有规定如何加厚。因此，浮头式换热器浮头端应设置加厚满圆的支持板，支持板的厚度可按GB151的表34（P72）中跨距大于1500mm栏的数据选取。折流板的管孔直径 GB151的5.9.3.1的表35和表36中折流板管孔直径，在一些情况级和级是矛盾的，在一些情况下级的要求比级低。GB151征求意见稿已对此进行了修改。折流板的管孔间距公差 GB151和TEMA对折流板的管孔间距公差都没有规定。在制造中要保证这个间距精度，就必须采用
25、定位准确的钻模板或数控机床钻孔和逐块加工。在我国制造换热器的厂家很多，制造装备差异很大，在那些不具备条件的厂家中往往采用定位不准确的划线来定位，而我们在设计换热器时又不知道将来的制造厂家是否具备条件。基于这种情况，我们在施工图设计中，对折流板的管孔间距加注公差0.3mm。如果制造厂家已具备了定位准确的钻孔条件，且采用逐块进行加工，那末设计图中对折流板的管孔间距就不必注公差。13.管板 固定管板换热器的管板与壳体的连接 固定管板换热器的管板与壳体的连接，在GB151附录G中有提示性规定。图G1(d)焊缝处管板颈部高度10mm。图中管板颈部高度应按相关尺寸计算得到，其值应取计算值和10mm间的较大
26、值。对壳程设计压力较高、管程设计压力较低的换热器，采用这个结构时，应对连接管箱的螺栓中心圆直径能否满足安装螺母的要求进行核算。管板与换热管的连接 管板与换热管的连接，GB151中5.8规定了强度胀、强度焊、强度焊加贴胀和强度焊加强度胀等结构型式。胀接结构。胀接的方法，有机械胀接和液压胀接。机械胀接是国内普遍采用的方法，由于胀接质量涉及许多因素难于得到有效控制，所以其使用的范围也受到限制；液压胀接，国内许多制造厂已经使用，由于液压胀接的压力受到多种因素的影响，所以在技术上尚不够成熟。GB151中5.8的是基于机械胀接规定的，故其使用的压力不宜超过2.5MPa（GB151规定为4.0MPa），使用
27、的温度不宜超过300。焊接结构。焊接的方法，有手工焊接和自动焊接。手工焊接是国内普遍采用的方法，自动焊接国内许多制造厂也已经使用。两种焊接方法的焊接质量，都能有效地得到控制。因此，焊接的使用范围是不限制的。但是，只用焊接，在管板孔与换热管间存在间隙，不仅会引起间隙腐蚀，而且还会在运输或操作过程中因管子抖动使焊缝损坏。强度焊加贴胀和强度焊加强度胀结构，既采用了焊接，又采用了胀接。焊接保证了强度和密封，胀接消除了管板孔与换热管间的间隙，在目前国内制造技术水平下是一种较好的结构。在工程设计中，通常采用强度焊加贴胀结构。对于设计参数高、工艺要求苛刻的换热器，可采用强度焊加强度胀结构。管板分程隔板槽拐角
28、处倒角尺寸 GB151中5.6.6.2-c)规定分程隔板槽拐角处倒角一般为45o，倒角宽度b近似等于分程垫片的圆角半径R。这个规定是不妥的，特别对4管程以上的隔板槽更是不行。对隔板槽与凸台外圆相交拐角处用这样的倒角尺寸，因其中心线偏离管板中心线而使倒角与垫片分程条相碰；对隔板槽之间的拐角处用这样的倒角尺寸，可能造成管孔被倒角切掉。正确的做法为，前者应根据相关元件的尺寸计算得到，后者应采用圆弧过渡，拐角的外角处圆角半径取隔板槽宽度的1/2，拐角的内角处圆角半径取垫片圆角半径加2mm（见图 11-1）。平盖上的分程隔板槽拐角处倒角尺寸，与管板的要求相同。管板的管孔孔桥宽度偏差计算中的钻头偏移量2
29、在GB151中6.4.5对管板管孔的孔桥宽度做了规定，并在GB151中6.4.5.1规定钻头偏摆量2=0.0016mm，这是错误的（在征求意见稿中已修改）。TEMA在表RCB-7.42中规定了管桥宽度。表中数据的计算方法为：钻头偏移量=0.0016(管孔直径分之管板厚度)，英寸。写成公式为：式中：管板厚度，mm。d管孔直径，mm。工程设计中,2的数值应按TEMA的公式计算。mmdd041.04.250016.02 (5)管板的强度计算 管板的强度，一般按SW6计算。但要注意下面几个问题：管板分程处未布管区域面积Ad 在管板强度计算中的布管区面积，对单程换热器是按换热管排列形式、间距和管子直径均
