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美國換熱器協(xié)會電廠換熱器標準分析與討論

文檔作者：陳紅生應秉斌巢孟科李煜文檔來源：上海核工程研究設計院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年09月21日
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上一篇：燃氣熱水器換熱器腐蝕產物分析及防腐措施

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美國換熱器協(xié)會《電廠換熱器標準》分析與討論
陳紅生。應秉斌，巢孟科，李煜
(上海核工程研究設計院，上海200233)
摘要：介紹了美國換熱器協(xié)會(HEI)《電廠換熱器標準》的主要內容，對比其與GB 151和TEMA
換熱器標準的差異，并討論了采用該標準進行核電廠換熱器設計需注意的事項。
關鍵詞：美國換熱器協(xié)會；電廠換熱器標準；核電廠
中圖分類號：TE965；T一651 文獻標識碼：B 文章編號：1001—4837(2011)10—0027—06
doi：10．3969／j．issn．1001—4837．201 1．10．005
Analysis and Discussion of Heat Exchange Institute Standards
for Power Plant Heat Exchangers
CHEN Hong—sheng，YING Bing—bin，CHAO M eng—ke，LI Yu
(Shanghai Nuclear Engineering Research&amp;amp; Design Institute，Shanghai 200233，China)
Abstract：The detail requirements of Heat Exchange Institute(HEI)Standards for Power Plant Heat Ex—
change~ (PPHX)were introduced and discussed in order that more designer would pay attention to the
standard．The similarities and differences between PPHX， rEMA and GB 151 were compared．Moreover，
some items to be noticed in PPHX were pointed out in nuclear power plant heat exchanger design ．
●
Key words：Heat Exchange Institute；power plant heat exchangem；nuclear power plant
0 引言
美國換熱器協(xié)會(HEI)成立于1933年，是知
名的換熱和真空設備標準的開發(fā)組織，目前共發(fā)
布7份標準，見表1?！峨姀S換熱器標準》
(PPHX)¨ 是其中之一，我國引進的三門和海陽
AP1000核電項目的一些換熱器就是采用該標準
進行設計的?！峨姀S換熱器標準》反映了當前工
程設計標準、采購要求以及制造經驗。標準中規(guī)
定電廠換熱器重要的設計準則，得到各國電力行
業(yè)包括核電行業(yè)的普遍重視和應用。最新修訂的
第4版代表了換熱設備領域內的最新成果，文中
將對其進行簡單的介紹和對比分析。
表1 美國換熱器協(xié)會標準
標準名稱 版本
《封閉給水加熱器》 第8版，2009
《蒸汽表面冷凝器》 第1O版，2006
《液環(huán)真空泵性能標準》 第4版，2011
《蒸汽噴射真空系統(tǒng)標準》 第6版，2007
《盤式除氧器的典型標準和規(guī)格》 第8版，2008
《電廠換熱器標準》 第4版，2004
《直接接觸氣壓和低級冷凝器標準》 第8版，2010
1 標準范圍、目的
