畢業(yè)設計（論文）固定管板式換熱器設計

1、固定管板式換熱器 摘 要 換熱器是在工廠生產(chǎn)中最常見的過程設備之一，是用于物料之間進行熱量傳 遞的過程設備，使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備。通過這種設備使物料能達 到指定的溫度以滿足工藝的要求。在目前大型化工及石油化工裝置中，采用各種 換熱的組合，就能充分合理地利用各種等級的能量，使產(chǎn)品的單位能耗降低，從 而降低產(chǎn)品的成本已獲得好的經(jīng)濟效益。在化工廠中，換熱器所占比例也有了明 顯提高，成為最重要的單元設備之一。 在固定管板式換熱器設計過程中，嚴格按照 gb150-1998鋼制壓力容器 和 gb151-1999管殼式換熱器等標準進行設計和計算。 本設計過程中，包括了三個部分：說明計算部分、繪圖

2、部分、翻譯部分。說 明部分主要講述了對各部分零件的制造工藝過程、零部件材料的選擇、及換熱器 設備的發(fā)展趨勢，最后對換熱器的制造進行了檢驗和檢測。計算部分主要是對筒 體、封頭、管板和管板與換熱管連接進行了校核，并且對筒體和封頭進行了水壓 試驗和強度校核。除此之外，還參閱相關的設計手冊及大量的文獻，完成了一張 總裝配圖和四張零件圖的繪制，還對一篇外文進行了翻譯等工作。 關鍵詞關鍵詞：固定管板式換熱器，校核。 abstract heat exchanger is used in the materials to carry on the thermal transmission the proces

3、s. through this kind of equipment，materials achieve assignment the temperature to satisfy the craft the request. at present, in large-scale chemical industry and in the petroleum chemical industry installment, each kind of heat transfer the combination can reasonably use each rank fully the energy,

4、cause the production the unit energy consumption to reduce, thus reduce the production the cost to obtain the high economic efficiency. thus, in the large-scale chemical industry and in the petroleum chemical industry production process, the heat exchanger obtains the more and more widespread applic

5、ation. in the chemical plant, the heat exchanger accounted for the proportion also to have the distinct enhancement, became one of most important unit equipment. in the fixed head heat exchanger design process, the design and the calculations. carry on strictly according to gb150-1998 steel pressure

6、 vessel and gb151-1999 tubular heat exchangers the standards. in this design process, including three parts: explanation calculations part, cartography part, translation part. explanation computation the part mainly elaborated to various part of components manufacture technological process, the spar

7、e part material selecting, and the heat exchanger equipment development trend, finally it has carried on the examination and the test for the heat exchanger manufacture. the calculations part mainly was to the tube body, the shell cover, the tube plate and the tube plate and the heat transfer pipe c

8、oupling has been carried on the examination, and has been carried on the hydraulic pressure test and the intensity examination to the tube body and the shell cover. in addition, referring the related design handbook and the massive literature, it has completed an assembly drawing and four detail dra

9、wing plan, and has carried on work and one translations. keyword：fixed head heat exchanger， check. 目錄目錄 目錄目錄 .2 2 1 1 前言前言.6 6 1.11.1 換熱器的概述換熱器的概述 .6 6 1.1.1 換熱設備的應用.6 1.1.2 換熱器設備的分類.2 2 2 固定管板式換熱器固定管板式換熱器 .5 5 2.12.1 設計參數(shù)的確定設計參數(shù)的確定 .5 5 2.1.1 設計壓力.5 2.1.2 計算壓力.5 2.1.3 設計溫度.6 2.1.4 厚度及厚度附加量.6 2.1.5

10、焊接接頭系數(shù).7 2.1.6 許用應力.7 2.22.2 材料的選取材料的選取 .9 9 2.2.1 化學成分.9 2.2.2 力學與性能.10 2.2.3 制造工藝性能.10 2.32.3 管程結構管程結構 .1111 2.3.1 換熱管.11 2.3.2 管板.12 2.3.3 管箱.13 2.3.4 管束分程.13 2.3.5 換熱管與管板連接.14 2.42.4 殼程結構殼程結構 .1616 2.4.1 殼體.16 2.4.2 折流板.17 2.4.3 折流桿.18 2.4.4 防短路結構.19 2.4.5 殼程分程.20 2.52.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計 .2020

11、 2.5.1 補強結構.20 2.5.2 開孔補強設計準則.21 2.5.3 允許不另行補強的最大開孔直徑.22 2.62.6 密封裝置設計密封裝置設計 .2222 2.6.1 密封機理.23 2.72.7 焊接接頭結構焊接接頭結構 .2323 2.7.1 焊接接頭形式.24 2.7.2 坡口形式.25 2.7.3 壓力容器焊接接頭分類.25 3 3 換熱器結構計算換熱器結構計算.2626 3.13.1 殼程圓筒計算殼程圓筒計算 .2626 3.1.1 圓筒厚度計算.26 3.1.2 液壓試驗校核.27 3.1.3 壓力及應力計算.28 3.23.2 前端管箱筒體計算前端管箱筒體計算 .282

12、8 3.2.1 厚度計算.28 3.2.3 壓力及應力計算.30 3.33.3 后端管箱筒體計算后端管箱筒體計算 .3131 3.3.1 厚度計算.31 3.3.2 液壓試驗校核.32 3.3.3 壓力及應力計算.33 3.43.4 前端管箱封頭計算前端管箱封頭計算 .3434 3.4.1 墊片.34 3.4.2 螺栓.35 3.4.3 計算封頭厚度.37 3.53.5 后端管箱封頭計算后端管箱封頭計算 .3838 3.5.1 墊片.38 3.5.2 螺栓.39 3.5.3 計算封頭厚度.41 3.63.6 管板設計計算管板設計計算 .4242 3.6.1 結構尺寸及材料選取.42 3.6.2

