管壳式换热器设计中应注意的问题

管壳式换热器设计中应注意的几个问题

白建涛

（中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院 吉林省 吉林市132002）

摘要：本文对在换热器设计中，我们图纸中经常出现的错误和问题进行了简要的总结。 关键词：管壳式换热器；设计；问题

Several problem shall we to take care of on tubular exchanger design

BAI Jian-tao

（PetroChina of Northeast Refining & Chemical engineering Co. Ltd Jilin Design Institute Jilin 132002, China）

Abstract: The paper is a summary of several mistakes and problems that often appeared on tubular exchanger drawing.

Keyword: tubular exchanger; design; problem

在换热器设计中，设计者虽然以GB151—1999《管壳式换热器》作为管壳式换热器的设计依据，但常常会忽视标准规范中的某些说明而导致设计不正确或不合理，从而影响设备的安全可靠性。下面就几种我们图纸中常出现的问题，提醒设计者在设计工作中引起重视。

1.换热器类别的确定以及相关的技术要求

《固定式压力容器安全技术监察规程》A1.3.2规定：多腔压力容器（如换热器的管程和壳程、夹套容器等）按照类别高的压力腔作为该容器的类别并且按该类别进行使用管理。但应按照每个压力腔各自的类别分别提出设计、制造技术要求。

2.换热器管程设计压力大于壳程设计压力时，壳程试验压力的选取问题

当管程设计压力大于壳程设计压力时，为了检查管子与管板连接的严密性，壳程的试验压力可按下面的几种方法处理，应在技术特性表或技术要求中提出：

(1)提高壳程的试验压力等于管程试验压力。

采用这种方法时，必须首先核算壳体在压力试验时产生的应力，要求壳程任意点的一次薄膜应力的计算值不得超过所用材料在试验温度下的90％屈服极限。同时接管、法兰也应满足压力试验条件下的强度要求。

(2)若经过计算后不能采用上述方法试验，或从技术经济考虑不合理时， 则壳程、管程按各自要求的试验压力进行试验合格后，壳程应参照HG20584-1998附录A《压力容器氨渗透试验方法》进行氨渗漏试验。

(3)对有特殊要求的换热器，如高压换热器等可用低压纯氨进行试漏或采用卤素检漏等方法试验。

3.管板本身兼做法兰，并且直径较大或者厚度较厚时，材质选择问题

此时管板最好用锻件加工，尽量不用板材加工。因为厚板有分层倾向，在上述情况下如用板材加工成管板，特别容易出问题。

4.换热管受压失稳当量长度计算问题

在进行换热管计算时，有些设计者将换热管受压失稳当量长度L，给出了一个大一些的数值，而不按GB 151规定进行计算，这是错误的。因为GB 151中的数值是将换热管作为压杆，换热管与管板的连接端视为固支端，折流板、支撑板视为铰支端，即按材料力学压杆的理论计算得出的，所以应据此计算换热管受压失稳当量长度， 才能保证管板计算结果的正确性。 5.多管程管壳式换热器，分程设计时应考虑的问题

(1)应尽可能使各管程换热器管数尽可能大致相等，以达到换热器各管程流速基本相等，达到良好的换热效果。各管程换热器管数相对误差应控制在10%以内，最大不超过20%。

(2)做到分程隔板槽尽量简单，密封面长度尽量短。

6.隔板槽面积取值的问题

在用计算软件进行管板计算时，要求输入隔板槽面积，有很多设计者直接计算出隔板槽的几何面积，这是错误的。这里要求输入的应该是GB 151中的A ，是在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支撑的面积。另外，多管程换热器分程隔板槽面积应取各条隔板槽面积之和。

7.卧式换热器折流板布置问题

卧式冷凝器介质为气、液共存，折流板应左右布置，并在折流板的最底处开通液口。有的设计者在这种情况下，将折流板的缺口上下布置是不合适的，缺口上下设置时，不利于冷凝液的排出。特别当冷凝液位高于上置折流板的下缺口时，会形成液封，阻碍蒸汽流动，影响设备传热和运行。

8.应注意核算管板的扳手空间是否足够

固定管板延长部分兼做法兰的换热器，当壳程压力很高，管程压力比较低时，如管程选用压力等级较低的设备法兰则螺栓圆直径很小，而此时壳程筒体很厚，这样可能导致扳手空间不足，紧固件组装困难。

