管壳式热交换器管头设计分析

弃全英(山西省工业设备安装集团有限公司设计院，山西 太原 030032)

管壳式热交换器管头设计分析

弃全英(山西省工业设备安装集团有限公司设计院，山西 太原 030032)

管壳式热交换器的核心部件是管板和管束，而管头是影响其的可靠性的重要部位。从设计上考虑其结构的安全可靠性是最根本的要求。本文对管头的种类、适用条件、及制造要求等相关设计中的注意事项进行分析，方便在设计工作中进行应用。

热交换器；管壳式；管头；设计；分析

1 概述

管壳式热交换器主体结构由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱、支座等部件组成。其中管束是管壳式热交换器的核心部件，而管板与换热管连接(简称管头)又是影响其的可靠性的重要结构。管头形式多样，适用条件各不相同，从本质安全角度在源头上把好设计关是最根本的保证。现对热交换器的管头设计相关事项进行详细分析。

2 设计分析

管壳式热交换器设计标准经过GB151-1989、GB151-1999到GB/T151-2014版次的发展，已经满足绝大多数管壳式热交换器的设计要求。GB/T151-2014《热交换器》中对管板与换热管连接方式(简称管头)在原有基础上还增加了新的连接方式。

2.1 相关术语理解

(1)强度胀接(焊接) 这是从强度角度定义的两种连接方式，它能满足换热管轴向载荷设计要求同时实现密封要求。

(2)密封焊接 只满足密封要求，保证管头不泄漏的连接。

(3)贴胀 是从保护管接头和预防间隙腐蚀角度，消除管子与管板的间隙的一种连接，不承担强度要求。

(4)内孔焊 内孔焊是GB/T151-2014中新增加的换热管与管板连接结构，是焊缝位于管孔内侧(壳程侧)的对接焊接结构。近年来内孔焊制造装备发展迅速，制造工艺成熟，随着标准的制定将在热交换器结构设计上的得到推广。

2.2 管板与换热管连接方式分析

管板与换热管的连接(管头)方式有强度焊接、强度胀接、胀焊并用(强度胀加密封焊和强度焊加贴胀)和内孔焊四种类型。每种类型的结构型式都有各自的特点，适用条件有不同的局限性。

(1)强度焊接 适用于设计压力不大于35MPa的场合，但不适用于有较大振动、有缝隙腐蚀倾向的场合。这种结构中换热管管端可以伸出管板外，也可以与管板平齐或沉入管板平面以内。当立式安装的换热器上管板不允许有积液时可选择沉入式结构。强度焊接结构的焊脚高度首先应满足拉脱力的要求，同时不应小于换热管壁厚。

(2)强度胀接 适用于设计压力≤4．0MPa、设计温度≤300℃、操作中无振动无过大温度波动及无明显应力腐蚀倾向的场合。这些因素中，温度和振动是关键。当温度不高时可适当调高设计压力。国外制造经验表明，在电力行业的给水加热器采用多开槽的强度胀接时，设计温度300℃时设计压力高达10MPa以上。GB/T151-2014规定当压力超过以上限制时，要针对拉脱力进行胀接工艺试验。这种结构的换热管要选择硬度低于管板硬度的材料，对有冷作硬化倾向和有耐应力腐蚀要求的换热管，宜采用柔性胀接。强度胀接的最小长度应取管板名义厚度减3mm的差值与50mm二者中的较小值，超出最小长度(如厚管板及避免缝隙腐蚀的场合下)段可采用贴胀方式。当有要求时也可全长强度胀接。

(3) 胀焊并用 适用于振动或循环载荷、有缝隙腐蚀倾向和复合管板(特别是覆层较薄的)或密封性能要求较高的场合。胀焊并用同时还应满足相应的强度焊接和强度胀接的管孔结构要求。当采用先胀后焊接制造工艺时，为降低焊接热能和缝隙气体对胀接部分的影响，保证胀接质量，管孔结构中一般不留不胀部分，全胀至管板坡口根部，且胀接时不得采用影响焊接质量的润滑剂。