13、 管箱.43 3.6.3 換熱管穩(wěn)定許用應力.43 3.6.4 殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積.44 3.6.5 管板開孔后的面積.44 3.6.6 圓筒殼壁金屬橫截面積.44 3.6.7 管板布管區(qū)面積.44 3.73.7 u u 型膨脹節(jié)設計計算型膨脹節(jié)設計計算.4444 3.83.8 開孔補強計算開孔補強計算 .4949 3.8.1 管箱開孔補強計算.49 3.8.2 封頭上開孔補強計算.52 3.8.3 殼程開孔補強計算.55 3.8.4 殼程開孔補強計算.58 結束語結束語 .6262 參考文獻參考文獻 .6363 謝謝 辭辭 .6464 1 前言 1.1 換熱器的概述 1.1.1 換熱設備

14、的應用 許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設備。在化工廠中，換熱設備的投資約占 總投資的 10%-20%；在煉油廠中，約占總投資的 35%-40%。 在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設備的主要作用是使熱量又溫度較高的流體傳遞給溫度 較低的流體，使流體溫度達到工藝過程規(guī)定的指標，以滿足工藝過程上的需要。 此外，換熱設備也是回收余熱，廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，煙道氣， 高爐爐氣，需要冷卻的化學反應工藝氣等的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽， 作為供熱，供氣，發(fā)電，和動力的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃 料消耗和電耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益。 1.1.2 換熱器設備的分類 按作用原理或傳熱方式分類

15、(1) 直接接觸式換熱器 這類換熱器又稱混合式換熱器，它是利用冷，熱流體直接接觸，彼此混合進 行換熱的換熱器。如冷卻塔，冷卻冷凝器等。為增加兩流體的接觸面積，以達到 充分換熱，在設備中常放置填料和柵板，通常采用塔狀結構 (2) 蓄熱式換熱器 這類換熱器又稱回熱式換熱器，它是借助于固體構成的蓄熱體與熱流體和冷 流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。在換熱器內(nèi)首先由熱流 體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后由流體通過，由蓄熱體把熱量釋放給冷流 體。由于兩種流體交替與蓄熱體接觸，因此不可避免地會使兩種流體少量混合。 若兩種流體不允許有混合，則不嫩采用蓄熱式換熱器。 (3) 間壁式換熱器 這

16、類換熱器又稱表面式換熱器。它是利用間壁將進行熱交換的冷熱兩種流體 隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。間壁式換熱器 是工業(yè)生產(chǎn)中應用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣，如常見的管殼式換熱器 和板式換熱器都屬于間壁式換熱器。 (4) 中間載流體式換熱器 這類換熱器是把兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載流體連接起來的換熱器。 載流體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收 熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體，如熱管式換熱器。 間壁式換熱器的分類 (1) 管式換熱器 這類換熱器都是通過管子壁面?zhèn)鳠岬膿Q熱器，按傳熱管的結構形式不同大致 可分為蛇管式換

17、熱器，套管式換熱器，纏繞管式換熱器和管殼式換熱器。蛇管式 換熱器一般由金屬或非金屬管子，按需要彎曲成所需的形狀，如圓盤形，螺旋形 和長的蛇行等。它是最早出現(xiàn)的一種換熱設備，具有結構簡單和操作方便等優(yōu)點。 按使用狀態(tài)不同，蛇管式換熱器又可分為沉浸式蛇管和噴淋式蛇管兩種。套管式 換熱器是由兩種不同大小直徑的管子組裝成同心管，兩端用 u 形彎管將他們連接 成排，并根據(jù)實際需要，排列組合成傳熱單元，換熱時，一種流體走內(nèi)管，另一 種流體走內(nèi)外管間的環(huán)隙，內(nèi)管的壁面為傳熱面，一般按逆流方式進行換熱。兩 種流體都可以在較高的溫度，壓力，流速下進行換熱。套管式換熱器的優(yōu)點是結 構簡單，工作適應范圍大，傳熱面積

18、增減方便，兩側流體均可提高流速，使傳熱 面的兩側都可有較高的傳熱系數(shù)；缺點是單位傳熱面的金屬消耗量大，檢修，清 洗，和拆卸都較麻煩，在可拆連接 處容易造成泄漏。管殼式換熱器是目前應用 最為廣泛的換熱設備。在圓筒形殼體中放置了許多管子組成的管束，管子的兩端 固定在管板上，管子的軸線與殼體的軸線平行。為了增加流體在管外空間的流速 并支撐管子，改善傳熱性能，在筒體內(nèi)間隔安裝多塊折流板，用拉桿和頂距管將 其與管子組裝在一起。換熱器的殼體上和兩側的端蓋上裝有流體的進出口，有時 還在其上裝設檢查孔，為了安置測試儀表用的接口管，排液孔和排氣孔等。纏繞 管式換熱器是芯筒與外筒之間的空間內(nèi)將傳熱管按螺旋閑形狀交

19、替纏繞而成，相 鄰兩成螺旋狀傳熱管的螺旋方向相反，采用一定形狀的定距管使之保持一定的距 離。纏繞狀傳熱管可以采用單根繞制，也可采用兩根或多跟組焊后一起繞制。管 內(nèi)可以通過一種介質(zhì)，稱通道型纏繞管式換熱器；也可分別通過幾種不同的介質(zhì)， 而每種介質(zhì)所通過的傳熱管均匯集在各自的管板上，構成多通道型纏繞管式換熱 器。纏繞管式換熱器適用于同時處理多種介質(zhì)等場合。 (2) 板面式換熱器 這類換熱器都是通過板面進行傳熱的換熱器。板面式換熱器按傳熱板面的結 構形式可分為以下五種：螺旋板式換熱器，板式換熱器，板翅式換熱器，板殼是 換熱器和傘式換熱器。板面式換熱器的傳熱性能要比管式換熱器優(yōu)越，由于結構 上的特點，

