管壳式换热器设计要点综述

                            管壳式换热器设计要点综述

                                 黄伟昌  王　玉

                 (沈阳汇博热能设备有限公司,辽宁沈阳　110043)

    摘要：管壳式换热器属于多腔容器,且因含管板计算,因此设计复杂。文中通过对管壳式换热器设计要点分类分析,对一些不容易把握的设计问题,提出了建议。文中提出的问题,均来自多年的设计案例。文中还简要介绍了引进设备设计改造的注意事项。文中示例有助于对设计所涉及问题的处置。

    关键词：管壳式;换热器;钢管

    中图分类号：TE974·4　　文献标识码：A　　文章编号：1004-9614(2009)06-0032-03

    1·钢板、钢管负偏差问题

    GB150-1998规定:当钢材的厚度负偏差不大于0·25 mm,且不超过名义厚度的6%时,钢材厚度负偏差可忽略不计。负偏差的问题,在设计上错误出现频率较高,可使壳体壁厚小一档,还可能引起开孔补强不足,应务必引起注意。新版GB713-2008规定的负偏差是0·30mm,钢材厚度负偏差就不能忽略不计了。钢管负偏差问题,主要涉及到两项内容:管束的级别问题(采用普通级的碳素钢、低合金钢冷拔钢管做换热管为Ⅱ级,其余均为Ⅰ级),会影响到管板和折流板管孔的公差精度,还应注意不同材质的换热管所对应的管孔公差是不同的;影响到开孔补强效果,钢管的负偏差均按壁厚的一定比例给出。对于常用的强度计算软件, SW6由程序自带负偏差数据,LANSYS需设计者根据所选板、管标准,输入相应数据。

    2·壳体、管板、设备法兰、管法兰的设计

    2·1　壳体

    按GB151-1999表8、表9,一般在较低的设计压力下,在耐压能力方面,壳体是偏厚的。这主要是为了保证壳体刚度,浮头式和U形管式还要考虑一定的磨损量,所以,比固定管板式还厚。如果厚度附加量C2大于1,最小厚度还应相应增加。

    2·2　管板

    设计管板时应注意两点:管板的布管数要足够;延长部分兼作法兰的管板,其许用应力的选取,一定要注意GB150-1998第4章表4-1注4、表4-5注2,即不得选用该行数据,否则,设计将出现重大错误。在管板计算时,换热管受压失稳的当量长度lcr,应按GB151-1999图32所示5种情况,比较得出最大值。有些设计计算书中,输入的并不是lcr的最大值。当管板本身具有凸肩并与圆筒(或封头)对接连接时,应采用锻件;用钢板作管板,对于厚度大于50mm的20R、16MnR材料,应在正火状态下使用。

    2·3　设备法兰、管法兰

    选用设备法兰时,应详细了解JB/T4700-2000规定内容,特别应注意法兰类型、材料、温度、垫片的关系。现实中,有甲型法兰配缠绕垫和选用不锈钢材料不经过计算的错误。对长颈法兰,当工作压力大于或等于0·8倍该标准中规定的最大允许工作压力时,法兰与圆筒的对接焊缝必须进行100%的射线或超声检测,按JB/T4730. 2~4730. 3-2005检测。射线检测Ⅱ级合格,超声检测I级合格。当法兰所在容器图样的容器的检测未能满足要求时,则该要求应在图样中标明。也就是说,当满足上述使用条件,环缝采用100%的射线或超声检测时,可以不必强调这项要求,但如果除此环缝外,其他环缝与此有差别,该条一定特殊提出来。

    与长颈法兰相连接的圆筒厚度应大于等于JB/T4703-2000中规定的对接筒体最小厚度δ0,且筒节长度不小于。当对接圆筒厚度小于δ0时,应按JB/T4703-2000中的表3要求,调整法兰总高度H,并同时标明法兰厚度。该项应选择经济效益好的方案。

    管法兰主要有欧洲和美洲两大体系,其中HG20592~20635-1997最具代表性。对板式法兰应谨慎选用,有关管法兰的技术要求一定遵循HG20603(20624)-1997和HG20604(20625)-1997规定。现实中,有带颈平焊直接用厚板加工和锻件级别选错的情况。

    设备法兰、管法兰选用与设计,一定要注意配套的垫片与介质的相容性、垫片与法兰的配套性。要注意随着温度升高,法兰的耐压能力急剧下降。

    3·划类、程数

    容规对多腔压力容器(如换热器的管程和壳程)按照类别高的压力腔作为该容器的类别进行管理。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。对各压力腔进行类别划定时,设计压力取该压力腔的设计压力,容积取该压力腔的几何容积。　　

