固定管板式换热器设计说明书

固定管板式换热器设计 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 本科课程设计 I 固定管板式换热器设计 II Abstract The 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 本科课程设计 III 目 录 摘 要 Abstract 第 1 章 设计任务 思想 1 1 1 设计任务 1 1 2 设计思想 1 第 2 章 换热器的工艺设计 2 2 1 换热器的工艺条件 2 2 2 估算设备尺寸 2 2 2 1 计算传热管数 NT 2 2 2 2 计算壳程直径 D 3 第 3 章换热器零部件的结构设计 4 3 1 换热管 4 3 1 1 换热管的型号和尺寸 4 3 1 2 换热管的材料 4 3 1 3 换热管排列方式以及管心距 4 3 2 折流板 5 3 2 1 折流板的主要几何参数 5 3 2 2 折流板和壳体间隙 6 3 2 3 折流板厚度 6 3 2 4 折流板的管孔 6 3 2 5 材料的选取 6 3 3 拉杆 定距管 6 3 3 1 拉杆的结构形式 7 3 3 2 拉杆直径 数量和尺寸 7 3 3 3 拉杆的布置 8 3 4 防冲板 8 3 5 接管 8 3 5 1 接管 或接口 的一般要求 8 3 5 2 接管高度 伸出长度 确定 8 3 6 管箱 9 3 7 管板结构尺寸 10 3 8 封头 11 固定管板式换热器设计 IV 3 9 法兰结构类型 12 3 10 垫片的选取 12 3 11 鞍座的选取 12 第 4 章 换热器的机械结构设计 14 4 1 传热管与管板的连接 14 4 2 管板与壳体的连接 14 4 3 管板与管箱的连接 16 第 5 章 换热器的强度设计与校核 17 5 1 壳体 管箱的壁厚计算 17 5 1 1 壳体 17 5 1 2 管箱 18 第 6 章 部分管件零部件的校核计算 19 6 1 壳程圆筒 19 6 2 管箱圆筒 19 6 3 换热管 20 6 4 管板 20 6 5 管箱法兰 21 6 6 壳体法兰 21 6 7 系数 22 6 8 计算管板参数 22 第 7 章 换热器的制造 检验 安装与维护 24 7 1 换热器的制造 检验与验收 24 7 1 1 筒体 24 7 1 2 换热管 24 7 1 3 管板 25 7 1 4 折流板 支持板 25 7 1 5 管束的组装 25 7 1 6 换热器的组装 25 7 1 7 压力试验 25 7 2 换热器的安装 试车与维护 25 7 2 1 安装 25 7 2 2 试车 26 7 2 3 维护 26 结束语 27 本科课程设计 V 参考文献 28 致谢 29 固定管板式换热器设计 0 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 GB150 2011 钢制压力容器 和 GB151 2014 管壳式换热器 以及 JB T 4715 1992 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 本科课程设计 1 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 MPa 1 1 0 6 最高工作压力 MPa 1 0 0 5 设计温度 150 60 工作温度 63 52 28 38 以下为参考数据 换热面积 m2 400 换热管规格及管束级别 25 2 5 6000 类 程数 1 4 标准规范 GB150 2011 GB151 2014 2 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 25 2 5 管长为 6m 传热管数 NT 为 NT 850 根dL A6025 4 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 固定管板式换热器设计 2 横过管束中心线的管数 Nc 1 1 33 根850 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 5 25 1061 5mm 圆整得 D 1100mm 本科课程设计 3 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 25 2 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 固定管板式换热器设计 4 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 20 0 45 倍的圆筒内直径 取 系数为 0 25 切去圆缺高度 h 0 25 1100 275mm 本科课程设计 5 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 D DN 4 5 1095 5mm 3 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 8 3 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 d 0 7 25 0 7 25 7 及允许偏差 0 30 管孔中心距 折流板上管孔中心距 t 32mm 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 5 45 3 2 5 材 料 的 选 取 本设计中设计温度 150 和设计压力 P 1 1Mpa 根据 GB150 2011 选取材 料为 Q235 B 其适用范围 容器设计压力 P 1 60 钢板使用温度为 20 300 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 固定管板式换热器设计 6 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 d 16mm 拉杆 数量为 6 根 2 拉杆尺寸 图 3 4 拉 杆 尺 寸 示 意 图 本科课程设计 7 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 