GB151-1999《管壳式换热器》宣贯

GB151《管壳式换热器》浙江工程设计有限公司童希亚前言压力容器需要满足的基本要求：总体要求满足使用条件,保证安全可靠，尽量做到经济合理。具体要求1.对设备的操作条件和载荷进行正确的估计；2.对容器元件的的总体应力、局部应力和温差应力，以及可能产生的失效形式等进行全面分析和评估,并采用不同的设计方法；3.根据容器的操作条件和作用，正确选择材料和合理的结构设计；4.必须遵守我国的有关、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。前言容器设计要考虑：一、有足够的强度容器壳体及附件必须具有足够的强度来承受工作载荷。设计时要尽可能地使零部件达到等强度。二、有足够的刚度三、有合理的设计使用寿命四、有合理的结构压力容器的结构，要在满足工艺要求的同时，满足制造、检验、运输、安装、操作和检修的要求。为此国家制定了GB151《管壳式换热器》，对设计、制造、检验和验收作了规定要求，使我们这些与此有关的责任人的产品达到设计数据和设计计算正确；结构设计和技术要求合理。一.热交换器的研究与发展随着世界性的能源危机波及到了装备制造业及石油化工这些耗材及能耗的大户，以及国家节能减排长期国策的确立，作为能量回收装备—热交换设备的提高传热效能及降低能耗的研究被提高到了很重要的地位。这些研究归纳为以下几个方面：一.热交换器的研究与发展1.传热与流动研究：目的——提髙传热及压降计算的准确性及寻求提髙传热效率，降低压降的途径。这方面研究主要涉及到：物性模拟研究、分析设计研究（如温度场、流动分布的模拟研究等）、传热及流动试验和工艺计算软件的开发等。一.热交换器的研究与发展2.换热设备大型化 、新型热交换设备的开发及降低能耗、节水的研究。3.强化传热的研究：如强化传热管研究、板管的研究（如板壳式、板空冷等）。4.材料研究（相容性及经济性的结合）。5.抗腐蚀及控制结垢的研究（涉及使用寿命及保持传热效率）。二.国内换热器及相关标准概况产品标准1)GB151-1999《管壳式换热器》2)JB/T4751《螺旋扳式换热器》3)NB/T47004-2009(JB/T4752)《板式换热器》4)NB/T47005-2009(JB/T4753)《板式蒸发装置》5)NB/T47006-2009(JB/T4757)《铝制板翅式换热器》6)JB/T4758《空冷式换热器》（即将出版，改行标）7)HG/T2650《钢制管式换热器》（单套管换热器）8)SH/T3119《石油化工钢制套管式换热器设计规范》（单、多套管）二.国内换热器及相关标准概况换热器用管材标准1)GB/T1527《銅及铜合金拉制管》2)GB/T3625《热交换器及冷凝器用钛及钛合金管》3)GB/T3639-2009《冷拔或冷轧精密无缝钢管》（代替2000年版，10、20、16Mn可作换热管，其外径允差可达到国外标准同类水平）4)GB5310《高压锅炉用无缝钢管》［2008版冷拔（轧）无髙精度管，但其普通级外径精度已达95版高级的要求］5)GB6479《化肥设备用高压无缝钢管》6)GB/T6893《铝及铝合金拉（轧）制无缝管》7)GB/T8163《输送流体用无缝钢管》8)GB/T8890《热交换器用铜合金无缝管》（无纯銅）9)GB/T9948《石油裂化用无缝钢管》10)GB13296《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》11)GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》12)GB/T××××《锅炉、热交换器用焊接奥氏体钢管》-报批中13）GB/T××××《髙效换热器用特型管》（含：T型槽管、波纹管、内波外螺纹管、内槽管）-报批中14)JB/T××××《锅炉、热交换器用管订货技术条件》正在制订中二.国内换热器及相关标准概况零部件标准1)GB/T16749《压力容器用波形膨胀节》2)JB/T4712.1～4《容器支座》（含鞍式、腿式、耳式、支承式）3)JB4700～4707《设备法兰技术、垫片、法兰》等七项标准。4)JB4718～4720《管壳式换热器用非金属、缠绕、金属垫片》等三项标准（正在合并修订）5)JB4721《外头盖侧法兰》（正在合并修订）6)JB4729《旋压封头》7)JB/T4736《补强圈》8)JB/T4746《钢制压力容器用封头》9)HG26592～20635《钢制管法兰、垫片、螺柱》二.国内换热器及相关标准概况型式参数标准1)JB/T4714～4717四项《管壳式换热器型式与基本参数》标准（正在合并修订中）其中JB/T4714《浮头式热交换器和冷凝器型式与基本参数》及JB/T4717《U形管式热交换器型式与基本参数》己有系列标准图软件，可出售标准施工图，也可出售软件。2)JB/T4722《管壳式换热器用螺纹换热管基本参数和技术条件》（正在修订为：“管壳式换热器用强化传热管基本参数和技术条件”，包括螺纹管、波纹管、波节管。）3)JB/T4723《不可拆螺旋板换热器型式与基本参数》（正在合并修订）4)JB/T4740《空冷式换热器型式与基本参数》（正在合并修订）二.国内换热器及相关标准概况热交换器性能测定标准-属能效标准，正在制订中三.GB151-1999《管壳式换热器》1.