F320浮頭式換熱器設(shè)計含10張CAD圖.zip

F320浮頭式換熱器設(shè)計含10張CAD圖.zip,F320,頭式,換熱器,設(shè)計,10,CAD F320浮頭式換熱器設(shè)計 摘 要 本次設(shè)計的課題為F320浮頭式換熱器，組成部分為：浮頭、管體、殼體、管束等。此次設(shè)計的換熱器設(shè)計為雙殼程雙管程浮頭式換熱器。其中，管程的介質(zhì)為煙道氣，設(shè)計壓力為1.35MPa，設(shè)計溫度為480℃。殼程的介質(zhì)為水，設(shè)計壓力為1.25MPa，設(shè)計溫度為95℃。腐蝕余量定義為1.00mm。換熱面積為320m2 。通過以上參數(shù)可制定此次設(shè)計的具體步驟及內(nèi)容。 浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列中的一種，它的特點是兩端管板只有一端與外殼固定死，另一端可相對殼體滑移，稱為浮頭。浮頭式換熱器由于管束的膨脹不受殼體的約束，因此不會因管束之間的差脹而產(chǎn)生溫差熱應(yīng)力，另外浮頭式換熱器的優(yōu)點還在于拆卸方便，易清洗。在化工工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。此次設(shè)計的主要內(nèi)容如下所述。首先，進行材料的選擇以及各個結(jié)構(gòu)的設(shè)計。然后對有些部件結(jié)構(gòu)通過計算進行強度校核，之后進行加工工藝的設(shè)計。再之后對換熱器的防腐方面做出研究，最后把所有的圖紙由AutoCAD繪出。 關(guān)鍵詞 ： 浮頭式換熱器；殼體；管程;浮頭；管束 ABSTRACT The subject of this design is F320 floating head heat exchanger, which consists of floating head, tube body, shell, tube bundle, etc. The heat exchanger designed is a double shell double tube floating head heat exchanger. Among them, the medium of the pipe is flue gas, the design pressure is 1.35MPa, and the design temperature is 480 C. The medium of the shell side is water, the design pressure is 1.25MPa, and the design temperature is 95 C. The corrosion allowance is defined as 1.00mm. The heat transfer area is 320m2 . Through the above parameters, the specific steps and contents of the design can be worked out. The float head type heat exchanger is one of the tube and shell heat exchanger series. Its characteristic is that the end of the tube is fixed only one end and the outer shell, the other end can slip relative to the shell, which is called the float head. As the expansion of the tube bundle is not restricted by the shell of the tube, the temperature difference and thermal stress will not be produced by the differential expansion between the tube bundles, and the advantages of the float type heat exchanger are also easy to disassemble and easy to clean. It is widely used in the chemical industry. The main contents of this design are as follows. First, the selection of materials and the design of various structures. Then the strength of some parts is checked through calculation, and then the processing technology is designed. After that, the corrosion prevention of heat exchanger is studied. Finally, all the drawings are drawn by AutoCAD. Key words Float type heat exchanger；Housing；Course；Floating head；Tube bundle 目錄 1 緒論 1 1.1 浮頭式換熱器介紹 1 1.2 浮頭式換熱器原理 1 1.3 浮頭式換熱器優(yōu)缺點 1 1.4 換熱器的應(yīng)用 1 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 2.1 材料選擇 3 2.