换热器的结构设计-2课件.ppt

1、管壳式换热器的结构设计管壳式换热器的结构设计及强度分析及强度分析(二二)保定金能公司3、管壳式换热器的结管壳式换热器的结构设计构设计 管壳式换热器的主要零部件管壳式换热器的主要零部件u管程管程与管束中流体相通的空间与管束中流体相通的空间u壳程壳程换热管外面流体及相通空间换热管外面流体及相通空间（a)BEM立 式 固 定 管 板 式 换 热 器图图3-1 管壳式换热器结构图管壳式换热器结构图 3.13.1管程结构管程结构3.1.2 3.1.2 管板管板3.1.1 3.1.1 管束管束3.1.3 3.1.3 管箱管箱3.1.4 3.1.4 管束分程管束分程3.1.53.1.5换热管与管板连接换热管

2、与管板连接强化传热管强化传热管换热管型式换热管型式l翅片管（在给热系数低侧翅片管（在给热系数低侧l螺旋槽管螺旋槽管l螺纹管螺纹管换热管尺寸换热管尺寸u192、252.5和和382.5mm无缝钢管无缝钢管252和和 382.5mm不锈钢管不锈钢管u标准管长标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等等3.1.1 3.1.1 管束（管束（tube bundle）光管光管粘性大或污浊的流体粘性大或污浊的流体小管径小管径大管径大管径单位体积传热面积增大、单位体积传热面积增大、结构紧凑结构紧凑金属耗量减少、传热系数提高金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞阻力大，不便清洗，

3、易结垢堵塞用于较清洁的流体用于较清洁的流体2022-11-14Qust 管壳式换热器设计7n在可以允许的范围内，优先选用较小管径；在可以允许的范围内，优先选用较小管径；n 管子数目的选择取决于流体流量和允许的压管子数目的选择取决于流体流量和允许的压 力降；应该力降；应该将管内的流速处于推荐的速度范围内将管内的流速处于推荐的速度范围内n正确选择高压换热器用换热管标准正确选择高压换热器用换热管标准建议采用建议采用JB/T10523-2005（管壳式换热器用横槽换热管（管壳式换热器用横槽换热管）标准，不选择）标准，不选择GB6479-2000（高压化肥设备用无缝钢管（高压化肥设备用无缝钢管）标准。因

4、为进行设备水压试验时，如果其试验水压超过）标准。因为进行设备水压试验时，如果其试验水压超过20MPa时，所采用的换热管能够承受设备水压试验压力值时，所采用的换热管能够承受设备水压试验压力值的压力，如果依据的压力，如果依据GB6479-2000 标准而采购换热管时，标准而采购换热管时，如果没有特殊的说明，则会使采购的换热管虽然在说明上如果没有特殊的说明，则会使采购的换热管虽然在说明上能够符合该试验的最大压力，但是在实际使用的过程中，能够符合该试验的最大压力，但是在实际使用的过程中，由于换热管无法承受试验水压最大压力值致使事故现象屡由于换热管无法承受试验水压最大压力值致使事故现象屡屡发生。因此，在

5、设计时不建议选择屡发生。因此，在设计时不建议选择GB6479-2000标准。标准。不适用于固体粉尘含量较高或易结焦的场合不适用于固体粉尘含量较高或易结焦的场合 螺纹管外表面积，一般可为光管外表面积螺纹管外表面积，一般可为光管外表面积的的2 22.52.5倍倍。螺纹管使用在管外结垢比较严。螺纹管使用在管外结垢比较严重的场合，当有脆硬的结垢发生时，往往重的场合，当有脆硬的结垢发生时，往往沿着翅片的边缘形成平行的垢，当温度发沿着翅片的边缘形成平行的垢，当温度发生变化会引起管子伸缩，使垢自行脱落，生变化会引起管子伸缩，使垢自行脱落，重新露出翅片金属。重新露出翅片金属。螺纹管螺纹管l碳素钢碳素钢l低合金

6、钢低合金钢l不锈钢不锈钢l铜铜l铜镍合金铜镍合金l铝合金铝合金l钛等钛等l石墨石墨l陶瓷陶瓷l聚四氟乙烯等聚四氟乙烯等换热管材料换热管材料金属材金属材料料非金属非金属材料材料u在管束中，通常管子按左在管束中，通常管子按左图所示的图所示的正三角形，转角正正三角形，转角正三角形、正方形、转角正方三角形、正方形、转角正方形形等四种形式排列。其排列等四种形式排列。其排列角依次为角依次为、与与。正方形排。正方形排列的管束也称顺列管束，其列的管束也称顺列管束，其它三种统称为错列管束。它三种统称为错列管束。管子排列方式管子排列方式二、横向流中的管束二、横向流中的管束 流体进入管束前的主流速度为流体进入管束前