30、匀排列计算的；对多管程换热器，由于分程处的换热管间距和排列形式不同，且又是在布管区之内，所以其布管区面积除按换热管排列形式、间距和管子直径均匀排列计算外，还必须加上分程处因换热管间距和排列形式不同而在布管区域所占的面积，这就是Ad（见图 11-2阴影部分）。在GB151中5.7.1.1中列出的公式为SSSnASSSnAndnd;866.0和 这里的公式只适用于2管程的正三角形及正方形（见图 11-2左侧的两个图）。因为，公式中的n,对4程及以上的排列，分程处两侧管排上的管孔数是不相同的，应取两侧管孔数的平均值；公式中的S，对转角三角形及转角正方形（见图 11-2右侧的两个图）括号内和括号外也是
31、不相同的。因此，适用于各种情况的公式可近似为：式中：N换热管排列形式，三角形排列为3,正方形排列为4；n1、n2分程处两侧管排上的管孔数；S1分程处两侧管排上的管孔排列间距。其余符号，同GB151规定。212122SNSSnnAnd 固定管板换热器管板延长法兰厚度 固定管板换热器管板延长法兰厚度，在GB151中称为“壳体法兰”，其厚度是用在四种操作工况下进行管板计算中得到的。在现行的SW6的管板计算中，还取管箱法兰厚度的0.6倍作为管板延长法兰厚度的最小值（目前已取消）。固定管板换热器管板延长法兰，是通过螺栓与管箱连接的，其厚度应由与管箱连接的螺栓载荷确定。在TEMA、ASME、EN 1344
32、5中，都是与管箱连接的螺栓载荷进行计算的。其中ASME、EN 13445的计算公式为：式中：W管箱法兰的螺栓载荷（操作和预紧）hG管箱法兰垫片力矩的力背 S管板材料在设温和常温下的许用应力 G管箱法兰垫片压紧圆直径 GShWhGr9.1 GB151的计算方法，对管板延长法兰的厚度，只考虑了操作条件下的四种工况，预紧条件下能否满足要求，以前是用管箱法兰厚度的0.6倍来控制。以管箱法兰厚度的0.6倍作为管板延长法兰的最小厚度，是上70年代初，在还没有管板延长法兰厚度计算方法时，根据当时的经验确定的。在四种工况的计算中，所用的法兰力矩是用法兰计算中需要的螺栓面积确定的，这种方法与法兰计算方法有较大的
33、差异。同时，用管箱法兰厚度的0.6倍来作为管板延长法兰的厚度，现在已被取消，也就是在预紧条件下的管板延长法兰的厚度是否满足要求不得而知。现在，管板延长法兰厚度的计算方法，在国外标准中已经使用多年，取消0.6倍这个判断依据是合理的，但在预紧条件下的管板延长法兰的厚度是否满足要求，也是必须进行核算的。因此，建议在用SW6计算合格后，再用ASME公式对管板延长法兰的厚度进行核算来解决这个问题。浮头式换热器的换热管轴向应力 在浮头式换热器工程设计中，采用现行的SW6软件计算时，常常出现换热管的轴向应力超过其许用压缩应力，且被判断为不合格。要使其合格最有效的方法是减小折流板间距，而折流板间距的改变会影响
34、传热，就必须重新进行传热计算。如何解决这个问题呢？首先，看看国外标准的规定。在TEMA-7.2中，只对固定管板式换热器才计算换热管和壳体的轴向应力，对U形管和浮头式换热器，不要求进行轴向应力计算。其次，在工程实际中有大量从国外进口的按TEMA设计的浮头式换热器，都没有计算这个轴向应力，使用多年没有反映出换热管失稳问题；国内设计的这类换热器，虽然计算出的这个应力有的不满足要求，但多年使用也没有反映出有换热管失稳的问题。第三，GB151规定的计算方法中有几点与国外标准ASME、EN 13445规定不一致：a)垫片压紧圆直径Dg，GB151规定按固定端管板取值，ASME、EN 13445规定是按浮动
35、端管板取值。b)管束刚度，GB151规定只与管板的弹性模量有关而与管板厚度无关，ASME、EN 13445规定不仅管板的弹性模量有关也与管板厚度有关。c)换热管的稳定安全系数，GB151的5.7.1.2之(43,44)规定为2（征求意见稿修改为1.5），ASME、EN 13445规定应计算获得并在1.252.0之间。鉴于如此，当用现行的SW6计算出的浮头式换热器的换热管轴向应力，不能满足要求时，可只将其作为参考，不作为判断依据。式中：W浮头盖法兰的螺栓载荷（操作和预紧）hG浮头盖法兰垫片力矩的力背 S浮动管板材料在设温和常温下的许用应力 G浮头盖法兰垫片紧圆直径GShWhGr9.114.14.