20、使流體能在較低的速度下就達到湍流狀態(tài)，從而強化了傳熱。板面是 換熱器采用板材制作，在大規(guī)模組織生產(chǎn)時，可降低設備成本，但其耐壓性能比 管式換熱器差。 (3) 其他形式換熱器 這類換熱器是指一些具有特殊結構的換熱器一般是為滿足工藝特殊要求而設計的，如石 墨換熱器，聚四氟乙烯換熱器和熱管式換熱器等。 2 固定管板式換熱器 2.1 設計參數(shù)的確定 壓力容器設計參數(shù)主要有設計壓力，設計溫度，厚度，及其附加量，焊接接 頭系數(shù)和許用應力等。 2.1.1 設計壓力 為壓力容器的設計載荷之一，其值不低于最高工作壓力。最高工作壓力系指 容器頂部在正常工作過程中可能產(chǎn)生的最高表壓。設計壓力應視內(nèi)壓和外壓容器 分別

21、取值。 當內(nèi)壓容器上裝有安全泄放裝置時，其設計壓力應根據(jù)不同形式的安全泄放 裝置確定。裝設安全閥的容器，考慮到安全閥開啟動作的滯后，容器不能及時泄 壓，設計壓力不應低于安全閥的開啟壓力，通?？扇∽罡吖ぷ鲏毫Φ?1.05-1.10 倍；裝設爆破片時，設計壓力不得低于爆破片的爆破壓力。 對于盛裝液化氣體的容器，由于容器內(nèi)介質(zhì)壓力為液化氣體的飽和蒸汽壓， 在規(guī)定的裝量系數(shù)范圍內(nèi)，與體積無關，僅拒絕于溫度的變化，故設計壓力與周 圍的大氣環(huán)境溫度密切相關。此外還要考慮容器外壁有否保冷設施，可靠的保冷 設施能有效地保證容器內(nèi)溫度不受大氣環(huán)境溫度的影響，即設計壓力應根據(jù)工作 條件下可能達到的最高金屬溫度確定

22、。 2.1.2 計算壓力 是指在相應的設計溫度下，用以確定元件最危險截面厚度的壓力，其中包括 液柱靜壓力。通常情況下，計算壓力等于設計壓力加上液柱靜壓力。當元件所承 受的液柱靜壓力小于 5%設計壓力時，可忽略不計。 2.1.3 設計溫度 設計溫度也為壓力容器的設計載荷條件之一，它是指容器在正常情況下，設 定元件的金屬溫度。當元件金屬溫度不低于 0時，設計溫度不得低于元件金屬 可能達到的最高溫度；當元件金屬溫度低于 0時，其值不得高于元件金屬可能 達到的最低溫度。gb150 規(guī)定設計溫度等于或低于-20的容器屬于低溫容器。元 件的金屬溫度可以通過傳熱計算或?qū)崪y得到，也可按內(nèi)部介質(zhì)的最高溫度確定，

23、 或在基準上增加（或減少）一定數(shù)值。 設計溫度與設計壓力存在對應關系。當壓力容器具有不同的操作工況時，應 按最苛刻的壓力與溫度的組合設定容器的設計條件，而不能按其在不同工況下各 自的最苛刻條件確定設計溫度和設計壓力。 2.1.4 厚度及厚度附加量 設計時要考慮厚度附加量 c 由鋼材的厚度負偏差 c1和腐蝕裕量 c2組成， c=c1+c2 ,不包括加工減薄量 c3。 計算厚度（ ）是按有關公式采用計算壓力得到的厚度。 設計厚度（）系計算厚度與腐蝕裕量之和。 d 名義厚度（）指設計厚度加上鋼材厚度負偏差后向上圓整至鋼材標準規(guī)格 n 的厚度，即標注在圖樣上的厚度。 有效厚度（）為名義厚度減去腐蝕裕量

24、和鋼材負偏差。 e 腐蝕裕量主要是防止容器受壓元件由于均勻腐蝕，機械磨損而導致厚度消弱 減薄。與腐蝕介質(zhì)直接接觸的筒體，封頭，接管，等受壓元件，均應考慮材料的 腐蝕裕量。腐蝕裕量一般可根據(jù)鋼材在介質(zhì)中的均勻腐蝕速率和容器的設計壽命 確定。在無特殊腐蝕情況下，對于碳素鋼和低合金鋼，c2 不小于 1mm；對于不銹 鋼，當介質(zhì)的腐蝕性極微時，可取 c2=0。 2.1.5 焊接接頭系數(shù) 通過焊接制成的容器，焊縫中可能存在夾渣，未熔透，裂紋，氣孔等焊接缺 陷，且在焊縫的熱影響區(qū)很容易形成粗大晶粒而使母材強度或塑性有所降低，因 此焊縫往往成為容器強度比較薄弱的環(huán)節(jié)。為彌補焊縫對容器整體的強度削弱， 在強度

25、計算中需引入焊接接頭系數(shù)。焊接接頭系數(shù)表示焊縫金屬與母材強度的比 值，反映容器強度受削弱的程度。 2.1.6 許用應力 許用應力是容器殼體，封頭等受壓元件的材料許用強度，取材料強度失效判 據(jù)的極限值與相應的材料設計系數(shù)之比，設計時必須合理的選擇材料的許用應力， 采用過小的許用應力，會使設計的部分過分笨重而浪費的材料，反之則使部件過 于單薄而容易破損。 材料強度失效判據(jù)的極限值可以用各種不同的方式表示，如屈服點，抗拉 s 強度，持久強度，蠕變極限等。應根據(jù)失效類型來確定極限值。 b d n 在蠕變溫度以下通常取材料常溫下最低抗拉強度，常溫或設計溫度下的屈 b 服點或三者除以各自的材料設計系數(shù)后所

26、得到的最小值，作為壓力容器受壓元 t s 件設計時的許用應力，即按下式取值 =min，也即是說設計受 s t s s s b b nnn , 壓元件時，以抗拉強度和屈服點同時來控制許用應力。因為對韌性材料制作的容 器，按彈性失效設計準則，容器總體部位的最大應力強度應低于材料的屈服點， 故許用應力應以屈服點為基準。目前在壓力容器設計中，不少規(guī)范同時用抗拉強 度作為計算許用應力的基準，其目的是為能在一定程度上防止斷裂失效。 當碳素鋼和低合金鋼的設計溫度超過 420，鉻鉬合金鋼的設計溫度高于 450，奧氏體不銹鋼設計溫度高于 550時，有可能產(chǎn)生蠕變，因而必須同時考 慮基于高溫蠕變極限或持久強度的許