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 2.3 零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 3 強度計算與校核 12 3.1 管箱筒體計算 12 3.2 管箱封頭計算 13 3.3 殼程圓筒計算 14 3.4 管箱法蘭計算 15 3.5 管箱螺栓間距校核 16 3.6 筒體法蘭計算 17 3.7 筒體螺栓間距校核 18 3.8 總體強度校核方法 19 4 加工工藝 20 4.1 總體制造工藝 20 4.2 封頭的成型 20 4.3 筒節(jié)的彎卷成型 20 4.4 固定管板制造 21 4.5 浮動管板制造 21 4.6 法蘭制造 21 4.7 鉤圈制造 22 4.8 管箱制造 23 4.9 筒體制造 24 4.10 補強圈制造 25 4.11 殼體制造 26 4.12 安裝與拆卸 27 5 換熱器的安全防腐 29 5.1 換熱器的腐蝕 29 5.2 換熱管腐蝕 29 5.3 管子與管板、折流板連接處的腐蝕 29 5.4 殼體腐蝕 29 5.5 換熱器的防腐 29 總結(jié) 31 參考文獻 32 致謝 33 1 緒論 1.1 浮頭式換熱器介紹 浮頭式換熱器是管殼式換熱器系列之中的一種，管殼式換熱器由于其具備了良好的經(jīng)濟性。且對溫度、壓力、介質(zhì)有著非常好的耐用性和的適應(yīng)性，在換熱器領(lǐng)域始終占有很重要的地位。因此，浮頭式換熱器的標準化工業(yè)被認為是很重要的一部分，并且受到了國際組織的高度重視。由此產(chǎn)生了一系列的浮頭式換熱器標準，許多國家機構(gòu)共同參與浮頭式換熱器標準的定制。浮頭式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中受到了廣大人群的喜愛。 1.2 浮頭式換熱器原理 浮頭換熱器的兩端有著管板，浮頭端是沒有連接殼體的一端。在加熱管程的時候，管束和浮頭會沿著軸隨意進退，從而消除大部分熱應(yīng)力。殼體和管束可以隨意脹大，因此當兩個介質(zhì)之間的溫差較大的時候，管、殼體之間消除了溫差應(yīng)力。浮頭是可以拆卸的，便于插入或提取管道，這讓維修以及清洗變得方便。 1.3 浮頭式換熱器優(yōu)缺點 1.3.1 優(yōu)點 ⑴ 管道的清洗非常的方便； ⑵ 沒有溫差限制； ⑶ 能夠在高溫的條件下很好的工作； ⑷ 在結(jié)垢比較重的情況之下也能很好的使用； ⑸ 管程易腐蝕場合也能使用。 1.3.2 缺點 ⑴ 浮頭端容易泄露； ⑵ 對于金屬材料的消耗大； ⑶ 結(jié)構(gòu)非常的復雜。 1.4 換熱器的應(yīng)用 換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中在非常多的方面有著很廣泛的應(yīng)用。比如說制冷行業(yè)。其中蒸汽制冷機中有蒸發(fā)器和冷凝器;又比如說制糖工藝和造紙工藝。糖液蒸發(fā)器和紙漿蒸發(fā)器中都有換熱器的應(yīng)用。在化學工業(yè)和石化工業(yè)的生產(chǎn)過程中，換熱器的應(yīng)用更是眾多。在航空航天工業(yè)中，換熱器也是及時去除發(fā)動機和輔助動力裝置在運行過程中產(chǎn)生的大量熱量所不可或缺的組成部分。還有很多很多的領(lǐng)域有著浮頭式換熱器的應(yīng)用，這里不一一舉例。在每個生產(chǎn)領(lǐng)域，為挖掘能源利用潛力，節(jié)約能源和減少排放，我們必須組織熱交換器過程并利用和回收廢熱。 由于世界煤炭，石油和天然氣能源儲量有限，各國面臨非常嚴峻的能源短缺問題，所以各國都在致力于新能源的開發(fā)。因此，換熱器的應(yīng)用和能源的發(fā)展（如太陽能，地熱能和海洋能）與經(jīng)濟密切相關(guān)。因此，熱交換器用于電力，煉金，化學工程，提油，建筑，機械制造，食品等各個工業(yè)部門。同時換熱器還有著很多不同的發(fā)展方向。它不單單是一種通用設(shè)備更是在很多領(lǐng)域都有著重要的地位。所以我們要多多挖掘浮頭式換熱器的各種應(yīng)用方式，使浮頭式換熱器發(fā)揮更多作用。 46 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 材料選擇 2.1.1 殼體材料選擇 換熱器屬于比較常見的容器設(shè)備。所以根據(jù)使用成本、使用條件等其它諸多原因。本次殼體的材料選擇了16MNR號鋼。16MNR是低碳低合金鋼，有著非常出色的工藝性能，而且使用低碳合金鋼可以減少容器的重量，減輕厚度，節(jié)省材料，是非常不錯的材料。 2.1.2 管箱材料選擇 除了要求具有足夠強度的傳熱管之外，當使用膨脹管方法來固定時，它還需要管的良好塑性以避免由于膨脹而產(chǎn)生的裂縫。當焊接固定的時候，管道通常需要具有良好的可焊性。所以通常使用優(yōu)質(zhì)碳鋼用來保證管程的質(zhì)量。按照一般條件來說，十號鋼和二十號鋼管可以用在非腐蝕性或腐蝕性較小的流體。對于高度腐蝕性的流體來說，可以使用不銹鋼無縫管，鋼和鋁，對于高度腐蝕性流體，可以采用石墨管、聚四氟乙烯等。由于水和煙氣的腐蝕性低，可以使用碳鋼，現(xiàn)在正在選擇二十號鋼的無縫鋼管。 