固定管板式換熱器

1、固 定 管 板 式 換 熱 器摘 要 這篇論文主要介紹的是換熱器機械計算等相關(guān)的設(shè)計過程。本文引用這三年學過的書本知識及相關(guān)的技術(shù)標準，對換熱器的結(jié)構(gòu)、強度進行了系統(tǒng)的闡述。換熱器是目前許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。其中，換熱器是目前應(yīng)用較為廣泛的換熱設(shè)備。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，在相同管束情況下其殼體內(nèi)徑最小，管程分程較方便。缺點：殼程無法進行機械清洗，殼程檢查困難，殼體與管子之間無溫差補償元件時會產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，即溫差較大時需采用膨脹節(jié)或波紋管等補償元件以減小溫差應(yīng)力。我設(shè)計的換熱器內(nèi)部以換熱管和折流板做為基本構(gòu)件，冷介質(zhì)、余熱介質(zhì)分別在管程與殼程之間流動，以達到降溫或升溫的效

2、果。換熱器由筒體、管箱、封頭、支座、換熱管、折流板、管板及接管、法蘭等組成。通過強度計算合理選擇材料，確保安全運行，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，降低設(shè)備的制造成本，實現(xiàn)化工單元操作的最佳化。關(guān)鍵詞 換熱器 管箱 殼體 管板 封頭目 錄摘 要-1目 錄-2符號說明-4前 言-5第一章 命題-6 第1.1節(jié) 概述-6第1.2節(jié) 設(shè)計任務(wù)、設(shè)計思想-7第二章 換熱器的工藝設(shè)計-8第2.1節(jié) 換熱器的工藝條件-8第2.2節(jié) 估算設(shè)備尺寸-8第三章 換熱器零部件的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計-10第3.1節(jié) 傳熱管-10第3.2節(jié) 折流板-11第3.3節(jié) 拉桿、定距管-12第3.4節(jié) 防沖板-14第3.5節(jié) 接管-14第3.6

3、節(jié) 管箱-16第3.7節(jié) 管板結(jié)構(gòu)尺寸-17第3.8節(jié) 封頭-18第3.9節(jié) 法蘭-20第3.10節(jié) 墊片的選取-20第3.11節(jié) 鞍座的選取-21第四章 換熱器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計-22第4.1節(jié) 傳熱管與管板的連接-22第4.2節(jié) 管板與殼體的連接-22第4.3節(jié) 管板與管箱的連接-23第五章 換熱器的強度設(shè)計與校核-25第5.1節(jié) 殼體、管箱的壁厚計算-25第5.2節(jié) 法蘭的強度校核-26第5.3節(jié) 管板厚度的計算-29第5.4節(jié) 開孔補強計算-33第5.5節(jié) 壓力試驗-35第六章 換熱器的加工工藝和裝配程序-37第6.1節(jié) 概述-37第6.2節(jié) 材料驗收-37第6.3節(jié) 筒體的制造-37第6

4、.4節(jié) 封頭的制造-39第6.5節(jié) 管板的制造-40第6.6節(jié) 管束的制造-40第6.7節(jié) 折流板的制造-41第6.8節(jié) 裝配-42第6.9節(jié) 油漆、包裝-45第6.10節(jié) 換熱器在使用中常見故障及處理-45結(jié)論-47參考文獻-48致謝-49符號說明符 號意 義單 位t許用應(yīng)力MPat計算應(yīng)力MPaC厚度附加量mmC1鋼材厚度偏差mmC2腐蝕裕量mmDi圓筒內(nèi)直徑mmPwt最大允許工作壓力MPaPc計算壓力MPaE材料的彈性模量Pa焊縫系數(shù)計算厚度mm d設(shè)計厚度mmn名義厚度mm e有效厚度mmm墊片系數(shù)mmye比壓力MPa A補強截面積mm2B補強有效寬度mmF壓力NK橢圓形封頭形狀系數(shù)M

5、力矩N.mm前言換熱器設(shè)備是化學工業(yè)、石油工業(yè)、石油化工等生產(chǎn)中最中要的設(shè)備之一，為了幫助我們的復習與鞏固以往學習過的專業(yè)知識，并對換熱設(shè)備有一個深入了解。畢業(yè)設(shè)計是我們在學校學習結(jié)束階段的一個綜合學習、訓練，培養(yǎng)獨立工作能力的重要教學環(huán)節(jié)，畢業(yè)設(shè)計作為一個獨立的教學環(huán)節(jié)，不同于一門課程的學習，又不同于實際工程設(shè)計工作，相同之處在于它是為了教學目的而設(shè)置的教學環(huán)節(jié)。畢業(yè)設(shè)計是一項學習任務(wù)，又是一項獨立的創(chuàng)造性工作。最大限度的采用新技術(shù)成就，反映現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展水平，充分發(fā)揮獨立工作能力，一定要遵循理論聯(lián)系實踐的原則。由于知識和經(jīng)驗的不全面性和貧乏，在這次設(shè)計中難免有錯漏之處，敬請老師給予指教。第

