管壳式换热器设计中易出现的问题

摘 要：本文主要总结了设计管壳式换热器时，出现的一些常见问题，通过对这些问题的进一步阐述解释，提醒大家在以后的工作中能引起注意。

关键词：管壳式换热器 常见问题 解释

一、引言

管壳式换热器在炼油、石油化工、医药、化工以及其它工业中使用广泛，它具有结构坚固、可靠性程度高、使用范围广等优点，所以在各个工程中仍得到普遍使用。在按GB151-1999《管壳式换热器》进行设计时，设计者虽以本标准作为设计依据，但常常会因设计人员知识匮乏，对标准法规的理解不到位，导致设计不合理、取值有误等问题发生。以下是我平常在换热器设计中积累到的问题，通过对这些问题的进一步阐述解释，希望在以后的工作中能够对大家有所帮助。

二、问题概况

1.管板材料由板材代替锻件，或者是由锻件代替板材后没有重新进行强度校核

管板一般情况用锻件优于用钢板，但用锻件的成本要高很多，故在条件不苛刻时，管板用板材。一般规定如下：

1.1厚度很大而不能确保质量要求时，宜采用锻件。因厚钢板会有分层、夹杂等缺陷及性能指标波动大等问题。

1.2管板以凸肩形式与圆筒相对接时，必须采用锻件。为避免凸肩处可能产生的夹渣、分层及改善凸肩处纤维受力状况，减小加工量，节省材料，采用凸肩与管板直接锻造出来的整体锻件来制造管板。

1.3厚度大于60mm的管板宜采用锻件。

由于各种原因，制造厂临时用板材代替锻件，或者是由锻件代替板材，这种做法是万不能取的。一定注意同一材料，同一厚度，同一设计温度下板材与锻件的许用应力是不同的。一般来说，厚度相同时，板材的许用应力略高于锻件，所以如果原设计的图纸管板为板材，在改为锻件时，设计人员一定要重新校核管板的厚度。

2.管板堆焊时技术要求不全面

管板堆焊时，设计者对堆焊的管板没有做详细的技术要求。下面以低合金碳钢管板上堆焊不锈钢为例：

2.1堆焊前，应按NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》进行耐蚀层堆焊的焊接工艺评定。

2.2整个堆焊层的表面应平整，平面度公差为1mm.不进行加工的堆焊表面应平滑。两相邻焊道之间的凹陷不得大于2mm，焊接接头的不平度不大于1.5mm。堆焊层厚度一般不小于6mm，其中耐蚀层厚度不小于3mm。

2.3基层材料的堆焊表面和加工后（钻孔前）的堆焊表面应分别进行磁粉或渗透检测。按JB/T4730.4-2005 MT-Ⅰ级或JB/T4730.5-2005 PT-Ⅰ级为合格。

2.4对介质有晶间腐蚀倾向的，堆焊层还需要进行晶间腐蚀倾向试验。

2.5基层材料按要求进行夏比（V形缺口）常温或低温冲击试验。

2.6应该分别注明过渡层和面层的厚度及所用焊条的牌号。

2.7对大直径的管板，堆焊以后，为防止管板变形，在堆焊过渡层后，应提出进行消除应力热处理的要求，然后再进行面层的堆焊。

3.壳体厚度发生变化，没有重新校核管板的强度

某项目固定管板式换热器壳程筒体图纸名义厚度为10mm，已经满足强度设计计算要求，而在制造时，厂家用厚度为12mm同材质的库存钢板代替。而设计人员认为，以厚代薄，没有用12mm的板厚重新去校核管板的强度。

由于换热器壳程筒体厚度增加后，相应的温差应力也增加，壳体轴向应力σc发生变化。表现在：

3.1管子加强系数降低

管子加强系数反映了弹性基础强弱相对于管板自身抗弯刚度的大小，即管束对管板承载能力的加强作用，它的降低表明管板的弹性基础变弱。

3.2壳体法兰旋转刚度及法兰力矩变化系数增加

对延长部分兼作法兰的管板，在法兰力矩作用下，管箱法兰和壳体法兰将产生转动，其中，与管板连接的壳体法兰仅承受一部分弯矩，其余部分传递给管板，此时管板将产生弯曲挠度。同时由于管板的挠曲受到管束的轴向约束，在管板周边上还产生了横剪力。所以在法兰力矩增大的情况下，管板中产生的整体弯曲变形及相应的应力也增大。

3.3仅有壳程压力Pa 作用下的危险组合工况（Pt=0）或者仅有管程压力Pt作用下的危险组合工况（Pa=0）

对Pa （Pt）与法兰力矩同时作用的情况（不计温差应力），这两种载荷使管板产生相同方向的变形，使得换热管轴向应力、壳程圆筒轴向应力、换热管与管板连接拉脱应力减小。对Pa（Pt）与管壳热膨胀差同时作用时（计温差应力），管束轴向热膨胀量小于壳体轴向热膨胀量，两种载荷对管板产生的应力将叠加。所以此时只有管板径向应力增加。

