管壳式换热器

目录一、管壳式换热器概述 (2)二、换热管与管板的连接方式及特点 (2)2.1、焊接 (2)2.2、胀接 (3)2.3、胀接加焊接 (3)2.3.1、先胀后焊 (3)2.3.2、先焊后胀 (4)2.4、胶接加胀接 (4)三、管壳式换热器的主要形式与结构 (4)3.1、固定管板式换热器 (4)3.2、浮头式换热器 (5)四、换热器的主要强度计算（管板） (6)五.换热器的主要强度计算（圆平板） (8)5.1、基于圆平板的强度计算 (8)5.2、基于安置在弹性基础上的圆平板的强度计算 (9)六．心得体会 (10)一、管壳式换热器概述管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。

壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。

进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。

为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。

挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。

等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。

又称列管式换热器。

是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。

这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。

管壳式换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最为广泛的应用。

近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。

在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位。

二、换热管与管板的连接方式及特点2.1、焊接换热管与管板采用焊接连接时，由于对管板加工要求较低，制造工艺简单，有较好的密封性，并且焊接、外观检查、维修都很方便，是目前管壳式换热器中换热管与管板连接应用最为广泛的一种连接方法。

在采用焊接连接时，有保证焊接接头密封性及抗拉脱强度的强度焊和仅保证换热管和管板连接密封性的密封焊。

对于强度焊其使用性能有所限制，仅适用于振动较小和无间隙腐蚀的场合。

采用焊接连接时，换热管间距离不能太近，否则受热影响，焊缝质量不易得到保证，同时管端应留有一定的距离，以利于减少相互之间的焊接应力。

换热管伸出管板的长度要满足规定的要求，以保证其有效的承载能力。

在焊接方法上，根据换热管和管板的材质可以采用焊条电弧焊、#$%焊、&’(焊等方法进行焊接。

对于换热管与管板间连接要求高的换热器，如设计压力大、设计温度高、温度变化大，以及承受交变载荷的换热器、薄管板换热器等宜采用#$%焊。

常规的焊接连接方法，由于管子与管板孔之间存在间隙，易产生间隙腐蚀和过热，并且焊接接头处产生的热应力也可能造成应力腐蚀和破坏，这些都会使换热器失效。

目前在国内核工业、电力工业等行业使用的换热器中，换热管与管板的连接已开始使用内孔焊接技术，这种连接方法将换热管与管板的端部焊接改为管束内孔焊接，采用全熔透形式，消除了端部焊的缝隙，提高了抗间隙腐蚀和抗应力腐蚀的能力，其抗振动疲劳强度高，能承受高温、高压，焊接接头的力学性能较好；对接头可进行内部无损探伤，焊缝内部质量可得到控制，提高了焊缝的可靠性。

但内孔焊接技术装配较难，对焊接技术要求高，制造和检验复杂，并且制造成本相对较高。

随着换热器向高温、高压和大型化发展，对其制造质量要求越来越高，内孔焊接技术将会得到更加广泛的应用。

2.2、胀接胀接是一种传统的换热管与管板的连接方法，利用胀管器械使管板与管子产生弹塑性变形而紧密贴合，形成牢固连接，达到即密封又能抗拉脱的目的。

在换热器的制造过程中，胀接适用于无剧烈的振动，无过大的温度变化，无严重的应力腐蚀的场合。

目前采用的胀接工艺主要有机械滚胀和液压胀接。

机械滚胀胀接不匀，一旦管子与管板连接失效再用胀管来修复十分困难；采用液袋式液压胀接由电脑控制操作，精度较高，并能保证胀接紧密程度均匀一致，连接的可靠性比机械胀接要好。

但对加工精度要求严格，对密布的接头要保证"##$胀接成功也有一定困难，如果失效再胀接修复也较为困难。

2.3、胀接加焊接当温度和压力较高，且在热变形、热冲击、热腐蚀和流体压力的作用下，换热管与管板连接处极易被破坏，采用胀接或焊接均难以保证连接强度和密封性的要求。

目前广泛采用的是胀焊并用的方法。

胀接加焊接结构能够有效地阻尼管束振动对焊缝的损伤，可以有效地消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高了接头的抗疲劳性能，从而提高了换热器的使用寿命，比单纯胀接或强度焊具有更高的强度和密封性。

对普通的换热器通常采用“贴胀%强度焊”的形式；而使用条件苛刻的换热器则要求采用“强度胀%密封焊”的形式。

胀接加焊接按胀接与焊接在工序中的先后次序可分为先胀后焊和先焊后胀两种。

2.3.1、先胀后焊胀接时使用的润滑油会渗透进入接头间隙，而它们对焊接裂纹、气孔等有很强的敏感性，从而使焊接时产生缺陷的现象更加严重。

这些渗透进入间隙的油污很难清除干净，所以采用先胀后焊工艺，不宜采用机械胀接的方式。

采用贴胀虽不耐压，但可以消除管子与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼管束振动到管口的焊接部位。

