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美国换热器协会电厂换热器标准分析与讨论

文档作者：陈红生应秉斌巢孟科李煜文档来源：上海核工程研究设计院		点击数：	更新时间： 2024年09月21日
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上一篇：燃气热水器换热器腐蚀产物分析及防腐措施

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美国换热器协会《电厂换热器标准》分析与讨论
陈红生。应秉斌，巢孟科，李煜
(上海核工程研究设计院，上海200233)
摘要：介绍了美国换热器协会(HEI)《电厂换热器标准》的主要内容，对比其与GB 151和TEMA
换热器标准的差异，并讨论了采用该标准进行核电厂换热器设计需注意的事项。
关键词：美国换热器协会；电厂换热器标准；核电厂
中图分类号：TE965；T一651 文献标识码：B 文章编号：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
美国换热器协会(HEI)成立于1933年，是知
名的换热和真空设备标准的开发组织，目前共发
布7份标准，见表1。《电厂换热器标准》
(PPHX)¨ 是其中之一，我国引进的三门和海阳
AP1000核电项目的一些换热器就是采用该标准
进行设计的。《电厂换热器标准》反映了当前工
程设计标准、采购要求以及制造经验。标准中规
定电厂换热器重要的设计准则，得到各国电力行
业包括核电行业的普遍重视和应用。最新修订的
第4版代表了换热设备领域内的最新成果，文中
将对其进行简单的介绍和对比分析。
表1 美国换热器协会标准
标准名称 版本
《封闭给水加热器》 第8版，2009
《蒸汽表面冷凝器》 第1O版，2006
《液环真空泵性能标准》 第4版，2011
《蒸汽喷射真空系统标准》 第6版，2007
《盘式除氧器的典型标准和规格》 第8版，2008
《电厂换热器标准》 第4版，2004
《直接接触气压和低级冷凝器标准》 第8版，2010
1 标准范围、目的
《电厂换热器标准》适用于核电厂中换热管
27
美国换热器协会《电厂换热器标准》分析与讨论
为光管和翅片管的管壳式换热器。标准规定了核
电厂换热器在热工、水力和机械设计方面的要求，
并强调在遵循本标准的同时还应该符合相应设计
规范的要求，比如ASME第Ⅲ卷 和Ⅷ卷 。
核电厂管壳式换热器介质、运行工况等和石
化行业换热器差别较大。首先是介质单一，核电
厂管壳式换热器管、壳侧的介质主要是水(海水)
或水蒸气，虽然核电厂一回路冷却剂会加入控制
反应性的5％硼酸，但这无法与石化行业复杂工
质相比。其次，核电厂有大量换热器运行在25
MPa，350 oC以下，运行工况复杂。《电厂换热器
标准》针对核电厂换热器的上述特点，总结并给
出了相应的规定。
2 标准术语定义
《电厂换热器标准》给出本标准术语的定义，
包括清洁系数、污垢热阻等。清洁系数、换热器趋
近温度和设计点是此标准特有的概念(见表2)。
清洁系数和运行后某一时刻的污垢热阻有关，指
换热器运行后某一时刻总传热系数与换热器完全
清洁时传热系数的比值。换热器趋近温度是指热
流体出口温度和冷流体进口温度差。其他定义如
设计温度、设计压力、压力降等和TEMA_4 J，GB
151[ 相同。
表2 电厂换热器术语定义
术语 定义
清洁系数 换热器运行后某一时刻总传热系数与换热
器完全清洁时传热系数的比值
换热器 热流体出口温度和冷流体进口温度差
趋近温度
设计点 换热器需要满足的一系列设计工况的组合
