F220浮头式柴油冷却器设计

F220浮头式柴油冷却器设计摘 要换热器是一种十分重要的节能设备，广泛应用于石油、化工、动力、冶金等各个领域，在国民经济生产中占据着特别重要的位置，尤其是在世界能源危机爆发后，换热器在缓解能源紧缺的应用中显得尤为重要，国内外各研究机构、高等院校对换热器的研究一直非常重视。此说明书是关于F220浮头式换热器的设计，主要为换热器的工艺计算、换热器的结构以及强度的设计。此次设计的主要过程分两个部分，一是工艺计算部分，主要是由给定的参数来估算换热面积，进行换热器的选型、校核传热系数、计算出实际的换热面积，最后进行压力降和壁温的计算；另一部分是关于结构以及强度的设计，主要是由已经选定的换热器型式进行设备内各部件的设计，包括：材料的选择、具体尺寸的确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。关键词：管壳式换热器；浮头式换热器；结构设计；强度 ABSTRACTThe design specification is for the design of heat exchanger floating head F220, is mainly for the design of structure and strength process calculation of heat exchanger, heat exchanger. The design process is divided into two parts, one part is the main part of the process calculation, according to the given design parameters to estimate the heat exchanger area, for the selection of heat exchanger, check heat transfer coefficient, calculate the actual heat transfer area, the pressure drop and wall temperature calculation; design of structure and strength the other part, is mainly based on the type of heat exchanger has selected components within the device (such as a pipe, a baffle plate and spacer tube, circle hook tube boxes) design, including: the choice of materials, identify specific size, determine the specific position, the thickness calculation of tube sheet, floating head cover and floating head flange thickness, opening reinforcement calculation etc.Key words: Shell and tube heat exchanger; heat exchangers; The structure design; The intensity目 录摘要1Abstract21 绪论51.1换热器介绍51.2换热器分类51.3浮头式换热器的构造原理和特点91.4浮头式换热器的优缺点92 工艺计算102.1设计参数102.2核算换热器传热面积102.3压力降的计算142.4 换热器壁温计算173 换热器结构设计与强度计算193.1壳体与管箱厚度的确定193.2开孔补强计算203.3换热管253.4管板设计273.5折流板323.6拉杆与定距管333.7防冲板343.8保温层353.9法兰与垫片353.10钩圈式浮头373.11分程隔板433.12鞍座433.13接管的最小位置454 换热器的腐蚀、制造与检验464.1换热器的腐蚀464.2换热器的制造与检验46结论51参考文献52致谢53641绪论1.1换热器介绍换热器是化学，石油，制药和能源工业应用的单位设备。如今,热交换器的应用在现代化工行中越来越多，在炼油厂中换热器占了大约占了总工艺设备的百分之40。上世纪60年代发生的全世界能源危机,有力地加快了传热技术的发展。为了节约能源,提高工业生产的经济效益,需要为不同的工业过程开发高效的能源交换设备。在国内外，已经研发了一系列新的换热器，各种新型换热器的优点，例如紧凑、低操作成本等，已被人们所认可。1.2换热器分类 在工业生产中，由于不同的用途、工作条件和材料特性，开发了各种形式以及结构的换热器。1.2.1换热器的种类及特性热交换器可根据传热方法分为三种：（1）直接接触式换热器也被称为混合热交换器，它是热量与混合冷热流体的直接接触交换。