综上，由于壳体厚度的增加，而使得管板的名义厚度也增加。所以即使壳体厚度满足要求，制造者用比它更厚的板材代替后，应提前告知设计人员，重新进行管板的强度校核。

4.管壳程平均温差的取值不当

SW6中需要输入沿筒体长度平均温差和换热管沿长度平均温差，这两项为金属壁温，GB151-1999《管壳式换热器》中给出了金属壁温的计算方法（附录F）， 需要的相关参数为对数平均温差，两侧流体的定性温度，总传热系数，两侧流体的传热系数，两侧流体的热阻等等一系列数据，但往往因用户提供的数据有限，用公式计算会遇到很大的麻烦，而且计算繁琐，工作量大。当然设计院做工艺计算时会有很详细的计算过程，这两个数据并不难得到，但对于一般的制造厂，并不具备工艺计算的能力，所以，在工程上我们采用取平均值的方法来估算金属壁温，换热管沿长度平均温差等于管程介质进/出口温度与壳程介质进/出口温度的平均值，沿筒体长度平均温差考虑有无保温层，若有，取壳程介质进/出口温度的平均值，若无，取壳程介质进口温度、出口温度及环境温度三者的平均值。

5.法兰夹持的管板两侧垫片材料不一致

在法兰夹持管板的结构中，螺栓力对管板两侧的法兰作用力是相等的，因为螺栓的设计是兼顾了管板两侧的条件，要求用较大的螺栓载荷进行设计。当管板两侧的设计压力不同时，其垫片的压紧力是不同的。在操作状态下，螺栓力等于垫片的压紧力加上介质的内压力引起的轴向力。压力较高的一侧轴向力大，对垫片的压紧力就小，而压力较低的一侧正好相反。假设在操作状态下拧紧螺栓，压力较低的一侧首先达到密封要求。在两侧压差比较大时，当压力较高侧还没有达到密封要求时，压力较低侧的垫片可能就会因为比压过大而造成密封失效，垫片被压溃，容易发生泄漏。所以管板两侧的垫片材料应该按压力高的一侧选择，而且两侧垫片材料一致。

6.卧式冷凝器支持板没有左右布置

根据传热机理，壳程通过冷凝介质的冷凝器无需设置折流板，但是，为了增加换热管的刚度，防止产生过大的挠度或者引起换热管振动。当换热管的无支撑跨距超过标准中的规定时，需要设置一定数量的支持板，支持板的形状、尺寸都按折流板设计，只是支持板间的间距可以加大。而且在卧式冷凝器中，壳程介质为气、液两相共存时，弓形支持板缺口应左右布置，并在支持板的最低处开设通液口，有的设计者就将支持板缺口上下设置，这样是不合适的，因为这极不利于冷凝液的排出，特别是当冷凝液的液位高于上置支持板（缺口向下）的下缺口时，会形成液封，从而阻碍蒸汽的流动，影响设备的传热和运行。

7.换热器管板上布管设计常出现的错误

7.1布管时，对于最外周的管孔只考虑换热管管孔中心距的位置，而没有考虑换热管外径到壳体内壁的距离，所以出现布管超出布管限定圆的问题。

7.2也有出现布管数量太少，造成管板周围不布管区太大（k>1）的情况。（k为管板周边不布管区无量纲宽度 ）。由于管板计算方法只适用k≤1的情况，所以用SW6-2011“压力容器强度设计软件”进行管板强度计算时提示1/ρt超界的错误。以下两种方法可以解决此问题：1）增加管板上开孔的数量 2）适当增大换热管中心距的数值。

7.3管板上布管还常常出现以换热器内径尺寸进行布管，而忽略了管板与壳体的焊接，需要在管板背面开凹槽时的尺寸，而出现换热管穿过管板应力释放槽的情况。

8.图纸中未提U形换热管及U形弯管段的热处理

8.1任何钢制的换热管当有应力腐蚀时，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，且在直管段应有温度梯度，以避免温度突变处的应力腐蚀，否则弯管后应整根热处理。

8.2已热处理过的换热管，在必须采用热弯或弯曲半径小于10倍管子的外径的冷弯，必须重新进行与原热处理相同的热处理。

8.3冷弯管伸长率判定：当冷弯管外层纤维变形率超过钢管标准伸长率一半，或伸长率A≥10%，应进行热处理。

三、结束语

通过对以上管壳式换热器设计时出现的一些常见问题的进一

步阐述解释，设计者在设计工作中应注重考虑换热器的设计条件、标准要求。重视标准中的细节，避免忽视看似不重要的问题而导致设备存在安全隐患，设备试验和运行一段时间后，问题就会很快暴露出来。所以在以后的设计工作中要严格按照标准规范设计，结合GB151和其他相关的标准规范，秉持合理设计，低碳环保的设计理念，保证计算结果的正确性，保证产品的安全性及经济性是每个设计者应具备的基本要求。

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.

[3] 戴季煌，陈泽溥，朱秋尔等.承压设备设计典型问题精解[M]. 北京：化学工业出版社.

[4] 王非.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.

作者简介：董 鹏（1977- ），女，陕西富平人，2003年毕业于陕西理工学院自动化控制专业，大学本科，工程师，现从事压力容器设计及审核工作。

孔巧莉（1982- ），女，陕西延安人，2004年毕业于陕西广播电视大学，化工设备与机械专业，大专，助理工程师，现从事压力容器制造技术工作。

杨亚会（1981- ），女，陕西咸阳人，2004年毕业于陕西广播电视大，

学化工设备与机械专业，大专，助理工程师，现从事压力容器质量管理工作。