压力容器安全技术

2．管壳式换热器

下面以管壳式换热器的重要部件为例，介绍其结构设计的要点。

(1)管箱包括管箱短节和分程隔板(多程换热器)两部分。

管箱短节结构设计要保证“最小内侧深度”的要求。

①轴向开口的单程管箱，不得小于接管内直径的1／3。

②多程管箱，应保证两程间最小流通面积不小于1．3倍每程管子的流通面积。此外，短节筒体厚度必须满足刚度要求。

分程隔板结构设计要点如下。

①保证强度要求(承受两侧流体压差)和刚度要求。

②水平分程隔板应开设φ6mm的排净孔。

③对于大直径和两侧流体温差很大时，宜设计为双层结构的分程隔板。

④分程隔板下缘应与管箱密封面齐平。

(2)圆筒固定管板式换热器最小厚度应不小于6mm(高合金钢筒体不小于4．5mm)，圆筒的最小厚度随公称直径增大而增厚。

必须指出，圆筒的长度是在以换热管长度为标准长度的前提下按结构计算确定的，否则会造成换热管的不标准而带来材料的严重浪费。

(3)接管其结构设计应符合有关规定。此外，接管应与壳体表面齐平；接管应尽量沿壳体的径向或轴向设置；接管与外部管线可采用焊接连接；设计温度不低于300℃时，必须采用整体法兰；必要时可设置温度计口、压力表接口及液面计接口；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DNmin＝20mm；立式换热器在需要时可设置溢流口。

(4)换热管U形弯管段的弯曲半径应不小于2倍管子外径。

如果需要，允许换热管拼接，但拼接焊缝不得超过1条(直管)或2条(U形管)，且最小管长不得小于300mm。

(5)管板结构设计时必须注意与螺栓、螺母、垫片、管箱的正确、合理和可靠的接合，而且还要考虑为了强化传热而进行分程等方面的要求。

①管板上管孔的布置必须符合换热管标准排列形式的要求，即正三角形排列、转角正三角形排列、正方形排列、转角正方形排列等四种形式。

②管孔中心距一般不得小于1．25倍的换热管外径，即t≥1．25d0。对于分程隔板槽两侧相邻管孔中心距要求不小于，加上隔板槽宽度。

③布管区的最大直径必须小于布管限定圆的要求，以避免过分靠近壳壁而影响制造和安装。对于固定管板换热器或U形管换热器，设计时要限制管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离b3＝0．25d0，且不小于10mm。

④管板密封面的连接尺寸及制造、检验要求等应按照JB 4700～4707—92《压力容器法兰规定》。

⑤分程隔板槽一般槽深不小于4mm；分程隔板槽的宽度碳钢为12mm，不锈钢为11mm。分程隔板槽拐角处的倒角为45°，倒角的宽度b为分程垫片的圆角半径R加1～2mm。此项要求常被设计者所疏忽，造成不能安装或泄漏。

⑥管板与圆筒、管箱短节的连接形式必须考虑壳程压力的大小、管板是否兼作法兰、介质的性质和有无间隙腐蚀存在。尤其要注意如下几点。

a．当壳程压力ps>4．0MPa时，要采用“变角接为对接”的结构形式，以改善受力条件。

b．当壳程介质可能存在间隙腐蚀时，则不可采用衬环进行焊接，因为焊接后的衬环恰好与壳壁形成间隙而造成腐蚀。

⑦多管程的管板前端与后端的结构绝不相同(见GB 151—89图1—7)，有多种类型可供选择。管程分程应注意如下几点。

a．应尽可能使各管程的管数大致相等。

b．使分程隔板槽形状简单，密封长度较短。

(6)换热管与管板的连接正确选定换热管与管板的连接方式，对设计者至关重要，为此必须严格区分其结构特点、适用范围与应用场所。下面按最常用的连接形式介绍其要点。

①强度胀接为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。其适用范围如下。

a．设计压力小于等于4MPa。

b．设计温度小于等于300℃。

c．操作中应无剧烈的振动，无过大的温度变化及无严重的应力腐蚀。

最小胀接长度取以下三者的最小值。

a．管板名义厚度减去3mm。

b．50mm。

c．换热管外径的2倍。

具体的结构形式及尺寸见GB 151—1999。

②强度焊保证换热管与管板连接的密封性能和抗拉脱强度的焊接。适用于GB 151—1999标准规定的设计压力(PN≤35MPa)，但不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。其结构形式及尺寸按GB 151—1999的规定。

③胀焊并用适用于密封性能要求较高的场合，承受振动和疲劳载荷的场合，有间隙腐蚀的场合，采用复合管板的场合。

a．强度胀加密封焊(保证换热管与管板连接密封性的焊接)。这种连接形式是指管板与换热管连接处的抗拉脱强度由胀接来保证，而密封性能主要由胀接并辅之以密封焊接来保证。

b．强度焊加贴胀(消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接)。此种连接形式是指换热管与管板的密封性主要由二者承担，而抗拉脱强度主要由焊接承受。贴胀的目的是用以消除或降低壳程产生间隙腐蚀和减弱振动对管板与换热器连接处的损害。贴胀与强度焊或强度胀配合使用，由设计者根据使用条件确定。

第三节强度计算与校核

进行压力容器设计时，主要任务是对受压容器各个部分进行应力分析，确定最大应力值并将其限制在许用范围内。在任一台压力容器中，至少存在两种应力，一种是一次应力或薄膜应力，如圆筒体中间部分的应力；另一种是不连续应力或二次应力，如接管与封头连接处的应力。此外，还有峰值应力等。

一、应力与应力分析

1．一次应力

一次应力是由外载引起的正应力和切应力，又称为基本应力。外载包括容器及其附件的自重，内压和外压、外力(风载荷、地震载荷等)和外加力矩(接管力矩)等。

一次应力的特征是能满足外力、内力和弯矩的平衡要求，即容器在载荷作用下，为保持容器各部分平衡所需要的力。它不能靠本身达到的屈服极限来限制其大小，具有非自限性。若一次应力超过材料的屈服极限，则其破坏的阻止完全由应变硬化性能所决定。

属于这种应力的有薄壁圆筒体或球壳等由于压力产生的总体薄膜应力，平端盖中央部分