3 换热器性能
《电厂换热器标准》规定了换热器性能要求，
并讨论了和性能密切相关的诸方面。换热器应满
足采购方确定的设计要求，即设计要求中给出的
一系列设计工况均要满足。标准规定采购方应提
供的设计参数，如换热器类型、换热量、空间限制、
28
清洁系数、管壳侧工艺参数、过载或异常工况的参
数。这些参数在附录F中以表格的形式给出，使
用这些数据可以采用HTRI等设计软件进行热工
计算。以下对性能密切相关的几方面进行说明。
3．1 污垢热阻和清洁系数
污垢热阻和换热器的性能密切相关。换热器
采购方有责任确定换热器的污垢热阻或清洁系
数。正确的污垢热阻和污垢产物有助于设计人员
设计满足工艺要求的换热器，并确定合适材料以
避免侵蚀、应力腐蚀等。
《电厂换热器标准》讨论了污垢热阻产生的
原因以及减少污垢的措施。产生污垢热阻的原因
很多，核电厂换热器常见污垢主要有5类，如表3
所示。
表3 电厂换热器常见污垢
污垢种类 成因
腐蚀 通常以氧化层的形式发生，常见于碳钢
换热管
通常是盐的结晶，特别是水中的矿物质
结晶 超过溶解度后在换热管表面形成的碳
酸钙化合物
固体 通常是泥沙、悬浮颗粒、腐蚀颗粒等
有机生物 有机生物附着在换热管上，如藻类和贝
类，能够减少传热速率并堵塞换热管
碳氢化合物 高温下的碳氢化合物会在换热管上形
沉积 成碳化物的外壳
大多数情况下，定期清洗可以显著地减少污
垢。清洗方法主要有物理清洗和化学清洗，不同
的清洗方法适用于不同的场合 J。例如，可采用
清洗球、清洗刷等进行机械方式清洗；高压水冲洗
可以冲掉松动的颗粒；热冲击可以使矿物沉积破
裂并去除。在管侧和壳侧添加化学清洗剂可以加
速污垢的脱落和去除。
一般提高含污垢较多的流体流速可以避免颗
粒状污垢在停滞区沉积，应避免管侧流速小于0．6
m／s，最好应高于0．9 m／s。同样也应避免过低的
壳侧流速。
如果采购方给出的是清洁系数，换热器运行
后某一时刻总传热系数应为完全清洁状态下的初
始总传热系数乘以清洁系数。图1示出污垢热
第28卷第l0期 压 力 容 器 总第227期
阻、清洁系数和总传热系数的关系 。换热器刚
投入运行时的污垢最小，如果在此时进行性能试
验，将会得到初始总换热系数。如果发现换热器
性能恶化的情况，通过对比换热系数，即可得出污
垢热阻数值。这有助于确定合适的换热器清洗周
期。
垛
烬
逛
污垢热阻，hr—ft2-~F／Btu
图1 污垢热阻和清洁系数与总传热系数的对应关系
3．2 换热器趋近温度
换热器趋近温度是指热流体出口温度和冷流
体进口温度之差。采购方通过规定设计工况来指
定换热器趋近温度。一般随着换热器趋近温度的
降低，换热器所需的换热能力升高。所选择的趋
近温度会影响冷热流体温度，也会影响核电厂的
运行成本。因此，确定趋近温度时应综合考虑换
热器制造和运行成本。
换热器采用多程结构时 应避免换热器在热
不稳定区操作，即入口参数的微小改变不会导致
对数平均温差校正因数的较大波动。此处规定和
TEMA T一3．2多程流动校正相同。
3．3 换热管内流速
流体流速的选择，对换热器的设计和运行维
护均有重大影响。高流速可以降低结垢、减小热
阻、增大传热系数，进而可以降低设备制造成本。
但是，过高的流速会显著增大压力降和冲刷腐蚀，
提高运行成本。《电厂换热器标准》规定设计点
各工况下不同材质换热管管内流速不应超过表4
中的流速，这些流速限制适用于锅炉给水。
表4 最大换热管内流速
换热管材料 流速／m·s
不锈钢、镍基合金、钛 3．0
铜镍合金 2．7
铜、铝铜合金 2．6
碳钢 2．4
部分文献中常用管内流速为0．8—2 rn／s[ ；
TEMA RCB一4．63规定管侧介质为液体时，介质