6、一章 命 題第1.1節(jié) 概述換熱器在工業(yè)中的應(yīng)用換熱設(shè)備是使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備，使化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%20%；在化肥廠中，約占總投資的30%41%。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給穩(wěn)到較低的流體，使流體溫度達到工藝流程的指標，以滿足工業(yè)流程上的需要。由于世界性的能源危機，為了降低能耗，工業(yè)生產(chǎn)中對換熱器的需求量越來越多，對換熱器的質(zhì)量要求也越來越高。近幾十年來，緊湊式換熱器(板式、板翅式、壓焊板式換熱器等)、熱管式換熱器、直接接觸式換熱器等

7、得到發(fā)展。目前國內(nèi)使用的換熱器多為列管換熱器和螺旋板換熱器。它的主要特點是管內(nèi)外換熱面積相等。但是交換系數(shù)相差較大的交換介質(zhì)在管內(nèi)外進行熱量交換時，由于其不平恒性而達不到理想的交換目的，換熱效率相對較低。雖然現(xiàn)在出現(xiàn)大量結(jié)構(gòu)緊湊高效的換熱設(shè)備，例如：波紋板換熱器、板翅式換熱器、螺旋板換熱器、傘板換熱器等，但在各行業(yè)的換熱設(shè)備中，管殼式換熱器仍占據(jù)著主導地位。因為許多工藝過程都具有高溫、高壓、高真空、有腐蝕等特點，而管殼式換熱器具有選材范圍廣(可為碳鋼、低合金鋼、高合金鋼、鋁材、銅材、鈦材等)，換熱表面清洗較方便，適應(yīng)性強，處理能力大，特別是能承受高溫和高壓等特點，所以管殼式換熱器被廣泛應(yīng)用于化

8、工、煉油、石油化工、制藥、印染以及其它許多工業(yè)中，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等方面。管殼式換熱器主要由換熱管束、殼體、管箱、分程隔板、支座等組成。換熱管束包括換熱管、管板、折流板、支持板、拉桿、定距管等。換熱管可為普通光管，也可為帶翅片的翅片管，翅片管有單金屬整體軋制翅片管、雙金屬軋制翅片管、繞片式翅片管、疊片式翅片管等，材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅材、鋁材、鈦材等。殼體一般為圓筒形，也可為方形。管箱有橢圓封頭管箱、球形封頭管箱和平蓋管箱等。分程隔板可將管程及殼程介質(zhì)分成多程，以滿足工藝需要。管殼式換熱器在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須考慮許多因素，例如傳熱條件、材料、介質(zhì)壓力、溫度、管殼

9、程壁溫溫差、介質(zhì)結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修和清洗條件等等，從而確定一種適合的結(jié)構(gòu)形式。對于同一種形式的換熱器，由于各種不同工況，往往采用的結(jié)構(gòu)并不相同。在工程設(shè)計中，應(yīng)按其特定的條件進行分析設(shè)計，以滿足工藝需要。第1.2節(jié) 設(shè)計任務(wù)、思想1.2.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計課題為固定管板式換熱器，設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計需要選擇適用合理、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式，同時滿足制造、檢修、裝配、運輸和維修等要求；而強度計算的內(nèi)容包括換熱器的材料，確定主要結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強度、剛度和穩(wěn)定性等要求，根據(jù)設(shè)計壓力確定壁厚，使換熱器有足夠的腐蝕裕度。1.2.2 設(shè)計思想 盡可能采用先進的技術(shù)、國家與行業(yè)標準，使生產(chǎn)達到

10、技術(shù)先進，經(jīng)濟合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則，具體有如下幾點： 1）根據(jù)GB150-1998鋼制壓力容器和GB151-1999管殼式換熱器等國家標準為基礎(chǔ)進行設(shè)計。 2）滿足工藝和操作要求，所設(shè)計出來的流程和設(shè)備能保證得到質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，設(shè)計的流程與設(shè)備需要一定的操作彈性，可方便地進行流量和傳熱量的調(diào)節(jié)。 3）滿足經(jīng)濟上的要求，設(shè)計省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備與基礎(chǔ)的費用，選擇合適的回流比，節(jié)省水蒸汽，設(shè)計時要全面考慮，力求總費用盡可能低一些。 4）保證生產(chǎn)安全，保證換熱器具有一定的剛度和強度。設(shè)計中根據(jù)設(shè)計壓力確定壁厚,再校核其他零件的強度,進行水壓試驗，容器是否有足夠的腐蝕

