我国标准管板设计方法与ASME规_省略_及换热器管板应力分析应考虑的问题_李永泰

管板应力分析统一方法的简介(2)——与ASME的比较及算例分析朱红松;翟金国【摘要】理论分析表明,ASME Ⅷ-1方法是统一方法简化力学模型下的特殊情形.ASME的简化措施及特殊限制条件施加于统一方法之上,对管板、壳体及管箱应力导致难以预测的结果.数值计算对比分析表明,统一方法的理论预测结果与有限元分析结果符合得非常好,而ASME的计算结果是错误的或不够准确.以此揭示ASME 方法的缺陷及统一方法所取的理论进展.%Theoretical comparison shows that ASME method can be obtained from the special case of the simplified mechanical model of the general method.Typical geometries and loads are considered and the general method is used to check the adequacy of design.The results from the general method have been compared with the results obtained from axisymmetric FEA analysis and current ASME parison results indicated that the results given by the general method agreed well with that form FEA,while ASME results are not correct or not accurate.The theoretical progresses have been made in the general method.【期刊名称】《化工设备与管道》【年(卷),期】2017(054)003【总页数】8页(P5-12)【关键词】管板;应力分析;统一方法;ASME方法;理论进展【作者】朱红松;翟金国【作者单位】;上海化工研究院,上海200062【正文语种】中文【中图分类】TQ050.2;TH123固定式换热器管板的应力分析曾由Gardner[1-2]、Miller[3]、Galletly[4]、黄克智[5]、Soler[6]等人研究过。

第 56 卷第 6 期2019 年 12 月化　工　设　备　与　管　道PROCESS EQUIPMENT & PIPING V ol. 56　No. 6Dec. 2019·单元设备·基于国标（GB）和美标（ASME）计算的换热器N型管箱结构分析王冰轮，魏冬雪，李晓波，王磊（中国寰球工程有限公司，北京 100012）摘 要：对于管壳式换热器N 型管箱结构，其中管箱筒体、壳程筒体与管板直接焊接，连接处是结构不连续区域，在工程设计中经常会遇到问题。

文章从工程实例出发，分别按照GB/T 151—2014和ASME BPVC.VIII.1—2017 UHX 篇进行计算，对结果进行分析比较，进而阐述该结构需要按照ASME 计算的必要性，总结该结构中各零件厚度的变化对连接处应力以及管板中心处径向应力的影响。

提出合理化的设计方案，为该结构的工程设计提供参考。

关键词：N 型管箱；筒体厚度；管板；ASME ；工程设计方案中图分类号：TQ 050.3；TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2019）06-0030-004收稿日期：2019-05-09作者简介：王冰轮（1990—），男，工程师。

主要从事压力容器设计工作。

N 型管箱是将管箱筒体、壳程筒体与管板直接焊接成为一体的一种结构。

该结构有效地减少了管箱筒体、壳程筒体与管板的可拆密封连接。

应用N 型管箱可以使设备结构更加紧凑，节省材料。

随着工程项目的工艺要求逐渐严格，N 型管箱结构在乙烯等装置的管壳式换热器中的应用越来越广泛。

但是，N 型管箱结构使得管箱、管板和壳程筒体形成了一个整体结构，3个零件的连接部位变形不协调，出现应力集中现象。

在工程设计中如何合理地设计连接处的结构是一个值得研究和探讨的问题。

本文结合工程实例，针对连接处的应力，通过不同的计算方法和改变不同的零件厚度，找寻应力与厚度的变化规律，从而提出合理的工程设计方案。

关于管板设计的一种建议步骤
关于管板设计的建议步骤包括：
1. 确定管板的尺寸和材料：首先根据设计需要和材料的选择，来确定管板的尺寸和厚度。

需要考虑的因素如：管板的强度、稳定性、材料消耗、制造难易度、安全性能和经济效益等。

管板的材料应选择具有高强度和抗化学腐蚀性能的材料，如索雷碳纳米聚合物材料，特别是对铜的粘结性能优于国内其它粘合剂，该材料针对换热器的不同材质，具有优异的粘结性能，尤其对铜的粘结性能优于国内其它粘合剂。

2. 设计管板的结构：管板需要具有足够的结构稳定性，如采用U型膨胀节，其结构紧凑、补偿性好、价格便宜等优点。

根据管板的尺寸和材料，设计管板的结构，包括管子的布局、管板的支撑和加强筋等。

3. 进行应力分析：在设计管板时，需要进行应力分析，确定管板的应力分布和变形情况。

需要考虑的因素如：管侧压力、壳侧压力、温差作用、负压时的管壳侧压差、填函及浮头换热器与u形管的区别等因素。

4. 考虑安装和维护：在设计管板时，需要考虑安装和维护的方便性，如设置膨胀节来满足强度要求，以及在管板进行压差设计时，需要注意温差作用，以及固定管板、管板兼做法兰时的不同考虑因素。

5. 进行腐蚀防护：根据腐蚀环境和材料，选择合适的防腐涂层或防腐材料，如使用针对换热器的不同材质，具有优异的粘结性能的索雷碳纳米聚合物材料，其主要特点是具有优异的抗化学腐蚀性能，能有效抵抗各种有机物、强酸强碱的化学腐蚀，从而有效防止换热器的腐蚀渗漏。

6. 进行验证和测试：设计完成后，需要进行验证和测试，以确保管板的设计符合要求和规范，并具有足够的可靠性和耐久性。

测试包括材料性能测试、结构性能测试、应力测试、腐蚀测试等。

第 58 卷第 1 期2021 年 2 月化　工　设　备　与　管　道PROCESS EQUIPMENT & PIPINGV ol. 58　No. 1Feb. 2021换热器管子-管板焊接现状和改进方法朱志刚（森松（江苏）重工有限公司，江苏 如皋 226532）摘 要：概述了国内换热器管子管板焊接的一般现状，由于其焊接的局限性和特殊性，焊接质量参差不齐。