2.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.2.1 殼體結(jié)構(gòu) 殼體材料的選擇除了要符合一定的強度之外，由于制造時要經(jīng)過多道工序，所以材料要有一定的塑性和可焊性，一般采用的R3、MnR16等材料?，F(xiàn)選用MnR16鋼。擬定殼體內(nèi)徑Ds=600mm殼體壁厚： （1） 為殼體在工作時候的許用應(yīng)力，根據(jù)該課題任務(wù)書可以得知殼程設(shè)計溫度為95℃，則tw<95℃。依照碳鋼板的許用應(yīng)力表查得=170 為焊縫系數(shù)，取=0.85 ，p1為工作壓力，等于1.25MPa c=2mm 則： 實取，然后根據(jù)要求使用分析軟件ANSYS來進行強度的校核。 2.2.2 管子排列方式 換熱器各種排列方式如圖1所示： （1）正三角形排列：該排列十分緊密，管外的流體湍流程度高； （2）正方形排列：給熱效果不好，但容易清洗； （3）正方形錯列：可以一定量的提高給熱系數(shù)。 圖1 各種排列方式 由于本次設(shè)計對給熱效果要求不高。我們此次設(shè)計選擇正方形排列方式。原因是這種方式容易清洗。換熱管中心距S=30mm。而且，由于換熱管的管間需要進行機械清洗，兩管之間的距離要大于6mm。 2.2.3 管箱 根據(jù)此次設(shè)計的要求選擇16MnR的標準橢圓封頭，所以接下來的壁厚可用以下公式計算： （2） 本次的管程設(shè)計溫度為480℃，所以tw<480℃。根據(jù)所查得碳鋼板許用應(yīng)力，得=43MP p=1.2 p1=1.2×1.6 則 （3） 實取，之后用ANSYS進行強度校核。 曲面高度： （4） D為封頭的平均直徑 直邊高度 壁厚： （5） 實取。 內(nèi)徑： 長度： 2.2.4 管程分程隔板 管箱的劃分需要安裝在固定端管箱和浮頭管箱中。清潔時不需要去除，因此分離器可以直接焊接在盒子上。管分區(qū)的部分必須要考慮到密封問題。為了確保密封處可以用作密封件，隔板的長度必須根據(jù)安裝尺寸計算。具體尺寸見三維實體圖。 2.2.5 殼程分程隔板 分區(qū)隔板的安裝一方面必須考慮密封問題，另一方面則需要容易拆卸，所以使用圖2所示的裝置來安裝分隔板。在把偏心桿的手柄進行轉(zhuǎn)動的時候，偏心桿的凸輪應(yīng)該要推動帶有密封墊的板。在與偏心桿連接的一端，夾緊兩端并松開。便于拆卸。因為要對浮動頭的管束進行拆卸，所以隔板必須是要可以拆卸的。因此，此裝備有著很重要的作用。 圖2 殼程分程隔板 2.2.6 浮頭結(jié)構(gòu) 如浮動頭組裝圖所示，包括圓盤蓋，掛鉤法蘭和浮管板，由于浮管板從殼體的一端向著另外一端進行膨脹，因此，管板的外徑應(yīng)該小于殼體的內(nèi)徑。 圖3 浮頭結(jié)構(gòu) 浮動管板外直徑： 浮動管板厚： 浮頭法蘭外徑： （6） 浮頭法蘭內(nèi)直徑： mm （7） 碟形蓋內(nèi)半徑： （8） 厚度：取10mm 2.3 零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.3.1 固定管板 外徑： 板厚： 管板上孔的數(shù)量和孔之間的距離與管的孔數(shù)相同。管板材料選用20號鋼。 管道和管板之間的連接必須要緊密。牢固且無泄漏，并且要求不能出現(xiàn)大的變形。膨脹節(jié)只能用于工作壓力較低和4 MPa且溫度低于500°C的應(yīng)用場合;焊接通常用于高溫，高壓，易燃和易爆的操作條件，但是使用焊接將會產(chǎn)生熱應(yīng)力，并且會使間隙中的流體不流動，非常的容易造成間隙腐蝕。采用的脹焊并用的方法可以避免。 由于工作壓力和溫度不是特別高，并且管之間的距離相對較大，所以管板和管之間的連接被擴大。管板內(nèi)的換熱管膨脹長度L = 38mm。 2.3.2 折流板 此次設(shè)計采用的折流板為弓形折流板，材料選擇A3F鋼板，且采用半弓形如圖4示，布置的方式采用為垂直切口流動方向。 圖4 折流板 按一個殼程計算（計算過程見熱力學計算）得： 拱高： 板間距： 板數(shù)： 板厚： 由于實際情況可能與理想情況存在著很大的偏差，第一塊折流板的位置可能會受到影響，所以折流板在每一個殼程應(yīng)有30個，折流板總數(shù)為60。 2.3.3 拉桿 常用的拉桿的形式有兩種： 拉桿定距管結(jié)構(gòu)，換熱管的外徑大于18mm的管束，； 拉桿和折流板之間采取點焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管的外徑≤13mm的管束，； 當管板比較薄時，應(yīng)該換不同的連結(jié)結(jié)構(gòu)。由于此時的換熱管外徑為24mm，因此選拉桿定距管結(jié)構(gòu)。 其尺寸如圖5所示： 圖5 拉桿具體尺寸 拉桿的參數(shù)如表1所示： 表1 拉桿的參數(shù) 拉桿直徑d 拉桿螺紋公稱直徑dn Ｌa Ｌb b 拉桿的數(shù)量 16 16 20 60 2 4 拉桿的長度應(yīng)該按照所需要的條件來確定。 拉桿要盡可能均勻的放置在管束的外端口部分。對比較大直徑的換熱器來說，把合適數(shù)量的拉桿放在擋板槽內(nèi)?；蛘邠醢宀劭诟浇?，任何擋板需要不少于3個支撐點。 2.3.4 補強圈 在實際的設(shè)計和制造中，容器中的所有開口都不需要加固。當殼體的公稱厚度大于12毫米時，如果它是80毫米，則需要添加一個孔以加固接頭。接管 Dg]50 mm就必須加開孔補強，。