36、浮头盖浮头盖 浮头盖内侧最小的深度 浮头盖内侧最小深度，是指浮头盖法兰密封面至球面封头内表面间的距离，其值应根据分程隔板的布置确定，并应满足GB151中5.14.2规定的保证流通面积的要求。浮头盖的热处理 GB151中6.8-a)规定“碳钢、低合金钢的焊有分程隔板的管箱和浮头盖在施焊后作消除应力热处理”，在应用中产生了不同的理解。一种认为只有带分程隔板的浮头盖才要热处理,另一种认为带和不带分程隔板的浮头盖都要热处理.浮头盖是一个法兰与一个球面封头直接相焊。因焊缝属于角焊缝，既承受内压也承受外压力的作用，要求焊缝尺寸比较大，焊接应力也相应较大，且焊缝距密封面又很近。故浮头盖无论带和不带分程隔板都
37、应在焊后进行消除应力热处理。在GB151中5.15规定钩圈有A型和B型。其中B型，因管板插入钩圈较深，浮头部分所占的轴向空间比A型小，所以一般应优选用B型。GB151规定，B型钩圈的厚度等于浮动管板厚度加16mm（公式46），钩圈的剪切面处厚度30mm，钩圈与管板的配合偏差为钩圈内径+0.2/+0.05mm，管板外径0/-0.2mm。按GB151的规定，钩圈与管板的配合偏差可使钩圈与管板成一体而不存在弯曲应力，剪切面30mm厚度可保证B型在任何工况都是安全的。因此，钩圈是不需要进行强度计算的。由于钩圈的受力是来自于与之连接的法兰螺栓，而螺栓载荷与浮动管板的厚度并无线性关系，所以按GB151所规
38、定的钩圈尺寸在强度上不能说是安全的,实际使用中反映出剪切面厚度30mm就有问题。因此,在GB151征求意见稿中，就补充了剪切面厚度的计算公式。GB151管板和钩圈规定的配合偏差，其精度等级是相当高的，采用提高配合精度来免除相当简单的钩圈的弯曲强度计算，这种做法是否合理，大家可以分析。对这种结构的钩圈，在TEMA-1999RCB-5.141和PD5500-2003的3.8.3.7中，除对法兰与钩圈之间有足够的间隙（9.5mm）有规定外，还规定钩圈内径与管板外圆间的间隙为0.8mm和对钩圈的弯曲强度和剪切强度的计算方法。两个标准规定的计算方法，所受的载荷都是连接法兰的螺栓设计载荷，TEMA-199
39、9计算方法较简便，PD 5500-2003方法考虑因素较全面。下面简介TEMA-1999在RCB-5.141规定的钩圈计算方法：按弯曲计算 按剪切计算mmSBYHWT310mmSZWtS610 式中：A钩圈外径，mm。B钩圈内径，mm。C螺栓圆直径，mm。H力背，H=(C-B)/2，mm。T钩圈厚度，mm。t钩圈剪切厚度，mm。W螺栓设计载荷，kN。Z浮动管板外径，mm。Y法兰系数，按K=A/B查取。S、Ss许用弯曲、剪切应力，kPa 在GB151征求意见稿中，补充了TEMA规定公式，但钩圈厚度仍然是管板厚度加16mm。16.法兰总高度 锻制长颈对焊法兰的总高，由法兰厚度、锥颈高度和连接壳体的
40、圆筒长度组成。ASME-1附录2 图2-4中(6)、(6a)、(6b)所示的法兰结构见图14。按ASME图2-4中(6)的规定，当设备法兰锥颈的斜度13，且锥颈高度1.5倍小端厚度时，锥颈小端与壳体可直接相焊（可没有直段圆筒）。当壳体厚度小于小端厚度时，在小端与壳体处可加一长度满足GB150中10.2.4.3削薄要求的圆筒。GB151对设备法兰没有提要求，也就是按GB150规定。在GB150.3-2011中，将ASME-1附录2 图2-4中(6)、(6a)、(6b)所示的法兰结构分成并列的三个图，并在设备法兰标准NB中，不管锥颈的斜度大小全带直段圆筒，致使该标准规定的法兰总高过长。换热器的设备
