固定管板式换热器设计说明书.doc

摘 要本设计是关于固定管板式换热器的结构设计，主要进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。本设计的前半部分是工艺计算部分，按照GB150-2011以及GB151-2014等国家标准以及技术标准等根据给定的设计条件进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际换热面积。设计的后半部分主要是关于结构和强度的设计，根据已选定的换热器型式进行设备内部各零部件（如接管、定距管折流板、折流板、管箱等）的设计，包括：材料的选择、具体的尺寸、确定具体的位置、管板厚度计算等。本设计以本着安全可靠、经济性好、传热效率高以及保护环境为原则进行的设计，符合工厂中的实际应用。关于固定管板换热器设计的各个环节，本设计书中均有详细说明。关键词：固定管板；管壳式换热器；结构设计AbstractThe design is fixed with respect to the structural design of the tube plate heat exchanger, mainly for the process to calculate heat exchanger, heat exchanger structure and strength design.The first half of this design is part of the calculation process, in accordance with GB150-2011 GB151-2014 and other national standards and technical standards in accordance with a given design conditions of the heat exchanger selection, check the heat transfer coefficient, to calculate the actual heat area. The second half of the design is mainly on the structure and strength of design, internal equipment all parts have been selected according to the type of heat exchanger (such as receivership, spacer tube baffles, baffles, pipe boxes, etc.) Design including: choice of materials, specific dimensions, determine the specific location of the tube plate thickness calculation.On all aspects of the fixed tube sheet heat exchanger design, the design specification is described in detail.Key Words: fixed tube plate; shell and tube heat exchanger；Structural Design目 录摘 要Abstract第1章 设计任务、思想11.1 设计任务11.2 设计思想1第2章 换热器的工艺设计22.1换热器的工艺条件22.2估算设备尺寸22.2.1计算传热管数NT22.2.2计算壳程直径D3第3章换热器零部件的结构设计43.1换热管43.1.1换热管的型号和尺寸43.1.2换热管的材料43.1.3换热管排列方式以及管心距43.2折流板53.2.1折流板的主要几何参数53.2.2折流板和壳体间隙63.2.3折流板厚度63.2.4折流板的管孔63.2.5材料的选取63.3拉杆、定距管63.3.1拉杆的结构形式73.3.2拉杆直径、数量和尺寸73.3.3拉杆的布置83.4防冲板83.5接管83.5.1接管（或接口）的一般要求83.5.2接管高度（伸出长度）确定83.6管箱93.7管板结构尺寸103.8封头113.9法兰结构类型123.10垫片的选取123.11鞍座的选取12第4章 换热器的机械结构设计144.1传热管与管板的连接144.2管板与壳体的连接144.3 管板与管箱的连接16第5章 换热器的强度设计与校核175.1壳体、管箱的壁厚计算175.1.1 壳体175.1.2 管箱18第6章 部分管件零部件的校核计算196.1壳程圆筒196.2 管箱圆筒196.3 换热管206.4 管板206.5 管箱法兰216.6 壳体法兰216.7 系数226.8 计算管板参数22第7章 换热器的制造、检验、安装与维护247.1换热器的制造、检验与验收247.1.1筒体247.1.2 换热管247.1.3管板257.1.4 折流板、支持板257.1.5 管束的组装257.1.6 换热器的组装257.1.7 压力试验257.2 换热器的安装、试车与维护257.2.1安装257.2.2 试车267.2.3 维护26结束语27参考文献28致谢29第1章 设计任务、思想1.1 设计任务本设计的课题为固定管板式冷却器结构设计，设计包括结构设计和强度设计。