适用范围GB151-1999，其适用参数基本上是参照TEMA制定的:三.GB151-1999《管壳式换热器》限制定Pd、Di、Pd×Di的原因：TEMA标准在其适用参数后面有如下说明：“规定这些参数的目的是限定壳壁最厚约为3英尺寸（76mm）和双头螺栓的直径最大为4英寸（102mm）”。无论是TEMA还是GB151限制这些参数的目的是避免因采用常规设计趋于保守，而造成过大的浪费；这就是说超出这些参数范围，可采用更为精确更省材料的应力分析设计方法来进行设计，但分析设计及其对材料、制造、检验的高要求，使得如何确定使用常规与分析设计的界限成为很大的难题，一般可用经济性杠杆作评判标准。三.GB151-1999《管壳式换热器》正因为经济对比要具体问题具体分析，所以TEMA-1988及GB151-1989的1999版本都放宽了常规设计参数的限制。采用常规设计而又觉得管板太厚时，可用TEMARCB-7.3所描述的只对管板采用分析方法设计，以减薄管板厚度也是允许的，而GB151管板计算本身就是一种详细的分析设计计算。三.GB151-1999《管壳式换热器》超出适用参数范围的处理办法超出GB151适用参数范围除可以按照应力分析法进行设计外，GB151还规定了可以按照GB150用“验证性液压试验”和“用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计”方法来进行设计，但这必须要由全国锅炉压力容器标委会审定认可。三.GB151-1999《管壳式换热器》3总则（参见GB150）与GB150相同的内容略去，只介绍换热器因有管、壳程而造成的特殊要求。三.GB151-1999《管壳式换热器》注意GB151《管壳式换热器》分类与GB150一样，是遵循“容规”的规定，但因其是二腔容器（管程和壳程），故分类、设计与制造应遵守下列规定：a)二腔应分别按各腔的设计参数进行划类，并分别提相应的设计、制造、检验与验收的要求；b)换热器总类别,应以两腔中高的类别确定；c)换热器的机械设计按照管、壳程不同的类别分别进行设计时，对同时受管、壳程介质作用的受压元件及用同一螺柱连接的管、壳程法兰，应给予特别的考虑。如低腔不锈钢等材料，提高等同高腔，费用太大时就不符合节能要求三.GB151-1999《管壳式换热器》3.4管壳式换热器的主要结构型式及适用条件GB151中所列举的管壳式换热器主要有：1）固定管板式换热器；2）浮头式换热器；3）U形管式换热器；4）釜式重沸器；5）填料函式换热器。三.GB151-1999《管壳式换热器》不属于这五种型式的如：双管板换热器、折流杆换热器、螺旋折流扳换热器、绕管式换热器（但管板计算的支撑条件不同）等的机械设计，应参照GB151进行设计。三.GB151-1999《管壳式换热器》1）固定管板换热器的主要特点：该换热器的特点是结构简单、紧凑、没有壳程密封的问题，而且往往是管板兼作法兰。其适用于：a)管、壳程温差较大，但压力不高的场合(因为温差大，要加膨胀节，而膨胀节耐压能力差；b)管、壳程温差不大，而压力较高的场合；c)壳程无法机械清洗，故要求壳程介质干净；或虽会结垢，但通过化学清而能去除的场合；d)布管多，锻件少，一次性投资低；但不可更换管束，整台设备往往由换热管损坏而更换，故设备运行周期短。三.GB151-1999《管壳式换热器》2）使用压力和温度的限制：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，因为在固定管板换热器的管板温差应力计算中，要校核以下三个方面的应力和力：按有温差的各种工况算出的壳体轴向应力σc，换热管轴向应力σt，换热管与管板之间连接拉脱力q三.GB151-1999《管壳式换热器》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，而GB16749《压力容器用波形膨胀节》规定最高使用压力为6.4MPa,再高要用带加强装置的Ω型膨胀节。故带膨胀节的固定管板换热器使用压力不高，而且结构设计和制造也趋于复杂。三.GB151-1999《管壳式换热器》在壁温差很小无需考虑温差应力时，固定管板式换热器也有使用在很高压力的场合，此时往往管板与管箱或管板与壳体做成整体型式，或者管板、管箱(头盖)和壳体三者成为一个整体，如大化肥中的高压甲铵冷凝器的管程压力为15.8MPa，但一般高压用得比较少，而低压力、大直径固定管板式换热器用得很广泛。三.GB151-1999《管壳式换热器》在管壳式换热器中管与管板连接接头是分隔管、壳程介质的关键屏障，但却不能保证绝对不漏，即使制造时液压试验、气密性试验都合格；但在操作中由于温度、压力和腐蚀的联合作用，或操作不当时，有可能出现部分管头失效而造成内漏。当这样的内漏会使管壳程介质混合出现严重或灾难性事故时，双管板换热器便应运而生。双管板换热器一般型式为：双管板固定管板换热器、双管板U形管式换热器和釜式重沸器（U形管束）三种型式三.GB151-1999《管壳式换热器》特点：a)内管板与换热管必须采用强度胀连接，所以壳程适用的压力、温度不髙；b)内管板强度胀是关键，换热管应采用高精度管，并尽量减小管与管孔的径向间隙；c)管板隔腔间可视为常压、常温；外管板强度焊后一般无需贴胀；d)管板数量多一倍，管板刚性好，U形管换热器管板都兼作法兰；e)换热管有效长度减少，造价略髙。