换热器的强度计算

确定了换热器的结构及尺寸以后，必须对换热器的所有受压元件进行强度计算。因为管壳式换热器一般用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行计算和设计，对于钢制的换热器，我国一般按照GB150标准进行设计，或者美国ASME标准进行设计。对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可以按照我国的GB151或者美国TEMA标准进行设计。对于其它材料的换热器，例如钛材、铜材等应按照相应的标准进行设计。 下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。该换热器为U形管式换热器，壳体直径500mm，管程设计压力3.8MPa，壳程设计压力0.6MPa。详细强度计算如下： 1.壳程筒体强度计算 2.前端管箱筒体强度计算3.前端管箱封头强度计算4.后端壳程封头强度计算5.管板强度计算6.管程设备法兰强度计算7.接管开孔补强计算氮气冷却器(U形管式换热器)筒体计算计算条件筒体简图计算压力 Pc0.60MPa设计温度 t100.00 C内径 Di500.00mm材料16MnR(热轧) ( 板材 )试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 s t170.00MPa试验温度下屈服点 s s345.00MPa钢板负偏差 C10.00mm腐蚀裕量 C21.00mm焊接接头系数 f0.85厚度及重量计算计算厚度d = = 1.04mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 7.00mm名义厚度d n = 8.00mm重量481.06Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.7500MPa压力试验允许通过的应力水平 s T s T 0.90 s s = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力s T = = 31.95MPa校核条件s T s T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力Pw= = 3.99014MPa设计温度下计算应力s t = = 21.73MPa s tf144.50MPa校核条件 s tf s t结论合格氮气冷却器前端管箱筒体计算计算条件筒体简图计算压力 Pc3.80MPa设计温度 t100.00 C内径 Di500.00mm材料0Cr18Ni9 ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 s t137.00MPa试验温度下屈服点 s s205.00MPa钢板负偏差 C10.80mm腐蚀裕量 C20.00mm焊接接头系数 f0.85厚度及重量计算计算厚度d = = 8.29mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 11.20mm名义厚度d n = 12.00mm重量75.76Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 4.7500MPa压力试验允许通过的应力水平 s T s T 0.90 s s = 184.50MPa试验压力下圆筒的应力s T = = 127.53MPa校核条件s T s T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力Pw= = 5.10266MPa设计温度下计算应力s t = = 86.72MPa s tf116.45MPa校核条件 s tf s t结论合格氮气冷却器前端管箱封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc3.80MPa设计温度 t100.00 C内径 Di500.00mm曲面高度 hi125.00mm材料0Cr18Ni9 (板材)试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 s t137.00MPa钢板负偏差 C10.80mm腐蚀裕量 C20.00mm焊接接头系数 f1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度d = = 6.98mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 11.20mm最小厚度d min = 0.75mm名义厚度d n = 12.00mm结论满足最小厚度要求重量32.23Kg压 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 6.06962MPa结论合格氮气冷却器后端壳程封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc0.60MPa设计温度 t100.00 C内径 Di500.00mm曲面高度 hi125.00mm材料16MnR(热轧) (板材)试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 s t170.00MPa钢板负偏差 C10.00mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度d = = 0.88mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 6.00mm最小厚度d min = 0.75mm名义厚度d n = 8.00mm结论满足最小厚度要求重量19.61Kg压 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 4.05567MPa结论合格氮气冷却器管板计算设 计 条 件壳程设计压力0.60MPa管程设计压力3.80MPa壳程设计温度100.00 