这种热交换器既简单又便宜，通常被制成塔状，但仅限于允许两种流体混合的过程。（2）蓄热式换热器在热交换器中，传热是由蓄热体完成的，如格子砖或填料。由于两种流体转换的输入，不可避免地会有少量的流体与流体相互交错，造成“污染”。蓄热式换热器结构紧凑、价钱便宜，传热面较大，适用于气体换热场合。（3）间壁式换热器这是行业中使用最广泛的热交换器。冷、热的流体由一堵间壁隔开，热量通过间壁传递。它按热传递表面的形状和结构分为：管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式等；扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式等。板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式等；1.2.2管壳式换热器的分类及特点由于此次设计题目是浮头式换热器的设计，而浮头式属于管壳式换热器，故重点介绍管壳式换热器的主要类型。管壳式换热器是当前用十分广泛的换热器，主要由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，结构的细节如图1所示。壳体大多是圆筒形，管子的两端固定在管板上，管子中轴与壳轴是平行的。进行换热的流体，在管内流动的被称为管程流体；在管外流动的被称为壳程流体。为了提高壳程壳体的速度，提高热传递的速度，在壳中安装了折流板。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程。为了提高管子里的流体速度，在盒子的两边设置挡板，将所有的管子分成几个组。这样就使得流体要在管束中多次往返，这称为多管程；同样的为提高管外流速，可以在外壳中安装纵向屏障，迫使流体多次穿过壳体，这称为多壳程。这种换热器的结构简单,成本不高,可以选择各种各样的结构材料,管清洗方便,容量大,高温高压条件也可以应用,但传热效率的结构,紧凑,单位传热表面损失的金属量还有待改进。如果两种流体的温度差别很大，热应力就会在热交换器中产生，从而使管道弯曲、断裂或从管子中脱出,所以要采取适当的补偿措施,消除或减少热应力。根据补偿措施的不同，管壳式换热器一般可以分为如下几种类型：图1 单壳程单管程换热器（1）固定管板换热器:其结构如图2所示。由于不存在弯管部分，如果管道泄漏或损坏,也便于观察壁管或管的变化,但不可以在管道的外表面使用机械清洗,不适合处理腐蚀性介质。（2）浮头式换热器：其结构如图3所示。管子一端锁定在固定的管板上，螺栓固定在固定的管板上。管另一端锁定在了浮动管板上,形成在壳内可以自由移动的浮头。浮动头部分的浮动头端盖是可拆卸连接,所以可以很容易地拿出来，因此既可以执行管外清洗,也能进行管内清洗，同时还便于维护。图2固定管板式换热器图3浮头式换热器（3）U型管式换热器：其结构可参见图4。因为管子与外壳是分离的，当受热膨胀时，温差就会被消除。它的结构很简单,便宜,管束可抽出,所以管外清洗十分的方便,但管内清洁是困难的,因此最好让不容易板结的材料通过管内。由于弯管侧壁的弯曲很薄，并且中心部分空隙较大，所以U管换热器的承载能力较差，且传热能力差。图4 U型管式换热器（4）双重管式换热器：其结构可以参看图5。管程流体从管箱进口流入,通过插管进入外套管的底部,流过插管与套管之间,然后从出管口流出。它的特点是内管和外罩之间没有约束，因此，它适用于两种温差较大流体的传热。但是管流的阻力更大，设备也更贵。（5）填料函式换热器：图6为填料函式换热器的结构。在拆卸管箱和填料压盖后，可以将管束从套管中抽出，以方便清洗管道。与浮动式热交换器具有同样的优点。图5双重管式换热器图6填料函式换热器1.3浮头式换热器的构造原理和特点浮头换热器两端的管板，没有连接壳体的一端被称作浮头。当管道中被加热后，管束以及浮头可以沿着轴自由伸缩，这样可以消除大部分温差应力。壳和管束可以自由地进行热膨胀，所以当两种介质的温差更大时，管和壳之间就没有温差应力。浮动头的设计是可卸的，便于插入或提取管道，使得维修和清洗更加方便。1.4浮头式换热器的优缺点1.4.1优点 管可以被抽出来便于清洗管道和套管； 介质间温差不受限制； 可在高温下工作，一般温度小于等于450度； 可用于结垢比较严重的场合； 可用于管程易腐蚀场合。1.4.2缺点 小浮头易发生内漏； 金属材料消耗量比较大； 结构复杂。2 工艺计算2.1设计参数拟设计一单壳程双管程浮头式换热器，用于柴油冷却。给定设计参数如下：管程介质：柴油 壳程介质：原油管程设计压力：1.45MPa 壳程设计压力：1.20MPa管程设计温度：260 壳程设计温度：130 腐蚀余量：自定 换热面积：220m2 2.2核算换热器传热面积2.2.1流动空间的确定为了减少热应力，选择让被冷却的流体通过壳程，而传热系数大的流体通过管程，这样便能最大程度的降低管壁的温差。