从前期坡口设计到焊接和检验过程提出了改进方法，主要是要选用易于焊透的坡口型式和尺寸，焊前进行模拟工艺试验及焊工考核。

采用高性能设备的自动焊对焊接工艺进行升级，重视焊前及焊接过程的细节控制，加强焊缝的检验等，共同保证管子管板焊接工艺条件和焊接质量。

关键字：管子-管板焊接；坡口设计；模拟试验；自动焊；焊前及过程控制；焊缝检查中图分类号：TQ 050.6；TH 16 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2021）01-0024-005收稿日期：2020-03-19作者简介： 朱志刚（1971—），男，焊接工程师（中级）。

长期从事压力容器产品技术工作。

换热器管子-管板接头的焊接是最普遍的一种形式，其焊接质量直接影响到系统运行的可靠和效能。

结合目前一般制造企业管子-管板焊接工艺和质量状况，提出改进的方法。

典型的换热器结构如图1所示，换热管束与管板进行焊接（强度焊）。

图1 典型的换热器结构型式Fig.1 Typical structure type of heat exchanger左管板右管板换热管换热管与管板焊缝换热管与管板焊缝换热器管子-管板的接头常有以下几种结构型式，管子外伸、管子平齐和管子内缩、深孔焊接。

针对设计图纸管子、管板的不同的材料、规格和坡口情况，在产品焊接之前需要根据标准进行焊接工艺评定，用于评价焊材，焊接工艺等要素是否能满足标准要求。

例如根据NB/T 47014—2011附录D [1]、GB/T 151—2014[2]的规定，需要对焊缝进行断面金相检验，以确定焊缝根部的熔透情况以及焊缝尺寸是否满足要求。

王　任　ASME BPVC.VIII.1-2021中换热管与管板连接焊缝强度计算及探讨292023，33（3）櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴毷毷毷毷设　计技　术ＡＳＭＥＢＰＶＣ ＶＩＩＩ １ ２０２１中换热管与管板连接焊缝强度计算及探讨王　任 中国成达工程有限公司　成都　６１００４１摘要　本文对ＡＳＭＥＢＰＶＣ ＶＩＩＩ １ ２０２１中换热管与管板连接焊缝采用强度焊所需最小焊缝尺寸及焊缝强度计算进行分析，并与ＧＢ／Ｔ１５１ ２０１４进行对比，为换热器设计中的换热管与管板的连接焊缝强度计算提供一定的参考。

关键词　强度焊　焊缝尺寸 在管壳式换热器设计中，换热管与管板连接型式通常有强度胀、强度焊、强度焊加贴胀、内孔焊，而强度焊或强度焊加贴胀应用最广。

采用强度焊或强度焊加贴胀时，换热管与管板连接焊缝尺寸要求及强度校核是换热器设计计算中非常重要的部分。

本文将结合标准规范对此计算进行分析和探讨。

１　ＡＳＭＥＢＰＶＣ ＶＩＩＩ １ ２０２１中强度焊的分类及要求 按ＡＳＭＥＢＰＶＣ ＶＩＩＩ １ ２０２１中ＵＷ ２０章节规定，强度焊分为完全强度焊和部分强度焊。

完全强度焊与部分强度焊尺寸计算公式一致，只是设计强度与换热管轴向强度之比取值不同，完全强度焊时，取设计强度与换热管轴向强度的比值为１。

ＧＢ／Ｔ１５１ ２０１４中没有对强度焊进行分类，只是对设计选定的焊接尺寸进行各工况下的应力校核。

１ １　完全强度焊对于完全强度焊，标准中要求焊缝强度应大于等于换热管的轴向强度，焊缝尺寸需满足ＵＷ２０ ６的要求。

根据此原则，只要换热管与管板连接焊缝尺寸满足完全强度焊的最小尺寸要求，就无需进行换热管与管板连接焊缝的轴向载荷校核，此焊缝也无需进行剪切载荷试验，只需对换热管进行轴向载荷的校核。

１ ２　部分强度焊部分强度焊（非密封焊）的焊缝强度不大于换热管的轴向强度，设计强度（焊缝设计强度）是根据各工况下的轴向载荷来确定的，焊缝的最小尺寸要求是根据设计强度来进行计算的，即满足ＵＷ ２０ ６的要求。

换热器不同工况下管板的应力分析与评定王琪$孙正硕$沈妍$赵振东$许春林％(1.江苏科技大学机械工程学院;2•张家港市江南锅炉压力容器有限公司)摘要使用ANSYS Workbench分析管板在管壳式换热器4种工况下压力载荷对应力分布的影响规律，并对比分析了温度载荷对管板应力分布的影响程度°结果表明：存在温度载荷的工况中，管板非布管区域应力较小且分布均匀，在换热管连接处应力最大；温度载荷对管板应力分布影响很大,螺栓预紧力也会对应力分布产生影响。

针对分析结果，将管板厚度由40mm减小至30mm后，管板应力依旧满足安全要求°关键词管壳式换热器管板应力分析与评定中图分类号TQ051.5文献标识码A 在现代工业生产制造中，存在着大量的热量转化过程,为提高能源利用率,研究高效安全的换热器是科技发展的必然结果"管壳式换热器具有结构简单、造价低、易选材、处理能力强、适应性强及清洗方便等特点，可用于高温高压工作环境，目前被广泛应用于石油、冶金、能源、动力及制冷等领域$$%"管壳式换热器中的管板将不同温度的工作介质分离,进而形成管程介质与壳程介质,并同时承受管程介质与壳程介质的压力。

管板还具有支撑管束布置换热管的作用"管程、壳程介质压力和温度载荷有不同的组合，不同载荷的组合对管板产生不同的影响，导致管板成为管壳式换热器中受力情况最为复杂的部件［2］"因此，国内外学者对管板进行了广泛研究，并颁布了一系列设计标准。

郝海波将标准计算得到的管板厚度进一步减小，并对减薄后的管板进行强度校核，在满足强度要求的情况下节约材料［3］"王战辉等在分析管板应力分布时，发现管板与其他部件连接处会出现较大应力，通过在其他部件与管板的连接处增加过渡圆角的方式，改善应力分布情况⑷。

笔者结合管板连接处的结构缺陷和螺栓预有限元改进文章编号0254-6094(2020)05-0639-06紧力,考虑应力分布的影响因素,对管板进行改进，将换热管连接处做倒角处理,减小管板厚度,从而达到安全与经济兼顾的效果。

