1熱交換器戴季煌2熱交換器201501第一部分GB15120141修改了標(biāo)準(zhǔn)名稱，擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)適用范圍11提出了熱交換器的通用要求，也就是適用于其他結(jié)構(gòu)型式熱交換器。并對安裝、使用等提出要求。12規(guī)定了其他結(jié)構(gòu)型式的熱交換器所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。2范圍GB151201X熱交換器規(guī)定公稱直徑范圍（DN4000MM，原為2600MM）、公稱壓力（PN35MPA）及壓力和直徑乘積范圍（PNDN27104，原為175104）。并且管板計算公式推導(dǎo)過程的許多簡化假定不符合。也給制造帶來困難。TEMA控制殼體壁厚3（76MM）、雙頭螺柱最大直徑為4（102MM）。3術(shù)語和定義31公稱直徑DN311卷制、鍛制、圓筒以圓筒內(nèi)直徑（MM）作為換熱器的公稱直徑。312鋼管制圓筒以鋼管外徑（MM）作為換熱器的公稱直徑。32公稱長度LN以換熱管的長度（M）作為換熱器的公稱長度，換熱管為直管時，取直管長度；換熱管為U形管時，取U形管的直管段長度。33換熱面積A331計算換熱面積換熱面積是以換熱管外徑為基準(zhǔn)，以二管板內(nèi)側(cè)的換熱管長度來計算換熱面積，計算得到的管束外表面積（M2）；對于U形管換熱器，一般不包括U形管彎管段的面積。當(dāng)需要把U形彎管部分計入換熱面積時，則應(yīng)使U形端的殼體進(jìn)（出）口安裝在U形管末端以外，以消除U形管末端流體停滯的換熱損失。332公稱換熱面積公稱換熱面積是將計算面積經(jīng)圓整后的換熱面積（M2），一般取整數(shù)。4工藝計算（新增加）41設(shè)計條件（用戶或設(shè)計委托方應(yīng)以正式書面形式向設(shè)計單位提出工藝設(shè)計條件），內(nèi)容包含411操作數(shù)據(jù)包括流量、氣相分率、溫度、壓力、熱負(fù)荷等；412物性數(shù)據(jù)包括介質(zhì)密度、比熱、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)或介質(zhì)組成等；413允許阻力降；414其他包括操作彈性、工況、安裝要求（幾何參數(shù)、管口方位）等。42選型應(yīng)考慮的因素421合理選擇熱交換器型式及基本參數(shù)，滿足傳熱、安全可靠性及能效要求；422考慮經(jīng)濟(jì)性，合理選材；423滿足熱交換器安裝、操作、維修等要求。43計算熱交換器工藝計算時應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，提高換熱效率，滿足工藝設(shè)計條件要求。需要時管殼式熱交換器還應(yīng)考慮流體誘發(fā)振動。5設(shè)計參數(shù)51壓力511壓差設(shè)計同時受管、殼程壓力作用的元件，當(dāng)能保證制造、開停工、及維修時都能達(dá)到按規(guī)定壓差進(jìn)行管、殼程同時升、降壓和裝有安全裝置時，方可按元件承受的壓差設(shè)計。512真空設(shè)計真空側(cè)的設(shè)計壓力，應(yīng)按GB150的規(guī)定，當(dāng)元件一側(cè)受真空作用，另一側(cè)受非真空作用時，其設(shè)計壓力應(yīng)為兩側(cè)設(shè)計壓力之和，即為最苛刻的壓力組合。3513試驗壓力試驗壓力PT125/T，當(dāng)容器元件所用材料不同時，應(yīng)取各元件材料的/T比值中最小者。外壓容器和真空容器以內(nèi)壓進(jìn)行壓力試驗。1）當(dāng)PTPS時，各程分別按上述辦法試壓。當(dāng)PT（或PS）為真空時，則PS01（或PT01）再乘以規(guī)定值。2）當(dāng)PTPS時，殼程試驗壓力按管程試驗壓力。52溫度521設(shè)計溫度換熱器在正常的工作情況下，設(shè)定的元件金屬溫度（沿元件金屬橫截面的溫度平均值），它與設(shè)計壓力一起作為設(shè)計載荷條件，設(shè)計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)下可能達(dá)到的最高溫度，對于0以下的金屬溫度，設(shè)計溫度不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。管程設(shè)計溫度是指管程的管箱設(shè)計溫度。非換熱管的設(shè)計溫度。對于同時受兩程溫度作用的元件可按金屬溫度確定設(shè)計溫度，也可取較高側(cè)設(shè)計溫度。在任何情況下元件金屬的溫度不得高于材料允許使用的溫度。522元件金屬溫度確定。5221傳熱計算求得1）換熱管壁溫TT熱流體熱量通過管壁傳給冷流體（圖1）。換熱管壁溫TT（1）TCTHT212）殼體圓筒壁溫TS圖1殼體圓筒壁溫計算與換熱管壁溫相同，不同的地方圓筒外為大氣溫度，有保溫的基本是圓筒外壁溫度。5222已使用的同類換熱器上測定5223根據(jù)介質(zhì)溫度并結(jié)合外部條件確定。6厚度附加量61鋼材厚度負(fù)偏差62腐蝕裕量的規(guī)定根據(jù)預(yù)期的容器壽命和介質(zhì)對金屬材料的腐蝕速率確定。各元件受到的腐蝕程度不同時，可采用不同的腐蝕裕量，（表1）。表1腐蝕率無腐蝕輕微腐蝕有腐蝕嚴(yán)重腐蝕毫米/年0050050505151563腐蝕裕量的考慮原則631各元件受到的腐蝕程度不同時，可采用不同的腐蝕裕量。632考慮兩面腐蝕的元件管板、浮頭法蘭、球冠形封頭、分程隔板。633考慮內(nèi)表面腐蝕的元件管箱平蓋、凸形封頭、管箱、殼體、容器法蘭和管法蘭的內(nèi)徑面上。634管板和平蓋上開槽時當(dāng)腐蝕裕量大于槽深時，要加上兩者的差值。635不考慮腐蝕裕量的元件換熱管、鉤圈、浮頭螺栓、拉桿、定距管、拆流板、支持板、縱向隔板。當(dāng)腐蝕裕量很大時也要考慮。7焊接接頭分類（增加）與焊接接頭系數(shù)。對于換熱管與管板連接的內(nèi)孔焊，進(jìn)行100射線檢測時焊接接頭系數(shù)10，局部射線檢測時焊接接頭系數(shù)085，不進(jìn)行射線檢測時焊接接頭系數(shù)06。8泄露試驗泄露試驗的種類和要求應(yīng)在圖樣上注明。9材料和防腐換熱器用鋼材除采用GB1502中所規(guī)定的材料外，作為GB151換熱器的零部件還需要作進(jìn)一步考慮。491管板、平蓋管板、平蓋一般情況用鍛件優(yōu)于用鋼板，但用鍛件的成本要高很多，故在條件不苛刻時，用板材作管板、平蓋依然很多。一般規(guī)定如下1）鋼板厚度60MM時，宜采用鍛件。2）帶凸肩的管板、內(nèi)孔焊管板和管箱平蓋采用軋制板材直接加工制造時，碳素鋼、低合金鋼厚度方向性能級別不應(yīng)低于GB/T53132010（厚度方向性能管板）中的Z35級，并在設(shè)計文件上提出附件檢驗要求。