第六章热交换器

1《管壳式换热器》(GB—)管壳式热交换器的适用参数范围有哪些？

适用的换热器参数为：

公称直径DN≤mm；

公称压力PN≤35MPa；

公称直径(mm)和公称压力(MPa)的乘积不大于1.75×。

公称直径大于mm管壳式换热器，可参照本标准进行设计。

在上述范围内的非直接受火的钢制管壳式换热器的设计、制造、检验与验收，除应遵循本标准各项规定外，还必须遵循GB—《压力容器》和图样的要求。

2GB—中管束是如何分级的？

GB—标准将采用碳素钢和低合金钢冷拔钢管做换热管时，其管束为Ⅰ、Ⅱ两级。

Ⅰ级管束：采用较高精度的冷拔钢管做换热管。管板和折流板上管孔加工精度较高，管板上管孔孔桥的宽度要求也更严格，使管板管孔内径与管子外径之间的间隙小而均匀。在折流板上可以获得较严格的换热管支承条件，有利于防止换热管的振动；对于整个管束，附加应力较小，管子与管板之间的连接也较为可靠。

Ⅱ级管束：采用普通精度的冷拔换热管。上述各项的精度要求皆比Ⅰ级换热器低。Ⅱ级换热器对于工作条件不苛刻的情况，可以满足要求又可降低造价。

3GB—标准中壳体内径的上限是怎样决定的？

GB—标准所规定的内径上限为mm，这是考虑到DNmm时，其换热管根数太多，壳体壁厚过厚，对于制造和检验的困难较多，且应用经验和场合较少，因此未将DNmm的换热器列入标准。

4换热器主要元件腐蚀裕量的考虑原则是什么？

据GB—规定：

①管板、浮头法兰、浮头盖和钩圈两面均应考虑腐蚀裕量值；

②平盖、凸形封头、管箱和圆筒的内表面应考虑腐蚀裕量值；

③管板和平盖上开隔板槽时，可把高出隔板槽底面的金属作为腐蚀裕量值，但当腐蚀裕量大于槽深时，要加上两者的差值；

④压力容器法兰和管法兰的内直径面上应考虑腐蚀裕量值；

⑤换热管不考虑腐蚀裕量值(强度所需之外的厚度可用于C2)；

⑥拉杆、定距管等非受压元件一般不考虑腐蚀裕量值；

对于碳素钢和低合金钢，C2≥1mm；

对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，C2=0。

5换热器管板强度计算的理论基础是什么？

关于管板强度计算的理论公式主要有两类。

一类是将管板当作受均布载荷的实心圆板，以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据，并加入适当的修正系数以考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用。以此得到的管板厚度设计公式形式简单，虽然结果的准确性较差，但都是偏于安全的，因而不少国家的管板厚度设计公式仍以此为基础。如美国的TEMA规范。

另一类是将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这种弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力。由于它较全面地考虑了管束的支承和温差等影响，因而比较精确。但这种方法的计算公式较多，计算过程也较繁复。GB—采用的就是这种算法。

6影响管板强度的主要因素有哪些？

影响管板强度的主要因素有下列几个方面：

①管束对管板的弹性支承反力作用；

②管孔对管板强度的削弱；

③管板周边支承形式；

④温差的影响，包括管板本身上下表面的温差和管束与壳体之间的温差等。

7管板主要受到哪些力的作用？管束对管板的支承反力与哪几个因素有关？

(1)管板主要受到以下几个方面的力的作用管、壳程压差对管板的直接作用力；管束对管板的弹性支承反力；管板兼作法兰时法兰螺栓产生的力矩。

(2)管束对管板的弹性支承反力由三部分组成管束因管板挠度变化而产生的弹性反力；管束随壳体一起伸长而引起的弹性反力；管、壳体温差引起的弹性反力。

8固定管板式换热器的温差应力的大小与哪些因素有关？

对于固定管板式换热器，其温差应力的大小除了与管、壳程温差的大小有关以外，还与管、壳程金属截面积之比At/As有关。因为管束与壳体之间相互作用的总温差载荷是相等的，所以当At/As1时，温差应力偏向壳侧。

9在什么情况下换热器的某些受压元件用压差设计？

换热器中同时受管程压力和壳程压力作用的元件(管板，管子及浮头组件等)，仅在能保证管程、壳程同时升压降压时，才可以按压力差设计。此时应考虑在压力试验过程中，可能出现的最大压力差。

通常在管程和壳程的工作压力都较高时，为减薄受压元件厚度才使用压差设计。

10兼作法兰的管板，法兰部分对管板有什么影响？

当管板兼作法兰时，法兰力矩不仅作用于法兰上，还会延伸作用于管板上，对管板来说，增加了一个附加力矩。因此在计算管板时除考虑壳程、管程设计压力的当量压力及管子与壳体不同热膨胀引起的当量膨胀压力外，还要计入由于法兰力矩引起的当量螺栓连接压力。