基于ANSYS的换热器管板应力分析及其优化设计发布时间：2021-06-18T02:32:55.905Z 来源：《中国科技人才》2021年第9期作者：王宜亮[导读] 为研究换热器管板受力复杂的问题，基于ANSYS Workbench软件，以管板应力受管壳程温度载荷、压力载荷和管板厚度的影响为研究对象，研究了其应力分布情况，得出管板在换热器壳程先停工况时最危险；江苏自动化研究所江苏连云港 222061摘要：为研究换热器管板受力复杂的问题，基于ANSYS Workbench软件，以管板应力受管壳程温度载荷、压力载荷和管板厚度的影响为研究对象，研究了其应力分布情况，得出管板在换热器壳程先停工况时最危险；同时对此工况下各参数进行关联性分析和对管板进行优化分析。

结果表明：温度载荷对管板应力分布的影响程度最大，其次是管板厚度，压力载荷影响最小；管板可由原有的35mm厚度优化43%，在管板厚度降低至20mm后，仍满足安全要求，达到安全与经济兼顾。

关键词：管壳式换热器；管板；关联性分析；优化分析Stress analysis and optimization design of heat exchanger tube-sheet based on ANSYSWANG Yiliang( Jiangsu AutomationResearchInstitute, Lianyungang222061)Abstract: In order to study the complex stress on the tube-sheet of heat exchanger, the stress distribution of the tube-sheet was studied by using ANSYS Workbench and taking the influence of temperature load, pressure load and thickness of tube-sheet as the research object. It is concluded that tube-sheet is the most dangerous when the shell side of heat exchanger stops first. At the same time, the correlation analysis of the parameters and the optimization analysis of the tube-sheet are carried out. The results show that: the temperature load has the greatest influence on the stress distribution of the tube-sheet, followed by the thickness of the tube-sheet, and the pressure load has the least influence; the tube-sheet thickness can be optimized by 43% from the original 35mm thickness, and the safety requirements can still be met after the tube-sheet thickness is reduced to 20mm, which can achieve both safety and economy.Key words: Shell-and-tube heat exchanger; Tube-sheet; Relevance analysis; Optimization analysis0前言管壳式换热器管板的设计与优化是为了使换热器在实际运行中更加安全，能有效提高能源的利用率。

浅谈换热器设计的一些结构和强度问题雷　勇 余子豪　中国成达工程有限公司　成都　６１００４１摘要　本文结合标准对换热器的部分常见设计问题（例如防短路挡板的设置位置、防冲板的设置条件、换热器进出口的流通面积计算以及法兰的设计等）进行分析总结，给换热器的工程设计提供一定参考。

关键词　压力容器　换热器　结构设计　强度计算雷勇：高级工程师。

２００３年毕业于南京工业大学过程装备与控制工程专业。

主要从事压力容器设计工作。

联系电话：０２８ ６５５３０５２３，Ｅ ｍａｉｌ：ｌｅｉｙｏｎｇ＠ｃｈｅｎｇｄａ ｃｏｍ。

《热交换器》ＧＢ／Ｔ１５１－２０１４［１］是管壳式换热器的设计、制造、检验等方面的通用标准。

本文针对运用该标准进行换热器设计时遇到的部分常见问题进行分析总结，给换热器的工程设计提供一定的参考。

１　防短路结构根据ＧＢ／Ｔ１５１－２０１４要求，短路宽度超过１６ｍｍ时应设置防短路结构，折流板缺口间距小于６个管心距时设置一对旁路挡板，超过６个管心距时每５～７个管心距增设一对旁路挡板；分程隔板槽背面或Ｕ形管式换热器管束中间每隔４～６个管心距设置１根挡管。