7、的主流速度为，在管子，在管子之间间隙处的流速为，为便于计算，两者之间间隙处的流速为，为便于计算，两者间的关系示于下表。间的关系示于下表。排列形式排列形式排列角排列角v/(m/s)正三角形正三角形30转角三角形转角三角形60正方形正方形90转角正方形转角正方形45管间隙中的流速表管间隙中的流速表0d-PP0d-P2P3）（0d-PP0d-P2P）（2022-11-14Qust 管壳式换热器设计15 介质流经折流板缺口是垂直正对换热管，冲刷换介质流经折流板缺口是垂直正对换热管，冲刷换热管外表面，传热学上称为错列，介质流动时形热管外表面，传热学上称为错列，介质流动时形成湍流，对传热有利。因此，对无相

8、变的换热器，成湍流，对传热有利。因此，对无相变的换热器，因其传热与介质流动状态关系较大，宜采用正三因其传热与介质流动状态关系较大，宜采用正三角形排列。正三角形排列用于壳程介质较清洁，角形排列。正三角形排列用于壳程介质较清洁，换热管外不需清洗。换热管外不需清洗。2022-11-14Qust 管壳式换热器设计16 介质流经折流板缺口是平行于三角形的一边，传热上称为直列，介质流经折流板缺口是平行于三角形的一边，传热上称为直列，介质流动时一部分是层流，对传热有不利影响。对有相变的换介质流动时一部分是层流，对传热有不利影响。对有相变的换热器，宜采用转角三角形排列，因为卧式冷凝器的折流板的缺热器，宜采用转

9、角三角形排列，因为卧式冷凝器的折流板的缺口边是左、右布置，气体流动方向与冷凝液流动方向是垂直的口边是左、右布置，气体流动方向与冷凝液流动方向是垂直的（右图），当冷凝液向下流动时，气体对下滴的冷凝液有吹除（右图），当冷凝液向下流动时，气体对下滴的冷凝液有吹除和切割作用，使管外壁的液膜厚度相对减少。和切割作用，使管外壁的液膜厚度相对减少。2022-11-14Qust 管壳式换热器设计17 介质流经折流板缺口是平行于正方形，传热上称介质流经折流板缺口是平行于正方形，传热上称为直列，介质流动是层流，对传热有不利影响。为直列，介质流动是层流，对传热有不利影响。正方形排列用于壳程介质较脏，换热管外需清洗正

10、方形排列用于壳程介质较脏，换热管外需清洗场合。场合。2022-11-14Qust 管壳式换热器设计18 介质流经折流板缺口是垂直正对换热管，介质流经折流板缺口是垂直正对换热管，冲刷换冲刷换热管外表面，传热上称为错列，介质流动时形成热管外表面，传热上称为错列，介质流动时形成湍流，对传热有利。转角正方形排列用于壳程介湍流，对传热有利。转角正方形排列用于壳程介质较脏，换热管外需清洗场合。质较脏，换热管外需清洗场合。无论哪种排列都必须在管束周围的弓形空间无论哪种排列都必须在管束周围的弓形空间 尽可尽可能多布管能多布管传热面积传热面积，且可防壳程流体短路。，且可防壳程流体短路。管心距管心距:保证管子与管

11、板连接时，管桥有足够的强度和刚度保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和刚度原则原则影响因素影响因素 结构紧凑性结构紧凑性 传热效果传热效果 清洗难易清洗难易取值：取值：t1.25dt1.25d0 0(保证管桥强度和清洗通道保证管桥强度和清洗通道)2022-11-14Qust 管壳式换热器设计20表表 常用换热管中心距常用换热管中心距/mm管心距管心距:保证管子与管板连接时，管孔间小桥在胀接时有足保证管子与管板连接时，管孔间小桥在胀接时有足 够的强度和刚度，便于焊接。够的强度和刚度，便于焊接。影响因素有影响因素有:结构紧凑性结构紧凑性/传热效果传热效果/清洗难易清洗难易取值取值:t1.25d0

12、(保证管桥强度和清洗通道保证管桥强度和清洗通道)最大布管圆直径应在最大布管圆直径应在GB151-1999GB151-1999 所规定范所规定范围内。围内。D DL L=D=Di i-2b-2b3 3、B B3 3=0.25d=0.25d一般不小于一般不小于8mm8mm最大布管限定圆直径最大布管限定圆直径 (OTL)(OTL)2022-11-14Qust 管壳式换热器设计22u固定管板和固定管板和U形管换热器管束最外层换热管外形管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离为表面至壳体内壁的最短距离为0.25d（d换换热管外径），且不宜小于热管外径），且不宜小于8mm。DL=Di-2b3 b