3）采用鋼板作管板和平蓋時，厚度大于50MM的Q245R、Q345R，應(yīng)在正火狀態(tài)下使用。92復(fù)合結(jié)構(gòu)的管板、平蓋管板、平蓋可采用堆焊或爆炸復(fù)合結(jié)構(gòu)，當(dāng)管程壓力不是真空狀態(tài)時，平蓋亦可采用襯層結(jié)構(gòu)。921堆焊結(jié)構(gòu)用堆焊制作的管板與平蓋，其覆層與基層的結(jié)合是最好的，但堆焊的加工難度大，中間檢驗、最終檢驗及熱處理的要求高，堆焊一般有手工堆焊和帶極堆焊兩種方法。（1）管板堆焊結(jié)構(gòu)其覆層完全可計入管板的有效厚度（以許用應(yīng)力比值折算），與換熱管連接采用強(qiáng)度焊時，有充分的能力來承受換熱管的軸向剪切載荷。（2）常用帶分程隔板槽管板堆焊結(jié)構(gòu)見圖2。單管程不帶分程隔板槽的管板堆焊層大于或等于8MM。（A）正確結(jié)構(gòu)圖（B）錯誤結(jié)構(gòu)圖圖2（3）管板堆焊技術(shù)要求922爆炸、軋制復(fù)合板管板和平蓋采用的復(fù)合板等級要求見表2。表2元件標(biāo)準(zhǔn)管板平蓋NB/T4700212010壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第1部分不銹鋼鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度210MPA1級，結(jié)合率100剪切強(qiáng)度210MPA3級，結(jié)合率95NB/T4700222010壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第2部分鎳鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度210MPA1級，結(jié)合率100剪切強(qiáng)度210MPA3級，結(jié)合率95NB/T4700232010壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第3部分鈦鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度140MPA1級，結(jié)合率100剪切強(qiáng)度140MPA3級，結(jié)合率95NB/T4700242010壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第4部分銅鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度100MPA1級，結(jié)合率100剪切強(qiáng)度100MPA3級，結(jié)合率95923規(guī)定了不得使用的襯層復(fù)合結(jié)構(gòu)924管板復(fù)合結(jié)構(gòu)的評價堆焊復(fù)合其覆層完全可計入管板的有效厚度（以許用應(yīng)力比值折算），與換熱管連接采用強(qiáng)度焊時，有充分的能力來承受換熱管的軸向剪切載荷。爆炸復(fù)合采用標(biāo)準(zhǔn)中1級的復(fù)合鋼板時，覆層是否計入管板有效厚度由設(shè)計者自行決定（鈦、銅覆層不5能計入管板有效厚度內(nèi)），但管板覆層與換熱管的強(qiáng)度焊，可以承受換熱管的軸向剪切載荷。93有色金屬931鋁及鋁合金（1）設(shè)計參數(shù)P16MPA，含鎂量大于或等于3的鋁和鋁合金，269T65，其他牌號的鋁和鋁合金，269T200；（2）在低溫下，具有良好的塑性和韌性；（3）有良好的成型及焊接性能；（4）鋁和空氣中的氧迅速生成AL2O3薄膜，故在空氣和許多化工介質(zhì)中有著良好的耐蝕性。932銅和銅合金（1）設(shè)計參數(shù)P35MPA；（2）純銅T200；銅合金一般的銅合金在200，但鐵白銅管的性能穩(wěn)定，可用到400。（3）具有良好的導(dǎo)熱性能及低溫性能；（4）具有良好的成型性能，但焊接性能稍差。933鈦和鈦合金（1）設(shè)計參數(shù)P35MPA，T315，鈦鋼復(fù)合板T350；（2）密度?。?510KG/M3），強(qiáng)度高（相當(dāng)于Q245R）；（3）有良好的低溫性能，可用到269；（4）鈦鋼不能焊，且鐵離子對鈦污染后會使耐腐蝕性能下降；（5）表面光滑，粘附力小，且表面具有不濕潤性，特別適用于冷凝；（6）鈦是具有強(qiáng)鈍化傾向的金屬，在空氣或氧化性和中性水溶液中迅速生成一層穩(wěn)定的氧化性保護(hù)膜，因而具有優(yōu)異的耐蝕性能。（7）用于制造壓力容器殼體時，應(yīng)在退火狀態(tài)下使用。934鎳和鎳合金（1）設(shè)計參數(shù)P35MPA；（2）有良好的低溫性能，可用到269；（3）具有良好的耐腐蝕性能；（4）具有良好的成型性能。（5）用于制造壓力容器受壓元件時，應(yīng)在退火或者固溶狀態(tài)下使用。935鋯及鋯合金（1）設(shè)計參數(shù)P35MPA；（2）有良好的低溫性能，可用到269；（3）具有良好的耐腐蝕性能；（4）具有良好的成型性能。94換熱器材料941鋼制無縫管提高了管殼式熱交換器管束的尺寸精度要求，規(guī)定為級、級管束。按GB150規(guī)定。942奧氏體不銹鋼焊管9421P10MPA（國外無此限制）。9422不得用于極度危害或高度介質(zhì)。9423鋼管應(yīng)逐根進(jìn)行渦流檢測，對比樣管人工缺陷應(yīng)符合GB/T7735中驗收等級B的規(guī)定。9424奧氏體不銹鋼焊管的焊縫系數(shù)085。943強(qiáng)化傳熱管實踐證明在蒸發(fā)、冷凝、冷卻及無相變傳熱過程中，采用適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化傳熱管，將會起到顯著的強(qiáng)化傳熱的效果，但如果選擇不當(dāng)，反而會適得其反。一般的強(qiáng)化傳熱管有螺紋管（整體低翹片管）、波紋管、波節(jié)管（GB/T2871313），以及特型管（GB/T24590）。此外應(yīng)用較多的還有1）用于無相變傳熱螺旋槽管、橫槽管、縮放管、內(nèi)翹片管及內(nèi)插入管等。2）適用有相變傳熱單面或雙面縱槽管、鋸形翹片管、T形翹片管及表面多孔管等。6944GB1502對換熱器的使用規(guī)定在GB15022011中514517中規(guī)定鋼管用作換熱管均應(yīng)選用高精度級的冷拔或冷軋鋼管，同時根據(jù)NB/T4701912011熱交換器用管訂貨技術(shù)條件第一部分通則中表1和表2表述，熱交換器用管均為冷拔（軋）管且為高級精度，因此鋼制管殼式換熱器遵循GB15022011規(guī)定均應(yīng)設(shè)計為I級管束管板管孔直徑允許偏差應(yīng)均按I級管束選定。