2.2.2初算换热器传热面积（1）传热计算（热负荷计算）热负荷： (1)式中：分别为冷流体以及热流体的质量和流量，单位为kg/s；冷热流体的定压比热，单位J/(kgk)；分别为冷流体的进口和出口温度，单位为k；分别为热流体的进口和出口温度，单位为k。在理论中，=，但由于实际上的热量损失，所以热负荷一般应该取max（，）。 ；故。（2）有效平均温差的计算 因为 ，故采用对数平均温度差，则 ; (2)（3）按经验值初选总传热系数查表选得=180W/（）；（4）初算出所需的传热面积 ； (3)考虑到热传递计算的精确程度和其他的不可预测的因素，选择的热交换器应该留有裕度10%-25%，故有，数据符合参数的要求，通过结论查看选型手册，可供选则的换热器为：，为了达到设计所要求的换热面积，要同时使用三台一样类型的换热器进行串联。2.2.3总传热系数K的校验管壳式换热器的面积是以传热管外表面为基准，使用算式计算总传热系数时也必须以管外表面积为基准，因此得出总的传热系数K的计算公式为： (4)式中：K总传热系数，W/（K）； 、管程传热膜系数以及壳程流体传热膜系数，W/（K）； 、管程的污垢热阻和壳程的污垢热阻，K/w； 、传热管内径、外径和平均直径，m； 传热管壁材料导热系数，单位W/（K）； 传热管壁厚，单位m。（1）管程流体传热膜系数其计算过程如下：；可知流体处于过渡流状态；在管内流动的流体是过渡流的时候和对流传热系数一般按湍流的公式计算,最后计算结果再乘以修正系数，从而得到过渡流对流传热膜系数。先计算校正系数：；而湍流情况下的计算如下：由于，所以原油是高黏度的流体，应该使用Sieder-Tate关联式进行计算：液体被加热时，取，而液体被冷却时，取，被加热的是管程流体原油，所以 W/（K）；故管内流体传热膜系数为：W/（K）；（2）壳程流体传热膜系数：其计算过程如下：由于换热器内要安装折流板，由GB151-1999可得，折流板最小的间距不得小于圆筒内直径的1/5，而且最小不小于，因此由换热器折流板间距的系列标准，可取折流板的间距。由GB150-1999确定壳体的内径为。管间的流速是由流体流过管间时最大截面积计算： (5)其中：管外径，为25， 是换热管的中心距，查GB151-1999得。；当换热管为方形排列时，为同时：；故可用Kern法求，即： ；，已算出，查钢管壁热导率，则故，合适。2.2.4校核平均温差与平均温差相关的参数如下所计算： (6)(7) 根据R、P值，查温度校正系数图可以知道温度校正系数为，所以有效平均温度差是： 。 (8)2.2.5 校核换热面积：实际传热面积： ； (9)校核： ； (10)为了确保换热器的可靠性，一般要使换热器的面积裕度为15%-25%，由计算可得所选换热器的面积已经满足要求。2.3压力降的计算流体通过换热器而引起的压力降，可通过计算管程压力降以及壳程压力降来分别得出。2.3.1管程压力降管程压力降一共由三部分组成，可通过下列公式进行计算得出： (11)其中：为流体通过直管时由摩擦阻力所产生的压力降，Pa； 为流体通过回弯管中由摩擦阻力所产生的压力降，Pa； 为流体通过管箱进出口所产生的压力降，Pa； 对的管子，取为1.4；对的管子，取为1.5； 管程数； 串联的壳程数。其中，、的计算式如下： (12) (13) ； (14)式中：管内流速，；管内径，；管长，；摩擦系数，无量纲，可由下列公式获得；管内流体密度，。因为，在范围内，因此可使用以下公式求得： (15)所以 Mpa； Mpa； Mpa；经查，每台换热器最佳的压力降为Pa，因此可得上述压力降满足了要求。2.3.2壳程的压力降管外流体为错流和平行流的耦合，即使管束是直管，流动也会变得复杂化。并且流体在冲刷换热管时产生的旋涡，同时使流动变得更加复杂。因为流动的复杂性，要想准确地分析出影响这种复杂流动的不同因素，并准确地计算出压力降是十分的困难。下面通过埃索法来计算： (15)式中：流体流过管束时产生的的压力降，单位Pa； 流体流过折流板缺口时产生的的压力降，单位Pa； 壳程压力降结垢修正系数。其中： (16) ； (17)管子排列方法对压力降的修正系数； 壳程摩擦系数，当时，取； 通过管束中心线的管子数； 通过壳程流通截面计算出来的流速，； 折流板的数量。其中：；因此；，取整为19。则有： Pa， Pa；所以这时的压力降处于合理范围。2.4 换热器壁温计算2.4.1换热管壁温计算符号说明：总传热系数， W/（m）； 污垢热阻，单位/w； 分别为热流体以及冷流体的平均温度，单位； 分别为热流体的进口和出口温度，单位； 分别为冷流体的进口温度和出口温度，单位； 为流体的有效平均温差，单位；传热系数，由热交换器的表面面积计算，单位 W/（m）。热流体侧的壁温： ；冷流体侧的壁温： ；所以。2.4.2圆筒壁温的计算由于圆筒外面有很好的绝缘层，所以外壳的壁温的平均温度是：。3 换热器结构设计与强度计算3.1壳体与管箱厚度的确定根据给定的数据流体设计温度为130；设计压力为1.2Mpa。3.1.1壳体和管箱材料的选择因为换热器属于常规的容器设计,所以综合成本,使用条件等的考虑,选择16 MNR为壳体材料。