其中结构设计需要选择既合理又经济的结构形式，同时又可以满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容则应包括换热器材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，再根据设计压力确定壁厚，使换热器能有足够的腐蚀强度。1.2 设计思想本设计尽可能采用先进的技术、国家与行业标准，使生产既能达到技术先进，经济合理的要求，又能符合优质、高产、安全、低消耗的原则，具体有以下几点：(1)根据GB1502011钢制压力容器和GB1512014管壳式换热器以及JB/T 47151992等国家标准作为基础进行设计。(2)应满足工艺还有操作要求，所设计出来的流程和设备能可以保证得到质量稳定的产品，设计的流程与设备需要一定操作弹性，可方便进行流量和传热的调节。(3)应满足经济上的要求，设计应节省然热能和电能的消耗、减少设备与基础的费用，选择比较合理的回流比，节省水蒸气，设计应要全面考虑，力求总费用尽可能的低一些。(4)应保证生产安全，保证换热器具有一定刚度还有强度。根据设计压力确定壁厚，再校核其他零部件的强度，进行水压试验，确定容器是否有足够的腐蚀裕度。第2章 换热器的工艺设计2.1换热器的工艺条件壳程（进/出）管程（进/出）物料名称泵用冷却水循环水物料状态液/液液/液设计压力 MPa1.10.6最高工作压力 MPa1.00.5设计温度 15060工作温度 63/5228/38以下为参考数据换热面积 m2400换热管规格及管束级别252.56000；类程数14标准规范GB150-2011; GB151-20142.2估算设备尺寸2.2.1计算传热管数NT本设计拟用传热管规格为252.5，管长为6m，传热管数NT为NT=850根公式中符号： d0 换热管外径。mm AP 所需换热面积。M2 L 换热管长。M NT 换热管总数。根2.2.2若将传热管若将传热管按正三角形排列，计算壳程直径D根据GB151-2014的规定，管心距定为32mm横过管束中心线的管数Nc=1.1=33根本设计采用四管程结构，则壳程内径为D=t（nc-1）+（1.5）d0=32（33-1）+1.525=1061.5mm圆整得D= 1100mm第3章换热器零部件的结构设计3.1换热管3.1.1换热管的型号和尺寸 除光管外，换热器还可采用各种各样的强化传热管，如翅片管、螺纹管、螺旋槽管等。当管内直径两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。本设计选用光管。换热管常用的尺寸（外径x壁厚）主要为19mmx2mm、25mmx2.5mm和38mmx2.5mm的无缝钢管以及25mmx2mm和38mmx2.5mm的不锈钢管。选用管径时，本设计给出换热管规格252.5规格。3.1.2换热管的材料常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。设计时应该根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用合适的材料。根据钢材标准GB/T700-2006中20号钢完全可以满足要求，因此本设计换热器可以选用材料为20号钢。3.1.3换热管排列方式以及管心距管子在管板上的排列有正三角形、正方形和正方形错列三种，如图所示。传热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。正三角形排列的优点：管板的强度高；流体走短路的机会少，但是管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子；但是正三角形排列管外不易清洗。正方形排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但是在同样的管板面积上可排列的管子数量较少。同心圆排列方式优点靠近壳体的地方管子分布较均匀，在壳体直径较小的换热管可以排列的传热管数比正三角形排列还多2。由于本换热器流体性质属于比较结晶和不易结垢，因此可以采用正三角形排列，如图（a）所示：图3-1 管子排列形式管板上两传热管的中心距为管心距，管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，此外还应该考虑管板强度和清洗管外表面时所需的空间。