《電廠換熱器標準》適用于核電廠中換熱管
27
美國換熱器協(xié)會《電廠換熱器標準》分析與討論
為光管和翅片管的管殼式換熱器。標準規(guī)定了核
電廠換熱器在熱工、水力和機械設計方面的要求，
并強調在遵循本標準的同時還應該符合相應設計
規(guī)范的要求，比如ASME第Ⅲ卷 和Ⅷ卷 。
核電廠管殼式換熱器介質、運行工況等和石
化行業(yè)換熱器差別較大。首先是介質單一，核電
廠管殼式換熱器管、殼側的介質主要是水(海水)
或水蒸氣，雖然核電廠一回路冷卻劑會加入控制
反應性的5％硼酸，但這無法與石化行業(yè)復雜工
質相比。其次，核電廠有大量換熱器運行在25
MPa，350 oC以下，運行工況復雜?！峨姀S換熱器
標準》針對核電廠換熱器的上述特點，總結并給
出了相應的規(guī)定。
2 標準術語定義
《電廠換熱器標準》給出本標準術語的定義，
包括清潔系數(shù)、污垢熱阻等。清潔系數(shù)、換熱器趨
近溫度和設計點是此標準特有的概念(見表2)。
清潔系數(shù)和運行后某一時刻的污垢熱阻有關，指
換熱器運行后某一時刻總傳熱系數(shù)與換熱器完全
清潔時傳熱系數(shù)的比值。換熱器趨近溫度是指熱
流體出口溫度和冷流體進口溫度差。其他定義如
設計溫度、設計壓力、壓力降等和TEMA_4 J，GB
151[ 相同。
表2 電廠換熱器術語定義
術語 定義
清潔系數(shù) 換熱器運行后某一時刻總傳熱系數(shù)與換熱
器完全清潔時傳熱系數(shù)的比值
換熱器 熱流體出口溫度和冷流體進口溫度差
趨近溫度
設計點 換熱器需要滿足的一系列設計工況的組合
3 換熱器性能
《電廠換熱器標準》規(guī)定了換熱器性能要求，
并討論了和性能密切相關的諸方面。換熱器應滿
足采購方確定的設計要求，即設計要求中給出的
一系列設計工況均要滿足。標準規(guī)定采購方應提
供的設計參數(shù)，如換熱器類型、換熱量、空間限制、
28
清潔系數(shù)、管殼側工藝參數(shù)、過載或異常工況的參
數(shù)。這些參數(shù)在附錄F中以表格的形式給出，使
用這些數(shù)據可以采用HTRI等設計軟件進行熱工
計算。以下對性能密切相關的幾方面進行說明。
3．1 污垢熱阻和清潔系數(shù)
污垢熱阻和換熱器的性能密切相關。換熱器
采購方有責任確定換熱器的污垢熱阻或清潔系
數(shù)。正確的污垢熱阻和污垢產物有助于設計人員
設計滿足工藝要求的換熱器，并確定合適材料以
避免侵蝕、應力腐蝕等。
《電廠換熱器標準》討論了污垢熱阻產生的
原因以及減少污垢的措施。產生污垢熱阻的原因
很多，核電廠換熱器常見污垢主要有5類，如表3
所示。
表3 電廠換熱器常見污垢
污垢種類 成因
腐蝕 通常以氧化層的形式發(fā)生，常見于碳鋼
換熱管
通常是鹽的結晶，特別是水中的礦物質
結晶 超過溶解度后在換熱管表面形成的碳
酸鈣化合物
固體 通常是泥沙、懸浮顆粒、腐蝕顆粒等
有機生物 有機生物附著在換熱管上，如藻類和貝
類，能夠減少傳熱速率并堵塞換熱管
碳氫化合物 高溫下的碳氫化合物會在換熱管上形
沉積 成碳化物的外殼
大多數(shù)情況下，定期清洗可以顯著地減少污
垢。清洗方法主要有物理清洗和化學清洗，不同
的清洗方法適用于不同的場合 J。例如，可采用
清洗球、清洗刷等進行機械方式清洗；高壓水沖洗
可以沖掉松動的顆粒；熱沖擊可以使礦物沉積破
裂并去除。在管側和殼側添加化學清洗劑可以加
速污垢的脫落和去除。
一般提高含污垢較多的流體流速可以避免顆
粒狀污垢在停滯區(qū)沉積，應避免管側流速小于0．6
m／s，最好應高于0．9 m／s。同樣也應避免過低的
殼側流速。
如果采購方給出的是清潔系數(shù)，換熱器運行
后某一時刻總傳熱系數(shù)應為完全清潔狀態(tài)下的初
始總傳熱系數(shù)乘以清潔系數(shù)。圖1示出污垢熱
第28卷第l0期 壓 力 容 器 總第227期
阻、清潔系數(shù)和總傳熱系數(shù)的關系 。換熱器剛
投入運行時的污垢最小，如果在此時進行性能試
驗，將會得到初始總換熱系數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)換熱器