11、裕度。第二章 換熱器的工藝設(shè)計 第2.1節(jié) 換熱器的工藝條件設(shè) 計 條 件：殼 程管 程工 作 介 質(zhì)：飽和蒸汽熱 水設(shè) 計 溫 度：18090工 作 溫 度:16085設(shè) 計 壓 力：0.6MPa0.7Mpa工 作 壓 力：0.54Mpa0.65Mpa焊 縫 系 數(shù)：0.850.85腐 蝕 余 量：1mm換 熱 面 積：35M2第2.2節(jié) 估算設(shè)備尺寸2.2.1 計算傳熱管數(shù)NT擬用傳熱管規(guī)格為25x2，管長L2000mm，傳熱管數(shù)NT為式中符號： 換熱管外徑。mm 所需換熱面積。L 換熱管長。 M 換熱管總數(shù)。根2.2.2 若將傳熱管按正三角形排列，計算殼程直徑D取管心距 t=1.3do

12、t=1.3x25=32(mm) 橫過管束中心線的管數(shù) 采用單管程結(jié)構(gòu)，則殼程內(nèi)徑為 D=t(nc-1)+(2-3)do=32x(17-1)+(2-3)x25=487(mm) 圓整得D600mm第三章 換熱器零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計第3.1節(jié) 傳熱管3.1.1 換熱管的型式和尺寸換熱管有光管、焊接管、螺紋管、波節(jié)管、波紋管、三維內(nèi)外肋管等。在沒有特殊要求的情況下，一般選用光管因為光管加工方便、價格便宜，本裝置采用光管。選擇管徑時，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過規(guī)定的流速范圍。易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標準中僅有252mm及192mm兩種規(guī)格的管子。本裝置的

13、殼程介質(zhì)是飽和蒸汽，是比較容易清潔和不易結(jié)垢的流體，因此采用252mm規(guī)格。3.1.2換熱管的材料常用材料有碳素鋼、低和金鋼、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、陶瓷等。本換熱器材質(zhì)選用0Cr18Ni9。 3.1.3換熱管排列形式及管心距管子在管板上的排列有正三角形、正方形和同心圓排列三種方式，如圖所示。傳熱管的排列應(yīng)使其在整個換熱器圓截面上均勻分布，同時還要考慮流體的性質(zhì)，管箱結(jié)構(gòu)及加工制造等方面的問題。正三角形排列的優(yōu)點有:管板的強度高；流體走短路的機會少，但管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子；但是正三角形排列蝕管外機械清洗

14、較為困難。正方形排列的優(yōu)點是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合；但是在同樣的管板面積上可排列的管子數(shù)量為最少。同心圓排列方式優(yōu)點再也靠近殼體的地方管子分布較均勻，在殼體直徑較小的換熱器中可以排列的傳熱管數(shù)比三角形排列還多。本換熱器流體的性質(zhì)屬于比較潔凈和不易結(jié)垢，因此采用正三角形排列，如圖（a）所示。圖3.1.1 管子的排列方式管板上兩傳熱管中心距離稱為管心距，管心距的大小主要與傳熱管和管板的連接方式有關(guān)，此外還要考慮到管板強度和清洗管外表面時所需的空間。根據(jù)GB151-1999 規(guī)定管心距為32mm。第3.2節(jié) 折流板列管式換熱器的殼程流體流通截面積大，在殼程流體屬對流傳熱條

15、件時，為增大殼程流體的流速，加強其湍動程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需要設(shè)置折流板。折流板有橫向折流板和縱向折流板兩類，單殼程的換熱器僅需設(shè)置橫向折流板，橫向折流板同時兼有支承傳熱管，防止產(chǎn)生振動作用。管殼式換熱器常用的有弓形和盤環(huán)形。在弓形折流板中，流體在板間錯流沖刷管子，而流經(jīng)折流板弓形缺口時是順流經(jīng)過管子后進入下一板間，改變方向，流動中死區(qū)較少，比較優(yōu)越，結(jié)構(gòu)比較簡單，一般標準換熱器中只采用這種。盤環(huán)形折流板制造不方便，流體在管束中為軸向流動，效率較低。而且要求介質(zhì)必須是清潔的，否則沉淀物將會沉積在圓環(huán)后面，傳熱面積失效，一般用于壓力比較高而又清潔的介質(zhì)。因此，采用單弓形折流板。3.2.1折

16、流板的主要幾何參數(shù)根據(jù)GB151-1999弓形折流板圓缺大小用切去弓弦高占圓筒內(nèi)直徑的百分比來確定，單弓形折流板缺口弦高h值，宜取0.20-0.45倍的圓筒內(nèi)直徑,取系數(shù)為0.25，切去圓缺高度h=0.25x600=155mm3.2.2 折流板與殼體間隙折流板外周與殼體內(nèi)徑之間的間隙越小，殼程流體介質(zhì)在此處的泄漏越小，使傳熱效率提高，但間隙越小，給制造、安裝帶來困難。選取折流板名義外直徑D=DN-8=600-3=597mm。3.2.3 折流板厚度折流板厚度與殼體直徑、換熱管無支承長度有關(guān)，其厚度根據(jù)參考選取5mm。3.2.4 折流板的管孔、折流板的管孔直徑和公差 按GB151-99規(guī)定，級管束