27、用應力。 t n t d 材料設計系數(shù)的一個強度保險系數(shù)，主要是為了保證受壓元件強度有足夠的 安全儲備量，其大小與應力計算的精確性，材料性能的均勻性，載荷的確切程度， 制造工藝和使用管理的先進性以及檢驗水平等因素有著密切關系。材料設計系數(shù) 數(shù)值的確定，不僅需要一定的理論分析更需要長期實踐經(jīng)驗積累。近年來，隨著 生產(chǎn)的發(fā)展和科學研究的深入，對壓力容器設計，制造，檢驗和使用的認識日益 全面，深刻，材料設計系數(shù)也逐步降低。例如，20 實際 50 年代中國取4.0， b n 3，0，而現(xiàn)在則為3.0，1.6. s n b n s n gb150 給出了鋼板，鋼管，鍛件以及螺栓材料在設計溫度下的許用應力

28、同時 也列出了確定鋼材許用應力的依據(jù)。螺栓的許用應力應根據(jù)材料的不同狀態(tài)和直 徑大小而定。為保證螺栓法蘭連接結構的密封性，必須嚴格控制螺栓的彈性變形。 一般情況下，螺栓材料的許用應力取值比其他受壓元件材料低；同時為防止小直 徑螺栓在安裝時斷裂，小直徑螺栓的許用應力也比大直徑的低。 2.2 材料的選取 壓力容器材料的選取，壓力容器材料費用占總成本的比例很大，一般超過 30%。 材料性能對壓力容器運行的安全性有顯著的影響。選材不當，不僅會增加總成本， 而且有可能導致壓力容器破壞事故。因此，合理選材是壓力容器設計的關鍵之一。 壓力容器用料多種多樣，有鋼，有金屬，非金屬，復合材料等， 壓力容器用鋼的基

29、本要求是有較高的強度，良好的塑性，韌性，制造性能和 與介質(zhì)形容性。改善鋼材性能的途徑主要有化學成分的設計，組織結構的改變和 零件表面改性。 2.2.1 化學成分 鋼材的化學成分對其性能和熱處理有較大的影響。提高碳含量可能使強度 增加，但是可焊性變差，焊接時易在熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋。因此，壓力容器用鋼的 含碳量一般不大于 0.25%。在鋼中加入釩，鈦，鈮等元素，可提高鋼的強度和韌 性。 硫和磷是鋼中最主要的有害元素。硫能促進非金屬夾雜物的形成，使塑料和 韌性降低。磷能使高鋼的強度，使會增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。將硫和磷 等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高鋼材的純凈度，可提高鋼材的韌性， 抗

30、中子輻照脆化能力，改善抗應變時效性能，抗回火脆化性能和耐腐蝕性能。因 此，與一般結構鋼相比，壓力容器用鋼對磷，硫，氫等有害雜質(zhì)元素含量的控制 更加嚴格。例如，中國壓力容器用鋼的硫和磷含量分別應低于 0，020%和 0.030%。隨著冶煉水平的提高，目前已可將硫的含量控制在 0.002%以內(nèi)。 另外，化學成分對熱處理也有決定性的影響，如果對成分控制不嚴，就達不 到預期的熱處理效果。 2.2.2 力學與性能 由于載荷和應力狀態(tài)的不同，以及鋼材在受力狀態(tài)下所處的工作環(huán)境的不同， 鋼材受力后所表現(xiàn)出的不同行為，稱為材料的力學行為。例如，低碳鋼拉伸試件 縮頸中心部位處于三向應力狀態(tài)，出現(xiàn)的是大體上與載荷

31、方向垂直的纖維狀斷后， 而邊緣區(qū)域接近平面應力狀態(tài)，產(chǎn)生的是與載荷成 45的剪切唇。因此，鋼材的 力學行為，不僅與鋼材的化學成分，組織結構有關，而且與材料所處的應力狀態(tài) 和環(huán)境有密切的關系。 鋼材的力學性能主要的表征強度，韌性，塑性變形能力的判據(jù)，是近些設計 時選材和強度計算的主要依據(jù)。壓力容器設計中，常用的強度判據(jù)包括抗拉強度 ，屈服點，持久強度，蠕變極限和疲勞極限；塑性判據(jù)包括延伸 b s d n 1 率，斷面收縮率；韌性判據(jù)包括吸收功 akv，韌脆轉(zhuǎn)變溫度，斷裂韌性等。 5 韌性對壓力容器安全運行具有重要意義。在載荷作用下，壓力容器中的缺陷 常會發(fā)生擴展，當裂紋擴展到某一臨界尺寸時將會引

32、起斷裂事故，此臨近裂紋尺 寸的大小主要取決于鋼的韌性。如果鋼的韌性高，壓力容器所允許的臨界裂紋尺 寸就越大，安全性也越高。因此，為防止發(fā)生脆性斷裂和裂紋快速擴展，壓力容 器常選用韌性好的鋼材。 2.2.3 制造工藝性能 材料制造工藝性能的要求與容器結構形式和使用條件緊密相關。制造過程中 進行冷卷，冷沖壓加工的零部件，要求鋼材有良好的冷加工成型性能和塑性，其 延伸率應在 15%-20%以上。為檢驗鋼板承受彎曲變形能力，一般應根據(jù)鋼板的 5 厚度，選用合適的彎心直徑，在常溫下做彎曲角度為 180的彎曲實驗。試樣外 表面無裂紋的鋼材方可用于壓力容器制造。 壓力容器各零件間主要采用焊接連接，良好的可焊

33、性是壓力容器用鋼一項極 其重要的指標?？珊感允侵冈谝欢ê附庸に嚄l件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程 度。鋼材的可焊性主要取決于它的化學成分，其中影響最大的是碳含量。含碳量 越低，越不容易產(chǎn)生裂紋，可焊性越好。 2.3 管程結構 流體流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相通部分稱為管程。 2.3.1 換熱管 （1） 換熱管形式 除光管外，換熱管還可采用各種各樣的強化換熱管，如翅片管，螺旋槽管， 螺紋管等。當管內(nèi)外兩側給熱系數(shù)相差較大時，翅片管的翅片應布置在給熱系數(shù) 低的一側。 換熱管尺寸換熱管尺寸主要為 19mm2mm, 25mm2.5mm, 38mm2.5mm,無 縫鋼管以及 25mm2mm, 38mm2.5