C管程设计温度100.00 C壳程筒体壁厚8.00mm管程筒体壁厚12.00mm壳程筒体腐蚀裕量 C1.00mm管程筒体腐蚀裕量 C0.00mm换热器公称直径500.00mm换热管使用场合一般场合管板与法兰或圆筒连接方式 ( a b c d 型 )a型换热管与管板连接方式 ( 胀接或焊接 )焊接材料(名称及类型)0Cr18Ni9名义厚度70.00mm管强度削弱系数 0.40刚度削弱系数 0.40材料泊松比 0.30隔板槽面积 210.00mm2换热管与管板胀接长度或焊脚高度 l3.50mm设计温度下管板材料弹性模量191000.00MPa设计温度下管板材料许用应力137.00MPa许用拉脱力 68.50MPa壳程侧结构槽深 h10.00mm板管程侧隔板槽深 h24.00mm壳程腐蚀裕量0.00mm管程腐蚀裕量0.00mm材料名称0Cr18Ni9换管子外径 d19.00mm热管子壁厚 2.00mm管U型管根数 n138根换热管中心距 S25.00mm设计温度下换热管材料许用应力 137.00MPa垫片材料软垫片压紧面形式1a或1b垫垫片外径 Do565.00mm片垫片内径 Di515.00mma型垫片厚度 d gmm垫片接触面宽度 Wmm垫片压紧力作用中心园直径 DG547.11mm ( c 型 )管板材料弹性模量0.00MPa ( d 型 )管板材料弹性模量0.00MPa( b d 型 )管箱圆筒材料弹性模量0.00MPa ( b c 型 )壳程圆筒材料弹性模量0.00MPa ( c d 型 )管板延长部分形成的凸缘宽度0.00mm ( c 型 ）壳体法兰或凸缘厚度0.00mm ( d 型 )管箱法兰或凸缘厚度0.00mm参数计算管板布管区面积三角形排列正方形排列一根换热管管壁金属横截面积= 106.81mm2管板开孔前抗弯刚度 b c d 型0.00Nmm管板布管区当量直径436.43mma 型其他系数 0.80系数 按和 查图得 : = 0.000000系数 按和 查图得 : = 0.000000a d 型= 0b c型0.00a ,c 型= 0b ,d 型0.00a 型= 0其他0.00旋转刚度无量刚系数 0.00系数0.2696按和 0.07130.0000管板厚度或管板应力计算a管板计算厚度 取、大值61.345mm型管板名义厚度66.000mm管板中心处径向应力= 0MPa= 0MPabcd布管区周边处径向应力= 0MPa型= 0MPa边缘处径向应力 = 0MPa= 0MPa管板应力校核 单位：MPa|s r|r=0 = b工况|s r|r=Rt = c|s r|r=R = d|s r|r=0 = 型工况|s r|r=Rt = |s r|r=R = 换热管轴向应力计算及校核 : MPa (单位)计算工况计算公式计算结果校核只有壳程设计压力,管程设计压力=0 :|-1.59| 合格只有管程设计压力,壳程设计压力=0 :=|6.29| 合格壳程设计压力,管程设计压力同时作用:|4.69| 合格换热管与管板连接拉脱力校核拉脱力 q3.21 qMPa校核合格重量64.89Kg氮气冷却器管箱法兰强度计算设 计 条 件简 图设计压力 p3.800MPa计算压力 pc3.800MPa设计温度 t100.0 C轴向外载荷 F0.0N外力矩 M0.0N.mm壳材料名称0Cr18Ni9体许用应力 137.0MPa法材料名称#许用s f137.0MPa兰应力s tf137.0MPa材料名称40Cr螺许用s b212.0MPa应力s tb189.0MPa栓公称直径 d B24.0mm螺栓根径 d 120.8mm数量 n24个Di500.0Do660.0垫结构尺寸Db615.0D外565.0D内515.0016.0mmLe22.5LA31.5h35.0126.0材料类型软垫片N25.0m2.00y11.0压紧面形状1a,1bb8.94DG547.1片b06.4mm b= b0b06.4mm DG= ( D外+D内 )/2b0 6.4mm b=2.53b0 6.4mm DG= D外 - 2b螺 栓 受 力 计 算预紧状态下需要的最小螺栓载荷WaWa= bDG y = 169119.0N操作状态下需要的最小螺栓载荷WpWp = Fp + F = 1127044.1 N所需螺栓总截面积 AmAm = max (Ap ,Aa ) = 5963.2mm2实际使用螺栓总截面积 AbAb = = 8117.5mm2力 矩 计 算操FD = 0.785pc= 745750.0NLD= L A+ 0.51= 44.5mmMD= FD LD= 33185876.0N.mm作FG = Fp= 233573.5NLG= 0.5 ( Db - DG )= 33.9mmMG= FG LG= 7928625.5N.mmMpFT = F-FD= 147150.2NLT=0.5(LA + d 1 + LG )= 45.7mmMT= FT LT= 6728066.0N.mm外压: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 内压: Mp = MD+MG+MT Mp = 47842568.0N.mm预紧 MaW = 1492550.6NLG = 33.9mmMa=W LG = 50664460.0N.mm计算力矩 Mo= Mp 与 中大者 Mo=50664460.0N.mm螺 栓 间 距 校 核实际间距= 80.5mm最小间距56.0 (查GB150-98表9-3)mm最大间距158.4mm形 状 常 数 确 定89.44h/ho = 0.4K = Do/DI = 1.3201.6由K查表9-5得T=1.789Z =3.694Y =7.145U=7.851整体法兰查图9-3和图9-4FI=0.85944VI=0.314150.00961松式法兰查图9-5和图9-6FL=0.00000VL=0.000000.00000查图9-7由得f = 1.06578整体 法兰 = 572246.8松式 法兰 = 0.00.2=f e+1 =1.44 g = y /T = =0.811.59= 0.98剪应力校核计 算 值许 用 值结 论预紧状态0.00MPa操作状态0.00MPa输入法兰厚度f = 46.0 mm时, 法兰应力校核应力性质计 算 值许 用 值结 论轴向应力158.57MPa=205.5 或=342.5( 按整体法兰设计的任 意 式法兰, 取 )校核合格径向应力77.96MPa= 137.0校核合格切向应力54.14MPa= 137.0校核合格综合应力= 118.27MPa= 137.0校核合格法兰校核结果校核合格氮气冷却器开孔补强计算接 管: a, 21916计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc3.8MPa设计温度100壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型0Cr18Ni9板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di500mm壳体开孔处名义厚度n12mm壳体厚度负偏差 C10.8mm壳体腐蚀裕量 C20mm壳体材料许用应力t137MPa接管实际外伸长度100mm接管实际内伸长度0mm接管材料0Cr18Ni9接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量0mm补强圈材料名称补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t2mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力t137MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度8.293mm接管计算厚度t2.63mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr1开孔直径 d191mm补强区有效宽度 B382mm接管有效外伸长度 h155.28mm接管有效内伸长度 h20mm开孔削弱所需的补强面积A1584mm2壳体多余金属面积 A1555.2mm2接管多余金属面积 A21257mm2补强区内的焊缝面积 A364mm2A1+A2+A3=1876 mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。氮气冷却器开孔补强计算接 管: b, 1086计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.6MPa设计温度100壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16MnR(热轧)板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di500mm壳体开孔处名义厚度n8mm壳体厚度负偏差 C10mm壳体腐蚀裕量 C21mm壳体材料许用应力t170MPa接管实际外伸长度100mm接管实际内伸长度0mm接管材料20(GB8163)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm补强圈材料名称补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t0.75mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力t130MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度1.04mm接管计算厚度t0.222mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr0.765开孔直径 d101.5mm补强区有效宽度 B203mm接管有效外伸长度 h124.68mm接管有效内伸长度 h20mm开孔削弱所需的补强面积A107.2mm2壳体多余金属面积 A1595.8mm2接管多余金属面积 A2114.3mm2补强区内的焊缝面积 A336mm2A1+A2+A3=746.1 mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。氮气冷却器开孔补强计算接 管: c, 895计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.6MPa设计温度100壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16MnR(热轧)板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di500mm壳体开孔处名义厚度n8mm壳体厚度负偏差 C10mm壳体腐蚀裕量 C21mm壳体材料许用应力t170MPa接管实际外伸长度100mm接管实际内伸长度0mm接管材料20(GB8163)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm补强圈材料名称补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t0.625mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力t130MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度1.04mm接管计算厚度t0.183mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr0.765开孔直径 d84.25mm补强区有效宽度 B168.5mm接管有效外伸长度 h120.52mm接管有效内伸长度 h20mm开孔削弱所需的补强面积A88.8mm2壳体多余金属面积 A1495.5mm2接管多余金属面积 A268.82mm2补强区内的焊缝面积 A325mm2A1+A2+A3=589.3 mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。