17、換熱器折流板管孔直徑d+0.4=25+0.4=25.4mm，及允許偏差、管孔中心距 折流板上管孔中心距（包括分程隔板處的管孔中心距）t=32,公差為相鄰兩孔 ，任意兩孔 1.00mm管孔加工 折流板上管孔加工后兩端必須倒角0.5X45。3.2.5 材料的選取設(shè)計溫度180和設(shè)計壓力P0.6MPa,根據(jù)GB150-1998選取Q235-B鋼板，它的適用范圍：容器設(shè)計壓力P1.60MPa；鋼板使用溫度為035；用于殼體時，鋼板厚度不大于20mm；不得用于液化石油氣介質(zhì)以及毒性程度為高度或極度危害介質(zhì)的壓力容器。Q235-A.F和Q235-A鋼板技術(shù)要求低，鋼板質(zhì)量差，以往因鋼材供應(yīng)情況的限制，不得

18、不采用。線技術(shù)要求較高的Q235B已大量生產(chǎn)。從標準的技術(shù)合理性、壓力容器的使用安全性以及鋼材供應(yīng)的可能性等方面綜合考慮，2002年7月1日起，在現(xiàn)有國內(nèi)規(guī)范中取消了Q235A.F和A235A兩種鋼號。第3.3節(jié) 拉桿、定距管3.3.1 拉桿的結(jié)構(gòu)形式折流板與支持板一般均采用拉桿與定距管等元件與管板固定，其固定形式有如下幾種：1）采用全焊接方式，如圖（c）拉桿一端插入管板并與管板焊接，每塊折流板間距固定后與拉桿焊接固定。常用于拉桿與折流板為不銹鋼結(jié)構(gòu)或換熱管外徑14mm的管束。2）采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)，拉桿一端用螺紋擰入管板，每兩塊折流板之間的間距用定距管固定，每根拉桿上最后一塊折流板與拉桿焊接

19、如圖（d）；也有的是最后一塊折流板用兩個螺母鎖緊固定，這種形式易于調(diào)節(jié)折流板之間夾緊程度，在穿進換熱器后，各折流板處于相對自由狀態(tài)，是列管換熱器最常用的形式如圖（b）。3）螺紋與焊接相結(jié)合，如圖（a）拉桿一端用螺紋擰入管板，然后將每塊折流板焊在拉桿上，同樣不需要定距管，適于換熱管外徑14mm的管束。4）定距螺栓拉桿，如圖（e）是靠一節(jié)節(jié)定距螺栓將折流板夾持而達定距及固定折流板的目的。定距螺栓分A、B兩種形式，A型是與管板連接的定距螺栓，其兩端均為螺栓，B型是兩折流板之間采用的，其一端是螺栓，另一端是螺母，該結(jié)構(gòu)安裝簡單方便，間距正確。 圖3.3.1 拉桿的結(jié)構(gòu)形式本裝置的換熱管外徑為25mm，

20、換熱器直徑為600mm，根據(jù)上述所說選用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。3.3.2 拉桿直徑、數(shù)量和尺寸1)、拉桿直徑和數(shù)量 根據(jù)GB1511999規(guī)定，拉桿直徑d10mm，拉桿數(shù)量為6根。2)、拉桿尺寸 如零件圖3.3.3 拉桿的布置 拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。拉桿位置占據(jù)換熱管的位置，對于大直徑換熱器，在布管區(qū)的中心部位或靠近折流板缺口處也應(yīng)布置適當數(shù)量的拉桿。第3.4節(jié) 防沖板為了防止殼程物料進口處流體對換熱管表面的直接沖刷，引起侵蝕及振動，應(yīng)在流體入口處裝置防沖板，以保護換熱管。設(shè)置防沖板時，殼程進出口處的流道面積為接管處圓筒脮表面與防沖板表面之間介質(zhì)通過的面積；殼程進出口處設(shè)置防沖板時，管束

21、進出口處流道面積為折流板與管板或折流板之間距內(nèi)換熱管之間的通道面積減去防沖板的投影面積。防沖板在殼體內(nèi)的位置，應(yīng)使防沖板周邊與殼體內(nèi)壁所形成的流通面積為殼程進口接管截面積的11.25倍。根據(jù)GB151-1999規(guī)定，防沖板的固定形式有A） 防沖板的兩側(cè)焊在定距管或拉桿上，也可同時焊在靠近管板的第一塊折流板上；B） 防沖板焊在圓筒上；C） 用U形螺栓將防沖板固定在換熱器上。本裝置采用防沖板焊在圓筒上。根據(jù)GB151-1999規(guī)定，防沖板的最小厚度：當殼程進口接管直徑小于300mm時，對碳鋼、低和金鋼取4.5mm；對不銹鋼取3mm。當殼程進口接管直徑大于300mm時，對碳鋼、低合金鋼取6mm；對不

