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换热器设计中的常见问题

2018.07.24      点击: 105

 前言:

  石油和化工设备中的管壳式换热器的设计是以GB151-1999《管壳式换热器》为基础进行设计的,但有些设计者因未能完全理解标准的内涵,对一些条款的忽视和不理解而造成设备设计的错误,从而影响了设备的安全可靠性。本文简略阐述了其中的一些问题,提醒设计者在设备设计中重视。

  1.GB151适用范围

  GB151适用参数为公称直径DN≤2600mm,公称压力PN≤35MPa,且公称直径和公称压力的乘积不大于1.75x104 mm?MPa。标准限定最大设计参数范围是为了避免过于笨重、结构上的不合理设计。对于超出上述参数范围的换热器,特别是工程中可能遇到的中、低压大直径换热器,作为设备整体在结构尺寸合理设计的前提下完全可以应用标准给出的设计原则。

  除GB151中所列的五种常用的换热器型式外,如折流杆换热器、绕管式换热器在合理的传热计算基础上,也应参照GB151-99进行设计。

  对于一些特殊结构、布管和载荷条件特殊、或操作条件特殊的换热器设计应予以特殊考虑,特殊情况如下:

  a.圆环形管板

  b.边不布管区较宽(k>1.0)的固定式管板

  c.分布管或非轴对称布管的管板

  d.有非同一换热管径的管板

  e.厚度方向温差较大的管板

  f.管壳程直径差别较大的换热器

  g.壳体、管箱不是标准中a型连接的浮头式或填料函式换热器

  h.较大的换热器。

  i.载荷有显著影响的立式换热器

  j.与法兰搭焊连接的固定管板

  对上述情况采用详细应力分析设计方法,如JB4732附录I给出的计算方法或是可比的已投入使用的结构进行对比经验设计。

  2.管壳程压差较大时,壳程压力试验的选取

  当管程设计压力大于壳程设计压力时,壳程的试验压力仍按常规选取是错误的。为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,并应体现在施工图纸中:

  a)提高壳程的试验压力等于管程试验压力。这是一种较常使用的方法。采用这种方法时,必须首先核算壳体在压力试验过程中各壳程元件的强度,在用SW6-98程序计算中以用户输入压力试验值进行计算来验算其强度,确保壳程任意点的一次薄膜应力的计算值不超过所用材料在试验温度下的90%屈服极限。

  b)若经过计算后,不能采用上述方法试验时,则壳程、管程按各自要求的试验压力进行试验合格后,壳程再按HG20584-1998《压力容器氨渗漏试验方法》的四种方法之一进行检漏,对壳程设计压力较低的换热器,还应注意试验压力的强度核算,避免超压试验造成危险。

  c)对有特殊要求的換热器,如强渗透介质、泄露易产生危险或密封性要求严格的换热器,可采用低压纯氨进行试漏或采用氦检等方法试验。

  值得注意的是,在提高壳程试验压力的方法中,程序计算仅止考虑了壳程的壳体及封头,对于接管、法兰等元件均未有显示。对于接管可按GB150-1998要求进行核算,对于管法兰检验令其水压试验压力不大于HG20604或HG20625规定的20℃时最高无冲击工作压力的1.5倍。

  3.换热器受压失稳当量长度Lcr的取值

  在进行换热器计算时,换热器受压失稳当量长度Lcr未按GB151-99中图32进行计算取值。因为在标准中换热器受压失稳当量长度Lcr值是将换热管作为压杆,换热管与管板的连接端视为固定端,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,所以应根据此计算换热管受压失稳当量长度Lcr,才能保证管板计算结果的正确性。

  4.隔板槽面积取值错误

  在用SW6-98程序进行管板计算时,要求输入隔板槽面积,有很多设计者直接计算出长方形凹槽的几何面积之和,这是错误的,这里要求输入的应为标准中的Ad值(见标准5.7.1.1条),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。

  5.设备法兰的选用与设计

  对于不同类型的设备法兰腐蚀裕量是不同的,标准规定乙型法兰腐蚀裕量为2mm,对焊法兰腐蚀裕量为3mm。对于超出标准规定的腐蚀裕量的法兰应按非标法兰进行设计计算。计算时法兰内径加两倍腐蚀裕量为SW6-98程序所需的法兰内径Di值,大端、小端厚度应分别减掉一个腐蚀裕量为SW6-98程序所需的颈部大、小端有效厚度值。

  选用长颈对焊法兰时,忽视标准要求的最小对接圆筒体厚度,对小于此要求值的长颈对焊法兰的高度未做修正是错误的。标准给出的最小对接圆筒体厚度,是因长颈对焊法兰的应用主要在管壳式换热器上,该值的提出是以GB151为依据的。由于GB151中对壳体最小厚度的要求与其它容器的要求值要大得多,就会出上述情况。

  6.管板计算中,管壳程平均温差取值

  在应用SW6-98程序进行管板计算时要求输入壳程的平均金属温度和换热管平均金属温度。这是两个直接影响管板计算结果的重要数据。它们与壳体圆筒和换热管材料的膨胀系数一起共同决定了圆筒与换热管之间的热膨胀差大小,从而影响着管板的计算应力和厚度、圆筒和换热管的轴向应力、管板与换热管的连接拉脱力。但因用户提供数据不全,许多设计者便随意取一个中间的数值,这是非常错误的,平均温差应当由进出口温度及换热器的型式进行合理的计算得出的,否则计算出的管板厚度及是否需要设置膨胀节是有偏差的。

  7.对U形管换热器U形管

  U形管换热器U形管是唯一适用于高温、高压和高温差的换热器,U形管是其主要的受压元件,因此对U形管有许多的特殊要求:

  a)GB151-99规定最小弯管半径应不小于2倍的换热管外径,并给出了Rmin的具体值,当Rmin比上述规定小而又能保证椭圆度要求时,是可以使用的。

  b)弯管后U形管段外侧会减薄,因此为了使减薄处的壁厚不小于直管段的计算壁厚,就必须按GB151-99标准中第5.5.3.2条式(13)计算弯管前的换热管最小壁厚。

  c)当U形管内流速成过高或有腐蚀时,应适当加厚弯管半径较小的U形管的壁厚。

  d)当有应力腐蚀时,冷弯U形管的弯管段及至少包括150mm的直管段应进行消除应力热处理,对奥氏体钢换热管,在有应力腐蚀倾向且变形率超过15%时,应提出弯管后进行固溶处理要求。

  e)低温条件下的换热管,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。

  f)U形管的靠近弯管起支撑作用的折流板,如超过GB151-99中表42中的最大无支撑跨距,应加特殊支撑。支撑形式设计者可根据布管情况自行确定。

  8.换热器管箱的热处理

  设计时常有两种倾向:一种是管箱不做热处理,另一种是管箱要进行热处理,是否进行热处理,要视以下具体情况而定:

  a)碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱及管箱的侧向开孔超过圆筒体内径的三分之一,应在施焊后做消除应力的热处理。

  b)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。

  结束语:

  换热器的应用较为广泛,设计者只有真正的掌握标准,理解应用的相关软件具体输入值的含义、了解相关标准,才能设计出合格产品来满足各种各样的需求。

  参考文献:

  [1]GB150-1998,《钢制压力容器》国家技术监督局 1998-03-20发布.

  [2]GB151-1999,《管壳式换热器》国家技术监督局 中国标准出版社 1999发布.

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