13、3=0.25d一般不小于一般不小于8mm。u浮头式换热器从结构上考虑。浮头式换热器从结构上考虑。作用作用用来排布换热管；用来排布换热管；将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；混合；承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。3.1.23.1.2 管板管板（tube-sheettube-sheet）力学性能力学性能介质腐蚀性（介质腐蚀性（tube-tubesheettube-tubesheet间电位差对腐蚀间电位差对腐蚀影响）影响）贵重钢板价格贵重钢板价格流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，

14、管板采用压力容器用器用碳素钢或低合金钢板或锻件碳素钢或低合金钢板或锻件制造；制造；腐蚀性较强时，用腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛不锈钢、铜、铝、钛等材料，为等材料，为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。管板材料管板材料2022-11-14Qust 管壳式换热器设计27u 高压换热器的管板与管箱壳体的连接一般不采用高压换热器的管板与管箱壳体的连接一般不采用法兰连接，而是将管板和管箱对接焊接或锻成一法兰连接，而是将管板和管箱对接焊接或锻成一体，目的是防止泄漏。体，目的是防止泄漏。u当处理高压腐蚀性介质时，管板应采用复合管板，当处理高压腐蚀性介质时，管板应采用复合

15、管板，使管板具有耐腐蚀性，不锈钢就是常用的耐腐蚀使管板具有耐腐蚀性，不锈钢就是常用的耐腐蚀材料之一。当管板很厚，尤其是高压换热器，采材料之一。当管板很厚，尤其是高压换热器，采用价格昂贵的整体不锈钢管板，显然是不合理，用价格昂贵的整体不锈钢管板，显然是不合理，况且换热器的失效往往是因为管子与管板连接处况且换热器的失效往往是因为管子与管板连接处的局部腐蚀，而不是整体管板的均匀腐蚀造成的。的局部腐蚀，而不是整体管板的均匀腐蚀造成的。因此，工程上常采用复合管板，以不锈钢抵抗腐因此，工程上常采用复合管板，以不锈钢抵抗腐蚀，以碳钢和低合金钢承受介质压力。蚀，以碳钢和低合金钢承受介质压力。厚度厚度满足强度前

16、提下，满足强度前提下，尽量尽量 减少管板厚度减少管板厚度 （a)BEM立 式 固 定 管 板 式 换 热 器管板结构管板结构 热应力热应力图图3-2 管板结构图管板结构图 边界区内的二次应力（制约因素）边界区内的二次应力（制约因素）2022-11-14Qust 管壳式换热器设计30u因为高温和高压对管板的要求是一对矛盾体，为了承受因为高温和高压对管板的要求是一对矛盾体，为了承受机械应力，要求管板厚一些；为降低温差应力，则要求机械应力，要求管板厚一些；为降低温差应力，则要求管板薄一些。管板薄一些。u对厚管板来说，在管板两侧流体温差很大时，则两侧壁对厚管板来说，在管板两侧流体温差很大时，则两侧壁面

17、温差也很大，这就造成了管板内部很大的温差应力。面温差也很大，这就造成了管板内部很大的温差应力。u在开停车时，由于管板厚，温度变化慢，管壁薄，温度在开停车时，由于管板厚，温度变化慢，管壁薄，温度变化快，在二者连接处会产生较大的热应力，尤其是迅变化快，在二者连接处会产生较大的热应力，尤其是迅速停车或进气温度突然变化时，会产生过大的热应力，速停车或进气温度突然变化时，会产生过大的热应力，使管子与管板的连接处发生破坏。使管子与管板的连接处发生破坏。u由于这些原因，高温、高压换热器在满足压力强度和热由于这些原因，高温、高压换热器在满足压力强度和热应力（对于固定式管板还要考虑管束和壳体热膨胀的温应力（对于

18、固定式管板还要考虑管束和壳体热膨胀的温差应力）的前提下，应尽量减少管板的厚度。差应力）的前提下，应尽量减少管板的厚度。2022-11-14Qust 管壳式换热器设计31薄管板式换热器薄管板式换热器 u相对于相对于GB151-1999、TEMA计算所得的厚度要计算所得的厚度要薄得多的管板，一般厚度薄得多的管板，一般厚度为为8-20mm；主要有以下；主要有以下的几种形式；的几种形式；u贴面式（德国）：管板贴面式（德国）：管板焊在设备法兰密封面上焊在设备法兰密封面上（图（图a），当管程为腐蚀），当管程为腐蚀性介质时，由于密封槽开性介质时，由于密封槽开在管板上，法兰不用采用在管板上，法兰不用采用耐腐蚀