22、銹鋼取4mm.本裝置的殼程進口接管直徑為150mm小于300mm，防沖板的材料為Q235B，它的厚度取4.5mm。第3.5節(jié) 接管3.5.1 接管的要求1)接管（含內(nèi)焊縫）不應(yīng)凸出殼體內(nèi)表面，并在該部位打磨平滑，以免妨礙管束的拆裝。2)接管應(yīng)盡管沿徑向或軸向布置，（4管程的例外）以方便配管與檢修。3)設(shè)計溫度在300以上時，不得使用平焊法蘭，必須采用整體法蘭。4)對利用接管（或接口）仍不能放氣和排液的換熱器，應(yīng)在管程和殼程的最高點設(shè)置放氣口，最低點設(shè)計排液口，其最小公稱尺寸為20mm。5)操作允許時，一般是在高溫、高壓或不允許介質(zhì)泄漏的場合，接管與外部管線的連接也可采用焊接。6)必要是可設(shè)置溫

23、度計接口、壓力表及液面計接口。3.5.2 接管高度（伸出長度）確定 接管伸出殼體（或管箱殼體）外壁的長度，主要考慮法蘭形式，焊接操作條件，螺栓拆裝，有無保溫及保溫厚度等因素決定。一般最短應(yīng)符合下式計算值l h + h1 + + 15 (mm)式中：h接管法蘭厚度，mm； h1接管法蘭的螺母厚度，mm； 保溫層厚度，mm； l接管安裝高度，如圖a、b圖a 殼程接管位置 圖b 管箱接管位置依據(jù)上述要求接管高度為：熱水進口接管高度l=208mm, 熱水出口接管高度l=208mm, 蒸汽進口接管高度l=208mm, 排凝出口接管高度l=208mm, 管箱排氣口接管高度l=158mm,管箱排污口接管高度

24、l=158mm，殼程排氣口接管高度l=158mm。3.5.3 接管位置最小尺寸 殼程接管位置最小尺寸見圖a，按下式估算：無補強圈 L2do/2+(b-4)+C管程接管最小尺寸見圖b，按下式估算：無補強圈 L2do/2+hf+C為考慮焊縫影響，一般取C3倍殼體壁厚且不小于50100mm。有時殼徑較大且折流板間距也很大，則L1值在設(shè)計時尚應(yīng)考慮第一塊折流板與管板的間距，以使流體分布均勻。 （a ） ( b )依據(jù)上述要求接管高度為：熱水進口接管L2=250mm, 熱水出口接管高度L2=250mm, 蒸汽進口接管L2=250mm, 排凝出口接管L2=150mm。3.5.4 排氣，排液管為提高傳熱效率

25、，排除或回收工作殘液（氣），凡不能借助其他接管排氣，排液的換熱器應(yīng)在其殼程和管程的最高，最低點，分別設(shè)置排氣、排液接管，排氣、排液接管的端部必須與殼體或管箱殼體內(nèi)壁平齊。第3.6節(jié) 管箱管箱的作用是把由管道來的管程流體均勻分布到各傳熱管把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起到改變流體流向的作用。無論那種管箱，其管箱的最小內(nèi)側(cè)深度應(yīng)當滿足這樣的要求：使連接雙程間流體流動的橫截面至少大于或等于單管程通過的截面。3.6.1 管箱結(jié)構(gòu)形式（1）、A型（平蓋管箱）如圖（a）裝有管箱平蓋（或稱盲板），清洗管程時只要拆開盲板即可，而不必拆卸整個管箱和與管箱相連的管路，缺點是盲板結(jié)構(gòu)用材多

26、，且尺寸較大是得用鍛件，耗費大量機加工時，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。一一般多用于DN3000mm時，取Ls=(0.5-0.7)Lc ）盡量使Lc和Lc相近如圖所示第四章 換熱器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計第4.1節(jié) 傳熱管與管板的連接管子與管板的連接，在管殼式換熱器的設(shè)計中，是一個比較重要的結(jié)構(gòu)部分。它不僅加工工作量大，而且必須使每個連接處在設(shè)備的運行中，保證介質(zhì)無泄漏及承受介質(zhì)壓力的能力。管子與管板的連接形式有強度脹接、強度焊接與脹焊接的混合結(jié)構(gòu)。無論采用何種連接形式，度必須滿足一下兩種條件：連接處保證介質(zhì)無泄漏的充分氣密性；承受介質(zhì)壓力的充分結(jié)合力。強度脹接結(jié)構(gòu)簡單，換熱管修補容易。由于脹