因此，需要對Dg100管箱連接器和Dg150外殼連接器進行加固。 加固環(huán)標準中規(guī)定了加強環(huán)的尺寸。加強環(huán)的厚度可以通過等面積加強法來計算。設(shè)定補強圈的厚度均為15mm。當以后使用該公式進行強度驗證時，加強環(huán)的厚度會得到優(yōu)化。 2.3.5 法蘭 在壓力容器還有管道的法蘭連接之中，通常會使用以下這三種類型的密封面。 平面型密封面： 密封表面是一個突出的光滑平面（也稱為投影平面）。密封面的結(jié)構(gòu)十分簡單，因此其加工方便，有利于防腐。但是，在把螺栓擰緊之后，墊片的材料會向兩側(cè)拉伸，在壓縮力不高并且介質(zhì)無毒時壓緊和使用很不方便。 凹凸型密封面： 此封面就是由一個凹面和一個凸面所組成，在凹面之上放一個墊圈，把它壓緊后，由于凹面的外部有遮擋臺，墊圈不會因為其它原因而被擠出。 榫槽型密封面： 密封表面由坩堝和墊圈放置在其中的凹槽組成。這種密封表面規(guī)定不使用非金屬軟墊圈，可以看到可以使用纏繞的方法用金屬來覆蓋墊圈，并且可以非常容易的獲得較好的密封效果。其適用于密封易燃、易爆、有毒介質(zhì)。密封面的凸面不易保護。非常的容易受到外部損壞，所以搬運和組裝時要小心。 在選擇密封面時，考慮到多種因素，殼體法蘭采用凹凸密封面。管箱承接法蘭采用平面式密封面，殼體承接法蘭采用凸凹面密封面。 殼體接管采用頸部對接法蘭，由于管殼，殼體和浮頭箱的直徑不同，所以在選擇法蘭時，不能按照標準進行選擇。圖6所展示的是外殼和浮頭箱的配合法蘭。DN = 600法蘭是根據(jù)DN600法蘭螺栓孔的位置設(shè)計的。 圖6 凹凸面密封法蘭 大致尺寸如下: DN=800mm的法蘭，D=950mm， D1=920mm，D2=875mm，D3=865mm，H=110mm， h=35mm，δ=47mm，δ1=15倒圓角R=15mm，螺柱孔徑r=24，配M24的雙頭螺柱。 DN=700mm的法蘭，D=950mm，D1=925mm，D4=820mm， H=130mm， h=40mm， δ=50mm，δ1=16，倒圓角R=16mm，螺柱孔徑r=24，配M24的雙頭螺柱。 其它的法蘭裝配尺寸見三維實體圖。 管箱接管用的平頸對焊法蘭，如圖示： 圖7 接管法蘭 設(shè)計尺寸根據(jù)化工機械的標準來設(shè)計，尺寸如下： 管箱接管：DN=100 　PN=2.5MPa時： N=130mm，K=195mm，D=230mm，H=65mm，H1=16mm，S=5mm，法蘭厚度C=20mm螺栓孔直徑L=20mm，配M18的螺栓8個 殼體接管：DN=150　 PN=1.6MPa時： N=135mm，K=190mm，D=240mm，H=60mm，H1=14mm，S=6mm，法蘭厚度C=20mm，螺栓孔直徑L=20mm，配M18的螺栓8個 另外，對焊時法蘭要在頸部開坡口。 2.3.6 保溫層 根據(jù)本次設(shè)計的設(shè)計溫度選擇的保溫層材料為脲甲醛泡沫塑料，其物性參數(shù)如表2： 表2 保溫層物性參數(shù) 密度 （kg／m3） 導熱系數(shù)（kcal／mh℃） 吸水率 抗壓強度 （kg／m３） 適用溫度 （℃） 12～21 0.0109～0.0250 13% 0.24～0.49 -180～+480 2.3.7 支架 臥式設(shè)備通常使用兩個馬鞍。這是由于基準水平可能不統(tǒng)一。 使用雙軸承的時候，鞍座是作為固定軸承的，地腳螺栓是作為圓孔的;另外的一個鞍座是可以移動的支架。這樣，可使設(shè)備在溫度變化是自由伸縮。如圖8： 圖8 鞍式支座 這其中關(guān)于鞍式支架的主要尺寸如下所示：h=220mm；l1=600mm；b1=160mm； =8mm； =6mm；l3=340mm；b3=130mm；弧長為800mm； =5mm；e=35mm；l2=450mm。 支座安放的位置有著很多要求來約束，一般來說支座和殼體端面之間的距離要小于0.2倍殼體長度。 3 強度計算與校核 3.1 管箱筒體計算 管箱筒體的計算如表3所示： 表3 管箱筒體計算 管箱筒體計算 計算條件 筒體簡圖 計算壓力 Pc 1.35 MPa 設(shè)計溫度 t 480.00 ° C 內(nèi)徑 Di 600.00 mm 材料 16MnR(正火) ( 板材 ) 試驗溫度許用應(yīng)力 [s] 43.00 MPa 設(shè)計溫度許用應(yīng)力 [s]t 40.00 MPa 試驗溫度下屈服點 ss 95.00 MPa 鋼板負偏差 C1 0.00 mm 腐蝕裕量 C2 1.00 mm 焊接接頭系數(shù) f 0.85 厚度及重量計算 有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00 mm 名義厚度 dn = 9.00 mm 壓力試驗時應(yīng)力校核 壓力試驗類型 液壓試驗 試驗壓力下 圓筒的應(yīng)力 sT = = 205.89 MPa 校核條件 sT￡ [s]T 校核結(jié)果 合格 壓力及應(yīng)力計算 最大允許工作壓力 [Pw]= = 4.12845 MPa 設(shè)計溫度下計算應(yīng)力 st = = 116.29 MPa [s]tf 120.02 MPa 校核條件 [s]tf ≥st 結(jié)論 合格 3.2 管箱封頭計算 管箱封頭的計算如表4所示： 表4 管箱封頭計算 前端管箱封頭計算 計算條件 橢圓封頭簡圖 計算壓力 Pc 1.35 MPa 設(shè)計溫度 t 480.0 ° C 內(nèi)徑 Di 600.00 mm 曲面高度 hi 100.00 mm 材料 16MnR(正火) (板材) 