根据GB151-2014规定，管心距定为32mm。3.2折流板折流板顾名思义是用来改变流体流向的板，常用于管壳式换热器设计壳程介质流道，根据介质性质和流量以及换热器大小确定折流板的多少。折流板被设置在壳程，它既可以提高传热效果，还起到支撑管束的作用。常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种。弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。在弓形折流板中，流体在板间错流冲刷管子，而流经折流板弓形缺口时是顺溜经过管子后进入下一板间，改变方向，流动中死区较少，比较优越，结构较简单，一般标准换热器中只采用这种。盘环形折流板制造不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。而且要求介质必须是清洁的，否则沉积物将会沉积在圆环的后面，导致传热面积失效，一般用于压力比较高而又清洁的介质。因此，本设计采用单弓形折流板。3.2.1折流板的主要几何参数弓形折流板缺口高度应该使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占筒体内直径的百分比来确定1，单弓形折流板缺口见图，根据GB151-2014缺口弦高h值，宜取0.200.45倍的圆筒内直径，取系数为0.25，切去圆缺高度h=0.251100=275mm。图3-2 单弓形折流板3.2.2折流板和壳体间隙折流板外周与壳体内径之间的间隙越小，则壳体流体介质在此外的泄漏越小，使传热效率提高，但同时间隙越小，又给制造、安装带来困难。根据GB151-2014选取折流板的名义直径DDN-4.51095.5mm3.2.3折流板厚度折流板的厚度与壳体直径、换热管无支撑长度有关，根据GB151-2014折流板最小厚度4，可选择83.2.4折流板的管孔折流板的管孔直径和公差：按照GB151-2014规定，级管束换热器折流板管孔直径d0.725+0.725.7及允许偏差+0.30管孔中心距：折流板上管孔中心距t32mm，公差为相邻两孔+0.30，任意两孔为+1.0管孔加工：折流板上管孔加工后两段必须倒角0.545。3.2.5材料的选取本设计中设计温度150和设计压力P1.1Mpa，根据GB150-2011选取材料为Q235-B，其适用范围：容器设计压力P1.60；钢板使用温度为20300；用于壳体时，钢板的厚度不大于16mm，不得用于毒性程度为极度或高度危险的介质的压力容器。3.3拉杆、定距管3.3.1拉杆的结构形式从传热角度考虑，有些换热器不需要设置折流板。但为了增加换热管刚度，防止产生过大挠度或引起管子振动，当换热器无支撑跨距超过标准的规定值时，必须设置一定数量支撑板，其形状与尺寸均按折流板的规定来处理1。常用的拉杆的形式有以下两种，见下图。a) 拉杆定距管结构，常适用于换热管外径大于或等于19mm的管束b) 拉杆与折流板点焊结构，其适用于换热管外径小于或等于14mm的管束c) 当管板较薄时，采用其他的连接结构。1图3-3 拉杆形式本装置的换热管外管径为25，换热管直径为1100mm，根据上述规定可选用拉杆定距管结构。3.3.2拉杆直径、数量和尺寸（1）拉杆直径和数量 根据GB151-2014规定，拉杆直径d16mm，拉杆数量为6根。（2）拉杆尺寸图3-4 拉杆尺寸示意图3.3.3拉杆的布置拉杆尽量均匀布置在管束的外边缘。对于大直径换热器，在布管区域内或是靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板都应不少于3个支撑点。3.4防冲板防冲板是在换热器中为了防止流体直接冲刷管子而引起管子振动失稳和腐蚀而设置的。防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁所形成的流通面积为壳程进口接管截面积的11.25倍。根据GB151-2014规定，防冲板的固定形式为：a) 防冲板的两侧焊在定距管或拉杆上，也可同时焊在靠近管板的第一块折流板上；b) 防冲板焊在圆筒上；c) 用U形螺栓将防冲板固定在换热管上。根据GB151-2014规定，防冲板的最小厚度：当壳程进口接管直径小于300时，对碳钢、低合金钢取4.5mm；对不锈钢取3mm。当壳程进口接管直径大于300mm时，对碳钢、低合金钢取6mm；对不锈钢取4mm。本装置的壳程进口接管直径为1100mm大于300mm，防冲板的材料为Q235-A，它的厚度取6mm。