    管程分程是设备实现工艺性能的结构要求,GB151-1999只罗列了1、2、4、6、8、10、12 7种,远远不能满足工艺要求,为了实现换热的最优化,也可设计除单程以外的其他奇数程数,引进设备的奇数程数和超过12管程数明显多于国内的。限于国内的配件实际配套能力,设计时应尽可能选用有标准型垫片供应的管程数。

    壳程虽然也可以分程,但不及管程普遍,加之程间的密封效果差,应谨慎选用。引进设备多以重叠形式来实现多壳程目的。

    4·膨胀节、防冲板设计

    一般情况下,适于GB151-1999的4种换热器中,只有固定管板式在有些情况下壳体须设置膨胀节,设计时可直接按GB16749-1997给出的参数进行校核确定,一般以单层单波为主。但在希望膨胀节刚度较小的场合,可选择多波或多层。在压力高和腐蚀严重的场合,应避免采用膨胀节,要选用其他不含膨胀节的换热器结构型式,或将管、壳程介质进行调换。防冲设计是管壳式换热器设计的重要组成部分。实际上,许多由于振动损坏的问题,应归于防冲板的设计不合理。也曾有防冲板掉下来的情况发生。推荐使用带导流的防冲结构型式。另外,从大量的引进设备发现,除外导流结构型式外,防冲板很少与壳体直接连接,一般均设置在管束上。这样有两个好处,进口流体通道更为通畅;管束的的安装方向不受限制。

    5·管程、壳程压力不同时设计处理办法

    (1)壳程试验压力大于等于管程时,可遵循GB151-1999试验顺序先后试压。

    (2)当管程试验压力大于壳程,又无法提高壳程试验压力时,应在壳程压力试验完成后,选用其他的辅助办法,对管接头进行必要的检查,如HG 20584-1998附录A压力容器氨渗漏试验方法中的B法。

    (3)对壳侧需升压试验的场合,应按GB150 -1998中3. 8. 2要求进行应力校核,并满足规定条件。还应校核壳侧管法兰,是否满足升压试验压力指标。安装在设备上的管法兰,其水压试验压力一般应不大于该管法兰在20℃时最高无冲击工作压力的1·5倍。还应对壳侧的膨胀节、补强、管板进行耐压能力判定。　　

    6·热处理问题

    (1)管箱、浮头盖的热处理。碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖以及管箱的侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱需进行热处理。

    (2)有耐应力腐蚀时,碳钢、低合金钢钢管制的冷弯U型管的弯管段及至少包括150 mm的直管段应进行热处理。冷轧的强化换热管也需进行热处理。

    (3)部分有色金属冷轧的强化换热管,如黄铜需进行热处理。除不锈钢外,拼接后的管板应作消除应力热处理。满足GB150-1998中10. 4条款及容规要求需要热处理的。

    7·标准未明确的几个问题

    (1)垫片问题。GB150-1998表9-2给出常用的垫片性能,但不能完全满足设计要求。HG20592~20635-1997编制说明中表10,给出了几种新材料的垫片系数m和比压力数值y,设计时可参考。

    (2)GB151-1999内5. 15款给出了A型和B型两种钩圈,从材料消耗情况来看, B型钩圈更省料,且加工精度要高于A型,应优先选用。

    (3)在GB151-1999内5. 14. 5. 3款b项浮头法兰计算表47附图中,球冠形封头插入法兰深度l对法兰计算厚度影响较大。外压工况下,增加l可使法兰减薄,但在内压工况下的作用与外压相反,可按GB151-1999标准释义取球冠形封头名义厚度加2 mm.

    (4)GB 151-1999内5. 6. 6. 2款图17,分程隔板槽拐角处,一般不布管。

    (5)管板使用爆炸复合板时,应按结合率100%提出技术要求。立式换热器的拉杆固定端,应尽可能设置在上管板上。鉴于浮头式换热器浮头垫片所处的位置和重要性,不宜选非金属垫片。

    (6)当设计压力较高时,GB151-1999给出浮头式换热器中的浮头法兰和勾圈外径,已经无法满足螺柱直径的增大,此时,应适当加大两者外径。

    (7)强度焊管接头承受换热管轴向剪切载荷和密封要求的焊缝高度应大于或等于1·4倍的管子壁厚,还必须是填丝的氩弧焊。

    8·引进设备国产化改造问题

    引进设备大多是按照ASMEⅧ-1设计的,国产化首先遇到的是体系的变化,具体包括材料的改变,直径的调整(用英寸的应转化成通用的mm,并尽可能按公称系列进行圆整)。

    2001版本以前ASMEⅧ-1的水压试验压力按式(1)(2001版及以后版1. 5已经改为1. 3):

