管壳式换热器的设计与制造

管壳式换热器的设计与制造摘要：换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备，在日常的设计和制造中正常碰到。

在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%～40%左右，近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。

目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。

关键词：管板换热管折流板与折流杆防冲板导流筒管束组装压力试验下面就管壳式换热器特有的几个主要零部件在设计和制造过程中的计算、选材中的要求作一些介绍。

1 管板1.1 管板材料管板是换热器的主要受压元件之一，一般情况下用锻件优于用钢板，但用锻件的成本要高很多，故在条件不苛刻时用板材作管板依然很多。

一般规定如下：1）钢板厚度δ>60mm时，宜采用锻件。

2）管板以凸肩形式与圆筒相对接时，必须采用锻件。

3）采用钢板作管板时，厚度大于50mm的Q245R、Q345R，应在正火状态下使用。

1.2 管板的计算管板的结构复杂，影响管板的因素很多，重点考虑一下因素：1）把实际的管板简化为受到规则的排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。

2）管板周边部分较窄的不布管区按其面积简化为圆环形实心板。

3）管板边缘可以有各种不同形式的连接机构，各种型式可能包含有壳程圆筒、管箱圆筒、法兰、螺栓、垫片等多种原件。

4）考虑法兰力矩对管板的作用。

5）考虑换热管与壳程圆筒的热膨胀差所引起的温差应力，还应考虑管板上各点温度差所引起的温度应力。

6）计算由带换热管的多孔板折算为等效实心板的各种等效弹性常数与强度参数。

1.3 管板的制造1）管板可以拼接，只是对拼接接头应进行100%射线或超声检查，应按JB4730射线检测不低于Ⅱ级，或超声检测中的Ⅰ级为合格。

2）除不锈钢外，拼接后管板应作消除应力热处理。

3）对于堆焊复合管板，堆焊前应作堆焊工艺评定；基层材料的待堆焊面和复层材料加工后的表面，应按JB4730进行表面检测，检测结果不得有裂纹、成排气孔，并应符合Ⅱ级缺陷显示；不得采用换热管与管板焊接加桥间隙补焊的方法进行管板堆焊。

4）孔桥宽度偏差应符合GB151中的规定。

5）管孔表面粗糙度：①当换热管与管板焊接连接时，管孔表面粗糙度Ra值不大于25μm。

②当换热管与管板胀接连接时，管孔表面粗糙度Ra值不大于12.5μm。

6）胀接连接时，管孔表面不应有影响胀接紧密性的缺陷，如贯通的纵向或螺旋状刻痕等。

特别提醒大家注意：①管板本身具有与筒体相连接的凸肩时，必须采用锻件加工。

因为厚板有分层倾向，如用板材加工成管板，特别容易出现问题。

②布管时，对于最外周的管孔只考虑管孔中心距的位置，没有考虑管外径到壳体内壁的距离，所以出现布管超出限定圆的问题2 换热管换热管材料有钢制无缝管、奥氏体不锈钢焊管、强化传热管。

2.1 钢制无缝管：使用普通级换热器制造的Ⅱ级管束，仅限于碳钢和低合金钢；不锈钢和有色金属采用高精度、较高精度换热管，因此全部为Ⅰ级管束。

2.2 奥氏体不锈钢焊管：GB151-1999允许使用奥氏体不锈钢焊接管作为换热管，但给予了严格的限制：a: 设计压力≤6.4Mpa；b:不得用于极度危害介质；c：焊接接头系数为0.85。