3.5接管3.5.1接管（或接口）的一般要求a) 接管宜与壳体内表面平齐；b）接管应尽量沿换热器的径向或轴向设置；c）设计温度高于或等于300时，应采用对焊法兰；d）必要时应设置温度计接口，压力表接口及液面计接口；e）对于不能利用接管（或接口）进行放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放弃口，最低点设置排液口，其最小公称直径为20mm；f）立式换热器可设置溢流口。3.5.2接管高度（伸出长度）确定接管伸出壳体（或管箱壳体）外壁的长度，主要考虑法兰形式，焊接操作条件，螺栓拆装，有无保温及保温厚度等因素决定。一般最短应符合下式计算值Ihh115（mm）式中：h接管法兰厚度,mm h1接管法兰的螺母厚度,mm 保温层厚度,mm I接管安装高度,mm根据上述要求,求接管高度为:循环水进口接管高度I120mm,冷却水进口接管高度I120mm,循环水进口接管高度为I120mm,循环水出口高度I120mm,管箱排气口接管高度I76mm。3.6管箱管箱的作用是把由管道来的管程流体均匀到各传热管把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。无论哪种管箱，其管箱的最小内侧深度应该满足这样的要求：使连接间流体流动的横截面积至少大于或等于单管程通过的截面。其结构型式有以下几种：A型（平盖管箱）如图（a）装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板机构用材多，且尺寸较大是得用锻件，耗费量大，机械加工时，提高了制造成本，并增加了一道密封的泄露的可能，一般多用DN900mm的浮头式换热器。B型封头管箱型 如图（b），用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况要比平端盖好的多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱。C型、D型管箱 这种形式是管箱一端与壳体及管板连成一体，或是用于可拆管束与管板制成一体的管箱，另一端可采用A型结构，减少了泄露的可能性。一般用的较少，只在高压情况下使用。图3-5 管箱结构形式本换热器由于压力不高，而且管程为4程所以采用B型管箱。3.7管板结构尺寸管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关。1本换热器采用的是选用固定管板兼作法兰形式的管板。图3-6 管板结构这种管板结构尺寸，在依据确定的设计压力，壳体内径来选择或设计法兰，然后根据法兰相应结构尺寸来确定管板的最大直径，密封面位置、宽度、螺栓直径、位置、个数等等，根据上述确定的壳体内径D1100mm和设计压力PN1.1Mpa，根据JB4707-2000确定法兰D1260mm D1=1215mm D2=1176mm D3=1156mm D4=1153mm =76mm d=27mm。螺柱规格M24，数量n=362管板孔直径和允许公差，由参考得管孔直径为25.25mm，允许偏差为+0.15 03管板材料在选择管板材料时，除了考虑力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性能，以及管板和换热管之间电位差对腐蚀的影响。本换热器所采用的材料是16MnR。3.8封头封头属压力容器中锅炉部件的一种。通常是在压力容器的两端使用的。再有就是在管道的末端做封堵之用的一种焊接管件产品。压力容器封头的种类很多，分为凸形封头、锥壳、变径短、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形分头、椭圆形封头、蝶型风头和球冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。1） 半球形封头，在均匀压力作用下，薄壁球形容器的薄膜应力分析为相同直径圆筒的一半，故从受力分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，直径小时，整体冲击困难，大直径采用分瓣压其拼焊工作量较大。半球封头常采用在高压容器上。2） 椭圆形封头是由半个椭圆面和短圆筒组成的，由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。本设计采用椭圆形封头。3） 蝶型封头是带折边的球面封头，该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部分的应力远远高于其他部分，故应力状况不佳。但过度环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，且压制蝶型封头的钢模加工简单，使蝶型封头的应用范围较为广泛。4） 锥壳，轴对称锥壳可以分为无折边锥壳和折边锥壳，由于结构不连续，锥壳的应力分布并不理想，但是其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放，可作为不同直径圆筒的中间过渡段，因而在中、低容器中使用较为普遍。