为起到防短路的作用，以上挡板均应设置在折流板重叠区，见图１；不应设置在折流板缺口区，见图２。

２　防冲板设置防冲板的作用是防止进入换热器的流体对换热管直接产生冲蚀、腐蚀作用。

通常气液混合物的冲蚀能力比气体或液体的冲蚀能力更强，在气液混合物中，气体的流速比较快，液滴夹杂在气体里对于设备表面冲击力就比较大［２］。

对金属表面产生的磨蚀通常来自于液体或者夹杂着固体的气固混合物。

由于腐蚀流体和金属表面间的相对运动，引起金属的加速破坏或腐蚀，这类腐蚀常与金属表面上的湍流强度有关。

湍流使金属表面液体的搅动比层流时更为剧烈，使金属与介质的接触更为频繁，故通常叫做湍流腐蚀。

湍流腐蚀实际上是一种机械磨耗和腐蚀共同作用的结果［３］。

图１　旁路挡板设在折流板重叠区图２　旁路挡板设在折流板缺口区磨蚀的外表特征是槽、沟、波纹、圆孔和山谷形，还常常显示有方向性。

管子管板接头的设计制造和检测规范------Basf和Bayer管子与管板接头技术规范1摘要为满足优质管子与管板焊接接头的需要,对材料,焊缝型式,模拟试验,产品焊接及内部缺陷检验提出具体要求,并介绍管子与管板接头射线检测的方法和程序;2前言换热管与管板接头是热交换器或反应器最薄弱的环节,由于接头中存在未焊透、气孔等缺陷,在腐蚀和应力的作用下极易造成设备泄漏,给使用单位尤其是化工企业的环境、安全和生产带来重大的隐患和影响;现行ASME和GB对换热管与管板接头的检测要求仅局限于产品的外观检验（含表面渗透检测）和模拟试样的宏观金相及焊缝厚度测定,对产品焊缝的内部质量未规定有效的检测方法;随着化工企业发展的需要,Basf和Bayer等国际化工巨头对换热管与管板接头提出了射线检测的要求，并已实施多年,这就意味着越来越多的化工设备制造企业必须生产无缺陷的优质的换热管与管板接头,以满足大型客户的技术规范要求;3材料本规范的详细要求适用于普通碳钢或低合金碳钢或奥氏体钢或它们混合制成的管子到管板接头;这些钢号等级为ASME材料第P1组、P3第1组、P4第1组、P5第1组和P8第1组;满足这些要求的其他材料（如奥氏体钢、镍基合金、钛、锆）应分别作为特定应用程序要求;在开始制造之前,应征询业主意见;4换热器管子要求4.1基本要求a管子的外径,壁厚和长度及其它们的误差,在业主的技术数据表(TDS)中说明;b管子应是较高级别的冷拨钢管;c作为一般规则,热交换器管子应为无缝管,如采用焊管,应得到业主的书面同意;4.2无缝管管子应按下列标准交货:GB 9948 (Carbon Steel/碳钢)GB 13296 /GB/T 14976 (Austenitic Alloys/奥氏体合金钢)GB/T 21833 (Duplex SS/双相不锈钢)GB/T 3625 (Ti and Ti alloy tubes/钛及钛合金管子)4.3焊管焊管应得到业主认可并符合下列条件:a设计压力不超过6.4Mpa;使用温度应与同类材料的无缝管一样;b符合GB/T 12771的焊管可用于热交换器,试验要求应符合GB 151 附录C的规定;4.4由其它材料和形状制成的管子由其它材料(锆,钛,铜)和形状(翅片,椭圆)制成管子,应当由业主同意;具体规定可以参见相应的技术数据表(TDS);4.5换热器管子检验a换热器管子应进行NDT检测,且在管子与管板焊接前完成;b管子的NDT应在管子制造商的车间内进行;c NDT方法为涡流检测,如果有其它适用的方法,需经业主同意;d NDT检测时间应包含在制造商的检验和试验计划(ITP)中;4.6管子缺陷的拒收标准4.6.1如有下列情况,拒绝接受管子:a发现的缺陷不能满足交货技术条件;b最小壁厚低于交货技术条件;c不正确的管子(管子的材料,尺寸,型号)d设备制造阶段产生缺陷的管子(如酸洗错误,严重的飞溅,其它部件对其形成的损伤等);e有严重机械损伤和超过最小壁厚的20%的管子(通常发生在安装阶段,对于没有明显影响壁厚的划痕和小的凹痕,不得拒绝);4.6.2如果怀疑有系统误差,业主有权发起进一步调查以澄清情况;4.6.3管子内、外的任何其它缺陷可以打磨光滑,打磨区域的壁厚应进行验证;如果测量的壁厚小于最低壁厚要求,应由同样材料的管子替代;4.6.4管子供应商应提供相关的检验和测试报告,这些报告由制造商并入竣工文件中;5设计和制造总要求5.1管子与管板接头的设计和制造总要求如表5-1和表6.1-1所示;5.2任何第一次从事管子与管板接头生产的制造商都需要进行装配检查和内部缺陷检查;同样的要求适用于对生产方法作重大变化的制造商;(如手工焊改为自动焊,接头设计变化)5.3如果管子与管板接头附近存在间隙腐蚀和应力腐蚀的风险,正常情况下不推荐胀接,管壁厚度不低于要求的最小厚度;5.4在个别情况下,需要较大的管壁厚度(保证所需要的强度级别,满足腐蚀防护的要求),对符合ASME或ASTM标准的管子材料,这些标准指定的名义管子尺寸是允许的;6管子与管板焊接接头的设计与制造6.1焊缝的制备和实施a焊缝的制备和设计应符合相关标准和表6.1-1要求,任何不同的焊缝形式,应事前征得业主同意;在这种情况下,应符合本规范的意图和要求;b对于内部缺陷的检查,RT是首选的检测方法;c管子与管板接头的焊缝厚度…a‟应符合相关设计规定的要求,但不能小于管壁厚度…t‟ (见图6.1-1);图 6.1-1焊缝厚度…a‟的确定a焊缝厚度t 管壁厚度管子与管板接头的首选形式应符合ASME的规定,优先考虑表6.1-1中的形式;6.2制造6.2.1总要求组装前,管端、管板和挡板应清理干净以防止焊接区域污染,应采用适当的组装工艺；焊接完成之前应保持焊接区域清洁;制造商应规定装配的检查方法并确保管子端部和管孔清洁;焊接之前管端采用了下述方法处理是可以接受的:a锥形膨胀（管子在焊接前不可采取通体膨胀或预轧；管子端部只可能与管孔内壁线接触）；b采用TIG工艺定位焊（对于普通碳钢或低合金碳钢,奥氏体钢和双相钢,应采用填充金属）;定位焊缝应在管子中心与管孔中心调整一致后施焊,再者,定位焊缝不能位于起弧和收弧位置;c非铁素体,锆材和低熔点合金的工具不能应用在焊接区域(如推/拉工具,钻孔,胀接工具等);d以下焊接工艺是可以接受的：−钨极惰性气体保护焊,TIG焊(手动或全部机械操作);−手工电弧焊(SMAW)；−两种工艺的结合（TIG焊/手工电弧焊）,GTAW/