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GB151-1999《管壳式换热器》概况

点击:1685 日期:[ 2014-04-26 22:48:42 ]
兰州石油机械研究所 教授级高级工程师 朱巨贤      管壳式换热器以其对温度、压力、介质的适应性,耐用性及经济性,在换热设备中始终占有约70%的主导地位。因此管壳式换热器的标准化工作为世界各工业发达国家所重视,也为ISO国际标准化组织的所重视。因此出现了TEMA、API660、JISB8249等一批管壳式换热器标准,ISO目前也正在与API联手并会同有关国家编ISO管壳式换热器标准。 我国自二十世纪七十年代开始相继编制了JB1147《管壳式换热器制造技术条件》、《钢制管壳式换热器设计规定》及GB151-89《钢制管壳式换热器》,并在历经十年后出现了修改较大、与国际先进标准接轨更好的、但同时由于出版等原因未能按时出版的GB151-1999《管壳式换热器》及其英文版,现就GB151-1999版修订概况介绍如下:    一、取消了“钢制”增加了铝、铜、钛有色金属 取消“钢制”这在我国压力容器标准体系中是个较大的变化,也是向国际先进标准靠拢迈出的重要一步。有色金属制管壳式换热器国内过去有着众多的使用业绩,而随着工业向深度发展,石油化工向深加工要效益,有色金属制管壳式换热器今后会有良好的发展前景,但过去一直没有有色金属制管壳式换热器的设计、制造、检验与验收的综合性标准,GB151-1999版解决了这一问题。下面简要地介绍一下铝、铜、钛的情况:    1.铝及铝合金 a.在空气和许多化工介质中有着良好的耐蚀性; b.在低温下具有良好的塑性和韧性; c.有良好的成型及焊接性能; d.设计参数:P≤8MPa,-269oC≤t≤200oC。    2.铜及铜合金 a. 有优良的耐蚀性(如海军铜具有良好的耐海水腐蚀性); b.具有良好的导热性能; c.有良好的低温性能; d.有良好的成型性能,但焊接性能稍差; e.设计参数:纯铜t≤150oC;铜合金t≤200oC; f.有GB8890《热交换器用铜合金管》标准。    3.钛、钛合金 a.具有适应面广的极佳的抗腐蚀性能; b.密度小(4510kg/m3),强度高(相当于20R); c.有良好的低温性能(TA1可用到-268 oC); d.表面光洁、粘附力小,且表面具有不湿润性; e.有GB3625《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》标准; f.单位重量价格高,比一般钢材高20倍,但综合指数价格比(密度小且Φ25管可用δ=1.0或1.5mm壁厚)约为6-8倍,若设备寿命为8年时,钛及钛合金是最佳换热管。    二、扩大了适用范围 本修订版参照TEMA-1999年版,扩大了适用范围: a.PN≤35MPa;b.DN≤2600mm;c.PN×DN≤1.75×104MPa×mm 无论是TEMA-1988年版或GB151-89年版,其适用范围定得比较窄是避免浪费,因此超参数范围的换热器建议用更为精确的分析设计;从而造成了许多大直径、低压力或高压力中小直径的换热器,无法使用常规设计方法;但采用分析设计时会形成设计费用高、制造费用高的负效应,因此压力容器和的换热器究竟是用常规设计、制造,还是采用分析设计、制造,最终应落实到经济对比上。正是根据这一点,TEMA-1999、GB151-1999才扩大了DN及DN×PN的乘积,从而既解决了大直径低压力的设计问题,又解决了高压力中低直径如加氢换热器设计的问题。    三、管板计算有了较大的变化    1.给出了a,b,c,d,e,f六种管板与相关元件(换热管、壳体、法兰)的连接型式,概括了所有换热器的管板结构型式,能准确地引导设计者进行选择及计算。    2.U形管式换热器管板计算有了较大的变化:根据大量的试验研究,清华大学和北京石化工程公司推出了更为精确的计算式。    3.不适用部分在标准或标准释义中有了交待。 a.不布管区较大(K>1.0)时,按JB4732-92附录I进行设计;b.管板与法兰搭焊的型式按JB4732-92附录I计算;c.非轴对称及管板内有大小不同的管孔时,不属GB151管辖。    四、给出了孔桥宽度计算式 GB151-89版根据不同的管板厚度,以表格的形式给出了标准孔桥宽B及最小孔桥宽度Bmin,增加了铝、铜、钛后形成了管孔规格多且不同厚度的管板,要用插入法不方便,故GB151-1999采用了公式计算的方法,同时取消了Bmin数量为5个的限制(但仍保留了小于等于4%的要求)。    五、修改了部分计算公式    1.平盖计算公式 在平盖强度计算式中原GB151-89版中,只给出了一个公式,然后分操作与预紧二种不同工况只比较特征系数K值,这种做法在力学分析上是站不住脚的,因为操作与预紧除了K值不同外,其许用应力也是不同的,故GB151-1999版给出了操作与预紧二种不同状态的计算式。    2.浮头法兰 根据BS5500及JISB8275的有关条文,介于平盖同样的理由,修改了浮头法兰计算式,取消了Mp-操作,Mo-预紧二者大者代入公式的传统做法,而是分别按操作与预紧二种工况计算浮头法兰厚度。    六、修改了换热器级别的内涵    1.GB151-89由于换热管精度问题把换热器分为I、II级而其全部差异只反映在管束上,所以GB151-1999改称I、II级管束。    2.由于高合金钢取消了普通精度级,新增加的铝、铜、钛换热管全部采用较高精度或高精度级,故在GB151-1999版中,I 、II级管束只反映在碳素钢和低合金钢管上。    七、增加了奥氏体不锈钢焊管 根据我国奥氏体不锈钢焊管的技术与装备的进步,GB151-1999允许使用奥氏体不锈钢焊管为换热管且控制如下: a.P≤6.4MPa;b.不得用于极度危害介质;c.φ=0.85。控制P≤6.4MPa只是个过渡措施,待有一定业绩后拟取消。    八、增加了换热管与管板的焊接型式 由于温度及压力的增高,GB151-89版的管头焊接型已不够用,故增加了要求高的连接型式。同时在换热管与管板的焊接工艺评定中,明确了强度焊的定义,即参照ASME明确规定了强度焊定义为:换热管与管板连接中承受换热管剪切强度的焊缝长度不小于1.4倍的管子壁厚。    九、焊接接头系数φ GB150-1998回避了无法进行无损检测时的φ值,但GB151对于固定管板换热器最后一道B类焊接接头是回避不了的,故规定了“对于无法进行无损检测的固定管板式换热器,壳程圆筒的环向焊接接头,当采用氩弧焊打底或沿焊接接头根部全长有紧贴的金属垫板时,其焊接接头系数为φ=0.6”,这个φ=0.6是无法检查而必须靠施焊人员严格按照焊接工艺施焊来保证的。 十、修订了部分制造内容    1.取消了GB151-89 4.13中“支座、垫板、补强圈和壳体塔接缝与任意相邻焊缝的距离,以及接管与壳体连接接头与任意相邻接接头的距离均不小于三倍的壳体壁厚且不小于50mm”的不合理要求。    2.放宽了U形弯管中小R的椭圆度要求,并规定Ri<2.5do时,U形弯管的椭圆度按小于等于15%验收。
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