对受均匀内压封的强度计算，由于封头和圆筒相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还考虑与圆筒连接处的不连续应力。连接处总应力的大小与封头的几何形状和尺寸，封头与圆筒厚度的比值大小有关。3.9法兰结构类型法兰的基本结构形式按组成法兰的圆筒、法兰环及锥颈三部分的整体性程度可分为松式法兰、整体法兰和任意式法兰三种。1） 松式法兰：指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。适用于有色金属和不锈钢制设备或管道上。且法兰用碳素钢制作，以节约贵重金属。但法兰刚度小，厚度较厚，一般只适用于压力较低的场合。2） 整体法兰：将法兰与壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰，这种结构能保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可以适当减薄，但会在壳体上产生较大应力。其中的带颈法兰可以提高法兰与壳体的连接刚度，适用于压力、温度较高的重要场合。3） 任意法兰：从结构来看，这种法兰与壳体连成一体，但刚性介于整体法兰和松式法兰之间，这类法兰结构简单，加工方便，故在低压容器或管道中得到广泛应用。根据JB/T4702-2000故选用整体式乙型平焊法兰。3.10垫片的选取设备垫片主要有：非金属垫片、缠绕垫片和金属包垫片。一般情况下，非金属软垫片适用于甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面式为光滑密封或凹凸密封面。缠绕垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面式为光滑密封或凹凸密封面以及榫槽密封面。金属包垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面式为光滑密封或凹凸密封面以及榫槽密封面。本换热器壳程和管程介质为泵用冷却水和循环水，工作温度与压力不高，采用非金属垫片，可以按照JB/T4720进行选用与验收。3.11鞍座的选取本换热器是卧式换热器，换热器鞍式支座可按JB/T4712 选用。鞍式支座在换热器上的分布应按下列原则确定： a）当L300mm时 ，取Ls=（0.40.6）L b) 当L3000mm时 取Ls=（0.50.7）L c）尽量使Lc和Lc1相近图3-7 鞍座第4章 换热器的机械结构设计4.1传热管与管板的连接管子与管板的连接，在管壳换热器的设计中，是一个比较重要的结构部分。它不仅加工工作量大，而且必须是每个连接处在设备的运行中，保证介质无法泄露及承受介质压力的能力。管子与管板的连接形式有强度胀接、强度焊接与胀焊接的混合结构。无论采用何种连接方式，都必须满足以下两个条件:连接处保证介质无泄漏的充分气密性;承受介质压力的充分结合力。强度胀接结构简单，换热管修补容易。由于胀接管端处在胀接使产生塑性变形，存在着残余应力。不锈钢管与管板无论压力大小，温度高低，一般均采用焊接结构，目的是消除换热管与管板孔的间隙，从而消除间隙腐蚀。4.2管板与壳体的连接管板与壳体的连接依据换热器的结构形式分为可拆连接及不可拆连接。可拆连接主要用于浮头式，U型管式和填料函式换热器的固定端管板，不可拆连接在刚性结构换热器中采用，其两端管板的内侧面直接焊在壳体上，而根据两端管板的外侧面连接形式又分为管板兼法兰和不兼作法兰。目前用于管侧介质压力及密封性能要求不高的场合即通常称为固定管板式换热器；后者多见于管侧压力很高或密封性能要求也高的高温高压换热器中。本设备选取了延长部分兼作法兰的管板。如图为常见的兼作法兰的管板与壳体连接结构，根据具体情况也可选用其他形式的结构。其使用压力及场合主要根据焊缝是否焊透及焊缝受力的情况。可焊透结构及对接焊缝使用压力则较高，反之则较低，如图（a）为角焊缝，无论采用对接双面焊，但是进行壳程强度计算时，只能依这里的焊缝为最薄弱环节取用适于壳体板厚大于10mm，壳程压力Ps1MPa，不适用于易燃、易挥发及有毒介质的场合。图（b）、（c) 形式的焊接质量科大大提高，因此适适用在压力较高（Ps4MPa），设备直径较大，管板较厚的场合。图（b）（e）形式的使用压力更高，一般 Ps4MPa.此时管板带有凸肩，其焊接结构性能已由交接变为对接，故承载能力更佳。在选定上述结构形式时，要特别注意壳程介质有无间隙腐蚀作用，则只能选择图（b）（d）两种不带垫板的结构；若壳程节奏无间隙腐蚀的作用，应尽量选择带有垫片的存在间隙的结构形式，即图（c）、（e），它可以保证对接焊缝焊透，焊接质量更佳。至于管板上环形圆角则完全是为了减少应力集中。 图4.2.1兼作法兰的管板与壳体的连接结构4.3 管板与管箱的连接管板与管箱连接多数是靠法兰连接的，形式很多，随着温度，压力及耐腐蚀情况下不同而异。