SMAW;e垂直向下焊接仅适用于管板垂直时的自动焊焊接工艺;f焊道末端应与焊道始端重叠(搭接长度>焊道宽度的两倍）;在多道焊接时,根部焊道应被下一层焊道完全覆盖;连续层的焊道始端和焊道末端应相互间隔开;g应避免焊进管子内侧;焊缝投影重叠的可接受标准如图7.2-1“焊缝投影重叠”所示h局部返修需要业主的事先审核和认可;6.2.2制造方法的认可(模拟焊接)6.2.2.1总要求管子与管板模拟焊接的第一个目的是认证制造商的焊接工艺,模拟焊接的第二个目的是认可焊工资格;焊接操作仅能由有资格的焊工按照标准和适用的条款进行;如果有下列之一情形,可以放弃模拟焊接(业主认可后):a可以提供依据,证明现行的工艺评定记录(PQR)或模拟焊接完成时间不超过12个月;b类拟的工艺评定记录(PQR)或模拟焊接完成时间超过12个月,但12个月内进行了类拟的产品焊接试验;c制造商有管子与管板焊接的经历,连续制造客户所要求的接头形式,质量保证得到业主的定期认可;d焊接工艺评定试验、生产或模拟焊接均考虑到实际产品的焊接,满足本规范所描述的要求; 6.2.2.2模拟焊接制造商在模拟焊接前应编制焊接工艺,并提交业主认可;所有管子与管板的模拟试验应按照本规范”模型的设计与焊接”的要求完成;模拟焊接需有文件化的焊接记录,包含附件6.2.2-2之内容;这些焊接参数(管板厚度,管子直径和壁厚)决定产品的焊接范围;如果模拟工艺中包括返修(局部或全部清除焊缝)就更加完美;模拟焊接、检验和试验的任何返修工艺应不同于认可的产品工艺;返修区域应在宏观截面上得到显示;完成模拟焊接后,制造商应对每个独立的mock-up标记下列信息:制造商名称焊接工艺焊工代号TOP(识别焊接过程的位置)除了表6.2.2-2所列的工艺参数外,下列主要参数的任何变化都需要重新进行评定:a焊接接头设计b焊道数量c填充金属(和焊条直径)d增加或取消填充金属e保护气体的成分f预热和焊后热处理如果改变母材,按照ASME第IX卷的材料分组要求,增加模拟试验;6.2.2.3焊工资格每一个参与的焊工至少施焊4个管子与管板接头(接受标准见表6.2.2-1 和表7.2-1).焊工的资格考试应由制造商形成文件,包含附件6.2.2-2所要求的信息;通过书面文件证明焊工在认可的焊接参数范围内连续从事管子与管板的焊接,来维护焊工资格的有效性;允许焊工资格连续的最大时间间隔为三个月;超过三个月需要重新认可;如果焊接质量较差,业主有权要求重新认证或对焊工进行附加的技能考试;管子与管板焊缝返修前,通过试验、模拟焊接、检验和测试来评定焊工；6.2.2.4焊缝返修焊工资格测试的模拟试验应包括焊缝返修的评定,在焊工资格认可最少4个管焊缝的基础上,需要施焊更多的管焊缝来演示焊缝的返修;两块完成的管子与管板模拟试块,一块的问你焊缝用于返修,另一块用于完整的切开;焊缝返修应确定模型的类型和位置,这些信息应包含在焊接工艺评定文件中;局部返修应事先得到业主的认可;进行中的或最后的模拟焊测试和评价应符合本规范“模拟焊试验”的规定;6.2.2.5设计模拟焊试件结构如下所示:三角形布管模式da ≤ 40 mm (1 1/4 inch): 最少10根管子da > 40 mm (1 1/4 inch): 最少7根管子四方形布管模式da ≤ 40 mm (1 1/4 inch): 最少12根管子da > 40 mm (1 1/4 inch): 最少10根管子根部焊道的起始位置应该在截面A-A或B-B上,定位焊缝也应该在截面A-A或B-B上,至少2点;定位焊缝的实际位置和类型应记录;在有定位焊缝的情况下,打底焊道不能在定位焊缝上起弧;完工焊缝的打磨和机构加工(包括管子内壁)是不允许的,焊缝轮廓应均匀,没用过度的拱起;图6.2.2-1:三角形布管模式图6.2.2-2:四方形布管模式模拟焊接按照本规范和GB151附录B进行评价;模拟焊试件应进行外观检查和表面裂纹检查,其可接受的标准如7.2节和表7.2-1所述;所有管子与管板接头要按照DIN EN ISO 17636-1分类B进行RT检测,为了便于检测,管板应加工到最大厚度为6~8mm,其设置如图6.2.2-3所示;试件按图6.2.2-1和6.2.2-2分割成A-A和B-B两个平面,每种情况下都应有一个金相宏观截面,所有管子与管板在宏观截面上的焊接捕获应被评价,焊缝厚度的评价应涉及到记录在测试报告中的每个焊工;射线检测和宏观金相的合格标准如表6.2.2-1所示;对硬度增加敏感的材料和奥氏体钢与铁素体钢混合接头,应根据相关标准进行硬度测试;图 6.2.2-3: 射线检测的设置(RT)1 .射线源2. 管板3 .壁厚补偿器(如薄铅片等)4 . X射线胶片6.2.2-1:射线检测和宏观断面的评估标准表3 射线检测和宏观断面的评估标准焊缝厚度a是根部点和焊缝表面之间的最小距离根部焊道必须被下一层完全覆盖3.3.7模拟试验的覆盖范围3.3.7.1模拟试验对应的产品范围如表4所示;3.3.7.2为了减少焊接工艺评定试验的数量,可以按材料分组分开评定,不同的母材和不能被分组覆盖的母材都要单独进行评定;ASME 和JB 4708中的P-N号都适用;在复合管板上,覆盖层厚底应等于或大于试件的覆盖厚度;此外,工艺评定试验/试件焊接的以下附加标准应符合组件标准：−焊接坡口（如表6.1-1）；−焊接堆积；−焊接位置/加工/焊接填充金属;−预焊/焊后热处理（既定材料所限定的温度范围内）；应特别做出可比较性决定,除非工艺评定试验/试件焊接的以下附加标准应符合组件标准：−焊接前孔中管子的定位方法；−电流/极性类型；−保护气体组合;确定可比性应得到购买方批准;6.2.3调整焊接机器(机械焊接)制造校准样品应提供与原始管子与管板接头相比较的样品;如果有下列变化或问题等,样品上至少一个管子与管板接头可以焊接:每个自动焊机的每个班次;设置焊接参数时;更换钨极时改变盘状填充金属发生设备故障外观检查按照表7.2-1进行;6.2.4过程检验当管子与管板焊接开始时进行过程检验;通常情况下,过程检验包括对焊接工艺评定报告,焊接工艺,焊工资格的文件检查;此外,焊接坡口的清洁度和尺寸精度应进行检查;在进入过程检验时,设备的相关部件也应进行检查;准备好制造校准样品,管子与管板接头可以开始焊接;7 管子与管板接头的检验和试验7.1总则按照第5节图5-1中的规定要求对管到管板接头进行检验和试验;工序检验作为制造商质量保证方案的组成部分,应不受上述要求的影响;业主负责实施管子的涡流检测和管子与管板接头的射线检测,并承担相关费用;7.2外观检查制造商应根据相关规则和本规范要求,对所有管子与管板接头进行外观检查;评价标准见表7.2-1.