試驗溫度許用應(yīng)力 [s] 43.00 MPa 設(shè)計溫度許用應(yīng)力 [s]t 40.00 MPa 鋼板負偏差 C1 0.00 mm 腐蝕裕量 C2 1.00 mm 焊接接頭系數(shù) f 0.85 厚度及重量計算 形狀系數(shù) K = = 1.0000 計算厚度 d = = 6.77 mm 有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.00 mm 最小厚度 dmin = 0.50 mm 名義厚度 dn = 8.00 mm 結(jié)論 滿足最小厚度要求 重量 14.44 Kg 壓 力 計 算 最大允許工作壓力 [Pw]= = 4.16426 MPa 結(jié)論 合格 3.3 殼程圓筒計算 殼體圓筒的計算如表5所示： 表5 殼程圓筒計算 殼程圓筒計算 計算條件 筒體簡圖 計算壓力 Pc 1.25 MPa 設(shè)計溫度 t 95.00 ° C 內(nèi)徑 Di 600.00 mm 材料 16MnR(正火) ( 板材 ) 試驗溫度許用應(yīng)力 [s] 170.00 MPa 設(shè)計溫度許用應(yīng)力 [s]t 162.30 MPa 試驗溫度下屈服點 ss 345.00 MPa 鋼板負偏差 C1 0.00 mm 腐蝕裕量 C2 1.00 mm 焊接接頭系數(shù) f 0.85 厚度及重量計算 有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.00 mm 名義厚度 dn = 8.00 mm 重量 153.26 Kg 壓力試驗時應(yīng)力校核 壓力試驗類型 液壓試驗 試驗壓力值 PT = 1.25P = 1.9640 MPa 壓力試驗允許通過 的應(yīng)力水平 [s]T [s]T￡ 0.90 ss = 310.50 MPa 試驗壓力下 圓筒的應(yīng)力 sT = = 67.17 MPa 校核條件 sT￡ [s]T 校核結(jié)果 合格 壓力及應(yīng)力計算 最大允許工作壓力 [Pw]= = 4.74538 MPa 設(shè)計溫度下計算應(yīng)力 st = = 44.48 MPa [s]tf 137.96 MPa 校核條件 [s]tf ≥st 結(jié)論 合格 3.4 管箱法蘭計算 管箱法蘭的計算如表6所示： 表6 管箱法蘭計算 管箱法蘭計算 設(shè) 計 條 件 簡 圖 設(shè)計壓力 p 4.000 MPa 計算壓力 pc 4.753 MPa 設(shè)計溫度 t 480.0 ° C 軸向外載荷 F 80000.0 N 外力矩 M 1430000.0 N.mm 殼 材料名稱 16MnR(正火) 體 許用應(yīng)力 143.0 MPa 法 材料名稱 0Cr18Ni9 許用 [s]f 130.0 MPa 蘭 應(yīng)力 [s]tf 86.5 MPa 材料名稱 40MnVB 螺 許用 [s]b 230.0 MPa 應(yīng)力 [s]tb 155.5 MPa 栓 公稱直徑 d B 24.0 mm 螺栓根徑 d 1 16.0 mm 數(shù)量 n 20 個 Di 600.0 Do 680.0 墊 結(jié)構(gòu)尺寸 Db 625.0 D外 654.0 D內(nèi) 598.0 δ0 8.0 片 mm Le 17.5 LA -3.5 h 50.0 δ1 25.0 材料類型 軟墊片 N 5.0 m 2.00 y 11.0 螺 栓 受 力 計 算 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wa Wa= πbDG y = 38099.6 N 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wp Wp = Fp + F = 772798.5 N 所需螺栓總截面積 Am Am = max (Ap ,Aa ) = 4685.9 mm2 實際使用螺栓總截面積 Ab Ab = = 4698.0 mm2 3.5 管箱螺栓間距校核 管箱螺栓的間距校核如表7所示： 表7 管箱螺栓間距校核 管箱螺栓間距校核 實際間距 = 73.2 mm 最小間距 46.0 (查GB150-98表9-3) mm 最大間距 150.0 mm 形 狀 常 數(shù) 確 定 59.13 h/ho = 0.6 K = Do/DI = 1.124 3.2 由K查表9-5得 T=1.848 Z =6.144 Y =11.905 U=13.082 應(yīng)力 性質(zhì) 計 算 值 許 用 值 結(jié) 論 軸向 應(yīng)力 82.00 MPa =126.2 或 =353.0( 按整體法蘭設(shè)計的任意式法蘭, 取 ) 校核合格 徑向 應(yīng)力 22.27 MPa = 84.2 校核合格 切向 應(yīng)力 21.98 MPa = 84.2 校核合格 綜合 應(yīng)力 = 52.13 MPa = 84.2 校核合格 法蘭校核結(jié)果 校核合格 3.6 筒體法蘭計算 筒體法蘭的計算如表8所示： 表8 筒體法蘭計算 筒體法蘭計算 設(shè) 計 條 件 簡 圖 設(shè)計壓力 p 4.000 MPa 計算壓力 pc 4.753 MPa 設(shè)計溫度 t 480.0 ° C 軸向外載荷 F 14211.0 N 外力矩 M 15400.0 N.mm 殼 材料名稱 16MnR(正火) 體 許用應(yīng)力 140.0 MPa 法 材料名稱 16MnR(正火) 許用 [s]f 