34、mm 的不銹鋼管。標準管長有 1.5，2.0,3.0,4.5,6.0,9.0m 等。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大， 結構緊湊，金屬耗量減少，傳熱系數(shù)提高。據(jù)估算，將同直徑換熱器的換熱管有 25mm 改為 19mm，其傳熱面積可增加 40%左右，節(jié)約金屬 20%以上。但小管徑流體 大，不便清洗，易結垢堵塞。一般大直徑管子用于粘性大或污濁的流體，小直徑 管子用于較清潔的流體。 （2） 換熱管材料 常用材料有碳素鋼，低合金鋼，不銹鋼，銅銅鎳合金，鋁合金，鈦等。此外 還有一些非金屬材料，如石墨，陶瓷，聚四氟乙烯等。設計時應根據(jù)工作壓力， 溫度和介質(zhì)腐蝕性等選用合適材料。 （3） 換熱管排列形

35、式及中心距 換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形，正方形和轉(zhuǎn)角三角形，轉(zhuǎn)角正 方形。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用的最為 普遍，但管外不一清洗。為便于管外清洗，可以采用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列的 管束。 2.3.2 管板 管板是管殼式換熱器最重要的零件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的 流體分隔開來，避免冷熱流體混合，并同時受管程，殼程壓力和溫度的作用。 （1） 管板材料 在選擇管板材料時除力學性能外，還應考慮管程和 殼程的流體的腐蝕性， 以及管板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響。當流體物腐蝕性或有輕微腐蝕時， 管板一般采用壓力容器用碳素鋼或低合金鋼板或鍛件制造。

36、 當流體腐蝕性較強時，管板應采用不銹鋼，銅，鋁，鈦等耐腐蝕材料。但對 于較厚的管板，若整體采用價格昂貴的耐腐蝕性，造價很高。例如，高溫，高壓 換熱器中，管板厚度達 300mm 以上，有的甚至達到 50mm。為節(jié)約耐腐蝕材料，工 程上常采用不銹鋼+鋼，鈦+鋼，銅+鋼等符合板，或堆焊襯里。 （2） 管板結構 當換熱器承受高溫，高壓時，高溫和高壓對管板的要求的矛盾的。增大管板 厚度，可以提高承受能力，但當管板兩側流體溫差很大時，管板內(nèi)部沿厚度方向 的熱應力。當迅速停車或進氣溫度突然變化時，熱應力往往會導致管板和換熱管 在連接處發(fā)生破壞。因此，在滿足強度的前提下，應盡量減少管板厚度。薄管板 顧名思義是

37、指相對于采用標準，規(guī)范計算所得的管板厚度要薄很多的管板，一般 厚度為 8-20mm。 當要求嚴格禁止管程和殼程中的介質(zhì)互相混合時，可采用雙管板結構。在雙 管板結構中管子分別固定在兩塊管板上，兩塊管板保持一定距離，如果管子與管 板連接處有少量流體漏出，可讓其從連管板之間的空隙泄放之外界，也可利用一 薄壁圓筒將此空隙封閉起來，充入惰性氣體，使其壓力高于管程和殼程的壓力， 達到避免兩種介質(zhì)混合的目的。 2.3.3 管箱 殼體直徑較大的換熱器大多采用管箱結構。管箱位于管殼式換熱器的兩端， 管箱的作用是把管道輸送來的流體均勻的分布到各換熱管的把管內(nèi)流體匯集在一 起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起改

38、變流體流向的作用。 管箱的結構形式主要以換熱器是否需要清洗或管束是否需要分程等原因來決 定。 2.3.4 管束分程 在管內(nèi)流動的流體從管子的一端流到另一端，稱為一個管程。在管殼式換熱 器中，最簡單最常用的是單管程的換熱器。如果根據(jù)換熱器工藝設計要求，需要 加大換熱器面積時，可以采用增加管長或者管數(shù)的方法。但前者受到加工，運輸， 安裝以及維修等當面的限制，故經(jīng)常采用后一種方法。增加管數(shù)可以增加換熱面 積，但介質(zhì)在管束中的流速隨著換熱管數(shù)的增多而下降，結果反而使流體的傳熱 系數(shù)降低，故不能僅采用增加換熱管數(shù)的方法來達到提高傳熱系數(shù)的目的。未解 決這個問題，使流體在管束中保持較大的流速，可將管束分成

39、若干程數(shù)，使流體 一次流過各程管子，以增加流體速度，提高傳熱系數(shù)。管束分程可采用多種不同 的組合方式，對于每一程中的管數(shù)應大致相等，且程與程之間溫度差不易過大， 溫差以不超過 20左右為宜，否則在管束與管板中將產(chǎn)生很大的熱應力。 對 4 程分法來說。有平行和工字形兩種，一般為了接管方便，選用平行分法較 合適，同時平行分法亦可使管箱內(nèi)殘液放盡。工字型排列的優(yōu)點是比平行法密封 線短，且可排列更多管子。 2.3.5 換熱管與管板連接 換熱管與管板連接時管殼式換熱器設計，制造最關鍵的技術之一，是換熱器 事故率最多的部位。所以換熱管與管板連接質(zhì)量的好壞，直接影響換熱器的壽命。 換熱管與管板的鏈接方法主要