1 1 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 固定管板式换热器设计 8 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 I h h1 15 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 I 120mm 冷却水进口接 管高度 I 120mm 循环水进口接管高度为 I 120mm 循环水出口高度 I 120mm 管 箱排气口接管高度 I 76mm 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 DN 900mm 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 本科课程设计 9 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 D 1100mm 和设计压力 PN 1 1Mpa 根据 JB4707 2000 确定法兰 D 1260mm D1 1215mm 固定管板式换热器设计 10 D2 1176mm D3 1156mm D4 1153mm 76mm d 27mm 螺柱规格 M24 数 量 n 36 2 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 0 3 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 本科课程设计 11 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 固定管板式换热器设计 12 a 当 L 300mm 时 取 Ls 0 4 0 6 L b 当 L 3000mm 时 取 Ls 0 5 0 7 L c 尽量使 Lc 和 Lc1 相近 图 3 7 鞍座 本科课程设计 13 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 固定管板式换热器设计 14 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 本科课程设计 15 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 固定管板式换热器设计 16 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 本科课程设计 17 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 固定管板式换热器设计 18 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 本科课程设计 19 程压力 Ps 1MPa 不适用于易燃 易挥发及有毒介质的场合 图 b c 固定管板式换热器设计 20 形式的焊接质量科大大提高 因此适适用在压力较高 Ps 4MPa 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 Ps 4MPa 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 本科课程设计 21 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 固定管板式换热器设计 22 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 57mm 4mmctP 2Di 1 702 设计厚度 d C 2 4 1 5mm 名义厚度 n d C 1 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 C 2 C1 8 1 0 8 6 2mm 设计温度下的圆筒的计算 应力 t 98 13 MPa eic2DP 2 610 1 1MPawP e tDi2 2 6107 本科课程设计 23 5 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 64mm 3mmctP 2Di 6 0172 设计厚度 d C 2 3 1 4mm 名义厚度 n d C 1 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 C 2 C1 8 1 0 8 6 2mm 设计温度下的圆筒的计算 应力 t 53 52MPa eic2DP 2 60 0 6MPawP e tDi2 2 6107 固定管板式换热器设计 24 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 C 平均金属温度 ts 101 装配温度 t0 15 C 材料名称 16MnR 热轧 设计温度下许用应力 t 170 Mpa 平均金属温度下弹性模量 Es 1 9 105Mpa 平均金属温度下热膨胀系数 s 1 12 105 mm mm C 壳程圆筒内径 Di 1100 mm 壳 程 圆 筒 名义厚 度 8 mm s 壳 程 圆 筒 有效厚 度 6 2 mm se 壳体法兰设计温度下弹性模量 2 046 105 MPaEf 壳程圆筒内直径横截面积 A 0 25 Di2 2 827 105 mm2 壳程圆筒金属横截面积 As s Di s 1 528 104 mm2 6 2 管 箱 圆 筒 设计压力 pt 0 6 Mpa 设计温度 Tt 60 C 材料名称 16MnR 热轧 设计温度下弹性模量 Eh 2 045 105 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 h 23mm 管箱圆筒有效厚度 he 19 mm 管箱法兰设计温度下弹性模量 2 045 105MpaEf 本科课程设计 25 6 3 换 热 管 料名称 20 GB8163 管子平均温度 Tt 33 C 设计温度下管子材料许用应力 130 MPa t 设计温度下管子材料屈服应力 226 