945NB/T470111NB/T4701182011鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件中用作換熱管的規(guī)定，已和老鋼管標(biāo)準(zhǔn)及GB1511999有較大變化，除與GB1502011中變化外，還有以下變化。1）外徑允許偏差。換熱管外徑和壁厚允許偏差均比GB1511999標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。2）非合金鋼和合金鋼無縫換熱管訂貨技術(shù)條件例約定項目中晶間腐蝕試驗，若介質(zhì)易產(chǎn)生晶間腐蝕，鋼管的材料要求，在設(shè)計文件中必須明確要求鋼管在出廠檢驗時必須通過晶間腐蝕檢驗。3）無縫和有縫不銹鋼換熱管訂貨技術(shù)條件在NB/T4701952011規(guī)定了GB13296鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管和GB/T24593鍋爐和熱交換器用奧氏體不銹鋼焊接鋼管用作換熱管時的訂貨技術(shù)條件。95防腐目前換熱器防腐有如下幾種措施951防腐涂層。一般采用非金屬涂層，常用的水冷器有防腐、防垢涂料847和901，還有NIP鍍層，但在油氣系統(tǒng)使用較多的是涂陶瓷，現(xiàn)場證明效果較好。952金屬涂層。一般有鍍NI、TI、銅等，工藝效果雖好，但造價昂貴是影響使用的障礙。953金屬堆焊。一般采用碳鋼、CRMO鋼堆焊不銹鋼較多，用來抗硫化氫酸性腐蝕。該方法造價較低，效果很好，一般化肥、乙烯、煉油中加氫、重整、預(yù)加氫使用很多。另外，還有復(fù)合板、雙向鋼鋼管用量也較大，效果較好。954緩蝕劑。目前煉油裝置、化工裝置多采用一脫四注的方式較多，效果也較明顯。10管殼式換熱器類型管殼式換熱器在工業(yè)中用量約占換熱器總量90，是應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。典型管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)形式有固定管板換熱器、U型管換熱器、浮頭式換熱器、填料函式換熱器、釜式重沸器、雙管板式換熱器、拉撐管板換熱器、撓性管板換熱器和纏繞管換熱器。101固定管板換熱器固定管板換熱器（圖3）是二端管板與殼體固定連接（整體或夾持式）。這是使用最為廣泛的一類換熱器。換熱管兩端固定在管板上，管板焊于殼體上。固定管板換熱器宜用于場合1）管、殼程金屬溫差不是很大，而壓力較高的場合。當(dāng)管、殼程金屬溫差較大時，壓力就不能太高，因為溫差大，必然增加膨脹節(jié)，由于膨脹節(jié)耐壓能力差。2）由于殼程無法機(jī)械清洗，因此要求殼程介質(zhì)干凈；或雖會結(jié)垢，但通過化學(xué)清而能去除的場合。（1）優(yōu)點1）其結(jié)構(gòu)簡單，鍛件使用較少，制造成本低。2）管程可以分成各種形式的多程，殼程也分成二程。3）傳熱面積比浮頭式換熱器大2030。4）旁路漏流較小。7圖3（2）缺點1）不適用于換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差很大的場合，管板與管端之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞。2）管子腐蝕后造成連同殼體報廢，殼體部件壽命決定于管子壽命，故設(shè)備壽命相對較低。3）殼程不能清洗，檢查困難。102U型管換熱器U型管換熱器（圖4）是換熱管二端固定在同一塊管板上，管板與殼體固定連接（整體或夾持式）。圖4U型管換熱器可用于以下場合1）管程走清潔流體。2）管程壓力特別高。3）管、殼程金屬溫差很大，固定管板換熱器連設(shè)置膨脹節(jié)都無法滿足要求的場合。（1）優(yōu)點1）U形換熱管尾端的自由浮動解決溫差應(yīng)力，可使用于兩種介質(zhì)溫差較大。管、殼程金屬溫差不受限制。2）管束可抽出，便于要經(jīng)常清洗換熱管外壁。3）只有一塊管板，加之法蘭的數(shù)量也少，故結(jié)構(gòu)簡單而且泄漏點少，造價較低。4）可在高溫、高壓下工作，一般適用于T500，P10MPA。5）可用于殼程結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合。（2）缺點1）管程流速太高時，將會對U形彎管段產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕，影響壽命，尤其R小的管子，應(yīng)控制管內(nèi)流速。2）管程不適用結(jié)垢較重的場合。3）由于彎管RMIM的限制，分程間距寬，故比固定管板換熱器排管略少。4）換熱管泄漏時，除外圈U形管外，不能更換，只能堵管。5）管束中心部位孔隙較大，流體易走短路，影響傳熱效果，應(yīng)增加隔板，減少短路現(xiàn)象。6）因死區(qū)較大，只適用于內(nèi)導(dǎo)流筒。7）管板上排列換熱管數(shù)較少。8）最外排的管子U型彎曲段，因為無支撐的跨度較大，宜導(dǎo)致流體誘發(fā)振動問題。9）有應(yīng)力腐蝕要求時應(yīng)慎重考慮。103浮頭式換熱器浮頭式換熱器（圖5）是一端管板與殼體固定連接（夾持式），另一端的浮頭管板（包括浮頭蓋、勾圈等）在管箱內(nèi)自由浮動，故無需考慮溫差應(yīng)力，管、殼程金屬壁溫差很大場合。（1）優(yōu)點8圖51）管束可以抽出，以方便清洗管、殼程。2）殼體壁與管壁不受溫差限制。3）可在高溫、高壓下工作，一般T450，P64MPA。4）可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合。5）可用于管程腐蝕場合。（2）缺點1）處于殼程介質(zhì)內(nèi)的浮頭密封面操作中發(fā)生泄漏時很難采取措施。2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬材料耗量大，成本高。3）浮頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響排管數(shù)。4）壓力試驗時的試壓胎具復(fù)雜。5）金屬材料耗量大，成本高20。104填料函式換熱器一端管板與殼體固定連接（夾持式），另一端的管板在填料函內(nèi)自由浮動。管束可以伸縮，可使用于兩種介質(zhì)溫差較大。結(jié)構(gòu)也較浮頭簡單，制造方便，成本優(yōu)于浮頭換熱器。因管束可抽出，易于檢修清洗。宜使用于有嚴(yán)重腐蝕介質(zhì)。1041外填料函式換熱器（圖6）適用設(shè)備直徑在DN700MM以下，且操作壓力和操作溫度也不宜過高，一般用于P20MPA場合。1042滑動管板填料函換熱器10421單填料函式換熱器（圖7）圖6圖7在填料內(nèi)側(cè)密封處，管殼程介質(zhì)間仍會產(chǎn)生串流現(xiàn)象，不適用管殼程介質(zhì)不允許混合的場合。10422雙填料函式換熱器（圖8）該結(jié)構(gòu)以內(nèi)圈為主要密封，防止內(nèi)、外漏，而以外圈以輔助密封，防止外漏，且內(nèi)外密封圈之間設(shè)置泄漏引出管與低壓放空總管相連。