41、法兰，其总高影响到接管口的位置，接管口的位置不仅影响到管箱长度，更影响到壳程死区的大小。因此，设备法兰的总高不宜过长。法兰密封面法兰密封面 换热器的设备法兰密封面，在GB151中没有规定，TEMA-1999中的R-6.5规定为“垫片连接应是限制型的”。所谓“限制型”连接就是法兰为凹凸面连接。在工程设计中，法兰花一般采用凹凸面，与TEMA要求是一致的。密封面的粗糙度，国内外的标准所规定粗糙度要求基本一致，设备法兰的要求如下表所示：在工程设计中对换热器设备法兰密封面的粗糙度，是按NB设备法兰标准中的规定，除金属平垫外基本上都是采用Ra 6.3。目前，换热器在制造和使用中，设备法兰连接处容易产生泄漏
42、，法兰密封面的粗糙度要求过低可能是一个重要因素。因此，换热器设备法兰密封面的粗糙度要求，应适当提高。垫 片 型 式API 660要求的粗糙度()HG-20583要求的粗糙度()金属平垫1.60.8金属包垫1.63.21.6缠绕垫3.26.33.212.5软垫片密封的齿形金属垫3.26.312.5 垫片 GB151中附录H的规定，是一般法兰连接对垫片的要求。TEMA-1999-RCB-6.2规定“内浮头连接处、设计压力300 psi(2.1MPa)或介质为碳氢化合物的连接处，应采用金属包垫片或实心金属垫片”。API 660-2007中7.10.1条规定“烃介质下的垫片应为内填纤维的双面包金属垫、
43、实心金属垫、有软垫片密封面的金属齿形垫或内填纤维的缠绕式金属垫”，7.10.2条规定当采用缠绕垫时“应规定避免螺旋缠绕垫片过度压缩的办法”。可见，换热器设备法兰连接处的垫片，若采用缠绕垫需要有特别的要求，在工程设计中，用得较多的是金属包垫。法兰计算 换热器上设备法兰有管板两侧的法兰、管箱平盖连接法兰、外头盖法兰、外头盖侧法兰等。这些设备法兰因所在部位不同而受到设计条件的的影响也不同。因此，换热器上的设备法兰设计，除按GB150规定外，还必须根据所在部位考虑下列因素：螺栓设计温度 管板两侧的法兰，由于管、壳程的温度都作用在螺栓上，所以螺栓设计温度应取管、壳程设计温度中之较大值。螺栓载荷 夹持式管
44、板两侧的法兰，由于螺栓是管、壳程法兰共有的，所以螺栓的预紧载荷和操作载荷都应取管、壳程计算所需要的较大值。管、壳程设计压力、温度和垫片的相互影响 夹持式管板两侧的法兰，由于管程和壳程的设计压力、温度和垫片，既分别作用在各自法兰上，又通过螺栓和管板作用到另一侧的法兰上，所以在这对法兰计算中还应考虑管板两侧设计条件不同带来的影响。垫片分程隔条的影响 带分程隔板的法兰。由于垫片带有分程隔条，所以计算螺栓的预紧载荷和操作载荷时，还要考虑垫片分程隔条的影响。考虑垫片分程隔条的影响的螺栓载荷计算方法，TEMA-1999中RPG-RCB-11.7做了规定。法兰刚度 换热器各部位的设备法兰，都应按ASME-1
45、-2007附录2-14进行刚度校核计算。换热器设备法兰的刚度校核，TEMA中一直要求对低压力大直径的法兰按ASME-1附录S（参考性附录）进行核算；ASME-1-2007版，已将法兰刚度校核计算列入附录2-14（强制性附录）中，且没有规定进行核算的限制条件，也就是按ASME-1附录2规定设计法兰，既要进行强度计算，也要进行刚度校核。GB150.3-2011的法兰部分，也按ASME规定了计算公式。进行法兰刚校核的条件,TEMA中规定为低压力大直径。国内外的工程公司也根据各自的经验有不同的规定。有的规定为设计压力2.0MPa、名义直径90mm的法兰需进行刚度校核；有的规定名义直径超过1200mm的