19、材料。耐腐蚀材料。（a）2022-11-14Qust 管壳式换热器设计32过程设备设计过程设备设计（b）图图 薄管板结构形式薄管板结构形式u镶平式（原苏联标准）：管板焊在设备法兰内，并将表明车平（图b）。不管管程或者壳程有腐蚀性介质，法兰都需采用耐腐蚀材料，而且管板受法兰力矩影响较大。2022-11-14Qust 管壳式换热器设计33过程设备设计过程设备设计（c）u焊入式（原上海医药设计院）：管板焊在壳体上（图c）。壳程有腐蚀性介质时，法兰不与其接触，不需采用耐腐蚀材料，而且管板离开了法兰，减小了法兰力矩对其的影响。同时管板与刚度较小的筒体相连，有助于减少管板的边缘应力。2022-11-14Q

20、ust 管壳式换热器设计34过程设备设计过程设备设计（d）u挠性薄管板结构（1）法兰与壳程流体不接触；（2）管板与壳体有过渡圆弧，可以减少管板边缘的应力集中；而且壳体很薄，所以管板具有一定的弹性，可以缓冲管束与壳体之间的热膨胀。缺点：加工复杂。2022-11-14Qust 管壳式换热器设计35过程设备设计过程设备设计椭圆形管板椭圆形管板以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。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。低热应力；适用于高压、大直径的换热器。2

21、022-11-14Qust 管壳式换热器设计36 当换热器两程之间的物料相混合，将会产生以下严重后当换热器两程之间的物料相混合，将会产生以下严重后果时，就会采用双管板式换热器：果时，就会采用双管板式换热器：（1）腐蚀：管程和壳程的介质不接触时没有腐蚀发生，一旦）腐蚀：管程和壳程的介质不接触时没有腐蚀发生，一旦两种介质发生接触混合后，会导致设备严重腐蚀；两种介质发生接触混合后，会导致设备严重腐蚀；（2）环境保护：若一程为极度危害介质，渗透至另外一程时，）环境保护：若一程为极度危害介质，渗透至另外一程时，引起其极度危害介质大面积的波及，如波及到冷却系统及加引起其极度危害介质大面积的波及，如波及到冷

22、却系统及加热系统等；热系统等；（3）安全方面：当两种介质相混合后，会产生燃烧或爆炸；）安全方面：当两种介质相混合后，会产生燃烧或爆炸；（4）产生反应：当一种介质与另一种介质接触后，使一种介）产生反应：当一种介质与另一种介质接触后，使一种介质化学反应受到限制，或不产生反应，或两种介质接触后发质化学反应受到限制，或不产生反应，或两种介质接触后发生聚合或生成树脂状物质；生聚合或生成树脂状物质；（5）催化剂中毒：当一种介质与另一种介质接触后，造成催）催化剂中毒：当一种介质与另一种介质接触后，造成催化剂性能改变或化学反应。化剂性能改变或化学反应。（6）产品不纯：当一种介质与另一种介质接触后，可能会污）产

23、品不纯：当一种介质与另一种介质接触后，可能会污染产品，使产品质量下降。染产品，使产品质量下降。方法方法用于严格禁止管程用于严格禁止管程与壳程介质互相混与壳程介质互相混合的场合。合的场合。从短节排出；短节圆筒从短节排出；短节圆筒充入高于管程、壳程压充入高于管程、壳程压力的惰性介质。力的惰性介质。图图3-5 3-5 双管板结构双管板结构11空隙空隙 22壳程管板壳程管板33短节短节 44管程管板管程管板12342022-11-14Qust 管壳式换热器设计38 双管板换热器的管箱壳体、封头、壳程壳体、双管板换热器的管箱壳体、封头、壳程壳体、管箱法兰及开孔补强的设计计算与普通固定管箱法兰及开孔补强的

24、设计计算与普通固定管板式换热器相同，关键是管程侧管板和壳管板式换热器相同，关键是管程侧管板和壳程侧管板强度的计算。程侧管板强度的计算。uGB151没有计算方法；没有计算方法；u可按照单板计算，结果偏安全；可按照单板计算，结果偏安全；u内外管板厚度可以不一样；内外管板厚度可以不一样；u可以参阅相关的文献。可以参阅相关的文献。u目前大多数采用目前大多数采用ANSYS软件进行设计。软件进行设计。2022-11-14Qust 管壳式换热器设计39 双管板间间距的确定：双管板间间距的确定：（1）采用双管板结构时，一方面由于制造钻孔的原因，两）采用双管板结构时，一方面由于制造钻孔的原因，两管板间产生管孔错

