U型管换热器设计

U型管换热器的设计

摘要：u型管换热器由于具有结构简单，造价低，壳程可清洗，一个管板，管子可自由伸缩，无温差应力等特点，适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。在石油、化工行业应用广泛。本文以实际工作中遇到的一个钛制换热器为例，谈谈u形管换热器的设计。 关键词：u形管换热器；材料；公称直径；设计压力；名义厚度 1基本资料概述

本换热器为某石化企业一台325mm的四管程的u形管换热器，换热管尺寸为φ19×2 ，l=6000，管心距 25 mm，排列方式为正三角形，换热面积为21.3㎡。其主要设计参数见表1，换热器简图及外形尺寸见图1。 表1 主要设计条件 壳程 管程

设计压力mpa 0.6 0.35 工作压力mpa 0.35 0.06 设计温度℃ 56 188 工作温度℃ 32~36 168~40 物料名称 循环冷却水 重质物 程数 1 4 焊缝系数 1 0.9

换热面积 ㎡ ～21.4（直段）

2标准规范的选择

2.1 《管壳式换热器》gb151-1999

《管壳式换热器》gb151-1999标准适用的范围：

《管壳式换热器》gb151-1999适用于固定管板式、浮头式、u型管式和填函式换热器。

适用的参数为：公称直径dn≤2600 mm；公称压力pn≤35 mpa；且工程直径（mm）和公称压力（mpa）的乘积不大于 。 2.2hg20584-1998《钢制化工容器制造技术要求 》 2.3jb/t4745-2002《钛制焊接容器》

图1换热器外形简图

3 换热器的结构设计 3.1壳程筒体的设计 3.1.1壳程筒体材料的选择

壳程介质为循环水，无毒、无腐蚀性，工艺推荐筒体材料为q235b，但由于筒体为外径φ325的钢管，因此我们可以选择20(gb9948) ( 管材 )作为筒体的材料。 3.1.2壳程筒体壁厚的计算 计算厚度 = pc 计算压力 t设计温度

di 内径

t设计温度许用应力 焊接接头系数

将设计参数代入上式中进行计算，计算厚度 =0.68mm，根据gb151中5.3.2的规定，换热器筒体最小壁厚为8mm，其中包含1mm的厚度附加量，因此本换热器的名义厚度 n =8 mm。经sw6软件复核，液压试验通过。 3.2后端封头的设计

封头材料选择容器钢板20r(热轧) (板材)，形式选择ehb形椭圆封头。 形状系数k = 计算厚度 = pc 计算压力 t设计温度 di 内径 hi曲面高度 t 设计温度许用应力 焊接接头系数

将设计参数代入上式中进行计算，计算厚度 =0. mm。封头厚度取跟筒体厚度一致，后端封头最终定为椭圆封头ehb325×8。 3.3前端管箱筒体的设计 3.3.1前端管箱筒体材料的选择

管程介质为易燃的重质物，根据工艺推荐材料为钛材，我们选择ta2 ( 板材 )作为前端管箱筒体的材料。 3.3.2前端管箱筒体壁厚的计算 计算厚度 = pc计算压力 t设计温度 di 内径

t设计温度许用应力 焊接接头系数

将设计参数代入上式中进行计算，计算厚度 =0.7mm，钢板负偏差 c1 =0.6mm.，腐蚀裕量 c2取3mm，名义厚度取+ c1+ c2，圆整，n =6 mm。经sw6软件复核，液压试验通过。 3.4前端管箱封头的设计

管箱封头材料选择与前端管箱筒体一致，选择ta2 (板材)，形式选择ehb形椭圆封头。 形状系数k = 计算厚度 = pc 计算压力 t设计温度 di 内径 hi曲面高度 t 设计温度许用应力

焊接接头系数

将设计参数代入上式中进行计算，计算厚度 =0.74 mm。钢板负偏差 c1 =0.6mm.，腐蚀裕量 c2取3mm，名义厚度取+ c1+ c2，圆整，n =6 mm。，前端管箱封头最终定为椭圆封头ehb325×6。 3.5管板的设计 3.5.1管板材料的选择

由于管程介质对管板的影响，管板材料应选择钛材，但由于钛材的价格太高，出于经济性的考虑，我们可以选择钛钢复合板作为管板的材料。母材选择16mnⅲ锻件，复合层材料选择ta9。 3.5.2管板厚度计算

本换热器管板与法兰或圆筒连接方式为a型，换热管根数30根。 管板计算厚度

垫片压紧力作用中心园直径 dg，按gb150-1998第9章，dg=3.00mm

隔板槽面积按gb151 5.7.1.1节进行计算得出 =5835.00 u型管根数 n=30 换热管中心距 s=25mm

三角形排列，管板布管区面积 38310.00 管板布管区当量直径220.86 系数 0.62

管板边缘旋转刚参数 ，对于a 型， = 0 旋转刚度无量刚系数 0.00

系数 ，按 和 ,查图得:

管板设计压力取 、 大值， =0.6 mpa 强度削弱系数=0.40

设计温度下管板材料许用应力 ，管板为钛钢复合板，母材是16mnⅲ锻件，因此计算中用16mnⅲ锻件的许用应力来进行计算。 =137.88。

管板计算厚度=14.921 mm 壳程腐蚀裕量 =3mm 管程腐蚀裕量 =0mm

管板名义厚度 圆整，考虑管壳程结构开槽深度，最终取 =26mm。管板厚度为26+6mm。

3.6换热管与管板连接型式的设计

为了保证管板与换热管连接处的密封性和抗拉脱强度，减少壳程介质对管孔处的缝隙腐蚀，换热管与管板之间的连接采用强度焊加贴胀，具体连接型式见图2。

图2 换热管与管板的连接详图 4 制造、检验要求

管、壳程上的a、b类焊缝要求进行100％射线探伤，并符合jb/t4730-2005《承压设备无损检测》中ii级要求。制造管程的钢板逐张进行超声波探伤，应不低于jb/t4730-2005《承压设备无损检测》中i级要求。设备内部钛表面应进行铁污染试验和酸洗处理。

换热器管板与换热管连接焊缝应按jb/t4730-2005进行渗透检测，i级合格。 5 结语

管壳式换热器易于制造，生产成本较低，选材范围广，清洗方便，同时适应性强，容量大，工作可靠，并且能适应高温高压的工作环境。目前仍是应用最广泛、理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化和规范化历史最悠久以及计算机程序软件开发最早的换热设备。u形管换热器作为管壳式换热器中的一种重要的结构形式的换热器，也是值得我们关注和学习的。为了能更好地完成工作中所遇到大量的u形管换热器的设计任务，我们必须更多地理解市场上最先的技术，更好地贯彻执行国家及行业的标准规范，力求做到在保证设计的安全性的气体下，做到设计的经济性和高效性。 参考文献：

[1] 朱巨贤《热交换器概述》

[2] 薛明德，李世玉《gb151中u形管式换热器管板设计方法的改进》

[3] 李世玉《管壳式换热器管板设计中若干重要参数的确定》 注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。