27、接管端處在脹接使產(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應(yīng)力。不銹鋼管與管板無論壓力大小，溫度高低，一般均采用焊接結(jié)構(gòu)，目的是消除換熱管與管板孔的間隙，從而消除間隙腐蝕。第4.2節(jié) 管板與殼體的連接管板與殼體的連接依換熱器的結(jié)構(gòu)形式分為可拆連接及不可拆連接。可拆連接主要用于浮頭式，U型管式和填料函式換熱器的固定端管板，不可拆連接在剛性結(jié)構(gòu)換熱器中采用，其兩端管板的內(nèi)側(cè)面直接焊在殼體上，而根據(jù)兩端管板的外測面連接形式又分為管板兼法蘭和不兼作法蘭。前者用于管側(cè)介質(zhì)壓力及密封性能要求不高的場合即通常稱為固定管板式換熱器；后者多見于管側(cè)壓力很高或密封性能要求也高的高壓高溫換熱器中，如合成氨系統(tǒng)中的廢熱鍋爐及合成換熱器

28、中。本設(shè)備選取了延長部分兼作法蘭的管板。如圖為常見的兼作法蘭的管板與殼體連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體情況也可選用其他形式的結(jié)構(gòu)。其使用壓力及場合主要依據(jù)焊縫是否焊透及焊縫受力情況?？珊竿附Y(jié)構(gòu)及對接焊縫使用壓力則較高，反之則較低，如圖（a）為角焊縫，無論殼體其他環(huán)焊縫質(zhì)量多高，可以采用對接雙面焊，但是進行殼程強度計算時，只能依這里的焊縫為最薄弱環(huán)節(jié)取用焊縫系數(shù)。管板上開槽，是使殼體容易保證與管板對中，施焊方便，這種結(jié)構(gòu)適于殼體板厚大于10mm，殼程壓力Ps1MPa，不適宜用于易燃、易爆、易揮發(fā)及有毒介質(zhì)的場合。圖（b）、（c）形式的焊接質(zhì)量可大大提高，因此適宜用在壓力較高（Ps4MPa），設(shè)備直徑較大，管

29、板較厚的場合。圖（d）、（e）形式的使用壓力更高，一般Ps4MPa。此時管板帶有凸肩，其焊接結(jié)構(gòu)性能已由角接變?yōu)閷?，故承載能力更佳。在選定上述結(jié)構(gòu)形式時，要特別注意殼程介質(zhì)有無間隙腐蝕作用，則只能選擇圖（b）、（d）兩種不帶墊板的結(jié)構(gòu)；若殼程節(jié)奏無間隙腐蝕的作用，應(yīng)盡量選擇帶有墊板的存在間隙的結(jié)構(gòu)形式，即圖（c）、（e），它可以保證對接焊縫焊透，焊接質(zhì)量更佳。至于管板上環(huán)形圓角則完全是為 減少應(yīng)力集中。 圖4.2.1 兼作法蘭的管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)本設(shè)備直徑較大，管板較厚，殼體介質(zhì)無間隙腐蝕的作用，選擇沒有墊板的存在間隙的結(jié)構(gòu)形式。第4.3節(jié) 管板與管箱的連接管板與管箱連接多數(shù)是靠法蘭連接，

30、形式很多，隨著溫度，壓力及耐腐蝕情況不同而異。在設(shè)計中應(yīng)合理選擇不同連接形式，對設(shè)備的制造，安全及節(jié)約材料有重要的意義。固定管板式換熱器的管板與管箱法蘭的連接形式比較簡單，除了滿足工藝上要求選擇一定的密封面形式外，按壓力、溫度來選擇法蘭的結(jié)構(gòu)形式。如圖所示為三種最常見的固定管板換熱器的管板與管箱法蘭連接形式。圖（a）的結(jié)構(gòu)采用平面密封形式，適用于管程操作壓力小于1.6MPa，且對氣密性要求不高的情況下。圖（b）采用榫槽密封面形式，適于氣密性要求較高的場合，但具有制造要求較高，加工比較困難，墊片窄，安裝不便等缺點，一般在中低壓較少采用，當在較高壓下采用時，法蘭的形式應(yīng)改用長頸法蘭。圖（c）的形式

31、時最常見的，法蘭的密封面采用凹凸面形式，視壓力高低，法蘭形式可為平焊法蘭，更多的為長頸法蘭。根據(jù)本設(shè)備的氣密性要求和為了加工方便，安裝便利，采用下面的連接方式，法蘭的密封面采用凹凸面形式，視壓力高低，法蘭形式可為平焊法蘭，更多的為長頸法蘭。 圖4.3.1 固定管板換熱器的管板與管箱的連接 第五章 換熱器的強度設(shè)計與校核第5.1節(jié) 殼體、管箱的壁厚計算5.1.1 殼體 采用Q235-B，根據(jù)GB1501998在設(shè)計壓力0.6MP和設(shè)計穩(wěn)到180下的許用應(yīng)力t=105MP,受壓元件的焊接接頭型式是雙面焊對接接頭或相當于雙面焊的全焊透對接接頭，其100無損檢測下的焊接接頭系數(shù)1.00，局部無損檢測0