三.GB151-1999《管壳式换热器》3.10换热器主要组合部件及规格型号的表达方式的说明：在GB151的3.10及“压力容器设计工程师教程”25.3中换热器主要组合部件及规格型号的表达方式已有详细描述，但不是说除了上述规定以外的结构就不允许使用，因为GB151不可能把所有内容都包括进来如：双管板换热器；单管程立式换热器壳体内的膨胀节；前端管箱中有采用焊接式平盖管箱等。这些都没有纳入GB151，但又都是有章可循，有公式可计算的，是可以使用的，如果说因为GB151没有这些具体结构就不准使用，这是不正确的。三.GB151-1999《管壳式换热器》*设计参数：换热器相对于一般压力容器，尤其是与储存容器有着完全不同的概念，工艺设计在换热器中占有主导地位，机械设计仅仅是为了保证实现工艺计算中的传热和压降的一种手段，归纳如下：工艺计算—设备选型—施工设计三.GB151-1999《管壳式换热器》GB151:3.6公称直径DN3.7换热面积A3.8公称长度LN3.9管程和壳程3.11压力（最苛刻的组合）3.12温度3.13载荷3.14厚度腐蚀裕量考虑原则、计算厚度需要时计入3.13.2中载荷三.GB151-1999《管壳式换热器》3.6公称直径DNa）卷制圆筒DN≥500mm，以圆筒内直径（mm）作为换热器的公称直径;b）钢管制圆筒DN≤400mm，以钢管外径（mm）作为换热器的公称直径。三.GB151-1999《管壳式换热器》在以钢管作壳程圆筒时，应特别注意：①钢管壁厚的差异，所造成的折流板外圆与钢管内径径向间隙的超差，对传热效率的影响。②标准设备法兰的配置，防止与钢管对接B类坡口的超差。c)DN=400～450mm时，有可能出现卷制和采用钢管两种情况，此时可按a)、.b).两种情况分别表示三.GB151-1999《管壳式换热器》3.7换热面积A（m2）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后计算得到的面积；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影响。三.GB151-1999《管壳式换热器》3.8公称长度LN（m）以换热管的长度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。为了避免大量的锯管及铣管头，控制管长允差是十分必要的。三.GB151-1999《管壳式换热器》3.11压力a）对于同时受管、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。一般只有在管板很厚时，才采用压差设计以减薄管板，但会给制造、操作、维修带来麻烦。否则应考虑最苛刻的压力组合。按压差设计的换热器，其管头的试压还应考虑特殊措施；b）真空换热器真空侧的设计压力，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（注意试压）。 三.GB151-1999《管壳式换热器》3.12温度同时受管、壳程温度作用的元件，应按金属温度确定设计温度，但由于确定金属温度比较复杂，所以在工艺没有给出金属温度或工艺参数不全无法进行金属温度计算时，一般采用较苛刻的介质温度作为设计温度。三.GB151-1999《管壳式换热器》3.13载荷3.14厚度计算厚度需要时计入3.13.2中载荷三.GB151-1999《管壳式换热器》3.14.1.2腐蚀裕量：新“容规”设计参数中包括寿命，因此C2很重要腐蚀裕量的取值腐蚀裕量与介质对材料的腐蚀速率B（mm/y），及确定的使用年限（y）有关，其关系式为：C2=B×y,mm；如设备取10年寿命时，C2的取值见表。三.GB151-1999《管壳式换热器》腐蚀顺序无腐蚀轻微腐蚀腐蚀严重腐蚀速率mm/y≤0.050.05～0.100.10～0.5＞0.5腐蚀裕量mm0≥1≥2≥5三.GB151-1999《管壳式换热器》3.14.1.3换热器腐蚀裕量考虑的原则：a）管板、浮头法兰、球冠形封头及钩圈两面均应考虑腐蚀裕量；b)平盖、凸形封头、管箱和壳体、圆筒的内表面以及设备法兰、管法兰的内径面应考虑腐蚀裕量；c）管板和平盖上开槽（隔板槽、焊接结构槽）时，可把高出槽底面的金属作为腐蚀裕量，当腐蚀裕量大于槽深时，还应加上两者的差值；d）换热管、拉杆、定距管、折流板和支持板不考虑腐蚀裕量。*不是绝对的，当换热管为不锈钢，折流板用碳钢时，折流板需要考虑三.GB151-1999《管壳式换热器》3.16焊接接头系数a）GB151的焊接接头系数取自GB150：b)对于无法进行无损的固定管板换热器壳程圆筒的环向接头，当采用氩弧焊打底或沿焊接接头根部全长有紧贴基本金属的垫板焊接接头的系数取φ=0.6（注意这是B类焊接接头—不能作为筒体壁厚计算用），其原因为：1取φ=0.6是为了在计算固定管板换热器壳程圆筒轴向应力σc时，确定和值用；2此类焊接接头因无法进行无损检测，给出φ=0.6是要求焊接应按焊接工艺施焊，避免随意性。三.GB151-1999《管壳式换热器》3.17压力试验换热器管、壳程压力试验的方法，试验压力应区别管、壳程不同的工况按GB151中3.17节的有关规定，而管头的试压是最关键的。三.GB151-1999《管壳式换热器》1)管程压力高于壳程压力时，连接接头的试压：这种情况下，如何进行连接接头的试压，GB151-1999中6.18.5规定“当管程试验压力高于壳程的试验压力时，接头试压应按图样规定，或按供需双方商定的方法进行”。