板式冷却器引起侵蚀及振动

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　　第三章 列管换热器结构设计 目录 节 列管式换热器零部件的工艺结构设计 第二节 列管式换热器机械结构设计 第三节 其他结构设计 第四节 列管式换热器机械设计 第五节 设计示例 节 列管式换热器零部件的工艺结构设计 一、分程隔板 在换热器中，要提高流体的给热系数，常采用 隔板来增加程数以提高流体速度。 1、管程分程隔板 管程分程隔板是用来将管内流体分程，一个管程 意味着流体在管内走一次，管程分程隔板装置在管箱 内，根据所需分的程数的不同有不同的组合. 应使各程管子数目大致相等，形式要简单，焊缝 尽量少，密封长度要短，温度不超过28℃左右为宜。 （1）分程隔板结构 分程隔板应采用与封头、管箱短节同等材料，除密封 面外，应满焊于管箱上。设计时要求管箱隔板的密封面与 管箱法兰密封面，管板密封面与分程槽面必须处于同一基 准面。 （2）分程隔板厚度及有关尺寸 当承受脉动流体或隔板压差很大时，隔板的厚度应适 当增厚,当厚度大于10mm的分程隔板，在距端部15mm处开 始削成楔形，使端部保持10mm。 2、纵向隔板 在壳侧介质流量较小的情况下，在壳程内安装一 平行于传热管的纵向隔板。如图4-2 防止短路的方式： 如图4-3所示： (a)为隔板直接与筒体内壁焊接，但必须考虑 到焊接的可能性； （b）纵向隔板插入导向槽中； (c)、(d)分别是单双向条形密封，防止间隙短 路，对于需要将管束经常抽出清洗者，采用此结构。 管板与隔板的连接形式 如图 (a)为隔板与管板焊接， (b)是隔板用螺栓联接在焊于管板的角铁上的可 拆结构. 3、分割流板 在壳体上有对称的两个进口及一个出口时，如图中 J型壳体 二 折流板或支撑板 几种常见的折流板形式见图4-5所示 1、弓形折流板的主要几何参数 弓形折流板引导流体以垂直方向横穿过管束， 能提供高度的湍动和良好的传热，主要几何参数是 切口尺寸h和挡板间距B. 在上述原则下确定的尺寸不是的，应考虑制造、安 装及实际情况进行圆整及调节为适用于工程上尺寸。 1、切口高度h按20%（或25%）Di确定后还考虑折流板制造 中，可能产生的管口变形。管式换热器 2、间距B=（1/5～1）Di之间确定、从小50mm起按50mm， 100mm，200mm，300mm，450mm，600mm圆整。 3、由工艺条件决定管内流体给热系数αi很小而管外 α0又很大时，这时就没有必要通过减少间距B来提 高壳程的给热系数α0 4、折流板一般应使靠近管板的块或后一块折 流板尽可能靠近壳程进、出口接管，靠近管板的折 流板与管板间距离如图4-7所示: 2、弓形折流板排列方式确定 （1）水平切口（图a、b，缺口上下布置） （2）垂直切口（图c，缺口左右布置） （3）倾斜切口（图4-5a，缺口倾斜布置） （4）双弓形缺口与双弓形板交替（图4-5b） 3、折流板与壳程间隙 折留板与壳程间隙依据制造安装调节，在保证顺利装 入的前提下，越小越好，一般浮头式和U型管式换热器 可允许比固定管板式大1mm，折流板外圆直径和下偏差 见表4-2。 4、折流板厚度 折流板厚度与壳体直径、换热管有无支承长度有关, 其数值不得小于表4-3规定。 5、折流板的管孔 （1）折流板的管孔直径与公差按GB151规定：Ⅰ级换热 器，管孔直径与允许差按表4-4规定；Ⅱ级换热器按表4- 5规定。 （2）管孔中心距 折流板上管孔中心距见表4-7，公差为相邻两孔±0.03， 任意两Ⅳ±1.00mm。 （3）管孔加工 折流板上管孔加工后两端必须倒角0.5×450 6、板式冷却器支持板 换热器壳程介质有相变时，无需设置折流板； 换热器无支承跨距超过表4-6规定时，应设置支持板； 浮头式换热器浮头端必须设置支持板，支持板可采 用加厚的环板。 三、拉杆、定距管 1、拉杆的结构形式 （1）采用全焊接方法 如图4-9（c）。 （2）拉杆定距管结构 常见的形式如图4-9 （3）螺纹与焊接相结合如图4-9（a） （4）定距螺栓拉杆如图4-9（e） 拉杆的结构形式（图4-9） 2、拉杆直径、数量和尺寸 （1）拉杆直径和数量 按表4-7和表4-8选取 （2）拉杆尺寸 按图4-10和表4-9决定 （3）拉杆布置 应尽量均匀布置在管束的外边缘 四、旁路挡板、防冲板 1、旁路档板 主要作用： 为防止壳程物料从这些旁路大量短路，在管边缘的 适当位置安装旁路挡板和在分程部位的适当的地方安 装假管或带定距管的拉杆来增大旁路的阻力，迫使物 料通过管束进行换热。 