    

    式中:p1为最大允许工作压力(或设计压力);S1为容器试验温度下材料的应力值;S2为容器设计温度下材料的应力值。

    GB150-1998规定的水压试验压力为

    

    式中:p2为设计压力;S3为容器元件材料在试验温度下的许用应力;S4为容器元件材料在设计温度下的许用应力。

    实际上,由于安全系数及计算公式不同,按ASMEⅧ-1计算的壳体厚度要比按GB150-1998计算的厚。

    例如,某管壳式换热器壳程材料为SA516-70(相当于国内16MnR),内直径800 mm,设计温度200℃,设计内压力2·5MPa,腐蚀裕度k=2·0 mm,焊接接头系数0·85,材料的许用应力为138 MPa(170 MPa)。试按ASMEⅧ-1和GB150-1998分别计算壳体最小厚度和试验压力。

    (1)由Ⅷ-1 UG-27可知, 0·385SE=45·16MPa>2·5MPa.腐蚀后圆筒内半径R=402 mm.

    

    

    系数取1·3,则试验压力为3·25MPa.

    (2)按GB150-1998计算得:

    

    管接头与管板的连接形式大多为强度胀及强度胀+密封焊,国内多以强度焊+贴胀为主。另外,国外的管间距比GB151-1999规定小,如GB151-1999规定Φ19管间距为25,国外普遍为23·8 mm.还有,国外均以极端条件设计设备,在转化时要注意。国外设备大多用一张图来表达,国内习惯总图加零部件图来设计制造。

    在最大限度地保证原设备的结构形式、方位尺寸情况下,应重新按国内标准体系进行设计。大多数情况下,不改变原设备的管法兰体系和压力等级。设计时,还应考虑国内的制造工艺水平。必要时,需对设计方案进行调整。

    一般情况下,不管有无原设备图纸,均需现场测绘复核验证,以现场测绘数据和铭牌数据为准。由于设计体系上的差异,GB151-1999尚无法解决一些特殊结构的管板计算问题,可按JB4732-1995附录I给出的方法或是有限单元分析设计方法处理。

    9·示例

    设计一立式固定管板换热器,耳式支座,型号为BEM800-2. 5/1. 6-102-3/25-2I,设计参数见表1。

              

    形成的总图基本结构见图1。

             

    除按正常的强度计算内容外,该换热器主要技术要求必须包含下述内容: 

    (1)根据该换热器设计参数,壳程不需划类,管程需划类。综合分析,该换热器应划为二类容器。 

    (2)壳程接管法兰必须采用长颈对接型式(满足GB151-1999 5. 4. 2 c要求,至少2·5MPa级)。

    (3)上管箱必须进行焊后热处理(满足GB 151-1999 6. 8 a要求)。

    (4)拉杆安置在上管板(在壳程介质入口位于上端时,使流体冲击动力与重力方向一致,减轻折流板窜动引起管孔磨损换热管)。

    (5)设备法兰如选用长颈法兰(16MnII, 2·5MPa),其与管箱短节的环焊缝应按JB/T4730. 2-2005, 100%检测,Ⅱ级合格(依据JB/T 4700-2000 6.6.1.2)。

    (6)如校核通过,壳程应进行升压试验(不低于管程试验压力)来检验换热管接头;如不通过,应按HG20584-1998附录中的B法检验换热管接头。

参考文献:

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[5]　GB/T 4237—2007　不锈钢热轧钢板和钢带.

[6]　GB 713—2008　锅炉和压力容器用钢板.

[7]　GB 151—1999　管壳式换热器.

[8]　JB/T 4700~4707—2000　压力容器法兰.

[9]　JB/T 4730. 1~4730. 6—2005　承压设备无损检测.

[10]　HG 20592~20635—1997　钢制管法兰、垫片、紧固件.

[11]　国家技术监督局.压力容器安全技术监察规程.北京:中国劳动社会保障出版社, 1999.

[12]　GB 16749—1997　压力容器波形膨胀节.

[13]　HG 20584—1998　钢制化工容器制造技术要求.

[14]　全国压力容器标准化技术委员会.GB 151—1999《管壳式换热器》标准释义.昆明:云南科技出版社, 2000.

[15]　李世玉.压力容器设计工程师培训教程.北京:新华出版社, 2005.

[16]　ASMEⅧ—1　压力容器建造规则(2004版).

[17]　JB 4732—1995　钢制压力容器分析设计标准.

作者简介:黄伟昌(1977—),工程师,主要从事管壳式换热器的选型、设计、制造工作。