这一条文明确了二点，一是设计者应考虑该问题，其二是必须在制造前加以解决，不能把问题留在制造厂。三.GB151-1999《管壳式换热器》出现上述的工况时，一般有如下处理方法：a)用0.9Relф的应力值计算壳程的试验压力，以尽量提高壳程试验压力，但此时必须注意壳程其他受压元件是否也能承受在此试验压力下的强度及密封性能，用上述办法不能达到壳程试验压力时，若差距不大，设计者应考虑适当的要增加壁厚；b)按壳程试验压力试压后，再在壳程用氨渗漏或氦渗漏进行补充性的试验；c)对于可抽式管束如管子为正方形排列时，可先打管程高压，用窥视镜从管板背面检查泄漏情况。三.GB151-1999《管壳式换热器》*按压差设计的换热器连接接头的试压：按压差设计的换热器，实际上仅同时受管、壳程作用的受压元件才能按压差设计；一般主要指管板、浮头式换热器还包括浮头盖，而其他受压元件还必须按管程或壳程设计压力设计。管头压力试验应按下列两种情况进行。三.GB151-1999《管壳式换热器》a)壳程压力高于管程压力时，不能直接用壳程试验压力进行试压，应用压差或是允许的压力（一般要进行计算）先试压检查管头；b)管程压力高于壳程时，一般可用压差进行管头试压；但当管、壳程二者之压差还高于壳程压力时，则应按壳程的压力进行管头试压；c)上述二种情况都不能达到管头在管、壳程最高状态下试验的目的，故在进行了a)或b)的试验后，还需用氨或氟里昂进行渗透试验以检查接头的致密性。三.GB151-1999《管壳式换热器》4材料(99版《管壳式换热器》加入了有色金属，取消了“钢制”）*铝及铝合金a）铝与空气中的氧迅速生成的Al2O3薄膜，故在空气和许多化工介质中有着良好的耐蚀性，使用及限制条件如下：①铝镁合金在潮湿大气、海水、硝酸溶液和碱性溶液中，有良好的耐蚀性，但镁含量应不大3%，使用温度不大于65℃；②铝硅合金，能很好的耐海水腐蚀，但其冷塑性差，故用于铸锻件多；③工业纯铝常用在t＜80℃硝酸、醋酸中；④工业纯铝的焊缝在高温浓硝酸中，铝合金在海水、中性盐溶液中都有可能产生晶间腐蚀；⑤工业纯铝在活性离子（尤其是氯离子）中会产生点蚀；⑥铝及铝合金在湿H2S、含H2硫化物、海水中会产生应力腐蚀；b）在低温下，具有良好的塑性和韧性；c）有良好的成型及焊接性能；d）设计参数：P≤8MPa，-269℃≤T≤200℃。三.GB151-1999《管壳式换热器》**铜及铜合金a）铜及铜合金的耐蚀性能如下：①铜在没有氧化剂的水及氧化性酸中是稳定的，当有氧化剂时，铜会加速腐蚀；②铜中含氧时，会形成Cu2O降低了耐蚀性与工艺性，在含有H2或CO等还原性的气氛中加热，H2或CO会渗入铜中，并与氧反应，产生微裂纹，称之为“氢病”；③纯铜在大气中会形成CuCO3Cu(OH)2保护层具有一定的稳定性，因而在大气、淡水、冷凝水中有着优良的耐蚀性，但在氨、铵盐、氯化物、碳酸盐、硝酸、浓硫酸等介质中不耐蚀；④黄铜耐蚀性并不好，在潮湿的含有氨或二氧化硫的大气中，易产生腐蚀开裂，一般作为抗锈材料；⑤锡青铜在大气中形成致密的SnO2薄膜，在大气、淡水、海水、蒸汽、稀硫酸、有机酸及碱性水溶液中，耐蚀性良好，但在氨水、盐酸中不耐腐蚀；⑥铝青铜的表面会形成致密且稳定的AL2O3薄膜，在海水、氯化物溶液和一些酸中耐蚀性很好；⑦白铜在海水、有机酸和各种盐溶液中有着较高的耐蚀性，用作海水冷却的换热管经常采用含10%或30%的Ni白铜。三.GB151-1999《管壳式换热器》b）具有良好的导热性能及低温性能；c）具有良好的成型性能，但焊接性能稍差；d）设计参数：纯铜：T≤150℃，150℃～200℃许用应力衰减快；铜合金：T≤200℃，一般的铜合金在200℃～250℃的许用应力衰减快，但铁白铜的性能稳定，可用到250℃；但新编制的铜容器标准列出了更高温度下的许用应力值，必要时也可以选用。e）有GB/T8890-1998《热交换器用铜合金无缝管》由沈阳、上海铜加工厂编制，但缺少常用的纯铜管，但比88版扩大了管径、增加了壁厚及H85A牌号的管材。三.GB151-1999《管壳式换热器》***钛和钛合金a）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，其耐蚀性能如下：①钛在氧化性、中性介质中具有优异的耐蚀性能，如各种温度、浓度的硝酸和醋酸的耐蚀性极好，但在发烟硝酸和含酸酐的浓硫酸中，必须含有足够的水，使钛保持完全钝化，才不会出现爆炸和严重的均匀腐蚀或点腐蚀。②钛在含氯离子中性介质中具有优良的耐蚀性，但在干氯气中会剧烈反应而着火，所以钛在氯气中含水要超过0.3%才能维持钝化。③钛在海水中，有优异的耐蚀性和耐冲蚀性。（可允许海水的流速υ≥20m/s）;④钛耐大多数无机盐溶液腐蚀。⑤Ti–0.2Pd，Ti–0.3Mo–0.8Ni在硫酸和盐酸中比工业纯钛耐蚀性能好；Ti–0.2Pd在3%的氯化钠溶液中，可用到250℃不产生缝隙腐蚀。三.GB151-1999《管壳式换热器》Ti–0.3Mo–0.8Ni在中性盐水中，可用到260℃不产生缝隙腐蚀和点蚀。在PH=2的酸性溶液中可用到170℃。Ti–32Mo可用于沸腾的20%盐酸和40%的硫酸中。⑥钛不耐氢氟酸、氟硅酸腐蚀，不宜用于130℃以上的浓碱溶液。⑦钛在含盐酸的甲醇、乙醇及熔融氯化钠中会产生应力腐蚀。