40、有強度脹接，強度焊和脹焊并用。 （1） 強度脹接 是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的脹接。常用的脹接有 非均勻脹接和均勻脹接兩大類。強度脹接的結構形式和尺寸見圖 4。圖中 l1為換 熱管伸出管板的長度，k 為槽深，它們隨換熱管外徑的大小而改變；l 為最小脹 接長度，其值與管板名義厚度有關。 機械滾珠脹接為最早的脹接方法，目前熱在大量使用。他利用滾脹管深入插 在管板孔中的管子的端部，旋轉(zhuǎn)脹管器使管子直徑增大并產(chǎn)生塑性變形，而管板 只產(chǎn)生彈性變形。取出脹管器后，管板彈性恢復，使館板與管子間產(chǎn)生一定的擠 壓力而貼合在一起，從而達到緊固的密封的目的。 液壓脹接與液袋脹接的基本原理相同，都

41、是利用液體壓力使換熱管產(chǎn)生塑性 變形。橡膠脹接是利用機械壓力是特種橡膠長度縮短，直徑變大，從而帶動管熱 管擴張達到脹接目的這些脹接方法具有生產(chǎn)率高，勞動強度低，密封性能好等優(yōu) 點。 強度脹接主要適用于設計壓力小于等于 4.0mpa；設計溫度小于等于 300； 操作中無劇烈震動，無過大溫度波動及無明顯應力腐蝕等場合。 （2） 強度焊 是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的焊接。由于管孔不需 要退火和磨光，因此結構簡單。焊接結構強度高，抗拉脫力強。在高溫高壓下也 能保證連接處的密封性能和抗拉脫能力。管子焊接處如有滲漏可以補焊或利用專 用工具拆卸后予以更換。 當換熱管與管板連接處的焊接之后

42、，管板與管子中存在的殘余熱應力與應力 集中，在運行時可能引起應力腐蝕與疲勞。此外，管子與管板孔之間的間隙中存 在的不流動的液體與間隙的液體有著濃度上的差別，還容易產(chǎn)生間隙腐蝕。 除有較大振動及有間隙腐蝕的場合，只要材料可焊性好，強度焊可用其他任 何場合。管子與薄管板的連接應采用焊接方法。 （3） 脹焊并用 脹接與焊接方法都有各自的優(yōu)點和缺點，在有些情況下，例如高溫，高壓換 熱器管子與管板的連接處，在操作中受到反復熱變形，熱沖擊，腐蝕及介質(zhì)壓力 的作用，工作環(huán)境極其苛刻，很容易發(fā)生破壞。無論單獨采用焊接或是脹接都難 以解決問題。如果采用脹焊并用的方法，不僅能改善連接處的抗疲勞性能，而且 還可消除

43、應力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。因此目前脹接并用方法已得到比 較廣泛的應用。 脹焊并用的方法，從加工工藝過程來看，主要有強度焊+密封焊，強度焊+貼 脹，強度焊+強度脹等幾種形式。這里所說的密封焊是指保證換熱管與管板連接 密封性能的焊接，不保證強度；貼脹是指為消除換熱管與管孔間隙并不承擔拉托 力的輕度脹接。如強度脹和密封焊相結合，則脹接承受拉脫力，焊接保證緊密性。 如強度焊與貼脹相結合，則焊接承受拉脫力，脹接消除管子與管板間的間隙。至 于脹焊的先后順序，雖無統(tǒng)一規(guī)定，但一般認為以先焊后脹為宜。因為當采用脹 管器時需用潤滑油，脹后難以洗凈，在焊接時存在于縫隙中的油污在高溫下生成 氣體從焊面逸出，

44、導致焊縫產(chǎn)生氣孔，嚴重影響焊縫的質(zhì)量。 脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動或疲勞載荷；有間隙腐蝕； 需采用復合管板等的場合。 2.4 殼程結構 殼程主要由殼體，折流板或折流桿，支持板，縱向隔板，拉桿，防沖擋板， 防短路結構等元件組成 2.4.1 殼體 殼體一般是一個圓筒，在殼壁上焊有接管，供殼程流體進入和排出之用。為 防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和振動，在殼程進口接管處常裝有 防沖擋板，或稱緩沖板。當殼體法蘭采用高頸法蘭或殼程進出口接管直徑較大或 采用活動管板時，殼程進出口接管距管板較遠，流體停滯區(qū)過大，靠近兩端管板 的傳熱面積利用率很低，為克服這一缺點，可采用導流筒結構。

45、導流筒除可以減 小流體停滯區(qū)，改善兩端流體的分布，增加換熱管的有效換熱長度，提高傳熱效 率外，還起防沖擋板的作用，保護管束免受沖擊。 2.4.2 折流板 設置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流 體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結構。在臥 式換熱器中，折流板還起支撐管束的作用。當工藝上無需折流板要求，而換熱管 有比較細長時，以及浮頭式換熱器的浮頭端重量較重時或 u 形管換熱器的管束較 長，則應考慮設置支持板，以起到防止換熱管變形的目的。 常用的折流板形式有弓形和圓盤-圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形， 雙弓形和三弓形三種，根據(jù)需要也可采用

46、其他形式的折流板與支持板，如堰形折 流板。 弓形折流板缺口高度應使流體通過缺口時與橫向流過管束時的流速相近。缺 口大小用切去的弓形弦高占殼體內(nèi)直徑的百分比來確定。如單弓形折流板，缺口 弦高宜取 0.20-0.45 倍的殼體內(nèi)直徑，最常用的是 0.25 倍殼體內(nèi)直徑。 對于臥式換熱器，殼程為單相清潔液體時，折流板缺口應水平上下布置。若 氣體中含有少量液體時，則在缺口朝上的折流板最低處開設通液口，若液體中含 有少量氣體，則應在缺口朝下的折流板最高處開通氣口。臥式換熱器的殼程介質(zhì) 為氣液相共存或液體中含有固體顆粒，折流板缺口應垂直左右布置，并在折流板 最低處開通液口。 折流板一般應按等間距布置，管束