46、法兰要进行刚度计算。旁路挡板是为防止物料横向流动区域未布换热管的部分之间隙较大而形成旁路设置的。对弓形折流板，应设置在物料横向流动区域相邻两块折流板切口间重叠部分。旁路挡板的设置与否取决于旁路间隙的大小；旁路挡板的数量取决于重叠部分的大小，重叠部分越大，需要的旁路挡板数量也越多。GB151的5.13.1规定按换热器公称直径规定旁路挡板的数量是不合适的。什么情况下应设置旁路挡板？旁路挡板数量如何确定？旁路挡板的布置有和要求？旁路挡板与换热管间的间隙取多少？旁路挡板的厚度如何确定？API660（2003、2007版）的规定（见图15）可供设计中采用。API660的规定如下：“7.6.5.1 对非等
47、温介质，当旁路间隙超过5/8英寸（16 mm）时，应采用旁路挡板（如密封条、假管、拉杆）。其位置如下：a.当折流板切口边缘间距为6个管间距时，应提供位于折流板切口间大约中间部位的单个旁路挡板。b.当折流板切口边缘间距为超过6个管间距时，应提供多个旁路挡板。在每块折流板切口边缘至最外侧旁路挡板不大于3英寸（76 mm）的情况下，旁路挡板应位于折流板切口间每57个管间距部位。”“7.6.5.2 外围旁路挡板，应从横向折流板外边缘延伸进入管束，其与邻近管子的间隙不得超过管子间名义间隙。”“7.6.5.3 内部旁路挡板，应放在与邻近管子的间隙不得超过管子间名义间隙的部位。”“7.6.5.5 旁路挡板的
48、厚度应为横向折流板的名义厚度或1/4英寸（6 mm），取较薄者。”“7.6.5.6 旁路挡板，应在每块横向折流板的一侧连续焊上。”“7.6.5.7 旁路挡板的导向端和尾端都应提供斜角或半圆角，以防止安装和拆卸管束时损伤壳体。”“7.6.5.8 外围旁路挡板不得节制管束入口或出口物流。”按上述规定,当旁路间隙超过5/8英寸（16 mm），在各部位旁路挡板的设置和要求,可应按下述方法处理：a)对管束外围，局部旁路间隙超过规定值区域小于3英寸者，不必设置旁路挡板。b)对管束内部的分程处，管子中心距减与管子排列间距之差不超过16mm者，不必设置旁路挡板。因此，当分程处管子中心距符合标准规定时，除U形弯
49、管跨越处的过大间距部位外，其它部位是不必设置旁路挡板。c)对外围旁路挡板，当折流板或支持板的切边与壳程出入口接管平行时，旁路挡板端部只能焊在出入口以内的折流板或支持板上，而不能焊在出入口以外的管板或支持板上，否则会造成旁路挡板节制管束入口或出口物流；当折流板或支持板的切边与壳程出入口接管垂直时，旁路挡板端部应焊在出入口以外的管板或支持板上，否则在出入口部位是短路的。d)中部旁路挡板，其端部应焊在出入口以内的折流板或支持板上。另外，GB151中5.13.2条规定的挡管，要求两端焊死。挡管是旁路挡一种。因其为管子，必须将其一端（介质入口端）堵死，否则会造成短路；挡管两端不能都堵死，因其会造成管子受
50、外压。18.可抽管束换热器的滑道 GB151中5.17只规定了可抽管束换热器的滑道形式，而对各种形式自在什么条件下选用没有规定。API 660-2007中对划道设置做了详细的规定，可供设计时参考。API 660-2007的规定为：“7.6.6.1可抽管束重量超过5450kg，应设置连续滑动面以供管束移动。”在工程设计中，一般对管束重量 3吨的可抽管束式换热器和釜式壳体的可抽管束式换热器都设置划道。S型浮头换热器外头盖的长度，要满足两个条件：一是满足管束和壳体伸缩量要求（见图17中的a），二是满足安装和拆卸浮头盖螺母所需的空间（见图17中的c）。图中a为浮头盖法兰与外头盖筒体封头焊缝间距离，应满