b）密度小（4510kg/m3），强度高（相当于20R）；c）有良好的低温性能，可用到-269℃；d）钛-钢不能焊，且铁离子对钛污染后会使耐蚀性能下降；e）表面光滑，粘附力小，且表面具有不湿润性，特别适用于冷凝；f）设计参数：P≤35MPa，T≤300℃；g）有GB6325-1995《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》,GB/T3621《钛及钛合金板材》等标准；h）价格高，综合指数价格比：（密度小，ф25管可用到δ=1mm或1.5mm壁厚）约为不锈钢的6～8倍，若延长寿命1倍以上，则钛和钛合金管是最佳耐腐蚀用管，但一次性的投资大。三.GB151-1999《管壳式换热器》4.4换热管换热管主要材料、标准、管子规格、外经及壁厚偏差:三.GB151-1999《管壳式换热器》a）使用普通级换热管制造Ⅱ级管束的，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。b）由于换热管精度的影响，GB151-89称为Ⅰ级换热器和Ⅱ级换热器因换热管的全部影响都在管束中，故GB151-1999改称为Ⅰ级管束和Ⅱ级管束，同时取消了Ⅰ、Ⅱ级使用场合的推荐，以免产生误解。c）同为高精度换热管，在外径和壁厚等方面也与国外标准存在差距。d）中国基本无专用换热管标准，而美、日有专用的标准。三.GB151-1999《管壳式换热器》为了解决这种状况，目前正通过下述渠道试图改变：1在“规范”或“标准”中加入“管壳式换热器应采用高精度管”，以达到强制取消普通级管作换热管的目的；2参照欧盟标准，制订“锅炉、热交换器用管订货技术条件”目前这一工作正在进行中；3类似SA-249/SA-294M《锅炉过热器、换热器、冷凝器用焊接奥氏体钢管》的焊管等换热器管专用国标正在相继出台。三.GB151-1999《管壳式换热器》4.4.2奥氏体不锈钢焊管由于技术和装备能力的进步，GB151-1999版开始允许使用奥氏体不锈钢焊管作为换热管，但鉴于第一次列入标准，故给与了严格限制。a）P≤6.4MPa，国外无此限制，从国内通过评审的焊管厂的数据来看，目前焊接质量都较好，爆破压力都超过计算值（详见表），b）不得用于极度危害介质，国外也无此限制，但要求做水下气密性试验；c）φ=0.85。1）第一强度理论的计算爆破压更接近实际爆破压；2）焊后﹢冷轧﹢固溶的加工工艺性能更好，但工序多，费用高。国外各种焊管用作换热管的很普遍；鉴于国内焊管也有了长足的进步，而且奥氏体焊管的国标马上就要颁布，所以在GB151的改版中拟放宽限制，如压力P≤6.4MPa将改为P≤10MPa。三.GB151-1999《管壳式换热器》4.4.3强化传热管实践证明:在蒸发、冷凝、冷冻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；需要注意的是：无论那种强化传热管都不是万能的，都只有在特定的范围内才能起到强化传热的作用。国内外常用的强化传热管有以下几种：三.GB151-1999《管壳式换热器》5设计5.1平盖a）强度计算时，GB150和GB151-89中的厚度计算式或结构特征系数都未表达预紧与操作时许用应力随温度变化的关系，因此是不合理的，PD5500、JIS8275、ASMEⅧ-1都强调了应分别取两种状态下的许用应力，因此GB151将强度式分成了操作和预紧两个计算式。b）ASMEⅧ-1认为预紧时，Pc=0，若用GB151-1999的预紧公式算时，δp=0,这显然不合理；但用ASMEⅧ-1公式，进行计算，这一规定显然又是合理可行的。总之，换热器的平盖看似简单，但确实是一个复杂的问题，在改版时，将对换热器平盖予以研究。三.GB151-1999《管壳式换热器》*浮头法兰根据JIS8275和PD5500规定，计算L和J及δ时，应分别按照操作和预紧两种状态进行计算，取大值。但L的计算是肯定为操作状态下为大值，故只列出一个操作状态下的公式，而J则要经计算比较后才能确定，故仍列出二个公式。三.GB151-1999《管壳式换热器》5.2管箱和壳体5.2.1管箱短节由于结构尺寸的限制，且管箱或头盖短节一侧与法兰另一侧与封头相联接，故不属于GB150限制拼接圆筒不小于300mm的范围，因此不用遵循该规定，GB150改版时，也许将会修正300mm的规定。三.GB151-1999《管壳式换热器》5.3圆筒a）当采用ф426、ф377、ф325等钢管作壳体圆筒，而又采用JB4701~JB4703设备法兰时，圆筒内径与法兰的配合是个难题，尤其是壳程压力低，壁薄时，会造成焊缝对接错边量及折流板与圆筒间隙过大的现象，因此GB151表41注1中规定DN≤426mm时，折流板外圆为壳体钢管实际内径减2mm，设计者应充分注意。b）换热器壳体圆筒的最小壁厚比压力容器要厚，是因为压力容器最小壁厚仅满足制造工艺的要求，而管壳式换热器尚需满足经常抽装管束和重叠安装的要求，对于不需抽芯的固定管板换热器可稍薄，但从前面的对比表看GB151的壳体圆筒最小厚度比TEMA厚，改版时应予以修订。表8、表9三.GB151-1999《管壳式换热器》5.4接管*接管应力校核对于高温、大口径的接管，还应考虑来自管道的推力（三个方向的力和力矩），此时要校核所在的壳体元件和接管根部的应力(在SW6的计算软件中有该程序。)，若校核通不过，则应由管道专业考虑管道上是否设置固定支架或限位支架等方法加以处理。