16MNR是低碳低合金钢，具有良好的制造工艺性能，而且使用低碳合金钢可以减少容器的重量，减轻厚度，节省材料。3.1.2圆筒壳体厚度的计算焊接方式：使用双面焊对接接头，并用100%无损探伤，所以其焊接系数；查GB6654压力容器用钢板以及GB3531低温压力容器用低合金钢板可知道16MnR钢板的。假定材料的许用应力Mpa（厚度是616mm时），壳体的计算厚度通过下列公式计算为：； (18)设计厚度；名义厚度（其中的为向上圆整量）；查得Min厚度为8mm，这时厚度已经满足要求，且通过复查，没有变化，所以是合适的。3.1.3管箱厚度计算管箱是两部分组成：封头与短节；而且因为前端管箱和后端管箱的形式不一样，所以这时把前端管箱的厚度与后端管箱的厚度计算分开。（1）前端管箱厚度计算前端管箱是一个椭圆形的管箱，这是因为其上的应力分布是比较均匀的，而且深度比半球形封头要小很多，便于冲压。这时使用标准椭圆形封头，所以，得到封头的计算厚度是：； (19)设计厚度；名义厚度（为向上圆整量）；经检查，没有变化，故合适查JB/T47462002钢制压力容器用封头可知道封头的型号参数如下：DN(mm)总深度H(mm)内表面积A()容积(m3)封头质量（）6001750.43740.035334.6短节部分的厚度为10mm。（2）后端管箱厚度计算浮头式换热器的后端管箱为浮头管箱。浮头管箱的内直径是700mm，这个数据能在“浮头盖计算”的部分看到。标准椭圆形封头，计算厚度是： ； (20)设计厚度；名义厚度（为向上圆整量）；经检查，没有变化，故合适。查JB/T47462002钢制压力容器用封头可知道封头的型号参数如下：表2 DN700标准椭圆形封头参数DN(mm)总深度H(mm)内表面积A()容积(m3)封头质量（）7002000.58610.054541.33.2开孔补强计算在这台浮头式换热器中，壳程流体的进出管口在壳体上，而后端管箱上有排气口和排污口，所以要在换热器上开孔。开孔之后，在接管与壳体的连接处因为结构的连接性被损坏，使换热器存在安全隐患。所以这时要进行开孔补强的计算。壳程和管程出入口公称直径都是150mm，选择管的规格是，接管材质选定为20号钢。3.2.1壳体上开孔补强计算（1）补强及补强方法判别：根据表GB150，不另行补强的最大接管外径是，本设计开孔外径是159mm，所以需要考虑它的补强。开孔直径 ，满足等面积法开孔补强计算的适用条件，所以适用等面积法来计算开孔补强。（2）开孔所需补强面积计算：强度削弱系数f=86125=0.688 接管有效厚度；开孔所需补强面积计算： (21)（3）有效补强范围有效宽度B：有效高度：（a）外侧有效高度为：；（b）内侧有效高度为：；（4）有效补强面积壳体多余金属面积： 壳体有效厚度：则多余的金属面积为：接管多余金属面积：接管计算厚度： (22)接管多余金属面积：接管区的焊缝面积：；有效补强面积：；（5）另需补强面积；拟采用补强圈补强由接管公称直径DN150来确定补强圈外径，内径。因为，所以补强圈处于有效补强范围。补强圈的厚度为： ； (23)3.2.2前端管箱开孔补强计算（1）补强及补强方法判别：补强判别：不另行补强的最大接管外径是，本开孔外径为159mm，另行考虑其补强。开孔直径，（2）开孔所需补强面积计算：强度削弱系数； 接管有效厚度；开孔所需补强面积由下式可得：；（3）有效补强范围有效宽度：有效高度：（a）外侧有效高度为：；（b）内侧有效高度为：；（4）有效补强面积管箱多余金属面积： 管箱有效厚度：则多余的金属面积为：；接管多余金属面积：接管计算厚度：；接管多余金属面积：；接管区焊缝面积：；有效补强面积：；（5）另需补强面积拟采用补强圈补强由接管公称直径DN150取补强圈外径为，内径为。由，所以补强圈处于有效范围内。补强圈的厚度为：；由于钢板负偏差，选择管箱和壳体上补强圈的名义厚度为6mm，即。3.2.3外头盖开孔补强计算外头盖上的排污口与排气口主要是通过采用厚壁接管进行补强。（1）开孔所需补强面积其开孔直径；强度削弱系数； 接管有效厚度；开孔所需补强面积：；（2）有效补强范围有效宽度：有效高度：（a）外侧有效高度为：；（b）内侧有效高度为：；（3）有效补强面积外头盖多余金属面积： 外头盖有效厚度：则多余的金属面积为：；接管多余金属面积：接管计算厚度：；接管多余金属面积：；接管区焊缝面积：；有效补强面积：由数据可得已达到了补强的目的。3.3换热管3.3.1换热管的排列方式换热管的各种排列方式如图7所示，每种都有各自的特点：正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高；正方形排列：给热效果不好，但容易清洗；正方形错列：可以提高给热系数。图7 各种排列方式本次设计，选择正方形排列，主要是因为此种排列方式便于进行清洗。查GB151-1999可知，换热管中心距S=32mm。而且，因为换热管管间要进行机械清洗，所以相邻两管间的净空距离（S-d）不应该小于6mm。