2、防冲板 （1）防冲板的用途及其设置条件 用途： 为了防止壳程物料进口流体对换热管表面的直接冲刷， 引起侵蚀及振动。 设置条件： 对有腐蚀或磨蚀的气体和蒸汽应设置防冲板。 对于流体物料，当其值超过下列值，设置防冲板。 ① 非腐蚀、非磨蚀的单相流体ρv22230kg/m.s2 ② 其他流体、包括沸点下的流体，其中 ρv2740kg/m.s2 防冲板的安装形式（图4-15） 五、接管 1、接管的一般要求： （1）接管不应凸出壳体内表面 （2）接管应尽量沿径向或轴向布置 （3）设计温度在3000C以上时， （4）用整体法兰。对利用接管仍不能放气和排液，应设置 放气口 （5）操作允许时，接管与外部管线的连接也可采用焊接。 （6）必要时可设置温度计接口、压力表及液面计接口。 2、接管直径的确定 管径的选择取决于： 1）适宜的流速处理量， 2）结构协调， 3）强度要求 ? ? ? 在选取时常综合考虑如下几种因素： （1）使接管内的流速为相应管、壳程流速的1.2～ 1.4倍。 （2）在压降允许的条件下，使接管内流速为下值： 管程接管 ρv2〈3300kg/m.s2 壳程接管 ρv2 〈 2200kg/m.s2 （3）管、壳程接管内的流速参考表4-10、 表4-11选 取。 ? ? l 4.接管位置小尺寸 带补强圈 无补强圈 如图 L1≥B/2+（b-4）+C； L1≥ d0/2+（b-4）+C； 管箱接管小尺寸见图4-17按下式估算： 带补强圈 L2≥B/2+hf+C； 无补强圈 L2≥ d0/2+ hf+C 5、接管法兰的要求： （1）凹凸或榫槽密封面的法兰，密封面向下，一般 应设计成凸面或榫面，其他朝向，则设计成凹面或榫 面。 （2）接管法兰螺栓通孔不应和壳程主轴中心线、排气、排液管 排液的换热器应在壳程的，点，管式换热器分别设置 排气、排液接管 排气、排液接管的端部必须与壳体或管结构箱壳体 内壁平齐 其结构如图: 六、管板的结构尺寸 第二节 列管式换热器机械结构设计 一、传热管与管板的连接 二、管板与壳体及管箱的连接 三、管箱 一、传热管与管板的连接 造成连接处破坏的原因主要有： （1）高温下应力松弛而失效 （2）间隙腐蚀破坏 （3）疲劳破坏 （4）由于热补偿不好引起的破坏 管子与管板的连接形式：强度胀接、强度焊接与 胀焊接混合结构。 应满足以下两个条件： 连接处保证介质无泄漏的充分气密性；承受 介质压力的充分结合力。 二、管板与壳体及管箱的连接 1、管板与壳体的连接 常见的连接形式如下 （1）延长部分兼作法兰的管板 （2）不带法兰的管板 2、管板与管箱的连接 多数是靠法兰的连接,形式很多,随着温度,压力 及耐 腐蚀情况不同而异. （1）固定管板式换热器与管箱的连接 （2）浮头式、填料函式、U形管式换热器和釜式重沸器 管板与管箱、壳体的连接可拆式换热器的管板形式： ? ? ? ? 图4-34(a)的形式，用得较多； 图4-34（b）的形式适用于管程需要经常清洗的场合； 图4-34（d）的形式适用于两承压力相差较大的场合； 图4-34(e)、(f)两种形式用在管程压力与壳程压力相差 较大而需要不同密封形式螺柱结构的场合。 三、管箱 管箱的作用 : 把管道来的管程流体均匀分布到各热管和把管内流体汇 集在一起送出换热器 1、管箱结构形式及应用 管箱结构形式如图3-1。 (1) A型 (2) B型封头管箱型 (3) C型、N型管箱 (4) 多管程换热器的介质返回管箱见图3-1 中后段结构形式时所列的形式见图4-35。 (5) 单程换热器管箱 2、管箱结构尺寸确定 管箱法兰通常用长颈法兰和平焊法兰。 管箱要确定的尺寸主要是管箱长度。 （1）管箱小长度 1）管箱小长度的确定原则： ①单程管箱采用周向接管时,小长度应大于或 等于接管内径的1/3，如图4-35(d)。 ②多程管箱，小流通面积应大于或等于其中一程的管 内流通面积的1/3倍。 ③管箱上各相邻焊缝间距必须大于或等于4s，且应大于 或等于50mm，其中s为管箱壁。 （2）管箱小长度计算 管箱小长度计算涉及几何尺寸见图。 