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 =0.89 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16Mn Ⅲ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=354.00mm 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。