140.0 MPa 蘭 應(yīng)力 [s]tf 86.5 MPa 材料名稱 40MnVB 螺 許用 [s]b 230.0 MPa 應(yīng)力 [s]tb 155.5 MPa 栓 公稱直徑 d B 24.0 mm 螺栓根徑 d 1 16.0 mm 數(shù)量 n 24 個 Di 437.0 Do 515.0 墊 結(jié)構(gòu)尺寸 Db 480.0 D外 446.0 D內(nèi) 436.0 δ0 8.0 mm Le 17.5 LA -3.5 h 40.0 δ1 25.0 片 材料類型 軟墊片 N 5.0 m 2.00 y 11.0 螺 栓 受 力 計 算 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wa Wa= πbDG y = 38099.6 N 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wp Wp = Fp + F = 682716.0 N 所需螺栓總截面積 Am Am = max (Ap ,Aa ) = 3849.5 mm2 實際使用螺栓總截面積 Ab Ab = = 4698.0 mm2 3.7 筒體螺栓間距校核 筒體螺栓的間距校核如表9所示： 表9 筒體螺栓間距校核 筒體螺栓間距校核 實際間距 = 73.2 mm 最小間距 44.0 (查GB150-98表9-3) mm 最大間距 150.0 mm 形 狀 常 數(shù) 確 定 59.13 h/ho = 0.6 K = Do/DI = 1.124 3.2 由K查表9-5得 T=1.854 Z =6.324 Y =11.930 U=13.21 剪應(yīng)力校核 計 算 值 許 用 值 結(jié) 論 輸入法蘭厚度δf = 45.0 mm時, 法蘭應(yīng)力校核 應(yīng)力 性質(zhì) 計 算 值 許 用 值 結(jié) 論 軸向 應(yīng)力 109.76 MPa =215.1 或 =405.8( 按整體法蘭設(shè)計的任意式法蘭, 取 ) 校核合格 切向 應(yīng)力 28.99 MPa = 142.5 校核合格 綜合 應(yīng)力 = 70.05 MPa = 142.5 校核合格 法蘭校核結(jié)果 校核合格 3.8 總體強度校核方法 此次換熱器的校核方式，主要是通過多次厚度以及重量計算還有各種壓力實驗來進行，對換熱器的各個部分分別進行計算，從而使此次校核準確，通過計算工藝結(jié)構(gòu)的尺寸、熱流的計算、壁溫的計算、換熱器內(nèi)流體的流動阻力的計算、零件和內(nèi)件的計算，完成了換熱器的設(shè)計。換熱器的安裝和驗收。換熱器具有換熱器的共同效率，只有一個管板，換熱器管為U型。管的兩端在同一個管板上固定的時候，管束就能夠自由膨脹。當殼和U型換熱器存在溫差時，不能產(chǎn)生溫差。其次，采用計算機編程輔助計算，優(yōu)化換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。 本次的校核主要采用表格來計算各部分數(shù)據(jù)，這樣可以更加直觀的看出每一部分的計算是否符合設(shè)計要求，并且是根據(jù)換熱器的各個部分分開來進行計算的。這樣不會混淆，條理更加清晰。 4 加工工藝 4.1 總體制造工藝 制造工藝：選擇熱交換設(shè)備的材料和等級，并檢查材料的化學成分。 具體過程為：材料準備 - 標記 - 尖端加工（檢測） - 成形 - 成對 - 焊接 - 焊接質(zhì)量檢驗 - 裝配焊接 - 壓力測試。 4.2 封頭的成型 封頭成型的方法有很多種。而且，爆炸成形的操作環(huán)境要求比較高，沖壓一般用于公稱直徑不大的頭部。 根據(jù)沖壓前的坯料是否預熱，分為冷沖壓和燙金。 ①.材料的性能。為了在室溫下具有更好的可塑性，可以使用冷沖壓;熱沖壓可用于具有更好熱塑性的材料。 ②.根據(jù)坯料厚度δ與坯料直徑D0之比（即相對厚度δ/ D0）選擇冷熱沖壓（見表10）。 表10 冷沖壓和熱沖壓選擇依據(jù) 沖壓狀態(tài) 碳素鋼、低合金鋼 合金鋼、不銹鋼 冷沖壓 δ/D0×100〈0.5 δ/D0×100〈0.7 熱沖壓 δ/D0×100≥0.5 δ/D0×100≥0.7 根據(jù)上面所說的，這次設(shè)計之中的封頭全部應(yīng)用熱沖壓成形。 在熱沖壓的步驟里，加熱的溫度也要按照不同的材料性質(zhì)來選呢，查表可知，對于16MnR加熱溫度要≤1050℃，終壓溫度應(yīng)≥850℃。 封頭沖壓的形成通常是在50～8000t的水壓機或油壓機上來進行。 4.3 筒節(jié)的彎卷成型 管箱的殼體，殼體的殼體和頂箱的殼體都是通過在卷取機上彎曲而形成的。 根據(jù)卷材的材質(zhì)，厚度，彎曲半徑，卷取機形式，卷板的卷取能力，實際生產(chǎn)中卷筒段的卷取可分為冷卷和熱卷。為了防止冷加工硬化采取熱圈，從而提高了塑性和韌性，不會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，即管箱桶，殼的殼體和浮動頂盒的殼都是熱軋的。熱軋成形還應(yīng)注意控制加熱溫度和加熱速度。所以在生產(chǎn)過程中一定主要好加工強度。 4.4 固定管板制造 4.4.1 車削 車削外圓及密封面等結(jié)構(gòu)。 光潔度及公差符合圖紙要求。 達標后進行下一步。 4.4.2 劃線 根據(jù)圖示來對管孔以及螺栓孔的位置劃線：? 在平臺上，根據(jù)圖形畫出管孔，拉桿和螺栓孔的位置。 在相應(yīng)孔位打沖眼。? 