25、位，另一方面两管板的不同温度，会管板间产生管孔错位，另一方面两管板的不同温度，会产生不同的膨胀或冷缩，管板的径向变化也不同，这时产生不同的膨胀或冷缩，管板的径向变化也不同，这时管板对换热管产生横向剪力和弯曲力，影响换热管与管管板对换热管产生横向剪力和弯曲力，影响换热管与管板连接处的强度及严密性，导致泄漏现象的发生。板连接处的强度及严密性，导致泄漏现象的发生。（2）由于两块管板间的管束不能用于传热，过大的间距会）由于两块管板间的管束不能用于传热，过大的间距会浪费管子的表面积。浪费管子的表面积。（3）液压胀管器的胀杆长度。）液压胀管器的胀杆长度。（4）两块管板间距能够保证在管壳程压力试验和气密性试

26、）两块管板间距能够保证在管壳程压力试验和气密性试验时，用于观察检漏的最小空间。验时，用于观察检漏的最小空间。2022-11-14Qust 管壳式换热器设计40假设换热管为内管板固定的柱假设换热管为内管板固定的柱（如图所示），确定间距（如图所示），确定间距G3.1.3 3.1.3 管箱管箱 管箱是由管箱是由封头、管箱封头、管箱短节、法兰连接、分程短节、法兰连接、分程隔板隔板等组成。增加短节等组成。增加短节的目的是保证管箱有必的目的是保证管箱有必要的深度安放接管和改要的深度安放接管和改善流体分布。善流体分布。图图 3-6 管箱结构管箱结构特点：清洗要拆除管线特点：清洗要拆除管线适用场合：适用于于适

27、用场合：适用于于较较清洁清洁的介质的介质隔 板(a)(b)隔 板箱 盖（2）（1）(c)隔 板箱 盖管 板(d)隔 板(a)（b）(c)(d)图 图6-1 7 管 管 箱 箱 结 结 构 构 形 形 式 式 管箱结构（管箱结构（a）图图 3-7管箱结构管箱结构（a）1.1.清洗时不要拆除管线清洗时不要拆除管线2.2.用材较多用材较多隔板(a)(b)隔板箱盖(a)（b）(c)(d)图图 6-17 管管箱箱结结构构形形式式管箱结构（管箱结构（b）特点特点图图 3-7管箱结构管箱结构（b）避免管箱和管板连避免管箱和管板连接处的泄漏，检查、接处的泄漏，检查、清洗不方便，清洗不方便，很少使很少使用。用。

28、隔板(a)(b)隔板箱盖（2）（1）(c)隔板箱盖管板(d)隔板(a)（b）(c)(d)图图 6-17 管管箱箱结结构构形形式式管箱结构（管箱结构（c）图图 3-7管箱结构管箱结构（c）设置设置多层隔板多层隔板的的管箱结构管箱结构隔板(a)（2）（1）(c)隔板箱盖管板(d)隔板(a)（b）(c)(d)图图6-17 管管箱箱结结构构形形式式管箱结构（管箱结构（d）图图 3-7管箱结构管箱结构（d）管箱圆筒有最小厚度的规定。管箱仅封头时可不按此规定。两程之间的最小流通面积不小于每程换热管流通面积1.3倍，每程换热管流通面积即每程换热管数n乘上换热管内流通的截面积。当碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板

29、的管箱和浮头盖，以及管箱的侧向开孔大于1/3（即dD/3）圆筒内径的管箱管箱要进行整体热处理。管箱的最小深度的问题管箱的最小深度的问题 管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。管程。换热面积要变大换热面积要变大管数增加管数增加流速下降流速下降传热系数下降传热系数下降多管程多管程管子加长管子加长3.1.4 3.1.4 管束分程管束分程隔 板(a)(b)隔 板箱 盖（2）（1）(c)隔 板箱 盖管 板(d)隔 板(a)（b）(c)(d)图 图6-1 7 管 管 箱 箱 结 结 构 构 形 形 式 式 图图 3-8管束分程结构示意图管束分程结

30、构示意图管束分程布置图管束分程布置图图序管箱隔板介质返回侧隔板管程数流动顺序214612123414231432213546146325bacdefg应尽量使各管程的换热管数大致相等，其相对应尽量使各管程的换热管数大致相等，其相对误差（误差（N）应控制在）应控制在10以内，最大不得超过以内，最大不得超过20。N=Ncp-Nmin(max)/Ncp 100分程隔板槽形状简单以利加工，密封面长度较分程隔板槽形状简单以利加工，密封面长度较短，减少泄漏。短，减少泄漏。程与程之间的温度相差不易过大，一般温差不程与程之间的温度相差不易过大，一般温差不超过超过10（50 ）。）。管程分程时应注意的问题管程分