**接管的型式a)插入式接管b)安放式接管（注意壳体分层）c)马鞍形接管三.GB151-1999《管壳式换热器》5.4.2接管（或接口）的一般要求a）接管宜与壳体内表面平齐；b）接管应尽量沿换热器的径向或轴向设置；c）设计温度高于或等于300℃时，应采用对焊法兰;d）必要时应设置温度计接口，压力表接口及液面计接口；e）对于不能利用接管（或接口）进行放气和排液的换热器,应在管程和壳程的最高点设置放气口,最低点设置排液口,其最小公称直径为20mm。5.5.4换热管的拼接拼接时应符合6.3.3的要求，如不允许拼接，应在图样中注明。三.GB151-1999《管壳式换热器》5.6管板5.6.3.2换热管的中心距换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，按S=1.25d0的计算值,还可做如下处理：a)换热管与管板采用强度胀时应向上圆整；因为强度胀时，管桥宽度是影响强度胀的一个很重要的因素；b)换热管与管板采用强度焊时，可向下圆整；c)需要抽芯清洗时，两管净空距离宜不小于6mm。三.GB151-1999《管壳式换热器》5.6.4管孔管孔与换热管的径向间隙的大小是影响管板与换热管连接接头（尤其是胀接）质量的关键性指标，而管孔的尺寸及允差又直接受控于换热管的精度。国内由于没有专用的钢制换热管的标准，且大量生产的是普通级换热管，所以GB151在碳钢和低合金钢管中，不得不保留普通级钢管并允许Ⅱ级管束的存在，而对于新列入的有色金属管则从一开始就要求高精度的换热管。管孔尺寸所列的6个表（表16～21），是根据如下原则确定的:三.GB151-1999《管壳式换热器》a）碳钢、低合金钢换热管所选配的管孔与GB151-89版相同，允许使用两种精度管，所以出现了二种精度的管孔；b）由于GB13296不锈钢管标准取消了普通级，所以不锈钢换热管与管孔采用了Ⅰ级管束的高精度配合；c）由于铝管外径的偏差与高精度钢管相同，而铝管又以胀接为主，所以采用了钢管Ⅰ级的配合，又由于铝比铝合金相对软一些，胀接困难，故管孔的上偏差铝稍严一些（小0.07mm）；d）由于GB/T8890所有铜换热管都呈负偏差，这是比较特殊的，加之铜管基本采用胀接（或加密封焊）故为防止过胀，管孔的名义尺寸及允许偏差比钢的Ⅰ级更小；e）由于钛材贵，换热管壁厚薄，同时GB/T3625钛管外径、壁厚偏差都比高精度钢管小，所以钛材管孔与管的间隙比Ⅰ级钢管的要小；三.GB151-1999《管壳式换热器》5.7管板计算5.7.4.1符号换热管受压失稳当量长度lcr按图32（p59)三.GB151-1999《管壳式换热器》5.8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数集中在管接头上，因此选用安全、可靠的管接头型式，研制相应的加工设备与技术是换热器制造技术的关键课题。三.GB151-1999《管壳式换热器》5.8.1管接头的型式有以下几种：a）强度胀b）强度焊c）强度胀+密封焊d）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+强度焊的管接头型式。三.GB151-1999《管壳式换热器》*管接头失效的原因有：a）管接头因高温应力松弛失效（多半发生在强度胀中）。b）管接头在高温高压下，因腐蚀而破坏；c）管束在横流流体冲击下产生振动，管接头疲劳破坏；d）制造工艺不合理，没有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。e）操作不当，温度波动过频，引发疲劳破坏三.GB151-1999《管壳式换热器》5.8.2强度胀5.8.2.1强度胀的适用范围：a）GB151规定强度胀的适用范围为：设计压力：P≤4.0MPa,（国外有开多个槽时，可用于≥10MPa）设计温度：T≤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。在上述因素中，温度及振动的影响是关键的，在温度不高的情况下，适当调高压力也是允许的。三.GB151-1999《管壳式换热器》5.8.2.2结构尺寸及胀接方法a)强度胀结构的开槽尺寸8-3-6-3的制定是为了在较薄的管板（如25mm厚）开2个槽的需要，当管板较厚时，这个尺寸是可以改变的；对于机械胀接3mm宽的槽是可行的，然而，当使用柔性胀接时，必须加宽槽的宽度尺寸，而且应按《容规》第105条公式，进行槽宽计算，如：φ25x2.5的换热管开槽宽度应为：8.7mm～10.3mm之间，所以GB151中5.8.2.3条e款规定可根据不同的胀接方法修改有关尺寸。三.GB151-1999《管壳式换热器》贴胀贴胀：系指消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接，应特别注意的是“轻度胀接”在TEMA原文为“Lightexpandedjoint”,所以贴胀要有一定的胀度，如果按壁厚减薄量的公式来确定时，取2%～3%左右为宜三.GB151-1999《管壳式换热器》5.8.3焊接焊接有强度焊和密封焊二种型式，强度焊与密封焊的界限是个不易说得清楚的问题。6.6.4.1一般概念：1)强度焊：使实际强度等于或大于管子与管板接头最大轴向剪切载荷的焊接（API660定义），当焊缝长度大于等于1.4倍管子壁厚时；就不用计算，而予认可为强度悍（ASME-2001，UW-20）；2)密封焊：焊缝长度小于1.4倍管子壁厚，且不小于管子壁厚，起辅助密封作用称密封焊（用强度胀来承受换热管轴向剪切载荷），国内一般用得较少。