GBT 151-2014 热交换器讲解

热交换器
戴季煌
热交换器2015.01
第一部分GB151-2014
1.修改了标准名称，扩大了标准适用范围：
1.1提出了热交换器的通用要求，也就是适用于其他结构型式热交换器。并对安装、使用等提出要求。
1.2规定了其他结构型式的热交换器所依据的标准。
2.范围：
GB151-201X《热交换器》规定公称直径范围（DN≤4000mm，原为2600mm）、公称压力（PN≤35MPa）及压力和直径乘积范围（PN×DN≤2.7×104，原为1.75×104）。并且管板计算公式推导过程的许多简化假定不符合。也给制造带来困难。TEMA控制壳体壁厚3〞（76mm）、双头螺柱最大直径为4〞（102mm）。
管板、平盖可采用堆焊或爆炸复合结构，当管程压力不是真空状态时，平盖亦可采用衬层结构。
9.2.1堆焊结构
用堆焊制作的管板与平盖，其覆层与基层的结合是最好的，但堆焊的加工难度大，中间检验、最终检验及热处理的要求高，堆焊一般有手工堆焊和带极堆焊两种方法。
（1）管板堆焊结构：其覆层完全可计入管板的有效厚度（以许用应力比值折算），与换热管连接采用强度焊时，有充分的能力来承受换热管的轴向剪切载荷。
例约定项目中晶间腐蚀试验，若介质易产生晶间腐蚀，钢管的材料要求，在设计文件中必须明确要求钢管在出厂检验时必须通过晶间腐蚀检验。
3）无缝和有缝不锈钢换热管订货技术条件
在NB/T47019.5-2011规定了GB13296《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》和GB/T24593《锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接钢管》用作换热管时的订货技术条件。
剪切强度≥210MPa
1级，结合率100%
剪切强度≥210MPa
3级，2010
《压力容器用爆炸焊接复合板 第2部分：镍—钢复合板》
剪切强度≥210MPa
1级，结合率100%
剪切强度≥210MPa
3级，结合率≥95%
NB/T47002.3-2010
《压力容器用爆炸焊接复合板 第3部分：钛─钢复合板》
（2）常用带分程隔板槽管板堆焊结构见图2。
单管程不带分程隔板槽的管板堆焊层大于或等于8mm。
（a）正确结构图 （b）错误结构图
图2
（3）管板堆焊技术要求：
9.2.2爆炸、轧制复合板
管板和平盖采用的复合板等级要求见表2。
表2
标准
元件
管板
平盖
NB/T47002.1-2010
《压力容器用爆炸焊接复合板 第1部分：不锈钢—钢复合板》
3.3.1计算换热面积
换热面积是以换热管外径为基准，以二管板内侧的换热管长度来计算换热面积，计算得到的管束外表面积（m2）；对于U形管换热器，一般不包括U形管弯管段的面积。当需要把U形弯管部分计入换热面积时，则应使U形端的壳体进（出）口安装在U形管末端以外，以消除U形管末端流体停滞的换热损失。
3.3.2公称换热面积
9.5防腐
目前换热器防腐有如下几种措施：
9.5.1防腐涂层。一般采用非金属涂层，常用的水冷器有防腐、防垢涂料847和901，还有Ni－P镀层，但在
5.2.2.2已使用的同类换热器上测定
5.2.2.3根据介质温度并结合外部条件确定。
6. 厚度附加量
6.1钢材厚度负偏差
6.2腐蚀裕量的规定
根据预期的容器寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定。
各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量，（表1）。
表1
腐蚀率
无腐蚀
轻微腐蚀
有腐蚀
严重腐蚀
毫米/年
＜0.05
剪切强度≥140MPa
1级，结合率100%
剪切强度≥140MPa
3级，结合率≥95%
NB/T47002.4-2010
《压力容器用爆炸焊接复合板 第4部分：铜—钢复合板》
剪切强度≥100MPa
1级，结合率100%
剪切强度≥100MPa
3级，结合率≥95%
9.2.3规定了不得使用的衬层复合结构：
9.2.4管板复合结构的评价
（7）用于制造压力容器壳体时，应在退火状态下使用。
9.3.4镍和镍合金
（1）设计参数：p≤35MPa；
（2）有良好的低温性能，可用到-269℃；
（3）具有良好的耐腐蚀性能；
（4）具有良好的成型性能。
（5）用于制造压力容器受压元件时，应在退火或者固溶状态下使用。
9.3.5锆及锆合金
（1）设计参数：p≤35MPa；
5.设计参数
5.1压力
5.1.1压差设计
同时受管、壳程压力作用的元件，当能保证制造、开停工、及维修时都能达到按规定压差进行管、壳程同时升、降压和装有安全装置时，方可按元件承受的压差设计。
5.1.2真空设计
真空侧的设计压力，应按GB150的规定，当元件一侧受真空作用，另一侧受非真空作用时，其设计压力应为两侧设计压力之和，即为最苛刻的压力组合。
9.3.2铜和铜合金