31、程时应注意的问题2022-11-14Qust 管壳式换热器设计56 （4）分程隔板槽槽深宜不小）分程隔板槽槽深宜不小于于4mm，这主要考虑采用石棉，这主要考虑采用石棉橡胶板或金属包垫，采用缠绕橡胶板或金属包垫，采用缠绕垫时，槽深应大于垫时，槽深应大于4mm。分程隔板槽槽宽一般为分程隔板槽槽宽一般为12mm，当分程隔板厚度大于当分程隔板厚度大于10mm时，时，密封面处应削至密封面处应削至10mm。分程垫片转角处一定要有分程垫片转角处一定要有R（见下图），不然垫片很易断（见下图），不然垫片很易断裂。裂。Rb（b为分程隔板槽转角为分程隔板槽转角处的倒角）。处的倒角）。强度胀强度胀强度焊强度焊胀焊并用

32、胀焊并用3.1.5 3.1.5 换热管与管板连接换热管与管板连接连连接接方方法法保证换热管与管板连接的保证换热管与管板连接的密封性能密封性能及及抗拉脱强度抗拉脱强度的胀接的胀接强度胀强度胀设计压力设计压力4.0MPa；设计温度设计温度300；操作中无剧烈振动、无过大温度波动，操作中无剧烈振动、无过大温度波动，及无明显应力腐蚀等场合。及无明显应力腐蚀等场合。应用注意：注意：管子硬度一般须低于管板硬度，若达管子硬度一般须低于管板硬度，若达不到，可进行不到，可进行管头退火处理管头退火处理非均匀胀接，机械滚珠胀接非均匀胀接，机械滚珠胀接均匀胀接，液压、液袋、橡胶与爆炸均匀胀接，液压、液袋、橡胶与爆炸胀

33、接胀接胀胀接接方方法法胀接的结构形式胀接的结构形式 带有锯齿和沟槽的胀接多用于带有锯齿和沟槽的胀接多用于压差较大压差较大时，管壁能承受时，管壁能承受的推力或拉力比平头高上的推力或拉力比平头高上2 2倍以上倍以上；需要采用复合管，推荐用沟需要采用复合管，推荐用沟槽或者锯齿形槽或者锯齿形，而且管子末，而且管子末端做成端做成喇叭口或者翻边口喇叭口或者翻边口。常常用用的的几几种种胀胀接接方方法法机械滚胀机械滚胀液压胀接液压胀接爆炸胀接爆炸胀接橡胶胀接橡胶胀接 利用胀管插入管内，通过滚动使管子扩大来达到胀利用胀管插入管内，通过滚动使管子扩大来达到胀接目的，所需的接目的，所需的设备简单，操作灵活方便设备简

34、单，操作灵活方便，是应用最，是应用最广泛的一种胀接法。但是，机械胀劳动强度大，且胀广泛的一种胀接法。但是，机械胀劳动强度大，且胀接质量与操作熟练程度有很大的关系，接质量与操作熟练程度有很大的关系，质量难以保证质量难以保证。在高压厚管板和厚壁管的胀管，小口径管子的胀管。在高压厚管板和厚壁管的胀管，小口径管子的胀管及壁厚小于及壁厚小于1mm1mm的薄壁管胀管表面，均受到限制。的薄壁管胀管表面，均受到限制。机械滚胀机械滚胀 在液压的作用下使管子胀大与管孔壁紧贴在在液压的作用下使管子胀大与管孔壁紧贴在一起。它有一个胀杆，两端有密封圈一起。它有一个胀杆，两端有密封圈,插入管插入管内内,在管内径和胀杆外径

35、间形成一个很小的封在管内径和胀杆外径间形成一个很小的封闭间隙闭间隙,通过通过静高压使管子产生塑性变形静高压使管子产生塑性变形,使其使其紧贴在管板孔上而达到胀接目的。紧贴在管板孔上而达到胀接目的。液压胀接液压胀接 爆炸胀接爆炸胀接利用高能源的炸药利用高能源的炸药,在爆炸的瞬间产在爆炸的瞬间产生冲击波的巨大压力生冲击波的巨大压力,使管子产生高速塑性变形使管子产生高速塑性变形,把管子与管板胀接在一起。爆炸胀接所用的把管子与管板胀接在一起。爆炸胀接所用的设备设备简单简单,劳动强度小劳动强度小,爆炸技术也简单爆炸技术也简单,容易掌握容易掌握,成成本较低本较低,是一项有发展前途的工艺。是一项有发展前途的工