当检测到表7.2-1中缺陷,业主要求进行无损检测,无损检测的费用由制造商承担;内部缺陷的检测见7.3节;表7.2-1外观检验和表面检验的评价标准7.3内部缺陷检查---RT和UT本检查要求使用特定和定制的技术实施内部缺陷检查的方法(RT 和UT)以及相关检查技术应用的局限性见本规范附件7.3-1; 实施和处理内部缺陷的检查最好由业主进行;在特殊情况下,这样的检查也可以由制造商或代表业主的专业NDE 公司进行,确保: 在检查开始前,确认检查设备和程序;在制造过程和随后的检查由业主进行监督;根据统计质量控制,应对管与管板接头进行随机内部缺陷检验(RT 和UT),随机抽样检验按DIN ISO 2859-1进行,采用正常检验的双倍抽样计划(见表7.3.1-1); 除非另有规定,检查应由制造商进行;内部缺陷检查区域依据管板分布随机抽取,同时按7.2的要求考虑到外观检查时发现的情况;应注意确保所有焊工都有一定数量的胶片供评价;特定几何特性的管子与管板接头或在受限条件下取得的焊缝应包含在评价之列,这一要求同样适用于管子与管板接头的返修;如果管板上管子与管板接头的数量超过1200个,制造商应分批对管子与管板接头进行检查,并事先得到业主的认可;检查范围见表7.3.1-1;每一次单独的检查当作一块独立的管板考虑;这些射线检查应顺从于制造进度,以便制造商在制造过程中采取必要的纠正措施;该要求对检查范围和返修范围均适用;当采用自动焊且单块管板上管子与管板接头多于3200个时,业主允许的抽样频率的偏差如表7.3.1-1所示,表7.3.1-1中的偏差应事先由制造商与业主协商一致;在特殊情况下,由于技术方面的原因无法进行内部缺陷的检查(RT/UT),业主和制造商应共同协商寻找一个可替代的工艺以保证制造质量;对于内部缺陷检测,RT 是一个较好检测方法,当内部缺陷检测需要时,管子尺寸如图7.3-1所示,当尺寸小于图7.3-1的要求时,管子尺寸如图7.3-2所示,无论哪种情况,管壁的最小厚度应满足图5-1的要求;图7.2-1: 焊缝突出重叠 da ≤ 25 mm x ≤ 0.5 mm da> 25 mmx ≤ 1 mm 图7.2-2: 焊缝坡口未填满 h ≤ 0.1 x tX 图像细节7.3.1程序管板上需要被检测的管到管板接头的数量如表7.3.1-1所示;一旦达到界定的缺陷数量（参阅第7.3.2条的评价规定）,就需要进行另一个抽样检查,所需检测的管到管板接头数量可能相同,这将意味着检测范围加倍;如果首次抽样检查没有发现缺陷,则该批管板的管到管板接头应视为可接受（表7.3.1-1措施I ）;然而,在首次或第二次抽样检查中,如果检测到缺陷数量低于表7中规定的最大数量,则该批管板的管到管板接头应视为可接受;有缺陷的管到管板接头应根据需要进行维修,然后重新检测（措施II ）;如果发现缺陷的数量等于或大于表7中规定的最大数量,则应视为该批管板的所有管到管板接头都是存在缺陷的;在这种情况下,双方应商定采取进一步措施（措施III ）;这些措施通常可能包括重新生产该批管板的所有管到管板接头,或管与管板接头经过100%检查,并对所有有缺陷的接头进行返修和重拍;一个概括的流程如图7.3.1-1所示,该图显示内部缺陷检测的费用由谁承担;初始检查（首次抽样检查,必要时,可能需要第二次抽样检查）的成本费用应由业主承担; 当带有管子与管板接头的设备由承包商采购,费用应由承包商承担;返修或重新生产有缺陷的管到管板接头,包括相关检测,这些所产生的费用也应由制造商担; 在措施III 下,制造商既要100%承担内部缺陷检测的费用,又要承担返修包括表7.3.1-1中相应的检验费用(重新检验);除了RT 之外,检测方法的NDE 程序应与图7.3.1-1高度相似;在后一种情况下,图5-1中的所有要求应当得到满足,包括按照表7.3.1-1进行的抽样检查,制造商应当选择一个专业承包商进行内部缺陷的检验(RT/UT), 测试设备和检验监督两者资格的认可规定见7.3的描述;图7.3.1-1内部缺陷检测流程图图7.3.1-2内部缺陷检测流程图(RT) 分枝 'a'图7.3.1-3内部缺陷检测流程图(RT) 分枝 'b'图7.3.1-4内部缺陷检测流程图(RT) 分枝'c'7.3.2 评价在表7.3.1-1内容中,缺陷描述如下所示: 裂纹细长孔洞条虫状气孔未熔合未焊透尺寸小于检测极限的小气孔如图7.3.2-1所示尺寸小于检测极限的细长环形孔洞是允许的,需按个案经客户批准,这一决定应包含焊缝中所提到缺陷的物理位置;单个气孔和独立的固体夹杂物如其超过图7.3.2-1可接受的极限,应当作表6.2.2-1所指的缺陷; 下列密集气孔和线状气孔是不可以接受的:管子直径< 25 mm (1 inch):焊缝长度内3个气孔,每个管子与管板接头多于6个气孔;管子直径≥25 mm (1 inch):焊缝长度内3个气孔,每个管子与管板接头多于8个气孔;直径小于缺陷临界值的小气孔可忽略不计;图7.3.2-1: 气孔和固体夹杂物可接受的极限根据所使用的检验技术,允许对邻近管子的区域进行观察;该区域可以包含于评估之中,但不能改变检测的范围;邻近管子的缺陷也当作缺陷考虑,射线底片上所显示的被检测管子的缺陷和邻近管子的缺陷都需纳入评估;根据7.3节,与缺陷检测能力有关的检测极限,由使用合适的测试底片决定和体现;7.5表面裂纹检查所有管头的表面裂纹检查由有资格的人员进行,最好的检测方法是磁粉检测(MT),如果M T不适用可采用渗透(PT)检测(PT);按表7.2-1对发现物进行评价;图5-1所示裂纹敏感性材料的所有MT和PT检测应由客户见证,根据认可的返修文件对管子与管板接头进行返修并重新检测;8通过组合连接方法制造的管子与管板接头焊后胀管当作个案要求;如果规定焊胀接头,管壁的减薄开始位置距离焊缝至少6mm,管孔螺纹距管板表面的位置应能确保胀接区域距离焊缝背面6mm以上;在任何情况下,胀接位置应距离管板的壳体侧表面3mm以上;只要使用胀接,其物理位置,胀接区域的长度和操作顺序都应在制造图纸中标明;。