該結(jié)構(gòu)可用于中度危害、易爆等介質(zhì)。105釜式重沸器釜式重沸器（圖9）是一端管板與殼體固定連接（夾持式），另一端為U形管束或浮頭管束，殼程為單（或雙）斜錐具有蒸發(fā)空間的殼體，故管程的溫度和壓力比殼程高，一般為管程介質(zhì)加熱殼程介質(zhì)。P64MPA。（1）優(yōu)點圖81）適用于塔底重沸器、側(cè)線虹吸式重沸器。2）節(jié)約設(shè)備重量25以上。3）抗腐蝕性能良好。4）有自清洗作用。管、殼程溫差大的場合。5）總傳熱系數(shù)提高40以上。6）汽化率較高的場合（3080）。97）重沸工藝介質(zhì)的液相作為產(chǎn)品或分離要求高的場合。8）抗腐蝕性能良好。1偏心錐殼2堰板3液面計接口圖9（2）缺點1）在重油設(shè)備上，如渣油、原油設(shè)備無應(yīng)用歷史。2）不適用于有濕硫化氫場合。106雙管板式換熱器雙管板式換熱器（圖10）是每一側(cè)有二塊管板，換熱管的一端同時與二塊管板連接。主要用于管程和殼程之間介質(zhì)相混合后，將會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。但制造困難；設(shè)計要求高。1）防腐蝕管程和殼程二介質(zhì)相混合后會引起嚴(yán)重腐蝕。2）勞動保護(hù)一程為劇毒介質(zhì)，滲入另一程會引起系統(tǒng)大面積污染。3）安全方面管程和殼程介質(zhì)相混合后，引起燃燒或爆炸。4）設(shè)備污染管程和殼程介質(zhì)相混合后，引起聚合或生成樹脂狀物質(zhì)。5）催化劑中毒另一程介質(zhì)混入后造成催化劑性能改變或化學(xué)反應(yīng)。6）還原反應(yīng)管程和殼程介質(zhì)相混合后，引起化學(xué)反應(yīng)終止或限制。圖107）產(chǎn)品不純管程和殼程介質(zhì)相混合后，引起產(chǎn)品污染或產(chǎn)品質(zhì)量下降。1061雙管板固定管板換熱器（圖11）圖111062雙管板U形管換熱器（圖12）1063雙管板U形管釜式重沸器（圖13）圖1210圖13107拉撐管板換熱器拉撐管板換熱器（圖14）是管板厚度較薄，一般厚度在1218MM之間。1071結(jié)構(gòu)型式有（1）貼面式（德國）管板焊在設(shè)備法蘭密封面上（圖14A）。（2）鑲平式（原蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)）管板焊在設(shè)備法蘭密封面其平（圖14B）。（3）角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）管板焊在殼體上（圖14C）。1072適用范圍ABC圖141）設(shè)計壓力管程和殼程分別不大于10MPA；2）溫度范圍管程和殼程的設(shè)計溫度范圍0300；換熱管與殼體平均壁溫差不超過30；3）直徑范圍殼體內(nèi)徑不大于1200MM；4）換熱管長度不超過6000MM。5）換熱管應(yīng)采用光管，且與殼體材料的線膨脹系數(shù)接近（兩者的數(shù)值差不大于10）。1073不宜設(shè)置膨脹節(jié)。HG215031992鋼制固定式薄管板列管換熱器標(biāo)準(zhǔn)中選用“角焊式”和“貼面式”兩種結(jié)構(gòu)。薄管板的計算以換熱管與殼體對管板是固定支撐，管板是在換熱管與殼體固定支撐下的受壓平板，因此換熱管必須在操作中保持剛性，殼體也不能設(shè)置膨脹節(jié)，所以管壁與殼壁溫差不能太大，要保證換熱管與殼體的縱向穩(wěn)定。換熱管與管板必須采用焊接，但實際情況下，薄管板亦不能采用脹接辦法，因薄管板的厚度一般為1216MM左右，如采用脹接時，管板將塑性變形，不能達(dá)到強(qiáng)度和密封性的要求。同時要求管板不兼作法蘭，因薄管板承受不了法蘭傳過來的彎矩。因此采用薄管板必須滿足上述要求。薄管板亦可用于多程換熱器，密封槽和分程槽均可直接開在薄管板上，因管板的強(qiáng)度計算厚度較小，開槽后強(qiáng)度也是足夠的。但角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）的結(jié)構(gòu)，因薄管板的焊接形式不同，多程時需焊上用以開分程槽的隔板。由于薄管板與法蘭的連接形式各不相同，因而各有其優(yōu)缺點，現(xiàn)分析如下。1）受力和強(qiáng)度方面從管板強(qiáng)度來看，角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）研制的結(jié)構(gòu)較好，它具有較大靈活性，主要是管板離開法蘭，減少法蘭力矩對管板的影響，從而降低了管板由法蘭螺栓引起的應(yīng)力。因法蘭力矩引起的管板上應(yīng)力是主要的，因此減小法蘭力矩引起的應(yīng)力，相應(yīng)降低了管板總的應(yīng)力。法蘭螺柱在預(yù)緊時，法蘭變形使管板受11到周向壓縮，而管板的周向剛度很大，給法蘭以反力矩，減小了法蘭的變形，亦減小了管板的應(yīng)力。反力矩的大小決定于管板中心面與法蘭中心面的偏心距E和管板周向剛度。角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）研制的結(jié)構(gòu)中的E值可由設(shè)計者自由選擇，就顯得有較大的靈活性。但E值不能選擇過大，過大增加筒體長度，增加投資。前蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu)，因管板中性面與法蘭中性面接近，受法蘭的力矩最大。德國的結(jié)構(gòu)形式，較優(yōu)于前蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。2）在防腐蝕方面從防腐蝕要求來考慮，前蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu)無任何優(yōu)點，而德國的結(jié)構(gòu)和角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）研制的結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點。當(dāng)管程介質(zhì)為腐蝕性介質(zhì)時，選用德國結(jié)構(gòu)較好，因法蘭與管程腐蝕介質(zhì)不接觸，而不需選用耐腐蝕材料制造法蘭；當(dāng)殼程介質(zhì)為腐蝕性介質(zhì)時，選用角焊式（原上海醫(yī)藥設(shè)計院研制）研制結(jié)構(gòu)較好，這時法蘭與殼程腐蝕介質(zhì)不接觸，法蘭可選用普通鋼材制造；當(dāng)殼程和管程介質(zhì)均為腐蝕性介質(zhì)，則選用上海醫(yī)藥設(shè)計院研制結(jié)構(gòu)較好，因選用該結(jié)構(gòu)時，可選用帶襯環(huán)法蘭，以達(dá)到防腐蝕要求。