A型管箱见图4-35（a)， 按流通面积计算 Lg min ? 式中，E值按表选取 π d i2 N cp 4E (m m) B型管箱见图4-35(b) 按流通面积计算 4E 式中E值按表4-21选取 Lg min ? π d i2 N cp ? h1 ? S P 2、管箱长度 确定方法： 在与换热器轴线所示范围 确定出角α的范围 第三节 其他结构设计 一、法兰选用 二、垫片 三、膨胀节 一、法兰选用 1、法兰的形式 （动画） 结构形式为：平焊法兰及对焊法兰。 法兰的密封形式：平面、凹凸面和榫槽面。 法兰的结构形式和密封面形式应根据使用介质、设 计压力、设计温度、公称直径等因素来决定。 2.标准法兰的选用 标准法兰有：JB4701 甲型平焊法兰 JB4702 乙型平焊法兰 JB4703 长颈对焊法兰 法兰标准有：GB9112～9125。 新的容规提出压力容器应优先推荐采用HG20592～ 20614以及HG20615~ 20635 换热器的接管法兰一般应选用管法兰，至于选用哪 一种标准，根据布管要求来选定 二、垫片 设垫片标准有： JB4704 非金属软垫片 JB4706 金属包垫片 1、垫片结构 2、垫片尺寸 3、垫片的选择 JB4705 缠绕垫片 三、膨胀节 （图） 膨胀节依靠易变形的挠性构件对管子与壳体的热膨胀差进 行补偿，以此来缓解或降低壳体与管子因温差而引起的 温差应力。 1、结构形式： （1）波形膨胀节（U型膨胀节） （2）平板膨胀节 （3） ?形膨胀节 （4）夹壳膨胀节 2.膨胀节设置必要性判断 通过计算由温差产生轴向力和压力产生轴向力共同作 用，得到： 换热管应力、 壳体应力及管子拉脱力 当σs2φ[σ]ts或σt2[σ]tt时应设置膨胀节 。 3、强度计算 包括： (1)温差引起的轴向力计算 （2）补偿量的计算 （3）膨胀节疲劳寿命计算 四、支座 1、立式支座 支座。 支座在换热器上的位置，根据工艺安装的要求确定。 立式支座的尺寸和要求，按JB/T4725B型、BN型悬挂式 支座规定。 （动画） （动画） （动画） 公称直径的立式换热器，至少采用两个支座或用四个 2、卧式支座 第四节 列管式换热器机械设计 一、管板强度计算简介 二、壳体、封头强度计算 三、板式冷却器法兰、浮头盖、钩圈 一、管板强度计算简介 （1）把管板当作承受均布载荷且放置在弹性基 础上的圆板，计入孔削弱的影响，计算弯曲 应力。 （2）把管板当作孔承受均布载荷的圆板计入孔 削弱的影响，根据强度理论计算其弯曲应力， 而把边缘支承情况分为简支和固支。 （3）把管板简化为四管简支的棱形面积受均布 载荷用弹性理论校核弯曲应力。 （4）按弹性理论为基础的极限载荷法，求 弯曲应力 1、管板的安装方式分析 管板是一般受压容器所没有的特殊受压元件， 它或者与筒体直接相焊(固定管板换热器)，或者 被夹持在两片法兰之间，起着管、壳程之间隔板 和固定换热管的双重作用 在管壳式换热器的制造成本中，管板占有相 当大的比重。而且受力复杂，所以管板的强度计 算在换热器设计计算中占有十分突出的地位。 要进行管板厚度的计算应首先确定管板的设 计压力。 2、管板的设计压力Pd 在换热器正常操作时，管板的管程侧和壳 程侧同时受压 （图） 此时管板仅承受管、壳程压力之差 但在操作过程中并不是任何时候都可以保 持壳程和管程同时加压/和或这个压力差恒定 管板的设计压力就应考虑多种情况中为 危险的一种 2、管板的设计压力Pd 如何确定管板的设计压力讨论： (1)若能保证管、板式冷却器壳程压力在操作过程中，任何情 况下都同时作用或管程和壳程之一为负压时；则管 板的设计压力Pd由如下公式确定： Pd=∣Ps-Pt∣ 式中： Ps—壳程设计压力，即用来进行壳程强度计算 时采用的设计压力； Pt—管程设计压力，即用来进行管程强度计算时采用的设计 压力 能保证管、壳程压力在操作过程中，任何 情况下都同时作用的情况，在炼油加氢装置 中可遇见 此时：管板的设计压力可根据循环氢压缩 机的进出口压差来确定 注意：这种按压差设计管板的换热器，试压也应 在管、壳程同时进行且管、壳程压差不得超过许用值 2、管板的设计压力Pd (2)如果不能保证管、壳程压力在任何情况下都能同时作 用时，则不允许用壳程设计压力与管程设计压力的压力差进 行管板设计，这时管板的设计压力Pd应取其中的较大值。 (3)以上(1)(2)两条确定管板设计压力的原则只是针对U形 管和浮头式换热器 当为填料函式换热器时，管板的设计压力Pd就应取管程设 计压力 (4)固定管板换热器的管板计算比较复杂。 一般可以采用无需确定管板的设计压力，而是引入了有效 压力组合Pa、当量压力组合Pc和边界效应压力组合Pb三个 概念 其中： Pa=ΣsPs-ΣtPt+βγEt 对于不带法兰的管板； Pb＝C’(Ps-0.15Pt)-0.85C” Pt 对于其延长部分兼作为法兰的管板： Pb=0 Pc＝Ps-Pt (1十β) 上三式中 Σs、Σt、管式换热器β、 C’ 、C” ——系数； Y一换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差； Et——换热管材料弹性模量，MPa 在确定三个参数的公式中，除了考虑管程设计 压力Pt和壳程设计压力Ps外，还应考虑以下四种 压差的危险组合工况： a)只有壳程设计压力Ps，而管程设计压力Pt＝0，不计 入膨胀变形差 b)只有壳程设计压力Ps，而管程设计压力Pt＝0，计入 膨胀变形差 c)只有管程设计压力Pt，而壳程设计压力Ps＝0，不计 入膨胀变形差 d)只有管程设计压力 Pt，而壳程设计压力Ps＝0，计入 膨胀变形差 2、管板的设计压力Pd 然后计算在上述四种情况下的有效压力组合Pa、当量压 力组合Pc和边界效应压力组合Pb 再由这四种情况下的Pa、Pb和Pc，根据预设的管板厚度， 计算出每种危险工况组合下管板中的各项应力值和拉脱力 如果各应力值和拉脱力分别满足许用应力和许用拉脱力 的要求，则计算完毕。否则需重新猜算 因此，固定管板换热器的计算一般都采用计算机程序来 进行，这样可以反复对管板厚度进行猜算和优化。 3、常用计算方法 介绍几种常用方法： （一）B.S法 （二）管板TEMA设计法 适于浮头，填料函，U型管式及带膨胀节 的固定板式换热器。 管板的设计应满足：必需的弯曲强度 必需的剪切强度 b ? 0.3 0 9D0 p ?? ?t (1 ? d t ) b?K D 2 P ?? ?t 胀接所必需的管板厚度 一般的对小于25mm的换热 管，管板小厚度为3d0/4mm. 设计管板厚度应以以上三 者中的值，然后加上厚 度附加量。 （三）管板厚度表的使用 表4-30为常用的延长部分兼作法兰的管板厚度表。 计算条件有以下几条： （1）换热管材料10号钢[σ] =108MPa （2）管板材料16Mn [σ] ＝ 147MPa （3）实际温度为200℃ （4）壳体、管箱短节的纵向焊缝系数 （5）换热管与管板采用胀接连接，对6.4MPa及带*者， 采用焊接。 在选用厚度后，仍需对管子与管板拉脱力进行校核。 采用以下过程校核。 1.管、壳壁温差引起的拉脱力 P? at tt ? as t s 1 1 ? naE BES t 管子上热应力 在热应力下每平方厘米连接周 边上产生的拉脱力 P ?t ? ft 2 ? t a ? t d0 ? di2 管子拉脱力 qt ? ? ? 管子胀接周边面积 π d 0lt 4d 0lt ? ? 2.操作压力引起的拉脱力 qp pf ? π d 0 lt 式中 P——可比与管壁温差影响产生的力， N qt，qp——热应力，操作压力产生拉 脱力，MPa di，d0——传热管内、外径，mm ft——管程金属截面积，mm2 p——操作压力，MPa f——每四根管子之间管板面积，mm t——管间距，mm 3.校核准则 当热应力产生对管子胀接周边的 作用力与由操作压力产生的对管子胀 接周边作用力方向相同时， q ? qt ? q p 反之 q ? qt ? q p 当满足q≤[ｑ]时，拉脱力校核为合格。 二、壳体、封头强度计算 在换热器中 壳体、封头及管箱短节的厚度应按JB150计算， 但圆筒的小厚度按GB151钢制管壳式换热器规定确定 三、法兰、浮头盖、钩圈 法兰按GB150设计计算 浮头式换热器中的浮头盖的计算，按GB151和GB150要 求进行。 钩圈分A型和B型两种。 A型钩圈材料需确定后按GB151 设计钩圈厚度， B型钩圈的材料与浮头管板材 料相同，这种钩圈的设计厚度按国标确定。
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