在设计中应合理选择不同链接形式，对设备的制造，安全及节约材料有重要的意义。固定管板式换热器的管板与管箱法兰的连接形式比较简单，除了满足工艺上的要求选择一定的密封形式外，按压力、温度来选择法兰的结构形式。如图所示为三种最常见的固定管板换热器的管板与管箱法兰连接形式。图（a）的结构采用平面密封形式，适用于管程操作压力小于1.6MPa，且对气密性要求不高的情况下。图（b）采用榫槽密封面形式，适于气密性要求较高的场合，但具有制造要求较高，加工比较困难，垫片窄，安装不便等缺点，一般在中低压较少采用，当在较高压下采用时，法兰的形式应该用长颈法兰。图（c）的形式时最常见，法兰的密封面采用凹凸面形式，视压力高低，法兰形式可分为平焊法兰，更过为长颈法兰。 根据本设备的气密性要求和加工方便，安装便利，采用下面的图（c）连接方式。图4-1 固定管板换热器的管板与管箱的连接第5章 换热器的强度设计与校核5.1壳体、管箱的壁厚计算5.1.1 壳体 16MnR（热轧），根据GB150-2011在设计压力1.1MPa和设计温度150下的许用力t=170MPa,受压元件的焊接接头形式是双面焊对接接头或相当于双面焊的全焊透对接接头，其100%无损检测下的焊接接头系数=1.00，局部无损检测=0.85，取=1.公称直径Di=1100mm，碳钢的腐蚀余量C2=1mm,钢板厚度负偏差C1=0.8mm计算厚度=3.57mm4mm设计厚度 d=+C2=4+1=5mm名义厚度 n=d +C1=5+0.8=6mm（根据GB151-2014规定低合金钢圆筒最小厚度为 8mm）有效厚度 e=n-C2-C1=8-1-0.8=6.2mm 设计温度下的圆筒的计算应力： t=98.13 MPa 1.1MPa5.1.2 管箱 采用16MnR(热轧)，根据GB150-2011在设计压力0.6MPa和设计温度60下的许用力t=170MPa,受压元件的焊接接头形式是双面焊对接接头或相当于双面焊的全焊透对接接头，其100%无损检测下的焊接接头系数=1.00，局部无损检测=0.85，取=1.公称直径Di=1100mm，碳钢的腐蚀余量C2=1mm,钢板厚度负偏差C1=0.8mm计算厚度 =2.64mm3mm 设计厚度 d=+C2=3+1=4mm 名义厚度 n=d +C1=4+0.8=5mm（根据GB151-2014规定低合金钢圆筒最小厚度为8mm） 有效厚度 e=n-C2-C1=8-1-0.8=6.2mm设计温度下的圆筒的计算应力： t=53.52MPa 0.6MPa第6章 部分管件零部件的校核计算延长部分兼作法兰固定式管板6.1壳程圆筒 设计计算条件： 设计压力ps=1.1MPa设计温度Ts=150平均金属温度 ts=101 装配温度t0=15材料名称 16MnR(热轧) 设计温度下许用应力st=170 Mpa平均金属温度下弹性模量 Es=1.9105Mpa平均金属温度下热膨胀系数as=1.12105 mm/mm壳程圆筒内径 Di =1100 mm壳 程 圆 筒 名义厚 度=8 mm壳 程 圆 筒 有效厚 度=6.2 mm 壳体法兰设计温度下弹性模量 =2.046105 MPa壳程圆筒内直径横截面积 A=0.25 p Di2=2.827105 mm2壳程圆筒金属横截面积 As=pds ( Di+ds )=1.528104 mm26.2 管箱圆筒设计压力pt=0.6 Mpa 设计温度Tt=60材料名称16MnR(热轧) 设计温度下弹性模量 Eh=2.045105 Mpa管箱圆筒名义厚度(管箱为高颈法兰取法兰颈部大小端平均值) dh=23mm管箱圆筒有效厚度dhe=19 mm管箱法兰设计温度下弹性模量 =2.045105Mpa6.3 换热管料名称20(GB8163) 管子平均温度Tt=33设计温度下管子材料许用应力=130 MPa设计温度下管子材料屈服应力=226.2 MPa设计温度下管子材料弹性模量 =1.912105 MPa平均金属温度下管子材料弹性模量=1.918105MPa平均金属温度下管子材料热膨胀系数 =1.1105mm/mm管子外径 d=25 mm 管子壁厚dt=2.5 mm管子根数 n=850 换热管中心距 S=32mm一根管子金属横截面积=176.7 mm2换热管长度 L=6000 mm 管子有效长度(两管板内侧间距) L=5920 mm管束模数 =4489 Mpa 管子回转半径 =8.004 mm管子受压失稳当量长度lcr=240 mm 系数Cr =129.2比值 =29.99管子稳定许用压应力 ()时， = =32.59 MPa管子稳定许用压应力 ()时， =99.99Mpa6.4 管板材料名称16Mn 设计温度 =80设计温度下许用应力=150 Mpa 设计温度下弹性模量=2.038105 MPa管板腐蚀裕量 C2 =1mm 管板输入厚度dn=40 mm管板计算厚度 