3.3.2布管限定圆最外层换热管中心圆直径：查GB151-1999可知，b=5，b1=3，bn=12，故b2= bn+1.5=13.5，则。3.3.3排管拉杆要放置在管束的外边缘，在靠近折流板缺边处布置拉杆，间距700mm。拉杆中心到折流板缺边的距离一定要控制在换热管中心距的（0.51.5）范围内。相对误差计算：； (24)其中：各程的平均管数；各程中最小或者最大的管数。不同管程的布管数量分别是38，56，56，38，各个管程的平均数是47，由此可得各程管数相对误差为：3.3.4换热管束的分程管箱有改变流体流向的作用,所确定的换热器为双管程，所以管箱安置形式选择为多程隔板。关于换热管束的分程，为了接管时的方便，较为合适的分发为平行分法，同时平行分法还可使管箱内残液放尽。3.3.5换热管与管板的连接连接方式有强度胀、强度焊和胀焊等可选。因为强度焊焊接结构强度高、加工简单，在高温高压的条件想也可以保证连接处的抗拉脱能力。再由设计温度、设计压力、设计温度选择连接方式为强度焊。3.4管板设计3.4.1管板与壳体的连接换热器固定端的管板连接方式选择为可拆式，这样使管束能够很方便地从壳体中抽出来以便进行维修和清洗3.4.2管板计算符号说明：在布管区范围内未能被换热管支承的面积，对正方形排列，； (25)隔板槽一侧的排管根数；换热管中心距；隔板槽两侧邻管的中心距；管板布管区的面积，；对于多管程正方形排列的换热器，；布管区内开孔后面积，； (26)管板垫片压紧力作用直径，；依据所选垫片的大小，选择其压紧面型式为GB150表9-1的1a，可得到密封面宽度；，所以；管板布管区当量直径，；换热管外径，；管板材料的弹性模量，Mpa；换热管材料弹性模量，Mpa；系数，按和查GB151图24；管束模数，Mpa； 管束无量纲刚度，Mpa；换热管的有效长度，；换热管与管板胀接长度或焊脚高度，；换热管根数；无量纲压力，；当量压力组合；Mpa；管板设计压力，Mpa；壳程设计压力，Mpa；管程设计压力，Mpa；换热管与管板连接拉脱力，Mpa；许用拉脱力，查GB151，Mpa；系数，；管板计算厚度，；换热管管壁厚度，；管板刚度削弱系数，一般可取值；管板强度削弱系数，一般取；系数，；换热管轴向应力，Mpa；稳定许用压应力，Mpa；设计管板材料的许用应力，Mpa；设计换热管材料许用应力，Mpa；管板厚度计算过程如下：（1）管板名义厚度计算：；查GB150可知；公式中L是换热管有效长度，因为管板厚度还没有计算，暂取管板厚度50mm进行试算，等管板厚度算出时用有效长度核算，。当中的的计算如下： ； (27)；查GB151-1999可知，则，由于换热管的材料为20号钢，；因为这时保证不了与在任何时候都能同时作用，所以取；则，则；由=1.36和查GB151图可得，管板计算厚度为： ； (28)管板的名义厚度应不小于下列三部分之和，即h1则是指壳程侧管板结构槽深，为0；h2是指管程隔板槽深，为4mm。由得到的管板名义厚度，重复之前的步骤，让管子有效长度能对应于管板厚度。 (29)；故=1.39，查图可知，则，；（2）换热管的轴向应力管程设计压力，壳程设计压力：；明显地，；壳程设计压力，管程设计压力：；明显地，；管程设计压力与壳程设计压力同时作用：；明显地，。所以由以上三种情况可得，换热管轴向应力符合要求。（3）换热管与管板连接拉脱力；式中，其中：换热管最小伸出长度； 最小坡口深度，；许用拉脱力3.5折流板设置折流板的目的在于提高壳程流体的速度，增加湍动程度，并且在卧式换热器中还有支起管束的工用。常见的折流板形式有弓形和圆盘圆环形两种。3.5.1折流板的型式和尺寸为了方便选择材料，折流板材料选定16MnR，由前面可知道，弓形缺口高度是150mm，折流板距离为300mm， 19块，查GB151-1999可得折流板最小厚度为5mm，所以这时选则它的厚度为6mm。查得折流板名义外直径是。3.5.2折流板排列折流板排列示意图如图8所示：图8 折流板排列3.5.3折流板的布置最好让管束两端的折流板尽可能靠近壳程进口管以及出口管，其余的折流板则按相同间距布置： ； (30)接管位置的最小尺寸，mm； 管板的名义厚度，mm； 防冲板的长度，如没有防冲板时，是接管的内径，mm；3.5.4折流板重量计算符号说明如下：折流板质量，kg；折流板外圆直径，；折流板切去部分的弓形面积，系数，由查表求取；弓形高度，mm；管孔直径，mm；拉杆孔直径，mm；管孔数量；拉杆孔数量；折流板厚度，mm。计算过程如下：查得； 3.6拉杆与定距管3.6拉杆与定距管3.6.1拉杆的结构形式常用拉杆的形式有两种：拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束，（按GB151-1999表45规定）；折流板和拉杆点焊结构，一般用于换热管外径14mm的管束，；当管板比较薄时，也能使用别的结构进行连接。由于此时换热管的外径为25mm，因此选用拉杆定距管结构。