2 MPast 设计温度下管子材料弹性模量 1 912 105 MPatE 平均金属温度下管子材料弹性模量 1 918 105MPat 平均金属温度下管子材料热膨胀系数 1 1 105mm mm t C 管子外径 d 25 mm 管子壁厚 t 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 mm2ad tt 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 mmtK 2t2 5 0 di 管子受压失稳当量长度 lcr 240 mm 系数 Cr 129 2 tstE 比值 29 99licr 管子稳定许用压应力 时 32 59 MPailCcrr cr2rt il 管子稳定许用压应力 时 99 99Mpailcr cr rcts1Ci 6 4 管 板 材料名称 16Mn 设计温度 80tp 设计温度下许用应力 150 Mpa r t 设计温度下弹性模量 2 038 105 MPaEp 管板腐蚀裕量 C 2 1mm 管板输入厚度 n 40 mm 管板计算厚度 36 mm 隔板槽面积 包括拉杆和假管区面积 Ad 1 68 10 4 mm2 固定管板式换热器设计 26 管板强度削弱系数 0 4 管板刚度削弱系数 0 4 管子加强系数 K 4 898 LEnaDKpti2 318 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 Mpa 6 5 管 箱 法 兰 材料名称 16Mn 管箱法兰厚度 36 mm f 法兰外径 830 mm 基本法兰力矩 N mmDf Mm 管程压力操作工况下法兰力 8 76 106 N mmMp 法兰宽度 70 mm2 ifb 比值 0 025 比值 0 07333 hi fi D 系数 按 h Di f Di 查 图 25 0 00C 系数 按 h Di f Di 查 图 26 0 003472 旋转刚度 70 4 Mpa 2 1 h 3i ffi f EbDEK 6 6 壳 体 法 兰 材料名称 16Mn 壳体法兰厚度 36 mm f 法兰外径 830 mm 法兰宽度 70 mmfD2 ffiDb 比值 0 01 比值 0 045is i f 系数 按 h Di f Di 查 图 25 0 00C 系数 按 h Di f Di 查 图 26 0 000344 旋转刚度 8 462 MPa 2 1s 3i fi EDbEKff 法兰外径与内径之比 1 233if 本科课程设计 27 6 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 1421f m1 系数 19 6f 1m 系数 按 查 图 29 3 396Ktf G2 换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比 3 359Q stAEna 换热管束与带膨胀节壳体刚度之比 LKexexst 管板第二弯矩系数 按 K Q 或 查 图 28 a 或 b Qex 2 828m2 系数 带膨胀节时 代替 Q 0 002147ex 2211GKmM 系数 按 K Q 或 Qex 查图 30 0 0076323 法兰力矩折减系数 0 1625 f f 管板边缘力矩变化系数 3 538 ts 2 tE 法兰力矩变化系数 0 4252 MK ff 6 8 计 算 管 板 参 数 管板开孔后面积 A 0 25 n d 2 1 689 105 mm2 l 管板布管区面积 三角形布管 d2t86 0S 正方形布管 tAn 固定管板式换热器设计 28 管板布管区当量直径 532 3 mm 4ttAD 系数 0 5972 Al 系数 0 2428lna 系数 4 779 s0461 Q 管板布管区当量直径与壳体内径之比 0 8872 tti D 本科课程设计 29 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 e 0 5 DN DN 0 5 600 3mm c 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 Ra 25 m 固定管板式换热器设计 30 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 25 m 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 本科课程设计 31 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 固定管板式换热器设计 32 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 本科课程设计 33 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 4700 4707 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 10023 7 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 1 8 化 工 容 器 及 设 备 余 国 综 主 编 天 津 大 学 出 版 社 TQ053 8061 9 化 工 容 器 及 设 备 卓 震 主 编 中 国 石 化 出 版 社 1998 TQ053 2 11004 10 化 学 工 程 手 册 第 十 三 篇 化 学 工 业 出 版 社 1979 TQ02 62 2912 13 11 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 1013 13 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 6 14 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 12 18 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 固定管板式换热器设计 34