（1）设计参数：p≤35MPa；
（2）纯铜：t≤200℃；铜合金：一般的铜合金在200℃，但铁白铜管的性能稳定，可用到400℃。
（3）具有良好的导热性能及低温性能；
（4）具有良好的成型性能，但焊接性能稍差。
9.3.3钛和钛合金
（1）设计参数：p≤35MPa，t≤315℃，钛—钢复合板t≤350℃；
9.4.2.3钢管应逐根进行涡流检测，对比样管人工缺陷应符合GB/T 7735 中验收等级 B 的规定。
9.4.2.4奥氏体不锈钢焊管的焊缝系数φ＝0.85。
9.4.3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的效果，但如果选择不当，反而会适得其反。
3.术语和定义
3.1公称直径DN
3.1.1卷制、锻制、圆筒
以圆筒内直径（mm）作为换热器的公称直径。
3.1.2钢管制圆筒
以钢管外径（mm）作为换热器的公称直径。
3.2公称长度LN
以换热管的长度（m）作为换热器的公称长度，换热管为直管时，取直管长度；换热管为U形管时，取U形管的直管段长度。
3.3换热面积A
（2）密度小（4510kg/m3），强度高（相当于Q245R）；
（3）有良好的低温性能，可用到-269℃；
（4）钛－钢不能焊，且铁离子对钛污染后会使耐腐蚀性能下降；
（5）表面光滑，粘附力小，且表面具有不湿润性，特别适用于冷凝；
（6）钛是具有强钝化倾向的金属，在空气或氧化性和中性水溶液中迅速生成一层稳定的氧化性保护膜，因而具有优异的耐蚀性能。
0.05～0.5
0.5～1.5
＞1.5
6.3腐蚀裕量的考虑原则
6.3.1各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量。
6.3.2考虑两面腐蚀的元件：管板、浮头法兰、球冠形封头、分程隔板。
6.3.3考虑内表面腐蚀的元件：管箱平盖、凸形封头、管箱、壳体、容器法兰和管法兰的内径面上。
6.3.4管板和平盖上开槽时：当腐蚀裕量大于槽深时，要加上两者的差值。
5.2温度
5.2.1设计温度
换热器在正常的工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属横截面的温度平均值），它与设计压力一起作为设计载荷条件，设计温度不得低于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度，对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。
管程设计温度是指管程的管箱设计温度。非换热管的设计温度。
（2）有良好的低温性能，可用到-269℃；
（3）具有良好的耐腐蚀性能；
（4）具有良好的成型性能。
9.4换热器材料
9.4.1钢制无缝管
提高了管壳式热交换器管束的尺寸精度要求，规定为Ⅰ级、Ⅱ级管束。按GB150规定。
9.4.2奥氏体不锈钢焊管
9.4.2.1p≤10MPa（国外无此限制）。
9.4.2.2不得用于极度危害或高度介质。
9.4.5NB/T47011.1～NB/T 47011.8-2011《锅炉、热交换器用管订货技术条件》中用作换热管的规定，已和老钢管标准及GB151-1999有较大变化，除与GB150-2011中变化外，还有以下变化。
1）外径允许偏差。
换热管外径和壁厚允许偏差均比GB151-1999标准严格。
2）非合金钢和合金钢无缝换热管订货技术条件
公称换热面积是将计算面积经圆整后的换热面积（m2），一般取整数。
4.工艺计算（新增加）
4.1设计条件（用户或设计委托方应以正式书面形式向设计单位提出工艺设计条件），内容包含
4.1.1操作数据：包括流量、气相分率、温度、压力、热负荷等；
4.1.2物性数据：包括介质密度、比热、粘度、导热系数或介质组成等；
对于同时受两程温度作用的元件可按金属温度确定设计温度，也可取较高侧设计温度。
在任何情况下元件金属的温度不得高于材料允许使用的温度。
5.2.2元件金属温度确定。
5.2.2.1传热计算求得
1）换热管壁温tt
热流体热量通过管壁传给冷流体（图1）。换热管壁温tt
（1）
2）壳体圆筒壁温ts图1
壳体圆筒壁温计算与换热管壁温相同，不同的地方圆筒外为大气温度，有保温的基本是圆筒外壁温度。
堆焊复合：其覆层完全可计入管板的有效厚度（以许用应力比值折算），与换热管连接采用强度焊时，有充分的能力来承受换热管的轴向剪切载荷。
爆炸复合：采用标准中1级的复合钢板时，覆层是否计入管板有效厚度由设计者自行决定（钛、铜覆层不能计入管板有效厚度内），但管板覆层与换热管的强度焊，可以承受换热管的轴向剪切载荷。
2）带凸肩的管板、内孔焊管板和管箱平盖采用轧制板材直接加工制造时，碳素钢、低合金钢厚度方向性能级别不应低于GB/T5313-2010（厚度方向性能管板）中的Z35级，并在设计文件上提出附件检验要求。
3）采用钢板作管板和平盖时，厚度大于50mm的Q245R、Q345R，应在正火状态下使用。