經(jīng)檢查確認合格進入下工序。 4.4.3 鉆孔 使用模板鉆出熱交換管和拉桿孔的孔。 達標后進行下一步。 4.4.4 銑槽 根據(jù)要銑出來的圖案劃分出槽的尺寸要求。 達標后進行下一步。 4.5 浮動管板制造 4.5.1 車削 車削外圓及密封面等結(jié)構(gòu)。 光潔度及公差符合圖紙要求。 達標后進行下一步。 4.5.2 劃線 根據(jù)圖案繪制管孔和螺栓孔的位置： 在平臺上，根據(jù)圖形畫出管孔，拉桿和螺栓孔的位置。 在相應(yīng)孔位打沖眼。? 經(jīng)檢查確認合格進入下工序。 4.5.3 鉆孔 使用模板鉆出熱交換管和拉桿孔的孔。 4.5.4 銑槽 根據(jù)要銑出來的圖案劃分出槽的尺寸要求。 4.6 法蘭制造 4.6.1 車削 按照圖轉(zhuǎn)動外圈，內(nèi)孔和密封面（一次加工）和凹槽等結(jié)構(gòu)。 公差和飾面符合圖紙和標準的要求。 達標后進行下一步。 4.6.2 劃線 打開螺栓孔位置并沖入眼睛。 中心圓直徑和相鄰兩個孔的弦長公差為±0.3mm。 兩個孔弦之間的公差為±0.5mm。 達標后進行下一步。 4.6.3 鉆孔 依沖眼鉆孔并去毛刺。 兩個相鄰孔的中心圓直徑和弦長公差為±0.6mm; 兩個孔弦長之間的公差為±1.5mm。 4.7 鉤圈制造 4.7.1 車削 依沖眼鉆孔并去毛刺。 兩個相鄰孔的中心圓直徑和弦長公差為±0.6mm; 兩個孔弦長之間的公差為±1.5mm。 達標后進行下一步。 4.7.2 劃線 打開螺栓孔位置并沖入眼睛。 中心圓直徑和相鄰兩個孔的弦長公差為±0.3mm。 兩個孔弦之間的公差為±0.5mm。 達標后進行下一步。 4.7.3 鉆孔 依沖眼鉆孔并去毛刺。 兩個相鄰孔的中心圓直徑和弦長公差為±0.6mm; 兩個孔弦長之間的公差為±1.5mm。 達標后進行下一步。 4.7.4 切開 按圖將鉤圈鋸開。 公差和飾面符合圖紙和標準的要求。 4.8 管箱制造 4.8.1 號料 按展開尺寸及板面實際尺寸進行劃線。詳見通用工藝要求。 并按本廠規(guī)定進行標記移植。 達標后進行下一步。 4.8.2 下料 按切割工藝規(guī)程進行切割。 選用乙炔焰切割。 切割后，除去氧化物和爐渣等雜質(zhì)。 電路板的表面經(jīng)過打磨或拋光以除去鱗片等雜質(zhì)。 達標后進行下一步。 4.8.3 坡口加工 根據(jù)焊接工藝要求，斜角開口。 凹槽表面不能有裂紋或分層。 檢查合格進入下工序。 4.8.4 壓頭 展開料兩端壓頭。 壓頭長度≮300mm；內(nèi)坡口。 分次壓成，確保胎板軸線與板料中心線垂直。 壓頭時圓弧半徑采取R450mm的板來進行檢查，樣板弦長≮350mm。 檢查合格后進入下工序。 4.8.5 滾圓 清除板料上雜物。在滾床上，請注意材料標記和管段號必須位于管段之外。當軋制時，管段的長度垂直于軋輥并卷成幾次形狀。在軋制過程中，連續(xù)檢查弦長≮300mm的內(nèi)部模板。 縱向接頭組，錯側(cè)量≤3.0mm;端口不平度＜0.5mm；組對間隙見焊接工藝；定位焊。 檢查合格后進入下工序。 4.8.6 焊接 筒節(jié)的兩端點焊引弧板。 焊后清理藥皮等，并打焊工鋼印。檢查合格進入下工序。 達標后進行下一步。 4.8.7 號孔位 按圖紙及排版圖對筒體上開孔大小及位置進行劃線。 達標后進行下一步。 4.8.8 無損檢測 對筒節(jié)焊縫按圖紙要求進行20%RT檢測，按JB/T4730-2005中有關(guān)規(guī)定III級合格。 檢查合格進入下工序。 4.8.9 找圓 清理筒內(nèi)外焊瘤、飛濺等雜物并調(diào)整滾床進行找圓。 找圓時，保證筒節(jié)軸線與輥輪中心線平行并用弦長大于1/6Di且≮300mm的內(nèi)樣板檢查，并隨時清理氧化皮。 棱角度E≤3.8mm；橢圓度e≤4.0mm。 4.9 筒體制造 4.9.1 號料 按展開尺寸及板面實際尺寸進行劃線。詳見通用工藝要求。 并按本廠規(guī)定進行標記移植。 檢查合格下轉(zhuǎn)。 4.9.2 下料 按切割工藝規(guī)程進行切割。 選用乙炔焰切割。 切割后清除氧化物及熔渣等雜物。對板表面進行打砂或砂輪拋光處理，除掉氧化皮等雜物。 合格進入下工序。 4.9.3 坡口加工 按焊接工藝要求刨坡口。 坡口表面不可以出現(xiàn)裂紋等缺陷。 檢查合格進入下工序。 4.9.4壓頭 展開料兩端壓頭。 壓頭長度≮300mm；內(nèi)坡口。 分次壓成，確保胎板軸線與板料中心線垂直。 壓頭時圓弧半徑用R450mm的內(nèi)樣板來檢查。 檢查合格后進入下工序。 4.9.5 找圓 清理筒內(nèi)外焊瘤、飛濺等雜物并調(diào)整滾床進行找圓。 找圓時，保證筒節(jié)軸線與輥輪中心線平行并用弦長大于1/6Di且≮300mm的內(nèi)樣板檢查，并隨時清理氧化皮。 棱角度E≤3.2mm；橢圓度e≤4.0mm。合格備用。 4.9.6 組對 根據(jù)排版圖將筒節(jié)進行組對。縱縫排列及筒節(jié)編號以排版圖為準。保證每節(jié)四條方位線重合。 組對間隙見焊接工藝。 組對錯邊量≤3.0mm。 達標后進行下一步。 4.9.7 焊接 清理焊道兩側(cè)50mm范圍內(nèi)油銹等雜物。 根據(jù)焊接工藝對筒節(jié)類焊縫施焊。 焊后清理，并打焊工鋼印。 達標后進行下一步。 4.9.8 號位孔 按圖紙及排版圖對筒體上開孔大小及位置進行劃線。 4.10 補強圈制造 4.10.1 號料 按展開尺寸φ400/φ223進行劃線。 按規(guī)定進行標記移植，并標記件號和產(chǎn)品編號。 檢查合格進入下工序。 4.10.2 下料 按照切割工藝來進行切割。