32、.85，取1。公稱直徑Di=600mm,碳鋼的腐蝕余量C21mm,鋼板厚度負偏差C10.8mm5.1.2 管箱采用Q235B材料。根據(jù)GB150-1998,在設(shè)計壓力0.7MPa和設(shè)計溫度90下的許用應(yīng)力t=113Mpa 焊接接頭系數(shù)1，公稱直徑Di=600mm,腐蝕余量C21mm。第5.2節(jié) 法蘭的強度校核5.2.1 管箱法蘭1、墊片采用D645mm，d=600mm,=3mm的石棉橡膠墊片。由GB1501998 表92查得：墊片系數(shù)m=2.0mm,比壓力y=11MPa1)墊片的有效密封寬度 接觸寬度N22mm，基本密封寬度bON/2=22/2=11mm 根據(jù)GB1501998，當bO6.4m

33、m時，2)墊片壓緊力作用中心圓直徑 當bO6.4mm時，墊片壓緊力作用中心圓直徑 DGD-2b=654-2x7=640mm3)墊片壓緊力預緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力FG=Fa=3.14DGby=3.14x640x11x11=.6N4)操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力FG=FP=6.28DGbmPC=6.28x640x7x2.0x0.65=36574.72N2、螺栓1)螺栓的布置根據(jù)GB150-1998的表9-3，選取法蘭徑向尺寸LA24mm，Le20，螺栓最小間距2)螺栓載荷(1).預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WaFa=3.14DGby=3.14x640x7x11=.2N(2).操作狀態(tài)下需要

34、的最小螺栓載荷WP=F+FP=0.785DG2PC+6.28DGbmPC=0.785x6402x0.65+6.28x640x7x2.0x0.65=.12N3)螺栓面積(1)預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積(2)操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積(3)需要的螺栓面積 取Aa和AP的最大值A(chǔ)m=1395.3mm2(4)實際螺栓面積AbAbAm ,符合4)螺栓設(shè)計載荷(1).預緊狀態(tài)下螺栓設(shè)計載荷(2).操作狀態(tài)下螺栓設(shè)計載荷3、法蘭1)法蘭力矩 2)預緊狀態(tài)下的法蘭力矩3)操作狀態(tài)下的法蘭力矩2)法蘭設(shè)計力矩法蘭材料Q235B在設(shè)計溫度90下的許用應(yīng)力常溫下法蘭材料的許用應(yīng)力 第5.3節(jié) 管板厚度計算1.

35、未能被換熱管支承的面積 管板布管區(qū)面積管板布管區(qū)當量直徑系數(shù) 2.根據(jù)前選取的結(jié)構(gòu)尺寸：寬度bf=133mm, 厚度f=32mm， 厚度=42mm3.EP=Ef=2.06x105MPa,EP=Ef”=2.06x105MPa, ES=2.06x105MPa 由S/Di=8/600=0.01和f/Di=32/600=0.05,查圖26得=0.007；由S/Di=8/600=0.01和f”/Di=40/600=0.07,查圖26得”=0.018管板開孔前的抗彎剛度旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)：管板布管區(qū)當量直徑 4.由GB151-1999的圖19、圖20和圖21，按 分別查?。篊C=0.2320, Ce=0.01,

36、 CM=0.1405.計算管板中心處（r=0），布管區(qū)周邊處（r=Rt）和邊緣處（r=R）d 的徑向應(yīng)力1以殼程設(shè)計壓力Ps=0.6MPa,Pt=0MPa：2. 以管程設(shè)計壓力Pt=0.7MPa,Pt=0MPa：6.由圖22按分別查?。篟=0.72, T=0.727.計算基本法蘭力矩Mm，操作工況法蘭力矩Mp8.計算法蘭預緊力矩MfoPs作用下，Pt作用下，9.計算由法蘭預緊力矩Mfo所引起的在管板中心處（r=o），布管區(qū)周邊處(r=Rt)和邊緣處(r=R)的徑向應(yīng)力1以殼程設(shè)計壓力Ps=0.6MPa,Pt=0MPa：2. 以管程設(shè)計壓力Pt=0.7MPa,Pt=0MPa：10計算設(shè)計力矩Mw

37、s和管板延長部分的法蘭應(yīng)力1以殼程設(shè)計壓力Ps=0.6MPa,Pt=0MPa：2. 以管程設(shè)計壓力Pt=0.7MPa,Pt=0MPa：11應(yīng)力校核1以殼程設(shè)計壓力Ps=0.6MPa,Pt=0MPa：設(shè)計溫度下管板材料Q235-B的許用應(yīng)力設(shè)計溫度下管板的延伸法蘭材料的許用應(yīng)力2.以管程設(shè)計壓力Pt=0.7MPa,Pt=0MPa：設(shè)計溫度下管板材料的許用應(yīng)力設(shè)計溫度下管板的延伸法蘭材料的許用應(yīng)力 管板符合標準。第5.4節(jié) 開孔補強的計算5.4.1 概述我們設(shè)計的換熱器是不能沒有接管的，有接管就不可避免要開孔。在容器的開孔部位產(chǎn)生的應(yīng)力集中將引起殼體局部強度削弱。若開孔很小，并有接管，且接管又足以