2.3 强化传热管。

实践证明在蒸发、冷凝、冷却及无相变传热过程中，采用适当的强化传热管，将会起到显著的强化传热效果；但如果选择不当，反而会适得其反。

一般的强化传热管有螺纹管（整体低翅片管）、波纹管、螺旋槽管、横槽管、缩放管、内翅片管及内插入管、单面或双面纵槽管、据形翅片管、T形翅片管及表面多孔管的等。

现已运用强化换热管表面的换热管有螺纹管、波节管、波纹管等。

1）螺纹管：热系数比光管高40%左右，管端光滑，与光管直径相同，因此可以采用和光管相同的与管板的连接结构及布管尺寸。

其使用在管外结垢比较严重场合，不使用于固体粉尘含量较高或易结焦的场合。

2）波节管：热效率比光管高2.5～4倍。

使用压力小于等于2.5MPa，设计温度不大于350℃。

波节管不适宜用强腐蚀、高粒度、易结焦结碳的介质。

波节管具有自结不易结垢，这是由于介质在流动时不断形成漩涡扰动。

波节管本身具有自补偿功能，改善了壳体与换热管的受力状态，但折流板厚度较光管厚以利支撑，换热器的管板厚度较光管厚1.2～1.25倍。

3）波纹管：是根据波节管改进而来。

由于无波间的直壁，波距缩小，采用波谷小圆弧与波峰大圆弧相切，没有折皱，因此液流呈全湍流状态，对管壁具有全面冲洗作用，介质沉积可能性很小，不宜结垢，波纹管的传热性优于波节管。

一般而言，波节管和波纹管的管壁厚度较薄，为0.6～1.2mm，因此与管板连接必须有一连接件。

2.4 换热管允许拼接，但应符合下列要求：①对接头应作焊接工艺评定。

②同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；U形管不得超过二条；最短管长不应小于300mm；包括至少50mm直管段的U形弯管段范围内不得有拼接焊缝。

③管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。

④对口错变量应不超过换热管壁厚的15%，且不大于0.5mm；直线度偏差应以不影响顺利穿管为限。

⑤对接后，应选取直径合适的钢球对焊接接头进行通球检查，以钢球通过为合格。

⑥对接接头应进行射线检测，抽查数量应不少于接头总数的10%，且不少于一条，以JB4730的Ⅲ级为合格，如有一条不合格时，应加倍抽查；再出现不合格时，应100%检查。

⑦对接后的换热管，应逐根进行液压试验，试验压力为设计压力的2倍。

应当注意：对U形管换热器，弯管部分如未提热弯制造时就以冷弯考虑。

对冷弯制造一般应提出热处理要求。

如材质为20钢，其延伸率δ5为20%，冷弯后的外层纤维变形率如大于等于钢管标准规定延伸率δ5的一半，则应进行热处理。

对于奥氏体刚换热管，在有应力腐蚀倾向且变形率超过15%时，均应提出弯管后进行热处理的要求。

3 折流板与折流杆折流板用来在壳侧保持管间距，壳侧流体按照指定的模式横流。

常用的折流板可以分为弓形折流板、盘环式折流板。

单弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与流体横流过管束时流速接近。

缺口大小用切去的弓形弦高占圆筒内直径的百分比来确定，单弓形折流板弦高h值，宜取20%～45%倍的圆筒内直径，小于20%的弓形缺口压降较大，随着缺口高度越来越大，导致造成低流速的滞留区，切口过大或过小都会降低换热器的传热效果,一般无相变换热器取h=0.25倍筒体内径,冷凝器取h=0.25～0.45倍筒体内经；壳程沸腾再沸器取h=0.45倍筒体内径。

缺口位置有两种，当卧式换热器的课程为单相清洁流体时，缺口应水平上下布置，当卧式换热器、冷凝器、重沸器的壳程介质为气、液相共存或液体中含有固体物料时，缺口应垂直左右布置。