3.6.2拉杆的直径、数量及布置其具体尺寸如图9所示：图9 拉杆具体尺寸表3 拉杆的参数拉杆的直径d拉杆螺纹公称直径dn ab b拉杆的数量16 16 206024其中拉杆的长度L按需要确定。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。若对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。对于本台换热器拉杆的布置可参照零件图。3.6.4定距管定距管的规格同换热管，其长度同实际需要确定。本台换热器定距管的布置可以参照部件图。3.7防冲板由于壳程流体的，管程换热管流体的流速，因此在本台换热器的壳程与管程都不需要设置防冲板。3.8保温层根据设计温度选保温层材料为脲甲醛泡沫塑料，其物性参数如表4：表4 保温层物性参数密度（kgm3）导热系数（kcalmh）吸水率抗压强度（kgm）适用温度（）13200.01190.02612%0.250.5-190+5003.9法兰与垫片换热器中的法兰包括管箱法兰、壳体法兰、外头盖法兰、外头盖侧法兰、浮头盖法兰以及接管法兰，另浮头盖法兰将在下节进行计算，在此不作讨论。垫片则包括了管箱垫片和外头盖垫片。3.9.1固定端的壳体法兰、管箱法兰与管箱垫片（1）查JB4700-2000压力容器法兰可选固定端的壳体法兰和管箱法兰为长颈对焊法兰，凹凸密封面，材料为锻件20MnMo，其具体尺寸如下：（单位为mm）图10 法兰具体尺寸（2）此时查JB4700-2000压力容器法兰，根据设计温度可选择垫片型式为金属包垫片，材料为0Cr18Ni9，其尺寸为：表5 管箱垫片尺寸PN(Mpa)DN(mm)外径D(mm)内径d(mm)垫片厚度反包厚度2.5600665625343.9.2外头盖侧法兰、外头盖法兰与外头盖垫片、浮头垫片（1）外头盖法兰的型式与尺寸、材料均同上壳体法兰，凹密封面，查JB4700-2000压力容器法兰可知其具体尺寸如下所示：（单位为mm）。表6 外头盖法兰尺寸DD1D2D3D4Hhaa1Rd8608157767667635012035211816261227（2）外头盖侧法兰选用凸密封面，材料为锻件20MnMo，查JB/4721-92可知其具体尺寸如下表：表7 外头盖侧法兰尺寸DD1D2D3D4Hha1Rd86081577676676348150721816401227（3）查JB/T4718-92选外头盖垫片的型式为金属包垫片，其外径D为765mm，内径d为725mm且查JB/T4718-92也选浮头垫片的型式为金属包垫片，则其外径D为592mm，内径d为568mm，两者材料均为0Cr18Ni9。3.9.3接管法兰型式与尺寸根据接管的公称直径，公称压力可查HG205922063597钢制管法兰、垫片、紧固件，选择带颈对焊钢制管法兰，选用凹凸密封面，其具体尺寸如下表所示：表8 带颈对焊钢制管法兰g公称通径DN钢管外径（法兰焊端外径）A1连接尺寸法兰厚度C法兰颈法兰高度H法兰理论重量（）法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径螺栓孔数量n螺纹Th2533.73211585144M121646463.264401.26150168.3159300250268M24281901906.31287512.73.10钩圈式浮头本台浮头式换热器浮头端采用B型钩圈式浮头，其详细结构如下图所示，而浮头盖采用了球冠形封头。图11 B型钩圈式浮头结构3.10.1浮头盖的设计计算球冠形封头、浮头法兰应分别按管程压力作用下和壳程压力作用下进行内压和外压的设计计算，取其大者为计算厚度。符号说明如下：换热器圆筒内直径，mm；浮头法兰与钩圈的内直径， ，mm； (31)浮头法兰与钩圈的外直径，mm ，mm；外头盖内直径，mm， mm；浮头管板外直径，mm， mm；螺栓中心圆直径，mm ，mm；垫片压紧力作用中心圆直径，；作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的轴向分力，N；作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的径向分力，N；计算压力，Mpa；分别取管程压力（内压）和壳程压力（外压）；封头球面内半径，mm；按GB151表46选取mm；螺栓中心至法兰环内侧的径向距离，mm；对法兰环截面形心的力臂，mm；封头边缘处球壳中面切线与法兰环的夹角，（）；球冠形封头的计算厚度，mm；球冠形封头的名义厚度，mm；封头材料在设计温度下的许用应力，Mpa；焊接接头系数。（1）管程压力作用下（内压）浮头盖的计算：球冠形封头计算厚度按下式计算： ； (32)为方便选材，故可将浮头盖的材料选择为16MnR，故=125Mpa，选择为双面焊对接接头，100%无损探伤，故，则浮头法兰计算厚度计算：首先根据所选的浮头垫片可先确定：；根据经验值选定螺栓数目为16，则可通过计算螺栓的根径，从而知道螺栓的规格：故将其圆整为规格为M24的螺柱，其根径为20.752mm。