的p 不超过8928 kg／(m ·s )，P为密度(kg／
rn )， 为介质线速度(m／s)，如果介质为水， 不
超过3 m／s。上述文献和标准并未区分换热管为
不同材料的情况，《电厂换热器标准》区分不同材
料给出允许最大管内流速对设计有很强的指导意
义。一般而言，随着壳侧或管侧速度的增加，换热
面积和污垢沉积的可能性将减小。
3．4 压力降
《电厂换热器标准》指出壳程和管程的允许
压降应由采购方确定。允许压降较高，设计者可
以采用较小的折流板间距。这不但可以减4、换热
管无支撑长度降低换热管振动的可能性，还可提
高壳侧流速和换热系数。
管程压力损失有换热管内损失、管箱接管进
口、出口损失和换热管人口、出口及回弯处损失组
成。《电厂换热器标准》给出的管侧压力损失计
算方法适用于光管、雷诺数≥3000且无相变的情
况。
对于更详细的壳程、管程压力降的计算方法
在很多换热器设计的文献中均有阐述 卜 。
3．5 接管尺寸和流通面积
标准推荐接管尺寸的选取应能保证设计工况
下不要超过表5所列的数值。进入接管的流体应
是均匀分布的，避免管道上游节流器、弯头、阀门
等引起的局部高流速区损伤换热器内件。
《电厂换热器标准》未具体规定设置防冲挡
板的条件，只是说明这取决于换热器设计、介质进
口速度以及介质特性，并强调腐蚀性介质必须设
定防冲挡板。
壳程和管束进出口的流通面积应不小于接管
截面积。《电厂换热器标准》流通面积的计算和
TEMA，GB 151虽然表述不同，实质上没有区别。
29
美国换热器协会《电厂换热器标准》分析与讨论
表5 接管尺寸标准
接管内 最大值
PPHX TEMA GB 151【 ]
流体介质
管侧接管 壳侧接管 管侧 壳侧 管侧、壳侧
进口 出口 进口 出口 进口 进、出口 进、出口
过冷液体 9227 9227 5953 5953
8929 5953 5950
进饱和点液体 1488 373 1488 373 (未区分介质) (未区分介质) (未区分介质)
气体、干蒸汽 2976 2976 2976 2976
注：C为质量流量，kg／(s·m )；p为密度，kg／m 。当介质中存在液滴、气泡或异物时，设计者应考虑比表中所列值更低的数值。
4 换热器材料
换热器承压件和支撑的材料应符合设计规范
书中指定的规范要求。采购方有责任根据使用环
境确定适当的材料，使材料能承受规定的辐射剂
量、避免冲刷腐蚀以及应力腐蚀等情况。
还应特别注意，ASME第Ⅷ卷 允许的有些
材料，在ASME第Ⅲ 卷 中并不允许采用。
ASME第Ⅲ卷ND中允许的材料在NC，NB中不
允许使用。而且，不同规范所需的试验和检查也
不同，例如考核材料冲击韧性的冲击试验等。奥
氏体不锈钢材料广泛应用于核电厂中，应特别注
意避免奥氏体不锈钢的晶间腐蚀，一般不允许采
用可导致奥氏体不锈钢晶间腐蚀的卤化物。
5 机械设计标准
对于换热器机械设计，《电厂换热器标准》首
先强调换热器的设计、制造应符合采购方指定规
范的要求，并对腐蚀裕量、换热管、管板、管束等内
容进行了详细的规定。
5．1 腐蚀裕量
采购方应指定腐蚀裕量，所有与腐蚀性介质
接触的承压零件应考虑腐蚀裕量。3个标准对于
腐蚀余量的规定对比如表6所示。
表6 腐蚀裕量
项目 PPHX TEMA GB l51
法兰面、浮头背环、内部螺栓、换热管 不考虑腐蚀裕量 不考虑腐蚀裕量 不考虑腐蚀裕量
拉杆、定距管折流板等非受压元件 未规定 不考虑腐蚀裕量 不考虑腐蚀裕量
容器法兰、接管法兰内直径 未规定 考虑 考虑
管板或平盖上开槽时，高出隔板槽 考虑作为腐蚀裕量 未规定 考虑作为腐蚀裕量，腐蚀裕量大于
底部的金属 槽深时加上两者的差
对于腐蚀余量，设计人员首先应按照设计标