而前蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu)無論何種情況，腐蝕介質(zhì)均要與法蘭接觸，法蘭不能不選耐腐蝕材料。108撓性管板換熱器適用于管程介質(zhì)為氣體，殼程產(chǎn)生飽和水蒸氣的臥式管殼式余（廢）熱鍋爐。型管板與殼體（管箱）的連接（見圖15A）和型管板與殼體（管箱）的連接（見圖15B）。圖15撓性管板換熱器適用范圍1）管程設(shè)計壓力不大于10MPA，殼程設(shè)計壓力不大于50MPA且殼程壓力應(yīng)大于管程壓力；（1）型用于管程設(shè)計壓力小于或等于06MPA；（2）型用于管程設(shè)計壓力小于或等于10MPA。2）殼體直徑與換熱管長度分別為2500MM和7000MM。109高效纏繞管換熱器（A）多頭換熱器管板（B）現(xiàn)場纏管一（C）現(xiàn)場纏管二圖16為節(jié)省設(shè)備投資，在有限換熱器殼體容積中，布置最大換熱管傳熱面積，提高換熱效率，管殼式纏繞管換熱器（圖16）應(yīng)運而生。此類換熱器為多層多頭在芯棒上纏繞焊接不銹鋼小直徑換熱管，結(jié)構(gòu)如圖16所示。1010奧氏體不銹鋼波紋換熱管換熱器1）適用范圍（1）設(shè)計壓力不大于40MPA；（2）設(shè)計溫度不大于300；（3）公稱直徑不大于2000MM；（4）公稱直徑不大于與設(shè)計壓力的乘積不大于4000。2）不適用的場合（1）毒性程度為極度或高度危害的介質(zhì)；（2）易爆介質(zhì)；12（3）存在應(yīng)力腐蝕傾向的場合。11熱交換器類別的劃分根據(jù)管程和殼程的工作（設(shè)計）壓力、介質(zhì)特性、容積等參數(shù)，按固容規(guī)分別確定管程和殼程的容器類別，按容器類別高的作為該臺換熱器的容器類別。但應(yīng)當(dāng)按照管程和殼程各自類別分別提出設(shè)計，制造技術(shù)要求。12管程和殼程121管程介質(zhì)流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相貫通部分。1211管箱圓筒壁厚GB151規(guī)定管箱圓筒壁厚最小厚度的規(guī)定。管箱僅封頭時可不按此規(guī)定。1212管箱深度最小內(nèi)側(cè)深度規(guī)定1）軸向接管單管程主要考慮流體均勻分布到換熱管內(nèi)，一般說問題不大。2）多程兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積13倍，每程換熱管流通面積即每程換熱管數(shù)N乘上換熱管內(nèi)流通的截面積。1213管程防沖板當(dāng)液體V22230KG/（MS2）（介質(zhì)密度KG/M3；V介質(zhì)流速，M/S）時，采用軸向入口接管的管箱宜設(shè)置防沖板。1214分程隔板最小厚度的規(guī)定，比GB151199增加厚度。結(jié)構(gòu)大直徑換熱器隔板應(yīng)設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，既增加剛度又有利隔熱。臥式換熱器分程隔板上要開設(shè)排凈孔（淚孔），主要能把殘液排放干凈。1215管箱熱處理當(dāng)碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱以及管箱的側(cè)向開孔大于1/3（即DD/3）圓筒內(nèi)經(jīng)的管箱（圖17），管箱要進(jìn)行整體熱處理。圖171216分程隔板與管箱內(nèi)壁應(yīng)采用雙面連續(xù)焊，最小焊腳尺寸為3/4倍的隔板厚度。122殼程介質(zhì)流經(jīng)換熱管外的通道及與其相貫通部分。殼程內(nèi)主要由折流板、支持板、縱向隔板、旁路擋板、防沖板、拉桿、定距管、導(dǎo)流筒、滑板等元件組成。由于各種形式換熱器的工藝性能、使用場合不同，殼程內(nèi)各種元件的設(shè)置亦不同，以滿足設(shè)計要求。各元件在殼程內(nèi)設(shè)置，按其不同的作用，可分為兩類。圓筒最小厚度的規(guī)定主要保證剛度和支座處的局部應(yīng)力。13布管131三角形排列1311正三角形排列圖18圖19正三角形排列（圖18），介質(zhì)流經(jīng)折流板缺口是垂直正對換熱管，沖刷換熱管外表面，傳熱上稱為錯列，介質(zhì)流動時形成湍流，對傳熱有利，管外傳熱系數(shù)較高。正三角形排列用于殼程介質(zhì)較清潔，換熱管外不需清洗。1312轉(zhuǎn)角三角形排列轉(zhuǎn)角三角形排列（圖19），介質(zhì)流經(jīng)折流板缺口是平行于三角形的一邊，傳熱上稱為直列，介質(zhì)流動時有一部分是層流，對傳熱有不利影響。對有相變的換熱器，宜采用轉(zhuǎn)角三角形排列，因為臥式冷凝器的折流板的缺口邊是左、右布置，氣體流動方向與冷凝液流動方向是垂直的（圖20），當(dāng)冷凝液向下流動是，氣體對下滴的冷凝液有吹除和切割作用，使管外壁的液膜厚度相對減少。圖20132正方形排列1321正方形排列（圖21），介質(zhì)流經(jīng)折流板缺口是平行于正方形，傳熱上稱為直列，介質(zhì)流動是層流，對傳熱有不利影響。131322轉(zhuǎn)角正方形排列轉(zhuǎn)角正方形排列（圖22），介質(zhì)流經(jīng)折流板缺口是垂直正對換熱管，沖刷換熱管外表面，傳熱上稱為錯列，介質(zhì)流動時形成湍流，圖21圖22對傳熱有利。133同心圓同心圓靠近殼體的地方布管較均勻，小直徑比三角形排列多，超過6圈就較三角形排列少。134布管設(shè)計換熱器經(jīng)化工工藝專業(yè)傳熱計算和管殼程壓力降計算后,確定了換熱器型式、換熱面積、換熱管管徑、管間距、管殼程程數(shù)、折流板型式、塊數(shù)和缺口布置及切割比例，而由換熱器機(jī)械設(shè)計專業(yè)進(jìn)行施工圖布管設(shè)計。設(shè)計中必須考慮如下因素。1341布管限定圓布管限定圓是指換熱管外壁所限定圓直徑DL。浮頭式換熱器從結(jié)構(gòu)上考慮。1342管板分程隔板槽槽深應(yīng)大于墊片厚度，且不宜不小于4MM，這主要考慮采用石棉橡膠板或金屬包墊，采用纏繞墊時，槽深應(yīng)大于4MM。槽寬A2宜為8MM14MM，當(dāng)分程隔板厚度大于10MM時，圖23圖24密封面處應(yīng)削至10MM。分程墊片轉(zhuǎn)角處一定要有R（圖25），不然墊片很易斷裂。確定分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距SN（見圖26）。若在布管限定圓中不能布下要求換熱器管管數(shù)，則按圖27排列方法。圖中S1、S2小于U形管最小彎曲半徑RMIN，這樣布置可排列較多的換熱管，在最靠近管板中心線兩圖25圖26側(cè)的交叉排列可增大彎管曲率半徑。1343中心距換熱管中心距不小于125倍的換熱管外徑，主要考慮到管孔間小橋在脹接時有足夠強(qiáng)度和便于焊接。