性能惡化的情況，通過對比換熱系數(shù)，即可得出污
垢熱阻數(shù)值。這有助于確定合適的換熱器清洗周
期。
垛
燼
逛
污垢熱阻，hr—ft2-~F／Btu
圖1 污垢熱阻和清潔系數(shù)與總傳熱系數(shù)的對應關系
3．2 換熱器趨近溫度
換熱器趨近溫度是指熱流體出口溫度和冷流
體進口溫度之差。采購方通過規(guī)定設計工況來指
定換熱器趨近溫度。一般隨著換熱器趨近溫度的
降低，換熱器所需的換熱能力升高。所選擇的趨
近溫度會影響冷熱流體溫度，也會影響核電廠的
運行成本。因此，確定趨近溫度時應綜合考慮換
熱器制造和運行成本。
換熱器采用多程結構時 應避免換熱器在熱
不穩(wěn)定區(qū)操作，即入口參數(shù)的微小改變不會導致
對數(shù)平均溫差校正因數(shù)的較大波動。此處規(guī)定和
TEMA T一3．2多程流動校正相同。
3．3 換熱管內流速
流體流速的選擇，對換熱器的設計和運行維
護均有重大影響。高流速可以降低結垢、減小熱
阻、增大傳熱系數(shù)，進而可以降低設備制造成本。
但是，過高的流速會顯著增大壓力降和沖刷腐蝕，
提高運行成本?！峨姀S換熱器標準》規(guī)定設計點
各工況下不同材質換熱管管內流速不應超過表4
中的流速，這些流速限制適用于鍋爐給水。
表4 最大換熱管內流速
換熱管材料 流速／m·s
不銹鋼、鎳基合金、鈦 3．0
銅鎳合金 2．7
銅、鋁銅合金 2．6
碳鋼 2．4
部分文獻中常用管內流速為0．8—2 rn／s[ ；
TEMA RCB一4．63規(guī)定管側介質為液體時，介質
的p 不超過8928 kg／(m ·s )，P為密度(kg／
rn )， 為介質線速度(m／s)，如果介質為水， 不
超過3 m／s。上述文獻和標準并未區(qū)分換熱管為
不同材料的情況，《電廠換熱器標準》區(qū)分不同材
料給出允許最大管內流速對設計有很強的指導意
義。一般而言，隨著殼側或管側速度的增加，換熱
面積和污垢沉積的可能性將減小。
3．4 壓力降
《電廠換熱器標準》指出殼程和管程的允許
壓降應由采購方確定。允許壓降較高，設計者可
以采用較小的折流板間距。這不但可以減4、換熱
管無支撐長度降低換熱管振動的可能性，還可提
高殼側流速和換熱系數(shù)。
管程壓力損失有換熱管內損失、管箱接管進
口、出口損失和換熱管人口、出口及回彎處損失組
成?！峨姀S換熱器標準》給出的管側壓力損失計
算方法適用于光管、雷諾數(shù)≥3000且無相變的情
況。
對于更詳細的殼程、管程壓力降的計算方法
在很多換熱器設計的文獻中均有闡述 卜 。
3．5 接管尺寸和流通面積
標準推薦接管尺寸的選取應能保證設計工況
下不要超過表5所列的數(shù)值。進入接管的流體應
是均勻分布的，避免管道上游節(jié)流器、彎頭、閥門
等引起的局部高流速區(qū)損傷換熱器內件。
《電廠換熱器標準》未具體規(guī)定設置防沖擋
板的條件，只是說明這取決于換熱器設計、介質進
口速度以及介質特性，并強調腐蝕性介質必須設
定防沖擋板。
殼程和管束進出口的流通面積應不小于接管
截面積?！峨姀S換熱器標準》流通面積的計算和
TEMA，GB 151雖然表述不同，實質上沒有區(qū)別。
29
美國換熱器協(xié)會《電廠換熱器標準》分析與討論
表5 接管尺寸標準
接管內 最大值
PPHX TEMA GB 151【 ]
流體介質
管側接管 殼側接管 管側 殼側 管側、殼側
進口 出口 進口 出口 進口 進、出口 進、出口
過冷液體 9227 9227 5953 5953
8929 5953 5950
進飽和點液體 1488 373 1488 373 (未區(qū)分介質) (未區(qū)分介質) (未區(qū)分介質)
氣體、干蒸汽 2976 2976 2976 2976
注：C為質量流量，kg／(s·m )；p為密度，kg／m 。當介質中存在液滴、氣泡或異物時，設計者應考慮比表中所列值更低的數(shù)值。
4 換熱器材料
換熱器承壓件和支撐的材料應符合設計規(guī)范