(4) 内孔焊 焊缝位置在壳程侧，焊接接头形式是对接接头。内孔焊形式避免了传统管板连接的换热管与管板间缝隙腐蚀问题，对立置热交换器上管板不积液。而且焊缝位于壳程侧，当管程温度过高时可利用壳程较低温度对焊缝进行高温保护。因管板与换热管对接接头相比角接头应力状况有很大改善，能承受更大的拉脱力，所以一般用在条件比较苛刻的高温高压、振动、交变载荷和应力腐蚀的工况下。

2.3 与管头相关的设计参数

(1)壁厚 元件厚度是设计中要控制的一个重要参数。从结构设计、制造要求、刚度和稳定性、经济性等角度考虑，GB/T151-2014中对不同元件提出了不同的要求。对管板的最小厚度的要求是按管头的胀接或焊接方式、管板材料复合与否、介质爆炸特性及毒性程度等提出的，在GB/T151-2014中7．4．2中有明确规定。

(2)焊接接头系数 焊接接头系数是指对接焊接接头强度与母材强度的比值。它反映因焊接材料、焊接缺陷和焊接残余应力等因素对焊接接头强度的削弱程度。在热交换器受压元件设计计算中它是一个重要参数。它确定的合理与否直接影响着设备设计质量和设备安全性能。焊接接头系数仅根据A、B类对接接头的焊缝形式及无损检测的长度比例确定。对管头连接方式为内孔焊的焊接接头系数是只针对射线检测(RT)规定的，当100%RT 时取1．0，局部RT 时取0．85，不进行RT 时取0．6。

2.4 热处理

除内孔焊外，管板与换热管的焊接接头为角接头，这种不连续结构处存在峰值应力，再加上焊接残余应力的作用，易诱发裂纹产生。一般情况下换热管和管板焊接接头无需进行焊后热处理。按材料和介质类别情况根据TSG 21-2016《大容规》和GB/T151-2014《热交换器》及GB150-2011《压力容器》等的相关要求，遇到必须进行焊后热处理的材料、应力腐蚀较严重和极度毒性危害介质的碳钢和低合金钢材料时应当进行焊后热处理。可以进行局部热处理，但应保证管板面加热均匀。

2.5 耐压试验和泄漏试验

热交换器的寿命及事故都与管头的可靠性密切相关，所以对管头进行压力试验是必不可少的环节。管壳式热交换器的管头耐压试验按GB/T151-2014的规定，在第一顺序进行试压。固定管板式热交换器为壳程先试压同时检查管头；U形管式热交换器、U形管束釜式重沸器和填料函式热交换器为先用试验压环进行壳程试压同时检查管头；浮头式热交换器和釜式重沸器为先用试验压环和浮头专用试压工具进行管头试压；按压差设计的热交换器为先按图样规定的最大试验压力差值进行管头试压。重叠热交换器管头试压和泄漏试验可以单独进行，如果壳程连通时还应在重叠组装后进行。投用后无法维护修理管头的热交换器，应对管头进行泄漏试验。

在压力试验中会遇到一种管程试验压力高于壳程的情况，此时管头试压要在图样上进行规定。一般有三种处理。

(1)当管、壳压力差不大时，用0．9φReL校核壳程元件或者增加壳程元件厚度以提高壳程试验压力至管程试验压力进行试压，(2)如果压力相差太多，可先用壳程允许的最大试验压力对壳程进行压力试验同时检查管头，再在壳程附加管头泄漏检测。(3)对可抽管束热交换器，换热管间距较大如正方形布管的，当管程试验压力高于壳程时，可以在抽出状态下进行管程压力试验，用内窥镜从管板背面进行泄漏检查。

3 结语

近年来，热交换器技术在节能增效、提高传热效率等方面的研究取得了很大进步。在热交换器设计中选择合适的管头连接方式是个非常关键问题，它直接关系着换热设备的安全性和经济性等。对热交换器的管头设计全面分析有助于提高换热设备的设计质量。针对不同的应用环境，在技术不断发展过程中还将会有新型的管头结构出现。

[1]李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M].北京：新华出版社.2005.

[2]钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社.2006.