換熱管外需要清洗時，應(yīng)采用正方形排列。圖27S1、S2小于U形管最小彎曲半徑時的幾種排列方法14分程141管程分程分程目的當(dāng)用增加管數(shù)來增加換熱面積時，流體在管束中流速隨著換熱管數(shù)的增加而下降，造成流體的給熱系數(shù)的下降，故僅采用增加換熱管數(shù)是不行，則在保證流體在管束中保持較大流速，則可將管束分成若干程數(shù)。管程分程應(yīng)考慮下列幾方面（以四程為例圖28）141）應(yīng)盡量使各管程的換熱管數(shù)大致相等，其相對誤差（N）應(yīng)控制在10以內(nèi)，最大不得超過20。NNCPNMINMAX/NCP100（2）2）分程隔板槽形狀簡單以利加工，密封面長度較短，減少泄漏。3）程與程之間的溫度相差不易過多，一般溫差不超過10（50）。142殼程分程分程目的同上，不同的是一個保持殼程流速。殼程一般只分二程。15管板151管板計算的理論基礎(chǔ)管殼式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響管板強(qiáng)度的因素很多，特別固定管板熱交換器的管板受力最為復(fù)雜，各國設(shè)計規(guī)范基本上都是把管板作為承受均布載荷，放置在彈性基礎(chǔ)上，且受管孔均勻消弱的當(dāng)量圓平板來考慮（圖29）。由于影響管板強(qiáng)度的因數(shù)很多，因此正確地進(jìn)行管板強(qiáng)度分析是較困難、較復(fù)雜，所以各國對管板厚度計算公式都對管板作一定地簡化、假定而得到地近似公式。引起管板應(yīng)力的載荷有壓力（管程壓力PT、殼程壓力PS）、管殼熱膨脹差及法蘭力矩。換熱器的管板計算方法的力學(xué)模型見圖30。圖281511各國設(shè)計規(guī)范對于管板均不同程度地考慮了以下因素1）把實際的管板簡化為受到規(guī)則排列的管孔削弱、同時又被管子加強(qiáng)的等效彈性基礎(chǔ)上的均質(zhì)等效圓平板，已為現(xiàn)今大多數(shù)國家的管板規(guī)范所采用。2）管板周邊部分較窄的不布管區(qū)按其面積簡化為圓環(huán)形實心板。3）管板邊緣可以有各種不同型式的連接結(jié)構(gòu)，各種型式可能包含有殼程圓筒、管箱圓筒、法蘭、螺栓、墊片等多種元件。規(guī)范按各元件對于管板邊緣的實際彈性約束條件進(jìn)行計算。4）考慮法蘭力矩對于管板的作用。圖295）考慮換熱管與殼程圓筒間的熱膨脹差所引起的溫差應(yīng)力，還應(yīng)考慮管板上各點溫度差所引起的溫度應(yīng)力。6）計算由帶換熱管的多孔板折算為等效實心板的各種等效彈性常數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)。1512GB151管板計算的理論基礎(chǔ)力學(xué)模型是將管板近似地視為軸對稱結(jié)構(gòu)，并假設(shè)熱交換器兩端的管板具有同樣的材料和相同的厚度；對于固定管板熱交換器兩塊管板還應(yīng)具有相同的邊界支承條件。1）管束對管板的支承作用把管板視為均勻削弱的、放置在彈性基礎(chǔ)上的當(dāng)量圓平板。這是由于管殼式換熱器結(jié)構(gòu)中在絕大多數(shù)管子直徑相對管板直徑足夠小，而管子的數(shù)量又足夠多，假定在管板上是均勻分布的，因而離散的各個換熱管對管板的支承作用可以認(rèn)為是均勻連續(xù)的，管板承受的載荷也認(rèn)為是均勻分布的。管束對管板在外載荷作用下的撓度和轉(zhuǎn)角都有約束作用，管束的約束作用可以減少管板的撓度和降低管板中的應(yīng)力。管束對管板轉(zhuǎn)角又約束作用，對實際參數(shù)的分析計算，發(fā)現(xiàn)管束對管板轉(zhuǎn)角的約束作用對管板強(qiáng)度的影響是很小的，完全可以忽略不計，因此本規(guī)范不考慮管束對管板轉(zhuǎn)角的約束作用，只考慮管束對管板撓度的約束作用，對于固定管板換熱器的管板，以管子加強(qiáng)系數(shù)K表示。開孔后管板的抗彎剛度為D管束的彈性基礎(chǔ)系數(shù)N，表示為使管束在軸向產(chǎn)生單位長度的變形（伸長或縮短），在管板表面所需施加的壓力載荷。15（3）圖30LANAENT2引入管子加強(qiáng)系數(shù)K，代入D，N表達(dá)式，令P03（4）21413241413182LENADENAPTIIPTI該系數(shù)反映了彈性基礎(chǔ)強(qiáng)弱相對于管板自身抗彎剛度的大小，即管束對管板承載能力的加強(qiáng)作用，這是表征管束對管板加強(qiáng)作用的一個十分重要的參數(shù)。如果管板的彈性基礎(chǔ)很弱，則換熱管加強(qiáng)作用很小，即K值很小，此時管板的撓度與彎矩等分布情況于無彈性基礎(chǔ)的普通圓板，極而言之，K0，即是普通圓平板。根據(jù)彈性基礎(chǔ)圓板理論，管板的撓曲形式不僅取決于管子加強(qiáng)系數(shù)K，同時還與管板周邊處的支承情況和附加載荷有關(guān)，定量地以管板的總彎矩系數(shù)M表示。（5）RVMDNM41當(dāng)管板周邊為簡支時，MR0，則M0；當(dāng)管板周邊為固支時，其管板邊緣轉(zhuǎn)角R0，由此可求得某一特定的M值（表達(dá)式從略）；當(dāng)管板周邊僅承受彎矩的作用，即VR0時，則M。在一定的邊界支承條件下，當(dāng)K值逐漸增大時，管板的撓度、彎矩等自周邊向中心呈衰減、波狀分布，當(dāng)K值越大時，則衰減越快，波數(shù)越多。在K值增大過程中，當(dāng)經(jīng)過某一確定的分界K值時，分布曲線會出現(xiàn)新的波，同時在板中心處，曲線從上凹（或下凹）轉(zhuǎn)變?yōu)橄掳迹ɑ蛏习迹?，求解分布曲線的的導(dǎo)數(shù)方程，即可得到曲線波數(shù)增加的K分界值。以管板周邊簡支情況為例，隨著管子加強(qiáng)系數(shù)K的增大，其徑向彎矩分布曲線和出現(xiàn)新波時的分界K值如圖31示意，同時可看出，徑向的極值也隨著K值增大而遠(yuǎn)離管板中心移向周邊。對于周邊固支的彈性基礎(chǔ)板，隨K值的變化，其徑向彎矩分布具有相類似的變化趨勢，同樣見圖31。與簡支邊界不同的地方是固支邊界支承的彈性基礎(chǔ)板其最大徑向彎矩始終位于圓板周邊，而第二個徑向彎矩的極值點則隨K增大遠(yuǎn)離板中心移向周邊。對于浮頭式、填函式換熱器管板，管束模數(shù)K與固定管板的彈性基礎(chǔ)系數(shù)N類似，同樣反映了管束作為彈性基礎(chǔ)對管板的加強(qiáng)作用。2）管孔對管板的削弱作用管板上是密布著分散的管孔，因此管孔對管板有削弱作用。管孔對管板的削弱作用有兩個方面對管板整體削弱作用，使管板整體的剛度與強(qiáng)度都減少，和管孔邊緣有局部的應(yīng)力集中，只作峰值應(yīng)力考慮。圖31彈性基礎(chǔ)圓板彎矩圖本規(guī)范只考慮開孔對管板整體的削弱作，計算平均的當(dāng)量應(yīng)力，作為基本的設(shè)計應(yīng)力，即近似地把管板當(dāng)作一塊均勻連續(xù)削弱地當(dāng)量圓平板來考慮。