三.GB151-1999《管壳式换热器》结构形式三.GB151-1999《管壳式换热器》a)上图(a)(b)(c)三种型式都可满足强度焊的要求，但(a)、(b)型在安装时，不考虑l1是最小值时，施焊易将管端熔化，为了在苛刻使用场合保证形成全角焊缝，不熔化管端，增加了(c)的形式。需要注意的是其l2仍为最小伸出长度。所以确定l1、l2值时，要考虑施焊的设备及技术因素，适当加长。b)若要求焊接管接头焊缝截面十分均匀时，则焊前应进行扩口或采用先胀（滿胀）后焊。三.GB151-1999《管壳式换热器》*换热管与管板接头的焊接工艺评定：根据全国“锅容标委”的决定，接头焊评将纳入新版JB4708，但需要强调的是只有强度焊才需进行焊接工艺评定。三.GB151-1999《管壳式换热器》5.8.4胀焊并用注意适用范围1）强度胀+密封焊2）强度焊+贴胀三.GB151-1999《管壳式换热器》5.9折流板和支持板折流板既用来支撑换热管，又使其产生理想的壳程流速，还可以减少换热管无支撑跨距避免流体诱导振动，因此折流板在换热器壳程设计中无论是对传热还是对压降都占有重要位置，因为折流板是可以调节的，合理的折流板设计将会在传热和压降上都取得比较满意的效果；在有相变的壳程中，一般设置支撑板起支承作用，与传热关系不大。三.GB151-1999《管壳式换热器》5.9.1折流板和支持板的形式图37*形式的选择常用的折流型式有折流板、折流杆和螺旋折流板等。三.GB151-1999《管壳式换热器》1)弓形折流板a）单弓形折流板为最常用的形式，其形式简单，但压降较大；b）双弓形折流板，适用于壳程流量很大的物流，或壳程流体为密度低的低压气体时，此时压降会有大的下降，而传热系数的下降要小得多；c）三弓形折流板类似双弓形折流板的功能，但其安装的难度较大。2)折流杆用于换热管垂直的四组圆钢所形成的#字将换热管固定住，流体与换热管形成顺流，但折流杆会使流体不断地产生卡门漩涡以提高传热的效率。折流杆换热器的关键技术在于合适的工位选择（工艺计算）及制造组装技术。三.GB151-1999《管壳式换热器》5.9.2.2折流板和支持板的最小厚度表345.9.3折流板和支持板管孔表35～405.9.4折流板和支持板外直径及允许偏差表41三.GB151-1999《管壳式换热器》5.9.5.1折流板布置注意：卧式换热器壳程单向清洁流体——折流板缺口水平上下布置（通液口、通气口）；气、液相共存或液体中含有固体物料——折流板缺口垂直左右布置（通液口）图39三.GB151-1999《管壳式换热器》5.9.5.2折流板间距a）TEMA和GB151都规定了最小折流板间距为壳体内径的1/5或50mm，取大者；小间距会增加壳程的流速及压降，考虑到传热、压降的均衡性，一般折流板间距宜不小于壳体内径的30%。b）折流板最大间距可等于壳体的内径，若再加大将可能使壳程流体纵向流（顺流）大大增加，使传热效率大大下降，另外，无支撑跨距过大会诱导振动，必要时应进行振动校核。c）壳程流动为紊流时，传热系数变化范围为流速的0.6～0.7次方，而压降则与流速成正比，因此，随着折流板间距减少，压力降的增加比传热系数上升要快得多。三.GB151-1999《管壳式换热器》5.11防冲与导流条件面积原则形式三.GB151-1999《管壳式换热器》5.18膨胀节5.20支座*鞍式支座——布置与卧式容器不同，图59**耳式支座——当设置膨胀节时：立式并带有膨胀节的管壳换热器，当壳体壁温大于管子壁温时，支座应尽量设置在膨胀节的上方***群座——不采用三.GB151-1999《管壳式换热器》6制造、检验与验收6.3换热管6.3.3换热管拼接时应符合以下要求：7条要求（p89)a）应参照JB4708对焊焊接接头作焊接工艺评定，Al、Cu、Ti可参考执行；b）直管拼接不得超过一条，U形管不得超过二条；最短管长不应小于300mm，包括至少50mm的直管段的U形管管段范围内不得有拼接的焊缝；c）拼接坡口应用机械方法加工，焊前清洗干净。d）对口错边量不得超过壁厚的15%，且不大于0.5mm，直线段不得影响穿管。e）对接后要按GB151表50进行通球检查。f）对接焊接接头进行射线（RT）抽查，不少于接头总数10%且一条，II级合格；如有一条不合格则加倍；再出现不合格时，100%检查。g）对接后换热管应逐根按2倍设计压力进行液压检查。正因为换热管的拼接要求十分严格，所以，制造厂一般不进行拼接，因为12m的换热管可以满足绝大多数换热器的要求，而且火车可直接发运；而大多数中小型钢管厂可以按要求提供弯制好的U形管，所以换热管拼接的不是很多。三.GB151-1999《管壳式换热器》6.3.4U形管的弯制6.3.4.1圆度偏差应不打于换热管名义外径的10%(0.9d)，但弯曲半径小于2.5倍的换热管名义外径时，可按15%(0.85d)来验收。6.3.4.2U形管不宜热弯。因为热弯更不易控制圆度且外圆壁厚减薄量严重，更不适合于有应力腐蚀的场合。6.3.4.3当有应力腐蚀要求时，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）：a)碳钢、低合金钢钢管进行消除应力热处理；b)奥氏体不锈钢可按双方商定的方法进行热处理。