但是采用常规手工或机械控制的胀接方法无法达到均匀的贴胀要求，而采用由电脑控制胀接压力的液袋式胀接方法可方便、均匀地实现贴胀要求。

在焊接时，由于高温熔化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀，这些具有高温高压的气体在外泄时对强度胀的密封性能会造成一定的损伤。

2.3.2、先焊后胀对于先焊后胀工艺，首要的问题是控制管子与管板孔的精度及其配合。

当管子与管板管孔的间隙小到一定值后，胀接过程将不至于损伤焊接接头的质量。

但是焊口承受剪切力的能力相对较差，所以强度焊时，若控制达不到要求，可能造成过胀失效或胀接对焊接接头的损伤。

在制造过程中，换热管的外径与管板管孔之间存在着较大的间隙，且每根换热管的外径与管板管孔间隙沿轴向是不均匀的。

当焊接完成后胀接时，管子中心线必须与管板管孔中心线相重合，才能保证接头质量，若间隙较大，由于管子的刚性较大，过大的胀接变形将对焊接接头产生损伤，甚至造成焊口脱焊。

2.4、胶接加胀接采用胶接和胀接的工艺有助于解决换热器中换热管与管板连接处经常出现的泄漏和渗漏的问题，重要的是根据被胶接件的工作条件正确选择胶接剂。

在工艺实施过程中要结合换热器的结构、尺寸选择好工艺参数，主要包括固化压力、固化温度、胀紧力等，并在生产过程中严格进行控制。

此工艺简单、易行、可靠，在企业的实际使用中已得到了认可，具有推广价值。

三、管壳式换热器的主要形式与结构3.1、固定管板式换热器固定管板式换热器的典型结构如图1.1所示。

管束连接在管板上，管板与壳体焊接。

其优点是结构简单、紧凑，能承受较高的压力，价格低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是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。

这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，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。

图1.1固定管板式换热器1-折流挡板； 2-管束； 3-壳体； 4-封头； 5-接管； 6-管板；3.2、浮头式换热器浮头式换热器的典型结构如图1.2所示。

两端管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。

浮头由浮动管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。

管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。

浮头式换热器的优点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，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。

适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。

图1.2浮头式换热器1-壳盖； 2-固定管板； 3-隔板； 4-浮头钩圈法兰； 5-浮动管板； 6-浮头盖；四、换热器的主要强度计算（管板）管板的结构与一般的圆平板有相似之处，但差别亦不小。

主要是管板上的开孔和同管板连接在一起的管束对管板强度的影响等。

目前一些管板厚度设计公式因对各影响因素考虑不同而有较大差异。

根据不同的设计依据，管板厚度的设计公式可概括为下列几类：①将管板当作受均布载荷的实心圆板，以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据，并加入适当的修正系数以考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用。

这种设计方法对管板作了很大简化，因而是一种半经验公式。

但由于公式简单，便于运算，同时又有长期使用经验，结果比较安全，因而有些管板厚度设计公式仍以此作为基础。

②将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的刚度和周边支承情况来确定管板的弯曲应力。

由于它比较全面地考虑了管束的支承和温差等影响，因而比较精确，但计算公式较多，计算过程也较繁杂。

在大力发展电子计算技术的今天，是一种有效的设计方法。

③取管板上相邻四根管子之间的棱形面积，按弹性理论求此棱形面积在均布压力作用下的最大弯曲应力。

由于此法与管板实际受载情况相差甚大，仅用于粗略计算。

4.1对管板还需进行剪切强度校核。

当管板上布管区为圆形时，设最外圈管子中心圆直径为D 。

，根据外载和剪应力之间的平衡关系：[]()001309.00t d t P D t -=σ故 []t t PD t 025.0=式中：[t]t —管板材料在设计温度下的许用剪应力，取[t]t=0.8 [s]t;t —不包括附加量的管板厚度，t=tc-C 。

考虑管板开孔削弱系数为(1-do/to)，则管板按剪切强度的计算公式为：[]t t D P D τππ0204=式中：to ——管孔中心距，mm ；d 。

——管子外径，mm ；D 。

——布管区最外圈管子中心圆直径，mm当布管区不是圆形时，则D 。

为布管区外缘管子中心连线所限定的周边当量直径，即：004L A D =其中 L 。

——最外圈管子的中心距分段测量叠加后所形成的布管周长，如图4.2和4.3给出了按典型的三角形和正方形规则布管时的周长L 。

（图中粗线表示），mm ；A 。

——周长L 。

所包围的总面积，mm2。

图4.2三角形布管 图4.3正方形布管此外，为满足制造工艺要求，管板还须有足够的厚度。

胀接时，为保证胀接的可靠性，管板的最小厚度（不包括厚度附加量）按GB151选取。

管子和管板采用焊按连接时，由于焊接可以达到甚至超过管子本身的强度，所以只要管子强度足够，管板最小厚度可不受此限制，而由焊接工艺及管板焊接变形等要求来确定。

管板厚度应同时考虑上述弯曲强度、剪切强度及管板最小厚度三项因素，从中取最大厚度，然后加上厚度附加量五.换热器的主要强度计算（圆平板）5.1、基于圆平板的强度计算管束对管板支承作用的大小随换热器结构形式而异。