對管孔邊緣地局部應(yīng)力集中，只作峰值應(yīng)力考慮。但在疲勞設(shè)計中要考慮。管孔對管板有削弱作用，但也考慮管壁的加強(qiáng)作用，故用剛度削弱系數(shù)和強(qiáng)度削弱系數(shù)。根據(jù)彈性理論分析、實驗，本規(guī)范規(guī)定和04。3）管板布管區(qū)當(dāng)量直徑固定管板的管子加強(qiáng)系數(shù)計算是假定圓筒直徑范圍內(nèi)全部均勻的布管。實際上，在通常情況下管板周邊部份都存在著一個較窄的不布管區(qū)，該區(qū)域的存在使管板邊緣的應(yīng)力下降。布管區(qū)一般是一個不規(guī)則的多邊形，現(xiàn)以當(dāng)量圓形布管區(qū)去代替多邊形布管區(qū)，當(dāng)量直徑DT的取值應(yīng)使管子對管板的支承作用面積相等。該直徑大小直接影響著管板的應(yīng)力大小和分布情況，在GB151固定管板的應(yīng)力16計算中位于環(huán)形板與布管區(qū)交界處的應(yīng)力則是以全布管的管板在半徑為DT/2處的應(yīng)力近似取值，因此標(biāo)準(zhǔn)R限定該計算方法僅適用于周邊不布管區(qū)較窄的情況，即管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度K較小的情況，KK（1T）1。不論是固定管板換熱器，還是浮頭式或填函式換熱器，在計算布管區(qū)面積時，都是假定在布管區(qū)范圍內(nèi)，均勻的布滿著管子。假設(shè)有N根換熱管，管間距為S，對于管孔為三角形排列的布管，每根管子對管板的支承作用，面積是以管孔圓心為中心、以S為其內(nèi)切圓直徑的六角形面積，即；對于管孔為正方形排列的布管，每228603S根管子對管板的支承作用面積則是以管孔圓心為中心，以S為邊長的正方形面積，即S2。管板布管區(qū)是將管板最外圈管子的支承作用面積連接起來所包圍的區(qū)域，包括最外圈管子本身的支承作用面積。對于換熱管均勻分布的單管程換熱器管板，全部N根換熱管對管板的支承作用面積即是布管區(qū)面積。4）考慮管板的彎曲作用，還考慮管板和法蘭沿其中心面內(nèi)的拉伸作用。5）假設(shè)法蘭變形時，其橫截面的形狀不變，而只有繞環(huán)截面重心的轉(zhuǎn)動與徑向位移。由于這種轉(zhuǎn)動與徑向位移造成法蘭與管板中心面連接點處地徑向位移量，應(yīng)與管板本身沿著中心面內(nèi)地徑向位移協(xié)調(diào)一致。6）由溫度膨脹差與殼程壓力PS及管程壓力PT引起的殼壁的軸向位移與管束、管板系統(tǒng)的軸向位移，應(yīng)在管板周邊協(xié)調(diào)一致。7）管板邊緣的轉(zhuǎn)角受殼體、法蘭、管箱、螺栓、墊片系統(tǒng)的約束，其轉(zhuǎn)角在連接部位處應(yīng)協(xié)調(diào)一致。8）當(dāng)管板兼作法蘭時，考慮了法蘭力矩的作用對管板應(yīng)力的影響。為了保證密封，對于其延長部分兼作法蘭的管板，規(guī)定尚需校核法蘭應(yīng)力。此時在計算法蘭力矩時，考慮管板與法蘭共同承受外力矩，因而法蘭所承受地力矩將有所折減。152管板應(yīng)力關(guān)于固定管板換熱器的管板強(qiáng)度計算，目前國外主要的設(shè)計規(guī)范有四個美國TEMA方法和ASME方法、英國BS方法及西德AD方法。但由于上述各種計算方法，都對分析前提作了較多的簡化，因此都不能說是精確的分析方法。固定管板換熱器的精確應(yīng)力分析，多采用以板殼理論為基礎(chǔ)的彈性分析方法。我國管板計算規(guī)范，即GB151中管板計算方法即是這類方法。我國管板計算方法的力學(xué)模型見圖30。1521管板應(yīng)力的產(chǎn)生引起管板應(yīng)力的載荷有壓力（管程壓力PT、殼程壓力PS）、管殼熱膨脹差及法蘭力矩。15211管程壓力PT作用情況有固定式換熱器如圖32中細(xì)線所示（為便于分析以不帶法蘭，直接與圓筒相連接的管板為例），其載荷為PT。假設(shè)將管板沿周邊與圓筒分離，即解除管板與圓筒的相互約束，認(rèn)為兩者可各自自由變形。PT可對圓筒（包括封頭等，可稱為殼體系統(tǒng)）的作用分為兩方面PT沿圓筒軸向作用于封頭上，軸向載荷為，DI是圓筒內(nèi)直徑。此載荷TIP24使圓筒產(chǎn)生軸向應(yīng)力。當(dāng)PT為正壓時，使圓筒軸向伸長，其上與管板上表面的連接點A將向上發(fā)生軸向移位。同時，在PT的徑向作用下，圓筒產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，發(fā)生徑向膨脹。由于軸向應(yīng)力圖32作用的泊松效應(yīng)，雖使圓筒徑向發(fā)生收縮，但最終圓筒還是發(fā)生徑向膨脹。即A點在軸向位移的同時還有徑向位移，設(shè)其最終位移至A（見圖32中虛線）。PT對管板表面（不包括管孔部分）產(chǎn)生軸向載荷，此載荷由管束來承受，使管束受到軸向壓縮而縮短。同時，PT徑向作用使17換熱管產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，發(fā)生徑向膨脹，由于柏松效應(yīng)，使管束在軸向進(jìn)一步縮短，從而帶動管板向下移動。設(shè)管板邊緣的A，B點位移至A，B（見圖32中虛線）。圖33可見，在解除管板周邊與圓筒的相互約束時，在PT作用下，它們的“自由變形”是相反的。圓筒上的A點和管板周邊的A點將產(chǎn)生不同的移位，由此有位移差（見圖32）。由于A和A實際上是同一點，即實際變形后的A與A應(yīng)在同一位置。為此，圓筒的變形與管板變形必須協(xié)調(diào)。圓筒與管板間要產(chǎn)生邊界力，即所謂的邊緣力系，最終由圓筒、管束和管板三者的進(jìn)一步變形使結(jié)構(gòu)趨于連續(xù)。于是，圓筒必然要通過對管板周邊產(chǎn)生的邊緣橫剪力VT（見圖33）拉伸管束。反過來管束（包括管板，可稱管板管束系統(tǒng)）必然以VT向下壓縮圓筒。其相互作用的結(jié)果，使圓筒上的A向下產(chǎn)生軸向位移1。管板管束系統(tǒng)在自由壓縮變形的基礎(chǔ)上，在管板周邊向上的橫剪力VT作用下被拉伸，產(chǎn)生2的變形。而管板則在周邊橫剪力VT作用下，產(chǎn)生撓曲變形3（見圖32）。其三者變形之和123滿足總的自由變形差的要求。1、2、3的值與圓筒、管束的軸向剛度及管板的彎曲剛度有關(guān)。剛度大者，相應(yīng)的變形較小，反之則大。圓筒、管束和管板三者變形協(xié)調(diào)后形狀如圖32中粗實線所示。由于管板在發(fā)生撓度時，邊緣發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角尚又須與圓筒的轉(zhuǎn)角相協(xié)調(diào)，因此在管板周邊與圓筒間尚作用有邊界力矩MT，最終管板的受力情況即如圖33所示。