2019年第17期广东化工第46卷总第403期·155·换热器管板应力应变分析魏欣，姜方圆(青岛市特种设备检验检测研究院，山东青岛266000)Stress and Strain Analysis of Heat Exchanger Tube and PlateWei Xin,Jiang Fangyuan(Qingdao special equipment inspection and testing institute,Qingdao 266000,China)Abstract:In this paper,the finite element software ANSYS Workbench 17.0is used to analyze the stress and strain of the tube-plate of u-tube heat exchanger under the condition of pipe pressure and shell-side interaction.The results show that the maximum strain of the tube sheet appears in the center of the tube sheet and decreases successively to the outer edge of the tube sheet.The maximum stress appears at the bolt hole where the tube plate is connected with the flange,and the other positions are more uniform,and the maximum value is 15.61Mpa.Keywords:Heat exchanger tube plate ；ANSYS ；Stress strain analysis在化工、石油和食品等多种工业生产中，换热设备担任着重要角色。

文章编号:1002-6886(2004)05-0044-03换热器设计几个问题的分析杨筑宁,鲍吉鹏(贵州石油化工机械厂,贵州　贵阳　550002)作者简介:杨筑宁,男,1990年毕业于东北电力学院热能工程专业,现就职于贵州石油化工机械厂。

现任厂铆焊车间技术主任,负责车间生产技术、计划、质量及生产管理。

收稿日期:2004-07-30摘要:作者通过对管壳式换热器设计及制造过程的跟踪,分析存在的影响管壳式换热器设计质量的主要问题。

关键词:管壳式换热器　连接　结构　检验Analyses of the Several Problems of E ffect Design Q u ality of Shell and Tube H eat ExchangersYANG Zhu 2ning ,BAO Ji 2pengAbstract :The author is by means of the tracking to design and the tabrication process of shell and tube heat exchangers ,The author analyses extant the main problems of effect design quality of shell and tube heat exchangers.K ey w ords :shell and tube heat exchangers ;joint ;composition ;inspection 管壳式换热器是工业换热设备中的基本结构形式,换热器设计的好坏直接影响到它的长期安全稳定的操作,现就将这几年设计中所体会的换热器关于管子与管板的连接方式及检验方法,以及壳体与管板的连接,法兰密封结构,滑动支座的设计,管箱热处理,介质的走向等问题逐一分析。

1　管子与管板的连接管子固定在管板上,其应力比其他部位复杂,因此应根据工艺介质、选用材料、使用温度压力等分别选用不同的管子与管板连接结构,它有强度焊,强度焊加轻胀,强度胀加密封焊,强度胀,强度焊加强度胀。

ASME 第IX卷《焊接和钎焊评定》中换热管与管板评定中的逻辑陷阱靳茂明（江苏省特种设备安全监督检验研究院，210003，南京）摘要：关键词：Jin Maoming (Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute, Nanjing 210000, China) Abstract:Key words:1.QW288(c)条管子公称壁厚评定规定的不同翻译和分析1.1 由“specified”的引起的不同翻译结果表1是QW288(c)条款关于管子壁厚评定规定的原文和中文版翻译QW288(c) 表1按原文进行的概念翻译:对于“规定的”管子壁厚≤2.5mm时，“规定的”管子壁厚减少10%是重要变素。

对于“规定的”管子壁厚大于2.5mm时，只要求一个评定。

(“只要求一个评定”的理解十分晦涩，如果“规定的”是指试件，则产品的厚度范围没有明确，亦或是指产品的任意厚度范围。

如果“规定的”是指产品，则应按照规范的评定语言表达为“厚度不是评定因素”或“厚度不是重要变素”。

)。

由于“specified”意思的不确定，“规定的”可能是指试件也可能是指产品，所以语言理解上存在下面4种可能的情况：（1）对于试件b≤2.5mm时，产品bn相对于试件b增加或减少10%是重要变素（即产品壁厚的允许范围为：0.9b≤bn≤1.1b）。

对于试件b＞2.5mm时，只要求一个评定（即任产品的管子壁厚,只要求一个壁厚大于2.5mm的试件）。

（2）对于试件b≤2.5mm时，试件b相对于产品bn增加或减少10%是重要变素（即试件壁厚的允许范围为：0.9bn≤b≤1.1bn）。

对于试件b＞2.5mm时，只要求一个评定（即任产品的管子壁厚,只要求一个壁厚大于2.5mm的试件）。

（3）对于产品bn≤2.5mm时，产品bn相对于试件b增加或减少10%是重要变素（即产品壁厚的允许范围为：0.9b≤bn≤1.1b）。

浅析腐蚀余量对管板计算的影响文章论述了管板计算过程中，是否考虑腐蚀余量对于管板应力计算的影响。

通过对比考虑腐蚀余量与不考虑腐蚀余量两种情况所得到的管板应力计算结果，得到考虑腐蚀余量时管板的应力值并不都是苛刻的，因此在分析管板受力状态，确定管板厚度时仅考虑存在腐蚀余量的情况是相对片面的。

标签：换热器；管板计算；腐蚀余量；应力1 引言换热器是石油行业中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且可以作为一些化工产品的重要生产设备。

