列管式换热器设计中几个问题的探讨

摘要：提出了列管式换热器设计中管接头、管板结构、温差应力、拉脱力等几个问题的分析讨论并提出在设计中应充分考虑的一些问题。

关键词：列管式换热器； 设计；规则

中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：

前言

换热器是进行热量交换的的通用设备，在石油、化工生产过程中可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，由于生产中对换热器有不同的要求，所以换热设备也有各种形式，但根据冷、热流体间传热方式的不同可以分为三类，即间壁式、混合式和蓄热式。在这三类换热器中，以间壁式换热器最为普遍。而列管式换热器是目前化工生产上应用最为广泛的一种间壁式换热器，与其他间壁式换热器（夹套式，蛇管式，套管式）相比，主要优点是：（1）单位体积所具有的传热面积大，并且传热效果好。（2）结构较简单，制造材料也较广泛。（3）适应性强，尤其是在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。所以我们有必要对列管式换热器进行探讨。

1．列管式换热器的基本形式

按材质分为碳钢列管式换热器、不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合式换热器。按结构分为单管程、双管程和多管程三种。目前广泛使用的是，根据采取热补偿方法的不同主要分为以下几种：固定管板式换热器、U形管板换热器、浮头式换热器和填料函式四种类型。选用时可根据应用条件的不同及各自的优缺点设计适宜的换热器。

要设计一台比较完善的换热器，首先应满足工艺条件所规定的要求，如换热效果好，传热面积足够，流体阻力小等。此外，还应满足机械强度和刚度的要求，结构要可靠，材料要节省，另外还要便于制造、安装和维修，成本要低。因此列管式管热器的设计主要包括两大部分，首先必须根据化工生产工艺条件的要求通过化工工艺的计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数，然后进入机械设计，它又分为换热器的总体结构设计和强度计算两大部分，内容包括：（1）壳体直径的决定和壳体壁厚的计算。（2）换热器封头的选择和计算。（3）法兰的选择及强度校核。（4）管板厚度的计算和尺寸的确定，管子拉脱力的校核。（5）折流板的选择与计算。（6）温差应力计算和波形膨胀节的设计。（7）开孔补强的计算。此外，还应考虑接管、支座等的选择。下面就列管式换热器机械设计过程中应着重考虑的几个问题提出并分析讨论。

2．管子及其与管子的连接

换热器的管子构成换热器的传热面，计算换热面积，以换热管外径为基准，扣除深入管板内的换热管长度，计算得到的管束外表面积，对于U形管式换热器，一般不包括U形弯管段的面积。管子的形状一般为光管，为提高、强化传热也可采用异性管、翅片管、螺纹管等。管子的材料要根据操作压力、温度、介质的腐蚀性能决定。管子的大小和形状对传热有较大影响。针对管子中所流物体情况采用大或小直径管子。若用小直径管子换热器单位体积的传热面积大，设备较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也稍高，但制造麻烦，且易积垢，不易清洗，应用与清洁的流体。大管子则用于粘性大或污浊的流体。管子的尺寸规格一般按GB151标准选取。

换热管与管板的连接（以下简称管接头），管接头的质量是管壳式换热器质量的最重要的标志，换热器的失效绝大多集中在管接头上，因此选用安全、可靠的管接头形式，研制相应的加工设备与技术是 换热器制造的关键。管接头的型式有以下几种：（1）强度胀。（2）强度焊。（3）强度胀+密封焊。（4）强度焊+贴胀，最近几年，对一些比较苛刻的使用场合也有用强度胀+强度焊的管接头形式。管接头失效的原因有：（1）管接头因高温应力松弛失效（多半发生在强度胀中）；（2）管接头在高温下，因腐蚀而破坏;(3)管束在横流流体冲击下产生振动，管接头疲劳破坏；（4）制造工艺不合理，没达到标准和图纸规定的要求，或接头中的残余应力过大，在操作中引起应力腐蚀和疲劳破坏。（5）操作不当，温度波动过频，引发疲劳破坏。另外，在GB151中还规定了强度胀接的适用范围，设计压力小于等于4MPa;设计温度小于等于300℃；操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀。强度焊的适用范围：可用于本标准的适用范围，但不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。胀焊并用的适用范围：密封性能要求较高的场合;承受振动或疲劳载荷的场合；有间隙腐蚀的场合；采用复合管板的场合。所以要根据实际使用情况和操作条件来选择合适的接头形式。

3．管板结构

换热管标准的排列形式有四种（1）正三角排列；（2）转角正三角排列；（3）正方形排列；（4）转角正方形排列。换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径。因为管间距的决定要考虑管板强度和清洗管子表面所需的间隙。当管子采用焊接法固定时，相邻两管的焊缝太近，会相互受到热影响，使焊接质量不易保证。而采用胀接时，过小的间距会造成管板在胀接时由于挤压作用而变形，失去了管子和管板之间的连接力。此外还要考虑布管限定圆、管程分程、管孔、拉杆孔和管板的密封等。最后管板的厚度按GB151标准公式通过计算获得。

4．温差应力和拉脱力

在换热器操作中，当管程温度较高的流体与壳程温度较低的流体进行换热时，由于管壁温度高于壳壁温度，则管子的自由伸长量比壳体的自由伸长量大，但由于壳体与管子是刚性连接，所以管子和壳体的实际伸长必须相等，因此，就出现壳体被拉伸，产生拉应力，管子被压缩，产生压应力，此拉、压应力就是温差应力，也是热应力。管壁和壳壁的温度差越大，热应力越大，易引起弯曲变形，造成泄漏，甚至使管子从管子从管板上拉脱。因此设计中要考虑温差应力，进行温差补偿。

处于工作状态下的换热器，承受流体压力和温差应力的联合作用，在这两个力的联合影响下，管子与管板会出现相互脱离的趋势，这种使管子与管板部位产生脱离的力即为拉脱力。

由于换热管、管板和壳体焊在一起，故换热管与壳体间的金属壁温差引起的温差应力是其致命的弱点，因此在固定管板换热器温差应力计算中要校核以下三个方面的应力和力：（1）按有温差的各种工况算出壳体轴向应力σc;(2)换热管的轴向应力σt；（3）换热管和管板之间连接的拉脱力q.三项中有一项不能满足强度条件时，就需设置膨胀节。根据工程经验，当壳体与换热管金属温差（注意不是介质温差）高于50℃时，一般应设置膨胀节。当然，最后还是应该以SW6计算结果为准。

除了上面提出分析讨论的几个问题外还应考虑折流板、支持板的作用和结构等。

总而言之，列管式换热器的设计必须遵守我国GB150.1-150.4-2011《压力容器》、《固定式压力容器安全技术监察规程》之外，还必须遵守GB151《管壳式换热器》以及该标准中涉及的相关标准、规范和制造技术条件，对于重要容器，还应进行全面的技术经济分析。虽然现在一般都用SW6软件进行过程设备设计计算。壳体厚度、管板厚度、膨胀节等很快就能出结果，很大程度上解放了劳动力，但对一些标准规范和概念更要注重。笔者将设计计算中应注意的一些问题介绍给大家，以资参考。