由于法兰力矩在管板中引起的附加力矩，使管板计算趋于复杂化，管板厚度取决于其危险组合。

对延长部分兼作法兰的管板，法兰和管板应分别进行设计，且法兰厚度可以和管板厚度不同。

11怎样确定管板的设计压力？

管板的设计压力就是用于计算管板厚度的计算压力。各国标准中的管板设计压力的确定方法不同，尤其是固定管板换热器。

现依据GB—叙述如下。

(1)U形管式换热器管板若能保证ps与pt在任何情况下都同时作用或ps与pt之一为负压时：

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pd=

ps-pt

否则取下列两值中较大者：

pd=

ps

或pd=

pt

(2)浮头式换热器和填函式换热器管板

①浮头式换热器管板与U形管式换热器相同。

②填函式换热器管板

pd=

pt

(3)固定管板式换热器管板

pd=pa=∑sps-∑tpt+βyEt

式中pd——计算管板的设计压力，MPa；

ps——壳程设计压力，MPa；

pt——管程设计压力，MPa；

pa——有效压力组合(GB—)，MPa；

∑s，∑t，β——系数；

y——换热管与壳体间热膨胀差；

Et——换热管材料弹性模量，MPa。

上式仅考虑了壳程设计压力、管程设计压力和热膨胀差所形成的当量压力，而管板的边缘力矩(螺栓载荷等)，则在虚力计算式中予以考虑。

12何种场合选用复合管板，如何确定复层厚度？

在管程介质有腐蚀而又想节省材料及投资时，可采用复合结构管板。据某些厂家数据，采用复合管板代替整体耐蚀材料管板，可节约管板费用的20%～30%，管板厚度大时为上限。目前我国可复合多种材料，且有工程应用经验。如耐酸不锈钢-碳钢，钛-耐酸不锈钢，Inconel-碳钢，Hastelloy-碳钢，镍-碳钢等。

管板复层的最小厚度，除满足防蚀要求外，不应小于3mm，并取决于复合方法。

对于管板与换热管焊接连接的复合管板，其复层的最小厚度：

采用爆炸贴合和轧制法8mm;

采用堆焊法5mm。

13何时采用拼接管板，对拼接缝有何要求？

管板一般应采用整体管板。

在管板尺寸大而无整料时，可以采用拼焊方法制造管板。拼缝应进行%射线探伤或%超声探伤，JB/T.2Ⅱ级合格或JB/T.3Ⅰ级合格。除不锈钢外，拼接后管板应做消除应力热处理以免管板变形和调整拼缝的机械性能，通常拼焊管板只允许一条焊缝。

14设计管板与壳程壳体间的连接结构时，应考虑哪些因素？

管板与壳程壳体的连接在选用焊接接头结构时，应充分考虑到该处的受力特点：高边缘应力区与焊缝重叠；温度应力大。对用于易燃气体、高度危害以上的介质、液化气、设计压力大、设计温度高以及低温容器、疲劳容器和有间隙腐蚀的容器，此处焊缝应采用对接、焊透和不存在缝隙的结构。

15换热管与管板之间的连接方式主要有哪几种？各自的适用范围如何？

换热管与管板之间的连接方式大致可以分为强度胀、强度焊、强度焊+贴胀、强度胀+密封焊、强度胀+强度焊(表5-1)。

16换热管与管板间的焊接连接，哪些情况应采用氩弧焊？

氩弧焊的特点是熔透性好、焊肉无夹渣、底部成形好、表面成形好、焊缝强度高及焊接成功率高。因此，对换热管与管板间连接要求高的换热器，如设计压力大、设计温度高、有过大的温度变化以及承受交变载荷的换热器、薄管板换热器等，宜采用氩弧焊。另外对质量有较高要求的其他换热器也应采用氩弧焊。

氩弧焊的焊接方法分手工氩弧焊和自动旋转氩弧焊，后者焊缝的内在质量好而稳定，外形非常漂亮。对于重要换热器，如有条件应注明焊接方法。

目前氩弧焊已经广泛用于换热器的换热管与管板之间的焊接，并且成功地用于不锈钢、镍、钛等材料。

17何谓内孔焊？有何特点？

内孔焊是将换热管与管板间的焊缝布置于管板的壳程一侧，焊接时必须由管板的管程一侧将焊枪深入管孔内进行焊接，故称内孔焊(见图5-1)。

内孔焊的特点是：

①焊缝的温度接近于壳程介质温度；

②换热管与管孔间不存在缝隙，可以完全消除间隙腐蚀；

③焊接接头不是角接形式而是对接形式，可以承受大的载荷。

因此内孔焊可以使用于要求降低焊接接头温度并免除热疲劳的换热器；使用于要求避免壳程介质间隙腐蚀的换热器；使用于要求有较高强度的连接接头的换热器，如设计压力大、设计温度高、条件苛刻的换热器。

18何种标准的管子可用作换热管？

换热管属受压元件，除应具有作为受压元件应有的材料性能(机械性能、冲击韧性、高温塑性、焊接性)之外，换热管本身还有自己的特殊要求：

a.尺寸精度高(外径、壁厚、长度)；

b.材料塑性韧性好，特别对于胀管、翻边、弯管；

c.薄壁管的焊接性能；

d.硬度值，一般须低于管板的硬度值；

e.试验压力高。

上述要求高于输送流体用的钢管的要求。因此，只有能满足上述要求的管子，才可用来制造换热器。

19U形管式换热器的U形换热管，在弯制时有何要求？

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