書中指定的規(guī)范要求。采購方有責任根據使用環(huán)
境確定適當?shù)牟牧希共牧夏艹惺芤?guī)定的輻射劑
量、避免沖刷腐蝕以及應力腐蝕等情況。
還應特別注意，ASME第Ⅷ卷 允許的有些
材料，在ASME第Ⅲ 卷 中并不允許采用。
ASME第Ⅲ卷ND中允許的材料在NC，NB中不
允許使用。而且，不同規(guī)范所需的試驗和檢查也
不同，例如考核材料沖擊韌性的沖擊試驗等。奧
氏體不銹鋼材料廣泛應用于核電廠中，應特別注
意避免奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕，一般不允許采
用可導致奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的鹵化物。
5 機械設計標準
對于換熱器機械設計，《電廠換熱器標準》首
先強調換熱器的設計、制造應符合采購方指定規(guī)
范的要求，并對腐蝕裕量、換熱管、管板、管束等內
容進行了詳細的規(guī)定。
5．1 腐蝕裕量
采購方應指定腐蝕裕量，所有與腐蝕性介質
接觸的承壓零件應考慮腐蝕裕量。3個標準對于
腐蝕余量的規(guī)定對比如表6所示。
表6 腐蝕裕量
項目 PPHX TEMA GB l51
法蘭面、浮頭背環(huán)、內部螺栓、換熱管 不考慮腐蝕裕量 不考慮腐蝕裕量 不考慮腐蝕裕量
拉桿、定距管折流板等非受壓元件 未規(guī)定 不考慮腐蝕裕量 不考慮腐蝕裕量
容器法蘭、接管法蘭內直徑 未規(guī)定 考慮 考慮
管板或平蓋上開槽時，高出隔板槽 考慮作為腐蝕裕量 未規(guī)定 考慮作為腐蝕裕量，腐蝕裕量大于
底部的金屬 槽深時加上兩者的差
對于腐蝕余量，設計人員首先應按照設計標
準要求。并應注意，由于固定管板換熱器的管板、
殼體、管束三者固定相連，任一者尺寸的改變會影
響到其余二件的應力。ASME第Ⅷ卷規(guī)定對各元
件要按已腐蝕和未腐蝕兩種情況進行計算，GB
151對此的規(guī)定則是含糊的 。因此，標準未規(guī)
定的情況，可以由設計人員從偏保守的角度考慮
確定。
5．2 換熱管
換熱管壽命受介質、操作溫度、介質流速等因
30
素的影響，設計中應予以考慮。換熱管最小壁厚
與換熱管外徑、材料、設計參數(shù)有關，3個標準的
對比情況如表7，8所示。
5．3 管板
《電廠換熱器標準》并未給出管板的計算方
法，但指出管板是換熱器設計中最復雜的部件，受
到管殼側壓力、法蘭螺栓載荷、墊片載荷、溫差應
力等載荷的影響?！峨姀S換熱器標準》對管孔直
徑、孔橋寬度的規(guī)定直接采用TEMA的規(guī)定，所
以和GB 151差別也不大。
第28卷第l0期 壓 力 容 器 總第227期
表7 換熱管厚度
項目 換熱管厚度／ram
給出了不同材料換熱管的最小壁厚。例如奧氏體不銹鋼直管：
PPHX 22 BWG U形管彎管前最小厚度計算方法相同
，0．71 mm；U形管：20 BWG，0．89 mm；碳鋼1．27 mm
f=t (1 do)
給出不同材料不同外徑的最小厚度。如外徑15．9 mm：碳鋼管 t為彎管前所需最小厚度
，TEMA mm
18 BWG，1．24 mm；不銹鋼管20 BWG，0．89 mm t 為直管段所需的最小厚度
，
m m
d。為換熱管外徑，mm
GB 151 未規(guī)定最小厚度，給出常用規(guī)格和尺寸。例如 ，外徑 ≥14～3O R為彎管段彎曲半徑
mm：碳鋼2～2．5 mm；不銹鋼1—2 mm
表8 換熱管中心距
項目 換熱管中心距
PPHX 換熱管中心距不小于換熱管外徑的1．25倍。如果管孔需要加工坡口，可以適當增大換熱管中心距
換熱管中心距不小于換熱管外徑的1．25倍。當需要機械清洗時，凈空距離應不小于：R級6．g mm；B級
TEMA
4．8 mm(殼體直徑不大于305 mm)，6．4 mm(殼體直徑大于305 mm)
換熱管中心距不小于換熱管外徑的1．25倍。并以表格形式給出常用的換熱管中心距，與換熱管外徑的
GB 15l
比值在1．26—1．35之間。機械清洗時采用正方形排列，凈空距離不宜小于6 mm
當可拆卸的管束采用法蘭／管板／法蘭的固定