折流杆是壳程流体轴向流动新型支持结构，结构特点主要表现在管束上。

它用折流杆圈组件代替传统折流板支承换热管，并提高壳程流体的湍动性能。

折流杆圈是由一个支承环和一些折流杆组成。

折流杆圈的组合方式，由四个折流杆圈按W、X、Y、Z组成一组，在组内4个折流杆圈的彼此相位为90°，实现对换热器的四个方向的支承。

除管束外，折流杆圈的组合方式如下图所示。

除管束外，折流杆换热器的其他结构与传统折流板换热器基本相同，允许按传统设计方法进行设计。

折流杆换热器是用杆来支承换热管，杆的直径等于管排间的间隙。

在管束的垂直方向和水平方向内交替的插有折流杆。

该支承杆布置在正方形管束等距排列，在管与支承杆之间没有间隙。

支承杆两端焊接于挡板圆环上，每一个单独的折流杆挡板的主要部件包括支承杆，折流栅、横向支承板条、管程分程隔板造成的壳程滞留空间的赌板以及定位杆等。

如下图（a）中所示。

1——外环 2——杆图(a) 图（b）折流栅的外圈开有四个槽，如上图（b）所示，有四条矩形定位杆穿入固定，折流栅的外径和公差按GB151中折流板的外径和公差。

折流栅内径为管束布管限定圆直径。

折流杆之间距离一般为2倍换热管外径加上2倍折流杆外径。

折流板换热器与折流杆换热器壳侧流体的流动形式差别较大，折流板结构的管壳式换热器由于壳程介质流体的垂直管束轴线的横向流动，以波浪形式流动，容易产生流体诱发振动，在接近折流板处局部出现滞留现象，在此部位易产生固体和污垢堆积与附着，而影响传热。

而折流杆换热器的壳程介质从入口到出口，流体在壳侧断面上基本保持均匀流速，也无弯曲流动，故不存在滞留部位，同时，流体通过折流杆时在杆条后面出现了扰流，即产生了卡曼涡流，这种涡流有效的防止了污垢附着在管束上，增强了管子表面的给热系数，提高了传热效率。

使壳程流体沿着管束轴线纵向流动，从而彻底消除流体横向流动而产生诱发振动的因素。

而且纵向流动对任何换热器都有最好的热力水力效应，即换热器内外流动为相同的对流传热，加上因折流杆引起的涡流和外环区文丘里效应，同时由于没有横向流动，故壳程流体压降也较低。

2010年8月，为晋开集团设计了一台中间冷却器就采用了折流杆换热器的形式，效果很好。

晋开集团合成氨装置中有一台中间冷却器原来采用的是传统形式的折流板换热器，因流体扰动产生了列管振动，造成管子在折流板管孔处发生裂断，导致装置多次紧急停车，后来经我从新设计把折流板换热器改成了折流杆换热器，性能大为改善，阻力降低，换热效果明显好，管子不受损坏，维护清洗的周期大为减少，运行费用降低故有明显优越的热力性能。

4 防冲板当管程介质从进口管轴向流入时，或者换热管中的介质流速超过3m/s时，应设置防冲板，以使介质能均匀分布流入管束和防止对换热管的冲蚀。

当壳程介质流入时，进口处的换热管易受到介质冲刷，并造成侵蚀及振动，因此要求在介质流入处装防冲板，以起保护作用。

对于有腐蚀或有磨蚀性的气体、蒸汽及气液混合物，都需采取防冲击措施。

防冲板表面到壳体内壁的距离应不小于接管内径的1/4，其通道面积必须大于接管流通面积。

防冲板两侧焊在拉杆上，也壳焊在壳体上，圆形防冲板用支撑固定，绝不允许防冲板焊在换热5 导流筒在立式换热器中，为使气、液介质更均匀的流入管间，防止流体对进口处管束段的冲刷，避免使进口端的换热管过早损坏，或壳程进出管口距管板较远，流体停滞区过大，或管板容易过热，使壳程冷却介质均匀地与管板接触，从而对管板起冷却作用，提高传热效率，而采用导流筒结构。

导流筒形式有内导流筒和外导流筒。

5.1 内导流筒：是在壳体内部设置一个圆筒形结构，在靠近管板的一端敞开，而另一端近似密封。

内导流筒的外表面到壳体内壁的距离不小于接管外径的1/3。

导流筒端部至管板的距离，应使该处的流通面积不少于导流筒的外侧流通面积。

5.2 外导流筒：是在进口处采用扩大环形通道，考虑到环形通道进口处的线速度较高，为保证气体沿圆周方向均匀的进入，导流筒应做成斜口形。