d=36 mm 隔板槽面积 (包括拉杆和假管区面积)Ad=1.68104 mm2管板强度削弱系数=0.4 管板刚度削弱系数= m=0.4管子加强系数 K=4.898管板和管子连接型式 焊接 管板和管子胀接(焊接)高度l=3.5 mm胀接许用拉脱应力 q=4 Mpa 焊接许用拉脱应力 q=65 Mpa6.5 管箱法兰材料名称16Mn 管箱法兰厚度 =36 mm法兰外径 =830 mm 基本法兰力矩 = Nmm管程压力操作工况下法兰力=8.76106 Nmm法兰宽度 =70 mm比值=0.025 比值=0.07333系数(按dh/Di ,df”/Di , 查图25) 0.00系数w”(按dh/Di ,df”/Di ,查图 26) 0.003472旋转刚度 =70.4 Mpa6.6 壳体法兰材料名称 16Mn 壳体法兰厚度=36 mm法兰外径 =830 mm 法兰宽度 =70 mm比值 =0.01 比值=0.045系数, 按dh/Di ,df”/Di , 查图25 0.00系数, 按dh/Di ,df”/Di , 查图26 0.000344旋转刚度 =8.462 MPa法兰外径与内径之比 =1.2336.7 系数壳体法兰应力系数Y ( 按K查表9-5) 9.379 管板第一弯矩系数(按,查图 27) 0.1421系数 =19.6系数(按查图 29) =3.396换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比 =3.359换热管束与带膨胀节壳体刚度之比 管板第二弯矩系数(按K,Q或查图28(a)或(b)=2.828系数（带膨胀节时代替Q） =0.002147系数 (按K,Q或Qex 查图30) =0.007632法兰力矩折减系数 =0.1625管板边缘力矩变化系数 =3.538法兰力矩变化系数 =0.42526.8 计算管板参数管板开孔后面积 A - 0.25 npd 2=1.689105 mm2管板布管区面积 (三角形布管) (正方形布管 ) 管板布管区当量直径 =532.3 mm系数 =0.5972系数 =0.2428系数 =4.779管板布管区当量直径与壳体内径之比 =0.8872第7章 换热器的制造、检验、安装与维护7.1换热器的制造、检验与验收换热器的制造、检验与验收，应遵守GB151-2014和GB150-2011的有关规定。7.1.1筒体a) 圆筒内直径允许偏差：用板材卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外圆周长允许偏差为10mm,下偏差为0。b) 圆筒同一断面上，最大直径与最小直径之差为e0.5%DN,DN=0.5%600=3mmc) 圆筒直线度偏差为L/1000，且当L6000mm时，其值不大于4.5mm。L=2652mm,所以直线度允许偏差为2652/1000=2.65mm。进行检查时，应通过中心线和垂直面即沿圆周0、90、180、270四个部位测量。d) 壳体内壁凡有碍管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至于母材表面平齐。e) 插入式接管不应伸出管箱、壳体和头盖的内表面。7.1.2 换热管a) 换热管管端外表面应除锈，用于焊接时，管端清理长度应不小于管外径，且不小于25mm。b) 管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。7.1.3管板a) 管板由高合金钢0Cr17Ni12Mo2制成，加工前表面不平度不得大于2mm,如超过此值，应先进行校平，然后进行加工。b) 拼接管板的对接接头应进行100%射线或者超声检测，按JB4730进行表面检测，检测结果不低于II级，或超声检测中的I级为合格。c) 换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的 和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热管内壁的焊瘤均应清除。d) 管板与换热管焊接时，管孔表面粗糙度Ra25m。7.1.4 折流板、支持板a) 折流板、支持板的管孔直径及允许误差按GB151-2014中的5.9.3的规定为19.6，但允许超差0.1mm的管孔数不得超过4%。b) 折流板、支持板外圆表面粗糙度Ra值不得大于25m，外圆面两侧的尖角应倒钝。还应清除折流板、支持板上的任何毛刺。7.1.5 管束的组装a) 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。b) 穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤。c) 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。