于是，管板可視為放置在管束彈性基礎(chǔ)上，周邊作用有均勻的橫剪力VT和彎矩MT的圓平板。圖34根據(jù)彈性基礎(chǔ)圓板理論，管板在周邊剪力VT和彎矩MT作用下，將發(fā)生整體彎曲變形（見圖33），在管板中產(chǎn)生整體性的彎曲應(yīng)力，其應(yīng)力大小與橫剪力VT和彎矩MT成正比。管板在發(fā)生整體彎曲變形的同時，由于PT在管板的孔帶上的作用，使管板產(chǎn)生局部的彎曲變形（如圖33中的虛線所示）。實際管板的變形即為上述兩種的組合。但必須強(qiáng)調(diào)指出的是以上兩種變形中（同時對應(yīng)兩種彎曲應(yīng)力），前者的整體變形及其應(yīng)力是主要的，而局部的變形與應(yīng)力相對是很小的，這已為眾多的理論分析和試驗應(yīng)力分析所證實。GB151熱交換器中的管板計算方法是基于彈性基礎(chǔ)圓平板的分析方法，考慮了管板的整體彎曲，大量實驗表明，其計算結(jié)果與實驗所得應(yīng)力吻合良好，是一種合理的計算方法。15212殼程壓力PS作用情況固定式換熱器如圖36中細(xì)實線所示，其載荷為PS。類似PT作用情況的分析思路，解除圓筒與管板間的約束。PS的徑向作用，使圓筒產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力并徑向膨脹。同時，由于泊松效應(yīng)，使圓筒軸向收縮。為此圓筒上的A點將自由變形至A（見圖34中虛線）。PS對管板下表面的軸向作用，使管束伸長。同時換熱管在管外PS的作用下，產(chǎn)生環(huán)向壓縮力，徑向收縮。因泊松效應(yīng)，使管子進(jìn)一步軸向伸長。由此帶動管板向上平移，其周邊的A點位移至A（見圖34中虛線）。因此，在解除管板周邊與圓筒互相約束時，它們的自由變形也是相反的。就A點，存在變形差。圖35在實際結(jié)構(gòu)中A和A是同一點，即實際變形時A和A應(yīng)在同一位置。為此，圓筒的變形須與管板的變形保持協(xié)調(diào)。圓筒通過對管板周邊產(chǎn)生橫剪力VS（見圖35）壓縮管束。反過來管束（包括管板，即管板管束系統(tǒng)）必然以相反方向的VS拉伸圓筒。其相互作用的結(jié)果，使圓筒上的A在“自由縮短”的基礎(chǔ)上被軸向拉伸伸長1。管板管束系統(tǒng)在“自由伸長”的基礎(chǔ)上，在管板周邊上的橫剪力VS作用下使管束受到壓縮，產(chǎn)生的2變形。而管板則在周邊VS作用下產(chǎn)生3的撓曲變形。它們最終的協(xié)調(diào)變形如圖34中的粗實線所示。三者的協(xié)調(diào)變形1、2、3之和即滿足的要求。由上述分析可知，固定管板換熱器，無論在PS或PT作用下，其圓筒與管板管束系統(tǒng)的軸向自由變形方向總是相反的，即管板的周邊上總要產(chǎn)生橫剪力VS或VT的，為此管板必然產(chǎn)生整體撓曲變形，而且這種撓曲引起的18管板應(yīng)力是與管板直徑D（圓筒直徑）成正比的。而管板上由管孔間的局部撓曲（由P作用產(chǎn)生），引起的應(yīng)力，則是與孔間距S成正比的。因S與D相比，僅為小量。上述123其1、2、3的大小與圓筒、管束的軸向剛度及管板的彎曲剛度有關(guān)，剛度大者，相對變形就小，反之則大。類似PT作用情況，在管板周邊與圓筒間還將產(chǎn)生邊界彎矩MS。于是，管板可簡化為置于管束彈性基礎(chǔ)上周邊作用有均布橫剪力VS和邊緣彎矩MS的圓平板。如圖35所示。其與PT作用時相比，因周邊剪力等方向相反，故管板變形形狀也相反。管板在周邊剪力及彎矩作用下發(fā)生整體彎曲變形，產(chǎn)生整體彎曲應(yīng)力。由于PS在管板孔間帶上作用，使管板產(chǎn)生局部的變形和彎曲應(yīng)力，如圖35中虛線所示。管板實際變形為此兩種變形的組合。圖36與PT作用時一樣，管板中的整體彎曲應(yīng)力對管板設(shè)計起控制作用，計算必須以此為依據(jù)。15213管殼熱膨脹差作用情況如圖36的固定式換熱器中細(xì)實線所示。換熱管材料沿長度平均金屬溫度為TT，殼體材料沿長度平均金屬溫度為TS，設(shè)TTTS令管殼材料線膨脹系數(shù)相同，即管殼間將產(chǎn)生熱膨脹差。圖37假設(shè)解除圓筒與管板周邊的約束。管束由于熱膨脹將自由變形伸長T，管板上的A、B兩點將位移至A、B。圓筒由于熱膨脹產(chǎn)生軸向伸長S，其上A點將自由變形位移至A。由于TTTS，則TS。由此管殼發(fā)生熱膨脹差。而在實際中換熱器因必須保持結(jié)構(gòu)連續(xù)，即A與A應(yīng)為同一點，因此管殼的自由變形必須進(jìn)行協(xié)調(diào)。即自由伸長較大的管束系統(tǒng)通過管板周邊對圓筒產(chǎn)生向上的軸向力V。反之自由伸長較小的圓筒對管板周邊產(chǎn)生反作用力V，對管束向下進(jìn)行壓縮，其相互用作的結(jié)果，使圓筒在自由伸長的基礎(chǔ)上進(jìn)一步軸向伸長，就其A點，變形量為1。管束在自由伸長的基礎(chǔ)上，受到軸向壓縮后，變形量為2。管板由于周邊橫剪力等作用下，產(chǎn)生撓度3。且123。它們的最終協(xié)調(diào)變形如圖36的實線所示。其1、2、3的大小與管、殼的軸向剛度及管板的彎曲剛度有關(guān)。剛度大者，變形就小，反之則大。于是，作為彈性基礎(chǔ)圓平板的管板，其周邊上均勻作用有橫剪力V，并通常尚有均布的彎矩M，最終管板受力情況如圖37所示。管板在管殼熱膨脹差作用下，管板中僅產(chǎn)生由邊緣V和M產(chǎn)生的整體彎曲變形及其應(yīng)力。15214法蘭力矩作用情況設(shè)有延長部分兼作法蘭的管板如圖38中細(xì)線所示，管板將直接受到法蘭力矩的作用。在法蘭力矩作用下，管箱法蘭和管板法蘭將直接產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)（如圖38中粗實線所示）。管板周邊（DI）受到彎矩的作用，即在周邊上產(chǎn)生邊緣彎矩MM引起撓曲。同時由圖38于管板的撓曲受到管束的軸向約束，由此在管板上尚產(chǎn)生橫剪力VM，于是管板就成為作用有均布的VM和MM的彈性基礎(chǔ)上的圓平板，如圖39所示。管板在法蘭力矩作用下，板中只產(chǎn)生整體彎曲變形及相應(yīng)的應(yīng)力。15215組合載荷作用下的管板應(yīng)力管板在PT、PS管殼熱膨脹差及法蘭力矩同時作用時的變形與應(yīng)力，可按其分別作用的情況進(jìn)行疊加。圖39根據(jù)上述1521115214款中，各種載荷單獨作用時，作用于管板周邊的橫剪力V和彎矩M及管板的變形狀況，可定性地分析各種載荷組合后管板應(yīng)力的變化趨勢，為便于理解，以下以兩種載荷同時作用為例，加以分析。1）對PT與PS同時作用的情況（設(shè)壓力均為正值）。見圖33和圖35。由于其管板的變形方向是相反的，即作用于管板周邊的橫剪力VT和VS及彎矩MT和MS是19趨于抵消的，管板應(yīng)力