一般来讲，换热器主要是由管箱，管板，壳程壳体，换热管等关键部件组成。

其中，管板是换热器的主要零部件之一，尤其是在大直径和高压力的场合下，管板往往成为整台设备设计制造的决定因素。

因此，正确分析管板受力状态，合理确定管板厚度，对节约材料、保证换热器安全使用、减少加工制造困难等具有非常重要的意义。

笔者因工程设计需要，运用SW6对f型管板进行了计算。

在计算过程中得到部分与通常直观想法不一致的结论。

例如，在管板计算时，一般会涉及管壳程的腐蚀余量，而且这被认为是更安全、更保守的一种算法。

然而，计算得到结果却并不支持上述观点。

为验证腐蚀余量对管板计算的影响，本文将以某项目中的一台U型管式换热器为例进行相关计算。

2 腐蚀余量对管板计算的影响2.1 换热器的结构及工艺参数该换热器的壳程设计压力Ps为10.68MPa，壳程设计温度Ts为276℃，管程设计压力Pt为13.35MPa，壳程设计温度Tt为309℃，换热器的内径为φ1100mm，换热管为φ19×2mm，换热管根数630根U型管，三角形排列，管间距为25mm，壳体腐蚀余量4mm，管板与管箱或者壳体法兰连接型式为f型。

管板及管箱材料选用12Cr2Mo1R，壳程材料选用Q345R，换热管材料选用0Cr18Ni10Ti。

2.2 腐蚀余量考虑与否的计算结果对比GB151-1999[1]同ASME Ⅷ-1[2]中U形管换热器的计算步骤类似，首先都需要假设管板厚度的初始值，然后进行试算和校核管板、壳体和管箱的最大应力值是否超过许用应力，整个计算为迭代过程。

固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定摘要:换热器通俗来讲是同种流体间能够通过热能传递的一个机器装备。

不管是多种流体亦或者是固定粒子，相遇时将能够产生热接触。

换热器之所以在工业生产中受到重视，原因在于工业领域所需要的食品、能源等行业都有换热器存在，换热器在工业生产中占据重要地位，由于它的特点之一是能够对能源进行存储转换，因此在新能源利用中收到相当好的效果。

随着全球经济飞速发展，在能源利用上经常出现浪费资源等问题，工业生产带来的不仅是发展，也产生能源紧张的弊端。

因此，为了节约能源及寻求循环利用的办法，全球目前都致力于此项活动。

换热器之所以被广泛应用，很大一部分原因则是因为在化工生产中能通过合能源来进行转换回收。

换热器是由管板和换热管综连接而成的，因此若是结构不连续，局部产生应力集中或应力过大会造成换热管出现破败现象，导致产生各种质量问题。

综上所述，本文将详细讲述关于固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定的必要性及出现问题后相关解决措施。

关键词:固定管板式；换热器管板；应力分析和强度引言:关于工业企业生产过程中的机器设备换热器，它分为四种种类，有接触式，蓄热式，间壁式和中间载体式几种，但厂里最常用的乃是表面式换热器，而固定管壳式换热器则是间壁式分类而来，它的结构特点是十分坚固，且适用范围广，能够承受住企业较大的操作压力，之所以如此受企业青睐，其中的原因是生产成本低，清洗操作方便。

尽管在科技高速发展的时代有各类新型换热器出现在市场，但固定管板式换热器依然占据主导地位，则是因为它的优点多。

一、关于固定管板式换热器管板的应力分析和强度必要性固定管板式换热器之所以站在主导地位，则是因为它造价成本低，受众范围广，且能承受压力大。

且它损坏之后可以进行更换，简单快捷。

尽管固定管板式换热器拥有众多优点，但也存在一定硬伤，它由于结构原因容易导致管束与壳体之间的壁温过大而泄露，或者封口被腐蚀等，当它产生较大热应力，将会致使换热管失效或运行停止。

管板设计统一理论(2)——与ASME的比较及案例分析朱红松;周帼彦
【期刊名称】《化工设备与管道》
【年(卷),期】2022(59)5
【摘要】管板设计统一理论指出,ASME方法是统一理论简化力学模型下的特殊情形。

数值计算对比分析表明,各种情况下统一理论的预测结果与有限元分析结果符合得非常好,而ASME的结果不够准确或是错误的。

【总页数】10页(P7-16)
【作者】朱红松;周帼彦
【作者单位】巴斯夫(中国)有限公司;华东理工大学机械与动力工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TQ050.1;TH121
【相关文献】
1.我国标准管板设计方法与ASME规范的比较及换热器管板应力分析应考虑的问题
2.管板应力分析统一方法的简介(2)——与ASME的比较及算例分析
3.修正的Waters法兰设计方法与ASME法兰设计刚度计算法的分析比较
4.ASME Ⅷ.2多孔板弹性分析方法在大型列管式反应器设计中的应用
5.管板设计统一理论(1)--理论基础简介
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

GB151固定式换热器管板应力计算与校核方法的改进薛明德;黄克智;李世玉;朱国栋;徐锋【摘要】介绍了修订现行国家标准GB 151-1999《管壳式换热器》时,对固定式换热器管板设计中的应力计算与校核方法的改进意见.管板应力计算方法的改进提高了计算精度并更便于使用.针对带膨胀节换热器固定管板的设计增加了两种校核工况.%An improved method of stress analysis for fixed tubesheets is proposed in order to modify the China national standard GB 151-1999"Tubular Heat Exchangers". The accuracy is raised by the improvement, which is more convenient for application. Besides, two design loading cases are added to the design loading conditions for the fixed tubesheets of exchanger with expansion joint.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2011(028)008【总页数】5页(P44-48)【关键词】管壳式换热器;固定管板;设计规范;应力分析【作者】薛明德;黄克智;李世玉;朱国栋;徐锋【作者单位】清华大学工程力学系,北京 100084;清华大学工程力学系,北京100084;中国石化工程建设公司,北京100101;中国石化工程建设公司,北京100101;中国特种设备检测研究院,北京100013【正文语种】中文【中图分类】T-652.1;TH7020 引言现行国家标准 GB 151《管壳式换热器》［1］中固定式换热器管板设计中的应力计算与校核方法，自20世纪70年代发布以来［2－3］，在工程实践中得到了广泛应用并积累了丰富的设计经验，同时在世界范围内也促进了管板设计计算方法的进步。