47、兩端的折流板應盡量靠近殼程進出口接管。 折流板最小間距宜不下于內(nèi)直徑的 1/5，且不小于 50mm；最大間距應不大于恰提 內(nèi)直徑。折流板上管孔與換熱管之間的間隙以及折流板與殼體內(nèi)壁之間的間隙應 合乎要求，間隙過大，泄漏嚴重，對傳熱不利，還易引起振動；間隙過小，安裝 困難。 從傳熱角度考慮，有些換熱器使不需要設置折流板的。但是為了增加換熱管 的剛度，防止產(chǎn)生過大的撓度或引起管子振動，當換熱器物之承跨距超過了標準 中的規(guī)定值時，必須設置一定數(shù)量的支持板，其形狀與尺寸均按折流板規(guī)定來處 理。 折流板與支持板一般用拉桿和定距管連接在一起，在大直徑的換熱器中，如 折流板的間距較大，流體繞道折流板背后接近

48、殼體處，會有一部分流體停滯起來， 形成了對傳熱不利的死去。為了消除這個弊病，宜采用多弓形折流板。如雙弓形 折流板，因流體分為兩股流動，在折流板之間的流速相同時，其間距只有單弓形 的一半。不僅減少了傳熱死去，而且提高了傳熱效率。 2.4.3 折流桿 傳統(tǒng)的裝有折流板的管殼式換熱器存在著影響傳熱的死區(qū)，流體阻力大，且 易發(fā)生換熱管振動與破壞。為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器中換熱管與折流板的切割 破壞和流體誘導振動，并且強化傳熱提高傳熱效率，近年來開發(fā)了一種新型的管 束支撐結構折流桿支撐結構。該支撐結構有折流圈和焊在折流圈上的支承桿所 組成。折流圈可有棒材或板材加工而成，支承桿可有圓鋼或扁鋼制成。一半 4

49、 塊 折流圈為一組，也可采用 2 塊折流圈為一組。支承桿的直徑等于或小于管子之間 的間隙。因而能牢固地將換熱管支承住，提高管束的剛性。 2.4.4 防短路結構 為了防止殼程流體流動在某些區(qū)域發(fā)生短路，降低傳熱效率，需要采用放短 路機構。常用的放短路結構主要有旁路擋板，擋板，中間擋板。 （1） 旁路擋板 為了防止殼程邊緣介質(zhì)短路而降低傳熱效率，需增設旁路擋板，以迫使殼程 流體通過管束與管程流體進行換熱。旁路擋板可用鋼板或扁鋼制成，其厚度一般 與折流板相同。旁路擋板嵌入折流板槽內(nèi)，并與折流板焊接，通常當殼體公稱直 徑 dn500mm，增設一對旁路擋板；dn=500mm 時，增設兩對擋板；dn100

50、0mm 時， 增設三對旁路擋板。 （2） 擋管 當換熱器采用多管程時，為了安排管箱分程隔板，在管中心不排列換熱管， 導致管間短路，影響傳熱效率。為此，在換熱器分程隔板槽背面兩管板之間設置 兩端堵死的管子，即擋管。擋管一般與換熱管的規(guī)格相同，可與折流板電焊固定， 也可用拉桿代替。擋管每隔 3-4 排換熱管設置一根但不應設置在折流板缺口處。 擋管伸出第一塊及最近一塊折流板或支持板的長度應不大于 50mm。 （3） 中間擋板 在 u 形管式換熱器中，u 形管束中心部分存在較大間隙，流體宜走短路而影 響傳熱效率。為此在 u 形管束的中間通道處設置中間擋板。中間擋板一般與折流 板電焊固定。通常當殼體公稱

51、直徑 dn500mm 時，設置一塊擋板； 500mmdn1000mm 時，設置兩塊擋板；dn500mm 時，設置不少于三塊擋板。 2.4.5 殼程分程 根據(jù)工藝設計要求，或為增大殼程流體傳熱系數(shù)，也可將換熱器殼程分為多 程結構。 2.5 開孔和開孔補強設計 由于各種工藝和結構上的要求，不可避免的要在容器上開孔并安裝接管。開 孔以后，除消弱器壁的強度外，在殼體和接管的連接處，因結構的連續(xù)性被破壞， 會產(chǎn)生很高的局部應力，給容器的安全操作到來隱患，因此壓力容器設計必須充 分考慮開孔的補強問題。 2.5.1 補強結構 壓力容器接管補強結構通常采用局部補強結構主要有補強圈補強，厚壁接管 補強和整鍛件補

52、強三種形式。 （1） 補強圈補強 這是中低壓容器應用最多的補強結構，補強圈補強貼焊在殼體與接管連接處。 它結構簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐富，但補強圈與殼體金屬之間不能完全貼合， 傳熱結果差，在中溫以上使用時，二者存在較大的熱膨脹差，因而使補強局部區(qū) 域產(chǎn)生較大的熱應力；另外，補強圈去殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體， 所以抗疲勞性能差。這種補強結構一般使用在靜載，常溫，中低壓，材料的標準 抗拉強度低于 540mpa，補強圈厚度小于等于 1.5，殼體名義厚度不大于 n n 38mm 的場合。 （2） 厚壁接管補強 即在開孔處焊上一段厚壁接管。由于接管的加厚部分正處于最大應力區(qū)域內(nèi)， 故比補強

53、圈更能有效地降低應力集中系數(shù)。接管補強結構簡單，焊縫少，焊接質(zhì) 量容易檢查，因此補強效果較好。高強度低合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感 性較高，一般都采用該結構，但必須保證焊縫全熔透。 （3） 整鍛件補強 該補強結構是將接管和部分殼體連同補強部分金屬集中開孔應力最大部位， 能有效地降低應力集中系數(shù)；可采用對焊焊縫，并使焊縫極其熱影響區(qū)離開最大 應力點，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低 10%-15%。缺點是鍛件供應困難，制造 成本較高，所以只在重要壓力容器中應用，如核容器，材料屈服點在 500mpa,以 上的開孔及受低溫，高溫，疲勞載荷容器的大直徑開孔等。 2.5.2 開孔補強設計準則 開孔補強設

