抗高压管头(全面详解管壳式换热器)

管壳式换热器：

固定管板式换热器：

优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价

低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。

缺点：当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相

差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。

应用：适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶

解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳

侧压力不高的场合。

为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。

浮头式：

优点：管间和管内清洗方便，不会产生热应力；

缺点：结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。

应用：壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

U形管式换热器：

优点：结构比较简单、价格便宜，承压能力强。

缺点：受弯管曲率半径限制，布管少；管束最内层管间距大，管板利用率低；壳程流体易短路，传热不利。当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。

应用：管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。

填料函式：

优点：结构较浮头式简单，加工制造方便；节省材料，造价比较低廉；管束从壳体内可抽出；管内、管间都能进行清洗，维修方便。

缺点：填料处易泄漏。

应用：4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。

注：填料函式换热器现在已很少采用。

釜式重沸器：

特点：与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便；可处理不清洁、易结垢介质，能承受高温、高压（无温差应力）。

管壳式换热器结构：

管程：与管束中流体相通的空间；

壳程：换热管外面流体及相通空间。

管板：

作用：用来排布换热管；

将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；

承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。

1.管板材料：

力学性能；介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）；贵重钢板价格。

流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；

腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料，为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。

2.管板结构

厚度—满足强度前提下，尽量减少管板厚度。

以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。

受力情况比平管板好得多，可以做得很薄，有利于降低热应力；适用于高压、大直径的换热器。（暖通南社）

管箱：

作用：流体送入换热管和送出换热器，在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。

a.清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的介质。

b.清洗时不要拆除管线；缺点是用材较多。

c.检查、清洗不方便很少使用。

d.设置多层隔板的管箱结构。

管束分程：管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。

1.强度胀：保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。

结构：

胀接机理：

管子硬度一般须低于管板硬度，若达不到，可进行管头退火处理。

2.强度焊：保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。

优点：焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。

高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。

泄露处可补焊和更换。

缺点：焊后，管子与管板中存在残余热应力和应力集中，运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破坏；缝隙腐蚀。

应用：除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛；薄管板不能胀，只能焊。

3.胀焊并用：主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等。

不仅能提高连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命。

应用：密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需使用复合管板等的场合。

机械胀接-先焊后胀；液压胀接-先胀后焊。

壳程结构：

折流板：

1.作用：提高壳程流体流速，增加湍动程度；使壳程流体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；减少结垢。

2.结构形式（见图）：

弓形缺口高度h：

应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，如单弓形折流板，h一般取0.20～0.45Di，最常用0.25Di。

3.弓形缺口及通液口设置：

（A）壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置。

（B）卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口。

4.折流板布置

位置：管束两端的折流板尽量靠近进出口接管；

间距：Lmin不小于0.2Di，且不小于50mm；Lmax不大于Di；

折流板上管孔与换热管的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙；

过大—泄露严重，不利传热；易引起振动。

过小—安装困难。

当换热管的无支撑跨距超过了标准中规定值时，必须设置一定数量的支撑板，按照折流板处理。

5.折流板的固定

三、折流杆：

作用：管束支撑结构；

特点：减轻折流板对换热管的剪切破坏和流体诱导振动；避免折流板导致的传热死区，减小流体阻力，提高传热效率。

防短路结构：

旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。

旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接。

壳体公称直径DN≤500mm时，增设一对旁路挡板；

DN=500mm时，增设二对挡板；

DN≥1000mm时，增设三对旁路挡板。

2、挡管

防止管间短路；

分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；

挡管一般与换热管规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆（带定距管或不带定距管）代替。

挡管每隔3～4排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处。

隔板与挡管

3.中间挡板

U形管束中心部分存在较大间隙 ，防止管间短路；

中间挡板一般与折流板点焊固定；

中间挡板的数量：DN≤500mm时，设置1块挡板；500mm<DN<1000mm时，设置2块挡板；DN≥1000mm时，设置不少于3块挡板。

壳程分程：

根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器壳程分为多程的结构。

管板设计：

各国的管板设计公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以下三种基本假设的前提下得出的：

（1）将管板看成周边支承条件下承受均布载荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱，再引入经验性的修正公式。

（2）将管子当作管板的固定支撑而管板是受管子支撑着的圆平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践证明，这种公式适用于各种薄管板的计算。

（3）将管板视为在广义弹性基础上承受均布载荷的多孔圆平板，既把圆平板简化为受到规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。

一、管板设计的基本考虑：GB151《管壳式换热器》

假设：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。

a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用。

b.管板周边不布管区对管板应力的影响

c.不同结构形式的换热器, 管板边缘有不同形式的连接结构，根据具体情况，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用；(不同连接结构，设计步骤有所不同)

d.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响

假设：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。

a.管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用。

b.管板周边不布管区对管板应力的影响：将管板划分为两个区，即靠近中央部分的布管区和靠近周边处较窄的不布管区。通常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。由于不布管区的存在，管板边缘的应力下降；

c.不同结构形式的换热器，管板边缘有不同形式的连接结构，根据具体情况，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用；

d.管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响。

管板设计思路：

1.管板弹性分析

作用在封头(管箱)与管箱法兰连接处的—边缘弯矩Mh、横剪力Hh，轴向力Vh。

2.危险工况

确定危险工况的基本原则：

如果不能保证换热器壳程压力ps与管程压力pt在任何情况下都能同时作用，则不允许以壳程压力和管程压力的压差进行管板设计。

如果ps和pt之一为负压时，则应考虑压差的危险组合。

管板是否兼作法兰等不同结构，危险工况组合也不同。

对于固定管板换热器，管板分析时应考虑下列危险工况：

只有壳程压力ps，而管程压力pt=0，不计热膨胀差；

只有壳程压力ps，而管程压力pt=0，同时考虑热膨胀差；

只有管程压力pt，而壳程压力ps=0，不计热膨胀差；

只有管程压力pt，而壳程压力ps=0，同时考虑热膨胀差。

3.管板应力校核：

需计算出的进行校核的应力：

在不同的危险工况组合下，计算出相应的：

4.管板应力的调整

调整方法：

增加管板厚度→提高管板的抗弯截面模量；

降低壳体轴向刚度，如设置膨胀节（降低由温差引起的膨胀差导致的管板应力增加）。

5.管板设计计算软件：

减少繁重劳动，利用计算软件，如SW6等。

薄管板设计：

主要载荷由管壁与壳壁的温度差决定，流体压力引起的应力与挠度相对说来是不大的。

管子的稳定性验算。

膨胀节设计：

1.膨胀节的作用：降低由于管束和壳体间热膨胀差所引起的管板应力、换热管与壳体上的轴向应力以及管板与换热管间的拉脱力。

2.膨胀节的结构形式：

a.U膨胀节；b.Ω膨胀节；c.平板膨胀节。

是否设置膨胀节的判断：

别忽视其他有效方法；标准：GB16749《压力容器波形膨胀节》。

管束振动和防止：

一、振动原因：

1.外激振力；

二、振动防止：

1.改变流速；

2.改变管子固有频率；

3.增设消声板；

4.抑制周期性旋涡；

5.设置防冲板或导流筒。

本文来源于互联网，暖通南社整理编辑于2017年4月22日。