*用作低温管时，冷弯的弯曲半径小于10倍的管子外径时，弯后应作消除应力热处理；**原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；***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，或伸长率达A≥10%时，应进行热处理。三.GB151-1999《管壳式换热器》6.4管板拼接管板检测、热处理6.4.1拼接管板的对接接头应进行100%的射线或超声检测，按JB4730射线不低于Ⅱ级、或超声检测中不低于Ⅰ级合格。6.4.2除不锈钢外,拼接后管板应作消除应力热处理。注意表51～52——89版升到99版，数据修改过了！a)二个标准的管孔直径偏差仍有4%允许有较大的偏差，这主要是从经济性考虑，不是所有的管孔都用最高级的加工手段来加工。b)当冷作硬化会产生应力腐蚀的工况，或换热管与管板无法使其存在硬度差时，适当地减少径向间隙时可取的，也是允许的。因为标准是最低要求，图纸可以比其要求高。三.GB151-1999《管壳式换热器》6.4.5孔桥宽度B，BminB、Bmin值主要是针对管板采用强度胀时的要求。当换热管与管板为强度焊的焊接接头承受换热管的轴向剪切载荷时，B和Bmin的数值可以适当放宽，同时管孔直径和偏差也可适当的放宽。在TEMARCB7.552中规定为：“强度焊连接；当用焊接连接去承受管子的轴向载荷时，可考虑修正RCB-7.4至RCB-7.51各节的要求”。在GB151-1999中5.8.5中规定为：“当Ⅰ级钢制管束和铝、钛、铜换热器采用强度焊或强度焊加贴胀，换热管与管板的焊接接头承受换热管轴向载荷时，5.6.4中的管孔直径及偏差及6.4.5中的桥宽偏差，可参照碳钢、低合金钢Ⅱ级管束的管孔和桥宽尺寸及偏差予以适当放宽。”三.GB151-1999《管壳式换热器》**桥宽与一般设计图中，管孔中心距偏差的关系：很多设计中对管板图中的布管的管孔中心距加以±0.3mm的限制，需要说明的是±0.3mm不能作为检查管孔中心距的依据，而±0.3mm是不可能与B及Bmin匹配的。实际上，±0.3mm的偏差是早期用来管板手工划线的依据。三.GB151-1999《管壳式换热器》6.8管箱、浮头盖的热处理a）碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖应进行消除应力热处理；热处理后加工法兰和分程隔板的密封面。b)碳钢、低合金钢制的管箱侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱应进行消除应力热处理；c）上述情况的奥氏体管箱和浮头盖，是否热处理供需双方协商解决，如可进行t＜427℃的低温长时间退火等。三.GB151-1999《管壳式换热器》附录F按此进行可以达到能效最大化，尤其是定型产品；虽然工艺参数较多，计算较繁琐，但是精确度高。三.GB151-1999《管壳式换热器》附录G管板与圆筒、管箱的连接四.常见问题及设计考虑2.固定管板换热器管程压力高于壳程压力时管接头的试压：计算壳程能够承受的最高的试验压力0.9φσs，以尽量提高壳程试验压力使其达到管程试验压力，但此时必须注意壳程其它受压元件是否也能承受在此试验压力下的强度及密封性能。用上述办法不能提高到规定的管程试验压力时：a.若差距不大，可以考虑适当增加壁厚；b.若仍然相差很远，则只能以壳程允许的最大试验压力试压，而后。壳程再用氨渗漏、卤素渗漏或氦渗漏进行补充性试验。四.常见问题及设计考虑3.我们设计图纸上对管子与管板的接头处进行气密性检验应该视情况不同作如下处理：举例——管程要求气密性时：管程压力高、壳程压力低：管程、壳程均要求气密性；管程压力低、壳程压力高：仅管程要求气密性。*壳程要求气密性时的考虑原则相同。四.常见问题及设计考虑4.管程——真空、壳程——压力高时试验压力考虑原则：按最大压差（即要增加0.1MPa）进行各项检验四.常见问题及设计考虑5.换热器管程容积包括以下3个连通腔：管箱（上或者左）；管箱（下或者右）；换热器管内。四.常见问题及设计考虑6.符合下列条件之一的压力容器可不开孔检查孔：⑴筒体内径小于等于300ｍｍ的压力容器。⑵压力容器上设有可拆卸的封头、盖板等或其他能够开关的盖子，其封头、盖板或盖了的尺寸不小于所规定检查孔的尺寸。⑶无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器。⑷制冷装置压力。⑸换热器。四.常见问题及设计考虑7.不锈钢材料的表示方法现行标准参考：GB24511-2009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》——S30408NB/T47010-2010《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》——S30408GB13296-2007《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》——0Cr18Ni9GB/T14976-2002《流体输送用不锈钢无缝钢管》——0Cr18Ni9GB/T12771-2008《流体输送用不锈钢焊接钢管》——06Cr19Ni10举列：0Cr18Ni9=06Cr19Ni10=S30408JB4726\4727\4728-2000锻件作废谢谢大家