54、計就是指采取適當增加殼體或接管厚度的方法將應力集中系數(shù)減 少到某一允許值。目前通用的，也是最早的開孔補強設計準則是基于彈性失效設 計準則的等面積補強法。但隨著各國對開孔補強研究的深入，出現(xiàn)了許多新的設 計思想，形成了新的設計準則，如建立了以塑性失效準則為基礎的極限分析方法。 設計時，對于不同的使用場合和載荷性質(zhì)可采用不同的設計方法。設計時，對于 不同的使用場合和載荷性質(zhì)可采用不同設計方法。 （1） 等面積補強 認為殼體因開孔倍消弱的承載面積，須有補強材料在離開空變一定距離范圍 內(nèi)予以等面積補償。該方法時以雙向受拉伸的無限的大平板上開有小孔時孔邊的 應力集中作為理論基礎的，即僅考慮殼體中存在的拉

55、伸薄膜應力，且以補強殼體 的一次應力強度作為設計準則，故對小直徑的開孔安全可靠。由于該補強法未計 及開孔處的應力集中的影響，補強后對不同接管會得到不同的應力集中系數(shù)，即 安全裕量，因此有時顯得富裕，有時顯得不足。 等面積補強準則的優(yōu)點是有長期的實踐經(jīng)驗，簡單易行，當開孔較大時，只 要對開孔尺寸和形狀等予以一定的配套限制，在一般壓力容器使用條件下能夠保 證安全，因此不少國家的容器設計規(guī)范主要采用該方法，如 asme-1 和 gb150 等。 （2） 極限分析補強 該法要求帶有某種補強結構的接管與殼體發(fā)生塑性失效時的極限壓力和無接 管時的殼體極限壓力基本相同。 2.5.3 允許不另行補強的最大開孔

56、直徑 壓力容器常常存在各種強度裕量，例如接管和殼體實際厚度往往大于強度需 要的厚度；接管根部有填角焊縫；焊接接頭系數(shù)小于 1 但開孔位置不再焊縫上。 這些因素相當于對殼體進行了局部加強，降低了薄膜應力從而也降低了開孔出的 最大應力。因此，對于滿足一定條件的開孔接管，可以不予接管。 gb150 規(guī)定，當在設計壓力小于或等于 3.5mpa 的殼體上開孔，兩相鄰開孔中 心的間距大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑小于或等于 89mm 時，只要 接管最小厚度滿足要求就可不另行補強。 2.6 密封裝置設計 壓力容器的可拆密封裝置形式很多，如中低壓容器中的螺紋連接，承插式連 接和螺栓法蘭連接等，其中以結

57、構簡單，裝備比較方便的螺栓法蘭連接最為普通。 螺栓法蘭連接主要由法蘭，螺栓和墊片組成，螺栓作用有兩個：一是提供預 緊力實現(xiàn)初始密封，并承擔內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力；二是使螺栓法蘭連接變成可拆連 接。墊片裝在兩個法蘭中間，作用是防止容器發(fā)生泄漏。法蘭上有螺栓孔，以容 納螺栓。螺栓力，墊片反力與作用在筒體中面上的壓力載荷不再同一直線上，法 蘭受到彎矩的作用，會發(fā)生彎曲變形。螺栓法蘭連接設計的一般目的是：對于已 知的墊片特性，確定安全，經(jīng)濟的法蘭和螺栓尺寸，使接頭的泄漏率在工藝和環(huán) 境允許范圍內(nèi)，使接頭內(nèi)的應力在材料允許范圍內(nèi)，即確保密封性和結構完整性。 2.6.1 密封機理 流體在密封口泄漏有兩條途徑，一

58、是滲透泄漏，即通過墊片材料本體毛細管 的滲透泄漏，除了受介質(zhì)壓力，溫度，粘度，分子結構等流體狀態(tài)性質(zhì)影響外， 主要與墊片的結構與材料性質(zhì)有關，可通過對滲透性墊片材料添加某些填充劑進 行改良，或與不透性材料組合成型來避免滲透泄漏；二十界面泄漏，即沿著墊片 與壓緊面之間的泄漏，泄漏量大小主要與界面間隙尺寸有關。壓緊面就是指上， 下法蘭與墊片的接觸面。加工時壓緊面上凹凸不平的間隙及壓緊力不足時造成界 面泄漏的直接原因。界面泄漏時密封失效的主要途徑。 防止流體泄漏的基本方法是密封口增加流體流動的阻力，當介質(zhì)通過密封口的阻力越大， 約有利于密封。螺栓法蘭連接的整個工作過程可用尚未預緊工況，預緊工況與操作

59、工況來說 明。 2.7 焊接接頭結構 壓力容器各受壓部件的組裝大多采用焊接方式，焊縫的接頭形式和坡口形式 的計算直接影響到焊接的質(zhì)量與容器的安全，因而必須對容器焊接接頭的結構進 行合理設計。 2.7.1 焊接接頭形式 焊縫系指焊件經(jīng)焊接所形成的結合部分，而焊接接頭時焊縫，熔合線和熱影 響區(qū)的總稱。焊接接頭形式一般由被焊接兩金屬件的相互結構位置來決定，通常 分為對接接頭，角接接頭及 t 字接頭，搭接接頭。 （1） 對接接頭 系兩個相互連接零件在接頭處的中間處于同一平面或同一弧面內(nèi)進行焊接的 接頭。這種焊接接頭受熱均勻，受力對稱，便于無損檢測，焊接質(zhì)量容易得到保 證，因此，是壓力容器中最常用的焊接

60、結構形式。 （2） 角接接頭和 t 型接頭 系兩個相互連接零件在接頭處的中間相互垂直或相交成某一角度進行焊接的 接頭。兩構件成 t 字形焊接在一起的接頭，叫 t 型接頭。角接接頭和 t 字接頭都 形成角焊縫。 角接接頭和 t 型接頭，在街頭處構件結構是不連續(xù)的，承載后受力狀態(tài)不如 對連接頭，應力集中比較嚴重，且焊接質(zhì)量也不易得到保證。但是在容器的某些 特殊部位，由于結構的限制，不得不采用這種焊接結構，如接管，法蘭，夾套， 管板和凸緣的焊接，多為角接接頭或 t 型接頭。 （3） 搭接接頭 系兩個相互連接零件在接頭處有部分重合在一起，中間相互平行，進行焊接 接頭。 搭接接頭的焊縫屬于角接縫，與角接