9.管板上的管孔及拉杆孔布置问题

管板上的管孔及拉杆孔最好对称布置。不对称布置，管板加工会比较容易出错。如必须做不对称布置，必须保证总图、管束、管板和折流板等零部件图保持一致，因为不同的视角，他们的位置是不同的。

10. 兼做法兰的固定管板，与设备法兰的匹配问题

在设计过程中，经常会出现设备法兰压力等级的改动，而没考虑到管板变动，可能会造成最终的两法兰的轮廓、螺栓孔中心圆直径以及螺栓孔个数的不匹配，在设备制造过程中会造成很大的问题。

11. 立式固定管板换热器支座，膨胀节和拉杆的位置

(1).立式固定管板换热器支座的支承平面一般应高于设备重心和膨胀节，以利于提高设备的稳定性和改善膨胀节受力。如果带有支耳的设备设有膨胀节，设计时要注意螺栓孔中心圆直径大于膨胀节最大外形尺寸（最好先跟结构专业沟通，咨询一下梁的尺寸，然后确定螺栓中心圆直径尺寸），保证设备顺利安装。

(2).立式固定管板换热器拉杆，应在满足组装的前提下把固定端设置在上管板上，无论壳程进口在上方还是在下方。此时拉杆处于最佳受力状态。

12.换热管的拼接问题

换热管如不允许拼接时，应在图样上加以规定。换热管如允许拼接时，也应在图样技术要求中注明“换热管的拼接符合GB151-1999 6.3.3的规定。”

13.对U形管换热器U形弯管部分未提出技术要求的错误

U形管换热器管程流速比较高，会对U 形弯管段产生严重的冲蚀，影响换热管寿命。所以U型管换热器，弯管部分是换热管的薄弱环节，应按GB150-1999 6.3.4对其提出技术要求。若介质有磨蚀的特性，应适当加厚该段换热管的壁厚。 另外要注意换热管用做低温管时，冷弯的弯曲半径小于10 倍的管子外径时，弯后应作消除应力热处理。经热处理供货的低温用换热管材，在热弯或弯曲半径小于10 倍管子外径的冷弯后，必须重新进行与原热处理相同的热处理。

14.换热器焊后热处理的问题

钢板厚度大于16mm的碳素钢和低合金钢制低温换热器或元件应进行焊后热处理。需做焊后热处理的低温换热器，热处理应包括承受较大载荷需做强度计算的非受压件与受压元件的连接接头。

管箱是否进行热处理，要视以下具体情况而定： (1).碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱以及管箱的侧向开孔超过1／3 圆筒内径的管箱，应在施焊后做消除应力的热处理。

(2).奥氏体不锈钢的管箱，一般不做焊后消除应力热处理。当有较高抗腐蚀要求或在高温下使用时，可按供需双方商定的方法进行热处理。

15.固定管壳式换热器焊后整体热处理应注意的问题

固定管壳式换热器焊后热处理有两种方法。一种方法是整体焊后热处理，这种方法关键是如何控制热处理过程中的温差应力，当壳体和管子材料相同时，在加热过程中，壳体受热快而管束受热慢，由于温差作用，壳体的热膨胀伸长比管束大。但壳体的伸长受管束的约束。使管束受到拉应力，壳体受到较大的压应力。当热处理完后，冷却的过程受力与上述相反。因此再加热及冷却时，温度应力应小于材料在该温度下的屈服强度。固定管壳式换热器焊后整体热处理时升温和冷却速度比其他容器严格，这是由于管板、管子、壳体的厚度差较大。曾有由于忽视控制冷却速度，管子与管板连接处大面积裂纹，造成设备重做。另一种方法是分段热处理，先把壳体进行焊后热处理，然后把管板与壳体、管子与管板焊后局部热处理。笔者认为为保证管子和管板连接的使用可靠性，尽量采用分段热处理的方法。

16. 结束语

以上是本人对换热器设计的一个总结。希望大家能引以为戒，在设计工作中应充分考虑换热器的设计参数，标准要求，重视标准中的细节，避免因忽视个别看似不重要的问题而导致设备的不可靠，并且要熟悉计算软件的参数选取，使计算符合设计标准规范的要求，保证设计产品的安全性。

参考文献

[1] GB151-1999,管壳式换热器[S]..

[2] 李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M].北京：新华出版社，2005. [5] 化工压力容器设计—方法、问题和要点[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

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