关于浮头法兰厚度的计算按GB151-1999的格式制作成一张表格，这样比较清晰明了，具体如下表所示：表9 浮头法兰厚度计算表设计条件垫片及螺栓计算pc=2.5Mpa垫片材料：0Cr18Ni9N=12mmy=62.1Mpa温度t=400外径内径厚度：5925683b=6mmm=3.75法兰材料：锻件JB/T4726 20MnMo螺栓直径螺栓数量n=16许用应力设螺栓材料：25Cr2MoVA许用应力或（取两者中较大值）=4651操作情况下法兰的受力力 臂力 矩操作情况下法兰总力矩：预紧螺栓时法兰的受力力 臂力 矩操作状态：预紧状态：法兰厚度操作状态：；预紧状态：；法兰厚度取与之大者，且不小于球冠形封头名义厚度的两倍，故，则。（2）壳程压力作用下（外压）浮头盖的计算球冠形封头GB150-1998第6章“外压圆筒和外压球壳”进行外压计算，即将球冠形封头当作球壳进行计算，具体过程如下：假设，腐蚀裕量，则；，故；所以查GB150可知，此时许用外压力为：故合适。浮头法兰厚度的计算可按上表进行，由于管程与壳程的设计压力相等，所以大部分的数据都与内压情况下相同，只是此时，表中的应改为：则此时操作状态下： ；所以此时；根据上述内压与外压的计算可知浮头法兰的计算厚度应为，则圆整后其名义厚度为。3.10.2钩圈钩圈的型式查GB151可知选为B型钩圈，其图示如下：图12 B型钩圈而其设计厚度可按下式计算：其中：钩圈设计厚度，mm；浮动管板厚度，mm；则。3.11分程隔板由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板。查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深，槽宽为12mm，且分程隔板的最小厚度为8mm。3.12鞍座选择鞍座应首先计算支座反力，再根据支反力选择合适的鞍座。3.12.1支反力计算如下：管板的质量：；圆筒的质量：；式中：是指换热器中相当于圆筒的部分的总长度，包括了壳体的有效长度与前后端管箱的短节部分； 是指材料的密度，由于壳体与管箱的材料均选用16MnR，故。封头的质量：；保温层的质量：附件（如接管、法兰、浮头盖等）质量取为全部质量的20%：圆筒的体积：；封头的体积：； 故总体积为：；由于水的密度比油品与原油的密度均大，故鞍座应在水压试验时所受支反力较大，即如下：水压试验时充液重量：；水压试验时总质量：；水压试验时单位长度载荷：；水压试验时支座反力：；3.12.1鞍座的型号及尺寸根据支反力查JB/T4712-92选择鞍座的型号为：DN600、120包角重型带垫板鞍式支座。 3.13接管的最小位置在换热器设计中，为了使传热面积得以充分利用，壳程流体进、出口接管应尽量接近两端管板，而管箱进、出口接管尽量靠近管箱法兰，可缩短管箱、壳体长度，减轻设备重量。然而，为了保证设备的制造安装，管口距地的距离也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。3.13.1壳程接管位置的最小尺寸接管带补强圈，故应按下式计算： (33)式中：壳程接管位置最小尺寸，mm； 补强圈外边缘至管板与壳体连接焊缝之间的距离，计算中，取（S为壳体厚度，mm），且； 补强圈外圆直径，mm； 管板厚度，mm。；经过实际画图后，满足最小位置的要求。3.13.2管箱接管位置的最小尺寸 带补强圈的接管，应按下式计算： (34)式中：法兰高度，为75mm则经过实际画图后，满足最小位置的要求。4 换热器的腐蚀、制造与检验4.1换热器的腐蚀换热器腐蚀的主要部位是换热管、管子与管板连接处、管子与折流板交界处、壳体等。腐蚀原因如下所述。4.1.1换热管腐蚀由于介质中污垢、水垢以及入口介质的涡流磨损，易使管子产生腐蚀，特别是在管子入口端的4050mm处的管端腐蚀，这主要是由于流体在死角处产生涡流扰动有关。4.1.2管子与管板、折流板连接处的腐蚀换热管与管板连接部位及管子与折流板交界处都有应力集中，容易在张胀管部位出现裂纹，当管子与管板存在间隙十，易产生Cl+的聚积及氧的浓差，从而容易在换热管表面形成点坑或间隙腐蚀。管子与折流板交界处的破裂，往往是由于管子长，折流板多，管子稍有弯曲，容易造成管壁与折流板处产生局部应力集中，加之间隙的存在，故其交界处成为应力腐蚀的薄弱环节。4.1.3壳体腐蚀由于壳体及附件的焊缝质量不好也易发生腐蚀，当壳体介质为电解质，壳体材料为碳钢，管束用折流板为铜合金时，易产生电化学腐蚀，把壳体腐蚀穿孔。4.2换热器的制造与检验4.2.1总体制造工艺制造工艺：选取换热设备的制造材料及牌号，进行材料的化学成分检验，机械性能合格后，对钢板进行矫形，方法包括手工矫形、机械矫形及火焰矫形。具体过程为：备料划线切割边缘加工（探伤）成型组对焊接焊接质量检验组装焊接压力试验。4.2.2换热器质量检验化工设备不仅在制造之前对原材料进行检验，而且在制造过程中也要随时进行检查，即质量检验。