型式時，推薦采用管側、殼側能夠單獨拆卸的結
構，管、殼側可以互不影響。這種結構允許對管、
殼側分別進行檢修。如管、殼側壓力差別較大，允
許管側和殼側采用不同厚度的法蘭，節(jié)省設備成
本，而且有利于提高密封性能。此種結構在秦山
核電廠等項目中均有應用。
如碳鋼管板與換熱管的連接僅采用脹接連
接，其管板金屬溫度應符合表9的要求，超出表9
溫度范圍的接頭應采用焊接連接方式。
表9 碳鋼管板換熱管脹接接頭的最大推薦溫度
換熱管材料 ASME規(guī)范P值 合金分類 接頭溫度／℃
奧氏體不銹鋼 8 所有 260
鎳銅合金70—30 42 4OO 288
鎳鉻鐵合金 43 600 260
Admirality TYPE 32 443，444，445 177
鋁黃銅合金 687 177
銅鎳合金90一l0 34 706 2O4
銅鎳合金80—2O 34 710 232
銅鎳合金70—3O 34 715 260
鈦 51，52 所有 2O4
碳鋼 l 所有 343
31
美國換熱器協(xié)會《電廠換熱器標準》分析與討論
5．4 折流板和支撐板
《電廠換熱器標準》對折流板和支撐板的管
孔直徑、厚度、最大無支撐跨距的要求都嚴于TE—
MA和GB 151。
5．5 管束振動分析
管殼式換熱器當殼程流體橫向流過管束時，
流體誘發(fā)振動主要有卡門漩渦、紊流抖動、流體彈
性不穩(wěn)定。
《電廠換熱器標準》對此處理得比較簡單，僅
考慮了流體彈性不穩(wěn)定。當管束實際橫流速度小
于管束臨界橫流速度時，管束不會發(fā)生流體誘導
振動。管束換熱管中存在軸向應力時，對固有頻
率進行修正。
TEMA和GB 151對此管束振動分析更加全
面，除流體彈性不穩(wěn)定外，還考慮了卡門漩渦、紊
流抖動等引起的振動。分析計算的方法、公式等
也更為全面。同時必須指出，國內學者深入研究
了TEMA標準流體誘導振動分析中多跨直管管
子固有頻率、u形管固有頻率、對數(shù)衰減率等方
面，并指出需要注意的問題L1 “]。文獻[12]詳
細說明了GB 151非等跨直管固有頻率的計算，并
給出簡便計算方法。
6 其他內容
除上述內容外，《電廠換熱器標準》還規(guī)定了
超壓保護、現(xiàn)場安裝、檢查維護等方面。標準的
14項附錄包含傳熱計算、外形尺寸允差等內容，
在設計制造過程中具有較大的參考意義。
7 結語
(1)美國換熱器協(xié)會發(fā)布的《電廠換熱器標
準》反映了當前工程設計、采購要求以及制造經
驗，并規(guī)定電廠換熱器重要的設計準則，得到各國
電力行業(yè)的普遍重視和應用；
(2)該標準可以看作是電廠換熱器的設計規(guī)
范書，包含了性能、材料、設計、制造等方面要求，
使用范圍僅限電廠管殼式換熱器；
(3)《電廠換熱器標準》部分規(guī)定對換熱器設
32
計有很大參考意義，如最大換熱管內流速、材料選
擇、脹接接頭最大允許溫度等。《電廠換熱器標
準》可以作為TEMA，GB 151通用換熱器設計制
造標準的完善和補充；
(4)該標準在流體誘導振動分析、強度計算
方面不夠深入，還需參考其他標準。
參考文獻：
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Edition，2004．
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誘發(fā)振動》若干問題的討論(二)[J]．壓力容器，
2004，21(12)：1—5．
[12] 段振亞，譚蔚，聶清德．按GB 151-1999計算多跨
管的固有頻率[J]．壓力容器，2003，20(2)：17—
19．
收稿日期：2011—09—19 修稿日期：2011—10—04
作者簡介：陳紅生(1977一)，男，工程師，主要從事核電廠
換熱器等核電設備設計工作，通信地址：200233上海市徐
匯區(qū)虹漕路29號上海核工程研究設計院，E—mail：
chenhs@ snerdi．con．en。

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