准要求。并应注意，由于固定管板换热器的管板、
壳体、管束三者固定相连，任一者尺寸的改变会影
响到其余二件的应力。ASME第Ⅷ卷规定对各元
件要按已腐蚀和未腐蚀两种情况进行计算，GB
151对此的规定则是含糊的 。因此，标准未规
定的情况，可以由设计人员从偏保守的角度考虑
确定。
5．2 换热管
换热管寿命受介质、操作温度、介质流速等因
30
素的影响，设计中应予以考虑。换热管最小壁厚
与换热管外径、材料、设计参数有关，3个标准的
对比情况如表7，8所示。
5．3 管板
《电厂换热器标准》并未给出管板的计算方
法，但指出管板是换热器设计中最复杂的部件，受
到管壳侧压力、法兰螺栓载荷、垫片载荷、温差应
力等载荷的影响。《电厂换热器标准》对管孔直
径、孔桥宽度的规定直接采用TEMA的规定，所
以和GB 151差别也不大。
第28卷第l0期 压 力 容 器 总第227期
表7 换热管厚度
项目 换热管厚度／ram
给出了不同材料换热管的最小壁厚。例如奥氏体不锈钢直管：
PPHX 22 BWG U形管弯管前最小厚度计算方法相同
，0．71 mm；U形管：20 BWG，0．89 mm；碳钢1．27 mm
f=t (1 do)
给出不同材料不同外径的最小厚度。如外径15．9 mm：碳钢管 t为弯管前所需最小厚度
，TEMA mm
18 BWG，1．24 mm；不锈钢管20 BWG，0．89 mm t 为直管段所需的最小厚度
，
m m
d。为换热管外径，mm
GB 151 未规定最小厚度，给出常用规格和尺寸。例如 ，外径 ≥14～3O R为弯管段弯曲半径
mm：碳钢2～2．5 mm；不锈钢1—2 mm
表8 换热管中心距
项目 换热管中心距
PPHX 换热管中心距不小于换热管外径的1．25倍。如果管孔需要加工坡口，可以适当增大换热管中心距
换热管中心距不小于换热管外径的1．25倍。当需要机械清洗时，净空距离应不小于：R级6．g mm；B级
TEMA
4．8 mm(壳体直径不大于305 mm)，6．4 mm(壳体直径大于305 mm)
换热管中心距不小于换热管外径的1．25倍。并以表格形式给出常用的换热管中心距，与换热管外径的
GB 15l
比值在1．26—1．35之间。机械清洗时采用正方形排列，净空距离不宜小于6 mm
当可拆卸的管束采用法兰／管板／法兰的固定
型式时，推荐采用管侧、壳侧能够单独拆卸的结
构，管、壳侧可以互不影响。这种结构允许对管、
壳侧分别进行检修。如管、壳侧压力差别较大，允
许管侧和壳侧采用不同厚度的法兰，节省设备成
本，而且有利于提高密封性能。此种结构在秦山
核电厂等项目中均有应用。
如碳钢管板与换热管的连接仅采用胀接连
接，其管板金属温度应符合表9的要求，超出表9
温度范围的接头应采用焊接连接方式。
表9 碳钢管板换热管胀接接头的最大推荐温度
换热管材料 ASME规范P值 合金分类 接头温度／℃
奥氏体不锈钢 8 所有 260
镍铜合金70—30 42 4OO 288
镍铬铁合金 43 600 260
Admirality TYPE 32 443，444，445 177
铝黄铜合金 687 177
铜镍合金90一l0 34 706 2O4
铜镍合金80—2O 34 710 232
铜镍合金70—3O 34 715 260
钛 51，52 所有 2O4
碳钢 l 所有 343
31
美国换热器协会《电厂换热器标准》分析与讨论
5．4 折流板和支撑板
《电厂换热器标准》对折流板和支撑板的管
孔直径、厚度、最大无支撑跨距的要求都严于TE—
MA和GB 151。
5．5 管束振动分析
管壳式换热器当壳程流体横向流过管束时，
流体诱发振动主要有卡门漩涡、紊流抖动、流体弹
性不稳定。