36、艺。爆炸胀接爆炸胀接图图 3-8 多孔管板爆炸胀管示意图多孔管板爆炸胀管示意图 橡胶胀接利用橡胶胀接利用圆柱形软质橡胶件圆柱形软质橡胶件为主要胀管为主要胀管介质介质,当加载拉杆向橡胶胀管介质施加拉力当加载拉杆向橡胶胀管介质施加拉力,使使橡胶胀管介质受轴向压力而产生轴向压缩和径橡胶胀管介质受轴向压力而产生轴向压缩和径向膨胀向膨胀,形成数值很大的胀管压力形成数值很大的胀管压力,使管子产生使管子产生塑性变形而紧贴在管板孔壁上。塑性变形而紧贴在管板孔壁上。橡胶胀接橡胶胀接u胀接结构简单，换热管换修简便。但胀接管端处在胀接时胀接结构简单，换热管换修简便。但胀接管端处在胀接时产生塑性变形，产生塑性变形，存

37、在着残余应力存在着残余应力，当温度上升时，残余应，当温度上升时，残余应力会逐渐下降或消失，使管端处力会逐渐下降或消失，使管端处结合力降低致密封失效而结合力降低致密封失效而泄漏泄漏。胀接结构设计温度。胀接结构设计温度不得大于不得大于300300。u换热管材料的硬度值一般低于管板的硬度值。若达不到，换热管材料的硬度值一般低于管板的硬度值。若达不到，可进行可进行管头退火处理管头退火处理，但有应力腐蚀时，不能采用管端局，但有应力腐蚀时，不能采用管端局部退火来降低换热管硬度。部退火来降低换热管硬度。u外径外径小于小于14mm14mm的换热管，不宜采用胀接。的换热管，不宜采用胀接。注意事项注意事项2022

38、-11-14Qust 管壳式换热器设计70u管孔表面的粗糙度对胀管质量有影响，表面粗糙，管孔表面的粗糙度对胀管质量有影响，表面粗糙，可产生较大摩擦力，胀接后不易拉脱，但易发生可产生较大摩擦力，胀接后不易拉脱，但易发生泄漏；孔表面光滑易拉脱，但不易发生泄漏。泄漏；孔表面光滑易拉脱，但不易发生泄漏。u为保证结合面不产生泄漏现象，结合面上不允许为保证结合面不产生泄漏现象，结合面上不允许存在纵向槽痕。存在纵向槽痕。u管孔与换热管之间的孔隙大小，对胀管质量也有管孔与换热管之间的孔隙大小，对胀管质量也有影响，在强度胀接中，根据不同材料、管孔和换影响，在强度胀接中，根据不同材料、管孔和换热管尺寸，确定一个合

39、适的胀度热管尺寸，确定一个合适的胀度K，其控制值见下，其控制值见下表，一般用管壁减薄率表示胀度。表，一般用管壁减薄率表示胀度。注意事项注意事项2022-11-14Qust 管壳式换热器设计712022-11-14Qust 管壳式换热器设计72胀接时的结构尺寸：胀接时的结构尺寸：u最小胀接长度：管板的名义厚度减去最小胀接长度：管板的名义厚度减去3mm后后与与50mm二者的最小值。二者的最小值。强度胀接有关尺寸强度胀接有关尺寸 mm换热管外径d14192532384557伸出长度l1324252槽深k不开槽0.50.60.8开槽的相关形式见开槽的相关形式见GB151-1999GB151-1999保

40、证换热管与管板连接的保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱密封性能及抗拉脱强度强度的焊接。的焊接。强度焊强度焊特特点点结构管孔结构管孔不开槽不开槽，换热管端，换热管端不须退火不须退火，加，加工简便，而且焊接连接强度高，换热管易工简便，而且焊接连接强度高，换热管易更换，适用的压力、温度范围不受限制。更换，适用的压力、温度范围不受限制。适用范围如下：可用于适用范围如下：可用于GB151GB151规定的设计规定的设计压力，但不适用于有较大振动及有间隙的压力，但不适用于有较大振动及有间隙的场合。场合。优点优点焊接结构焊接结构强度高强度高，抗拉脱力强度高。，抗拉脱力强度高。高温下也能保证连接处的高温下也