38、使強度的削若得以補嘗，則不需另行補強，若開孔較大，此時就應(yīng)采取適當?shù)难a強措施，這就是開孔補強設(shè)計。但經(jīng)補強后的接管區(qū)可以使應(yīng)力集中系數(shù)降低，但不能消除應(yīng)力集中。5.4.2殼體開孔補強1.殼體開孔滿足下列全部要求時，可不用補強，據(jù)文獻GB150-1998知：1)設(shè)計壓力小于或等于2.5Mpa.2)兩相鄰開孔中心的間距（對曲面間距以弧長計算）應(yīng)小于兩孔直徑之和的兩倍。3)接管公稱外徑小于或等于89mm4).接管最小壁厚滿足GB150-1998表8-1殼體開孔的排氣口、排污口和排凝出口接管選擇了32*3.5和766的接管，可不用補強。2.殼體飽和蒸汽入口和管箱封頭 熱水入口、出口開孔補強的校核 因殼

39、體和管箱開孔尺寸相同，兩者計算其以即可1)開孔補強采用等面積補強法管箱、圓筒計算厚度1.43mm，有效厚度e8.0mm，設(shè)計壓力P0.7MPa,設(shè)計溫度180，在圓筒接159x7的接管，接管高度221mm,圓筒和接管材料為Q235-B,其許用應(yīng)力t=105MPa,封頭和接管的厚度附加量C1.0mm，焊接接頭系數(shù)1。接管計算壁厚接管有效厚度 開孔直徑 接管有效補強寬度 接管外側(cè)有效補強高度 需要補強面積 可以作為補強的面積為該接管補強的強度足夠，不需另設(shè)補強結(jié)構(gòu)。第5.5節(jié) 壓力試驗除材料本身的缺陷外，容器在制造（特別是焊接過程）和使用中會產(chǎn)生各種缺陷，為考核缺陷對壓力容器安全性的影響，壓力容器

40、制造完畢后或定期檢驗時，都要進行壓力試驗。壓力試驗包括耐壓試驗和氣密性試驗。這里只要進行液壓試驗，在液壓試驗時，為防止材料發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞，液體溫度不得低于容器殼體材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。5.5.1 管程圓筒： 設(shè)計壓力P0.7， 設(shè)計溫度90，試驗壓力： 當容器各元件（圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件等）所用材料不同時，應(yīng)取各元件材料許用應(yīng)力比/t的最小值。應(yīng)力校核：S=170.2MPa,(查化工設(shè)備用鋼 的表9-13)5.5.2殼程圓筒 設(shè)計壓力P0.6MPa, 設(shè)計溫度180，試驗壓力：應(yīng)力校核：S=170.2MPa,此換熱器滿足要求第六章 加工工藝及裝配程序第6.1節(jié) 概述設(shè)計確定后，制造

41、質(zhì)量是換熱器最終建造質(zhì)量的重要組成部分。因此，換熱器制造單位必須按照壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程（1999版）的規(guī)定具備健全的質(zhì)量保證體系，并持有國家主管部門頒發(fā)的批準書和許可證。在全國制造過程中接受安全監(jiān)察機構(gòu)（或其授權(quán)的檢驗機構(gòu)）的全面監(jiān)督。如果建造主要制造監(jiān)理時（監(jiān)理內(nèi)容在合同中商定）制造單位還應(yīng)配合業(yè)主做好監(jiān)理。制造完成后，制造單位必須向業(yè)主提供完整的制造出廠資料，資料應(yīng)符合國家標準的規(guī)定，并附有安全監(jiān)察機構(gòu)的監(jiān)督檢驗報告。還應(yīng)向業(yè)主提供監(jiān)督檢驗機構(gòu)打好鋼印的產(chǎn)品銘牌。第6.2節(jié) 材料驗收選擇材料應(yīng)考慮使用條件，焊接性能，制造工藝以及經(jīng)濟合理性，符合相應(yīng)的標準。制造單位從材料生產(chǎn)單位獲得材料時，應(yīng)取得材料質(zhì)量證明書，其內(nèi)容必須齊全、清晰、并有材料生產(chǎn)單位質(zhì)量檢驗章。在材料的明顯部位有清晰、牢固的標，至少包括材料制造標準代號、材料生產(chǎn)單位名稱及檢驗印鑒標志。從非材料生產(chǎn)單位獲得材料時，應(yīng)同時取得材料質(zhì)量證明書原件或加蓋供材單位檢驗公章合