d) 管箱应在补焊后做消除应力的热处理，设备法兰应在热处理后加工。e) 换热管的密封面应予以保护，不得因磕碰划伤、电弧损伤、焊瘤、飞溅等而损坏密封面。7.1.6 换热器的组装a) 换热器的零部件在组装前应认真检查和清扫，不应留有焊疤、焊接飞溅物、浮锈及其他杂物等。b) 吊装管束时，应防止管束变形和损伤换热管。c) 螺栓的紧固至少应分三遍进行，每遍的起点应相互错开120角。7.1.7 压力试验压力试验的方法及要求应符合GB150-2011钢制压力容器第十章10.9的规定。浮头式压力容器的压力试验的顺序：先用浮头专用试压工具进行管头试压，然后管程和壳程均以0.83MPa（表压）进行水压试验，合格后，再以0.105MPa(表压)进行气密性试验。7.2 换热器的安装、试车与维护7.2.1安装a) 安装位置：根据浮头式换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。b) 基础：必须使换热器不发生下沉。在活动支座的一端应予以埋滑板。c) 地脚螺栓和垫铁活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有1-3mm的间隙。地脚螺栓两侧均有垫铁。设备找平后，楔入垫铁，可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。7.2.2 试车试车前应查阅图纸有无特殊要求和说明。铭牌上有无特殊标志。试车前应清洗整个系统，并在入口接管处设置过滤网。系统中如无旁路，试车时应增设临时旁路。试车开始后，开启放气口，使流体充满设备。此设备的物料为蒸汽，开车前应排空残液，以免形成水击，因为此设备的介质有腐蚀性，停车后应将残存介质排净。开车和停车过程中，应逐渐升温和降温，以免造成压差过大和热冲击。7.2.3 维护换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。要经常对管程和壳程介质的温度和压降进行监督，分析换热器的泄露和结构情况。在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，应根据介质和换热器的结构，选择有效的方法进行清洗。应经常监视管束的震动情况。结束语本次设计依据国家相关规范、标准，严格遵循GB151-2014管壳式换热器和GB150-2011钢制压力容器，对固定管板换热器设计进行了工艺设计、结构设计、机械设计和加工工艺，设计出来的换热器在选材、工艺结构等方面都达到较高的标准，满足生产要求。在换热器的设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点： (1)掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；(2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；(3)培养了迅速准确的进行工程计算的能力；(4)学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 参考文献1 中华人民共和国国家标准.钢制压力容器.GB 150-2011.北京：中国标准出版社2 中华人民共和国国家标准.钢制压力容器.GB 151-2014.北京：中国标准出版社3 中华人民共和国国家标准.椭圆形封头.JB/T4746-2002.云南：云南科技出版社出版4 中华人民共和国行业标准.压力容器法兰.JB/T 47004707-2000.云南：云南科技出版社出版5 中华人民共和国行业标准.碳素结构钢GB/T700-2006：中国标准出版社6石油化工设计手册第1卷和第2卷，化学工业出版社，2001年; TE65-62/100237化工设备设计手册1中的“材料与零部件”上海人民出版社，1973；TQ055-62/2132:18化工容器及设备余国综主编 ，天津大学出版社；TQ053/80619化工容器及设备卓震主编，中国石化出版社 1998； TQ053.2/1100410化学工程手册第十三篇，化学工业出版社1979；TQ02-62/2912.1311化工原理上下册，化学工业出版社；12石油化工工艺计算图表烃加工出版社；TE6-64/101313过程设备设计郑津洋、董其伍、桑芝富主编，化学工业出版社 2010.614化工设备设计手册.材料与零部件（上） 上海科学技术出版社 1982年15压力容器与化工设备使用手册（上册）董大勤、袁凤隐主编， 化学工业出版社 2000 16过程装备制造与检测邹广华、刘强主编，北京化工工业出版社 2003年17化工设备设计全书.化工设备用钢王非、林英编 北京化工工业出版社2003.1218化工炼油设备常用标准汇编（上册） 兰州石油机械研究所编 北京技术标准出版社出版 1978