设备制造过程中的检验，包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验，具体内容如下：（1）原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验；（2）原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织试验，总称为破坏试验；（3）原材料和焊缝内部缺陷的检验，其检验方法是无损检测，它包括：射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等；（4）设备试压，包括：水压试验、介质试验、气密性试验等。4.2.3管箱、壳体、头盖的制造与检验（1）壳体在下料和辊压过程中必须小心谨慎，因为筒体的椭圆度要求较高，这主要是为了保证壳体与折流板之间有合适的间隙；（2）管箱内的分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝；（3）用板材卷制圆筒时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外圆周允许上偏差为10mm，下偏差为零；（4）圆筒同一断面上，最大直径与最小直径之差为e0.5%DN，且由于DN1200mm，则其值5mm；（5） 圆筒直线度允许偏差为L/1000（L为圆筒总长），且由于此时L=6000mm，则其值4.5mm；（6） 壳体内壁凡有碍管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至与母材表面齐平；（7）在壳体上设置接管或其他附件而导致壳体变形较大，影响管束顺利安装时，应采取防止变形措施；（8）由于焊接后残余应力较大，因此管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力热处理，最后再进行机械加工。4.2.4换热管的制造与检验（1）加工步骤：下料校直除锈（清除氧化皮、铁锈及污垢等杂质）；（2）换热管为直管，因此应采用整根管子而不允许有接缝。 （3）因为换热管的材料为20号钢，所以管端的外表面也同样需要除锈，而且因为采用的焊接方法，所以管外径应大于管端清理长度，且不小于25mm。4.2.5管板与折流板的制造与检验（1）管板在拼接后应进行消除应力热处理，且管板拼接焊缝须经100%射线或超声波探伤检查；（2）由于换热管与管板是采用焊接连接，则管孔表面粗糙度Ra值不大于25；（3）管板管孔加工步骤：下料校平车削平面外圆及压紧面划线定位孔加工钻孔倒角；（4）管板钻孔之后的抽查要求不小于60管板中心角区域内的管孔，在这一区域内内允许有4%的管孔上偏差比+0.20大0.15；（5）折流板管孔加工步骤：下料去毛刺校平重叠、压紧沿周边点焊钻孔（必须使折流板的管孔与管板的管孔中心在同一直线上）划线钻拉杆加工外圆；（6）折流板外圆表面粗糙度Ra值不大于25。，外圆面两侧的尖角应倒钝；（7）应去除管板与折流板上任何的毛刺。4.2.6换热管与管板的连接（1）连接部位的换热管以及管板孔的表面一定要清理干净，不能有影响胀接或焊接连接质量的毛刺、铁屑、油污等；（2）焊接连接时，焊渣及凸出于换热管内壁的焊瘤均应清除。焊缝缺陷的返修，应清除缺陷后焊补。4.2.7管束的组装（1）组装过程：将活动管板、固定管板和折流板用拉杆和定距管组合。调整衬垫使管板面与组装平台垂直，并使固定管板、活动管板与折流板的中心线一致，然后一根一根地插入传热管。（2）组装时应注意：两管板相互平行，允许误差不得大于1mm；两管板之间长度误差为2mm；管子与管板之间应垂直；拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管；穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤；除换热管与管板间以焊接连接外，其他任何零件均不准与换热管相焊。4.2.8管箱、浮头盖的热处理碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖以及管箱的侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱，在施焊后作消除应力的热处理，设备法兰密封面应在热处理后加工。4.2.9换热器水压试验水压试验的目的是为了检验换热器管束单管有否破损，胀口有否松动，所有法兰接口是否严密，而不同管壳式换热器的水压试验的顺序不一样，因此在此特别说明一下浮头式换热器的水压试验顺序：（1）用试验压环和浮头专用试压工具进行管头试压：管束装入壳体后，在浮头侧装入试压环，在管箱侧装试压法兰或将管箱平盖卸下用管箱代替也可以，然后对壳程试压，检查胀口是否泄漏，如果从管板的某个管口滴水，则该管已经破损，由现场技术人员决定更换新管或堵死；（2）管程试压：将浮头侧试压环卸掉，清理净浮头封面，将浮头上好，管箱侧将管箱或平盖清理换垫安装，然后对管程加压，检查浮头钩圈密封及管箱法兰结合处有无泄漏；（3）壳程试压：安装壳体封头