《电厂换热器标准》对此处理得比较简单，仅
考虑了流体弹性不稳定。当管束实际横流速度小
于管束临界横流速度时，管束不会发生流体诱导
振动。管束换热管中存在轴向应力时，对固有频
率进行修正。
TEMA和GB 151对此管束振动分析更加全
面，除流体弹性不稳定外，还考虑了卡门漩涡、紊
流抖动等引起的振动。分析计算的方法、公式等
也更为全面。同时必须指出，国内学者深入研究
了TEMA标准流体诱导振动分析中多跨直管管
子固有频率、u形管固有频率、对数衰减率等方
面，并指出需要注意的问题L1 “]。文献[12]详
细说明了GB 151非等跨直管固有频率的计算，并
给出简便计算方法。
6 其他内容
除上述内容外，《电厂换热器标准》还规定了
超压保护、现场安装、检查维护等方面。标准的
14项附录包含传热计算、外形尺寸允差等内容，
在设计制造过程中具有较大的参考意义。
7 结语
(1)美国换热器协会发布的《电厂换热器标
准》反映了当前工程设计、采购要求以及制造经
验，并规定电厂换热器重要的设计准则，得到各国
电力行业的普遍重视和应用；
(2)该标准可以看作是电厂换热器的设计规
范书，包含了性能、材料、设计、制造等方面要求，
使用范围仅限电厂管壳式换热器；
(3)《电厂换热器标准》部分规定对换热器设
32
计有很大参考意义，如最大换热管内流速、材料选
择、胀接接头最大允许温度等。《电厂换热器标
准》可以作为TEMA，GB 151通用换热器设计制
造标准的完善和补充；
(4)该标准在流体诱导振动分析、强度计算
方面不够深入，还需参考其他标准。
参考文献：
[1] Standards for Power Plant Heat Exchangers[s]．4th
Edition，2004．
[2] ASME锅炉与压力容器规范，第Ⅲ卷核设施部件建
造规则[S]．2004．
[3] ASME锅炉与压力容器规范，第Ⅷ卷第1册，压力容
器建造规则[S]．2004．
[4] Standards ofTEMA[S]．9th Edition，2007．
[5] GB 151-1999，管壳式换热器[s]．
[6] Wayne W．Frenier，et al，Choose the Best Heat Ex—
changer Cleaning Method[J]．Chemical Engineering
Progress，1998，(7)：37—44．
[7] 董其伍，张矗，等．换热器[M]．北京：化学工业出版
社．2008．
[8] 秦叔经，叶文邦．化工设备设计全书——换热器
[M]．北京：化学工业出版社，2003．
[9] 丁伯民．对我国压力容器和换热器标准的一些想法
[J]．压力容器，2009，26(11)：50—53．
[1O] 聂清德，段振亚，谭蔚，等．关于TEMA标准《流体
诱发振动》若干问题的讨论(一)[J]．压力容器，
2004，21(11)：1—4．
[11] 聂清德，段振亚，谭蔚，等．关于TEMA标准《流体
诱发振动》若干问题的讨论(二)[J]．压力容器，
2004，21(12)：1—5．
[12] 段振亚，谭蔚，聂清德．按GB 151-1999计算多跨
管的固有频率[J]．压力容器，2003，20(2)：17—
19．
收稿日期：2011—09—19 修稿日期：2011—10—04
作者简介：陈红生(1977一)，男，工程师，主要从事核电厂
换热器等核电设备设计工作，通信地址：200233上海市徐
汇区虹漕路29号上海核工程研究设计院，E—mail：
chenhs@ snerdi．con．en。

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