41、能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力密封性能和抗拉脱能力。泄露处可泄露处可补焊和更换补焊和更换。焊后，管子与管板中存在焊后，管子与管板中存在残余热应力和应力集中残余热应力和应力集中，运行时可能引起运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破坏应力腐蚀与疲劳破坏；缝隙腐蚀缝隙腐蚀除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛应用广泛;薄管板薄管板不能胀，只能焊不能胀，只能焊。缺点缺点应用应用用于整体管板用于整体管板用于复合管板用于复合管板图图 3-9 强度焊接管孔结构强度焊接管孔结构 国标规定如下表，但是在石油化工中使用时需要注意：介质国标规定如下表，但是在石油化工中使用时需要注意

42、：介质中含有多种硫化物，会引起钢材多种形式的腐蚀破坏，中含有多种硫化物，会引起钢材多种形式的腐蚀破坏，换热换热管伸出长度大小决定了管端焊缝截面积的大小，决定了焊缝管伸出长度大小决定了管端焊缝截面积的大小，决定了焊缝强度。强度。实际使用中我们的设计人员一般选取最小值，使用效实际使用中我们的设计人员一般选取最小值，使用效果发现有些偏小。果发现有些偏小。换热管最小伸出长度换热管最小伸出长度 在实际生产过程中，某化纤厂的几台换热管为在实际生产过程中，某化纤厂的几台换热管为19192mm2mm与与25252.5mm2.5mm的换热器的换热器，由于按照图纸、标，由于按照图纸、标准制造的换热管准制造的换热管

43、伸出长度为伸出长度为1.5mm1.5mm,焊接时仅能施焊一焊接时仅能施焊一层焊缝金属，层焊缝金属，运行不到运行不到4 4个月个月，管端焊缝就发生多处，管端焊缝就发生多处泄漏；常顶换热器运行不到泄漏；常顶换热器运行不到3 3个月发生泄漏。在重新个月发生泄漏。在重新制造的管束中，将伸出制造的管束中，将伸出长度调整为长度调整为3mm3mm，运行一年，运行一年没有发生泄漏。没有发生泄漏。实例分析实例分析 主要有主要有强度胀强度胀+密封焊、强度焊密封焊、强度焊+贴胀、强度焊贴胀、强度焊+强度胀强度胀等。等。贴胀贴胀指消除换热管与管孔间隙作的轻度胀接。一指消除换热管与管孔间隙作的轻度胀接。一般按壁厚减薄量

44、公式来确定胀度般按壁厚减薄量公式来确定胀度K K=2=2为宜为宜 密封焊密封焊保证连接的密封性能的焊接。要求承受换保证连接的密封性能的焊接。要求承受换热管轴向剪切载荷的焊缝长度为小于管子壁厚的热管轴向剪切载荷的焊缝长度为小于管子壁厚的1.0-1.41.0-1.4倍。倍。胀焊并用胀焊并用不仅能提高连接处的不仅能提高连接处的抗疲劳性能抗疲劳性能，而且还可，而且还可消消除应力腐蚀和缝隙腐蚀除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命。，提高使用寿命。密封性能要求较高；密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；有缝隙腐蚀；需使用复合管板等的场合需使用复合管板等的场合胀焊并用胀焊并用应

45、应用用 先胀后焊先胀后焊是胀管后使管壁紧贴于管孔壁上，是胀管后使管壁紧贴于管孔壁上，可防止焊接后再胀管引起焊缝产生裂纹，有可防止焊接后再胀管引起焊缝产生裂纹，有利利于提高焊缝抗疲劳性能于提高焊缝抗疲劳性能。在胀管时用的润滑油。在胀管时用的润滑油进入接头缝隙中，一些残留油污的存在及间隙进入接头缝隙中，一些残留油污的存在及间隙中空气的存在，在焊接的过热过程中会生成气中空气的存在，在焊接的过热过程中会生成气体，其受热膨胀，从焊缝中逸出，致焊缝产生体，其受热膨胀，从焊缝中逸出，致焊缝产生气孔，严重影响焊缝质量，因此气孔，严重影响焊缝质量，因此焊前应将油污焊前应将油污清除干净清除干净。注意事项注意事项 先焊后胀先焊后胀能防止油污在接头缝隙中存在和空能防止油污在接头缝隙中存在和空气的受热膨胀，有利于焊缝质量。但先焊后气的受热膨胀，有利于焊缝质量。但先焊后胀可能胀可能因胀接使焊缝开裂因胀接使焊缝开裂。为了防止此现象。为了防止此现象的发生，除了在胀接时仔细操作控制外，于的发生，除了在胀接时仔细操作控制外，于管端胀接时，要控制离管板表面管端胀接时，要控制离管板表面15mm15mm以内不以内不能进行胀接能进行胀接，以免胀接时损坏焊缝。，以免胀接时损坏焊缝。切除管子端部切除管子端部