切割出焊接工藝要求的坡口。 乙炔焰切割。 切割后需要清理切口表面的氧化物等雜質(zhì)。 檢查合格下轉(zhuǎn)。 4.10.3 機加工 按圖紙要求加工外圓至尺寸。 鉆氣密檢查孔并攻絲。 檢查合格進入下工序。 4.10.4 壓形 曲率與筒體或封頭外表面緊密貼合。 壓形時考慮螺孔應(yīng)至于補強圈的最低處，臥式容器在補強圈相對軸線兩側(cè)的最低處；立式容器在補強圈相對軸線的最低點。 達標后進行下一步。 4.10.5 檢查確認 對壓形后補強圈的曲率及標記等進行檢查。 檢查合格備用。 4.11 殼體制造 4.11.1 零件確認 按圖樣要求領(lǐng)取各件。 各件標記清楚。 確認后進入下道工序。 4.11.2 組對 組對筒體與殼體法蘭。 組對的錯邊量≤3.0mm。 達標后進行下一步。 4.11.3 焊接 依焊接工藝規(guī)程對組對后的焊縫進行焊接。做好施焊記錄。 焊后清理，并打焊工鋼印。 檢查合格后進入下道工序。 4.11.4 號位孔 對開孔位置進行劃線。 要求詳見通用工藝表。 檢查合格并經(jīng)責任師確認后下轉(zhuǎn)。 4.11.5 檢查確認 對施焊后的B類焊縫進行20%RT檢測。 符合JB/T4730.2-2005中規(guī)定III級要求。 如有不合格時，應(yīng)及時返修。 合格后進入下道工序。 4.11.6 開孔 依切割工藝進行開孔。并切割出焊接工藝要求的坡口。 清理氧化物及渣瘤并修磨坡口。 檢查合格下轉(zhuǎn)。 4.11.7 組對 組對接管補強圈及接管及支座等。 保證接管伸出高度及垂直度。詳見通用工藝表。 檢查合格點固并進入下道工序。 4.11.8 焊接 依焊接工藝規(guī)程對組對后的焊縫進行焊接。 接管與殼體內(nèi)表面圓滑過度。 焊后清理，做好施焊記錄。 達標后進行下一步。 4.11.9 檢查確認 對接管補強圈進行氣密試驗，試驗壓力為0.45-0.55MPa。 檢驗試劑為發(fā)泡水。 4.12 安裝與拆卸 第一步：按照標準焊接需要使用的零部件。其中包括了管箱，殼體，浮頭箱，碟形蓋，支座等； 第二步：安裝折流板，將螺桿的螺紋端擰入固定管板上的螺紋孔，安裝6根拉桿。然后在一組固定距離桿上安裝一組擋板，擋板安裝在拉桿上直到最后兩個為止。擋板上裝有螺母，另一個螺釘在拉桿上。條紋的末端被擰緊并固定。 第三步：對于管子的安裝是把管子順著折流板上的孔一根一根的穿過并且在固定管板上來脹接。另外一側(cè)安裝好浮動管板之后再進行脹接； 第四步：把殼程隔板安裝好。首先把殼程隔板的兩側(cè)偏心桿機構(gòu)安裝好，然后把殼程隔板從管束一邊裝好。再把一邊插進固定管板上面裝到隔板的槽中； 第五步：進行殼體的安裝。首先把已經(jīng)焊接好了的殼體從浮動管板中的一端接入進去，再把開始已經(jīng)裝好來了的配件全部裝進殼體之中，把殼程隔板的外端旋轉(zhuǎn)進入偏心桿的搖柄使隔板兩側(cè)的密封填料擠緊，使之殼程的分程完全的密封； 第六步：進行管箱的安裝。首先把已經(jīng)焊好了的管箱放入管板端。然后固定管板端。再把殼體法蘭和管箱法蘭中所對應(yīng)的地方用螺柱來連接。然后在浮頭端裝上鉤圈法蘭和碟形蓋，用雙頭螺柱接合； 第七步：進行浮頭箱的安裝，把浮頭箱法蘭與殼體法蘭相接。用雙頭螺柱連接； 第八步：對支座進行安裝，把支座直接焊接在殼體之上。 5 換熱器的安全防腐 5.1 換熱器的腐蝕 換熱器腐蝕主要部位是換熱管，管與管板接合處，管與擋板交界處，殼體等的主要部分。腐蝕原因如下所述。 5.2 換熱管腐蝕 由于介質(zhì)中的入口介質(zhì)的污垢，水垢和渦流磨損，它很可能導致管的腐蝕，特別是在管40的入口端處的管的端部40至50mm。這主要是由于流體在死端產(chǎn)生湍流擾動。 5.3 管子與管板、折流板連接處的腐蝕 應(yīng)力集中出現(xiàn)在傳熱管和管板的連接處以及管和擋板的連接處，并且在膨脹管的位置容易出現(xiàn)裂紋。Cl +的積累和氧氣的濃度容易發(fā)生，使得換熱管表面出現(xiàn)凹坑或縫隙腐蝕。管子和擋板之間的連接處斷裂通常是由于管子，多個擋板和稍微彎曲的管子的長度造成的，這很容易在管壁和擋板處引起局部應(yīng)力集中。除了存在間隙之外，其連接處也成為應(yīng)力腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)。 5.4 殼體腐蝕 由于外殼和附件的焊接質(zhì)量不好，因此容易腐蝕。當管束中使用的擋板是銅合金時，可能發(fā)生電化學腐蝕，并且殼體被腐蝕并穿孔。 5.5 換熱器的防腐 5.5.1 采用耐腐蝕材料 使用耐腐蝕材料。這些材料能延長換熱器的使用壽命。但是制造成本高，一次性投資成本高，使用面比較小，一般不會采取此方法。 5.5.2 采用電化學保護法 陰極保護法是使用外部的直流電源。通過外部直流電流來保證金屬表面上的陽極不成為陰極。但是這種方法對電力的消耗非常的大，價格也十分昂貴，一般來說很少使用。 陽極保護方法是將被保護設(shè)備連接到外部電源的陽極，以在金屬表面上生成鈍化膜以實現(xiàn)保護。碳鋼換熱器成本低但抗腐蝕性差。犧牲陽極保護技術(shù)的使用可以延長熱交換器的使用壽命，但是該技術(shù)的保護有長度的限制。陰極的保護很難在管內(nèi)較深的地方實現(xiàn)。因此犧牲陽極保護方法在換熱器上也難以實現(xiàn)。 5.5.3 添加緩蝕劑法 在腐蝕性介質(zhì)中，添加少量某些物質(zhì)。通過添加這些物質(zhì)來達到防腐蝕的效果。添加緩蝕劑應(yīng)注意不能影響產(chǎn)品的質(zhì)量。 5.5.4 防腐蝕涂層法 在金屬的表面上，通過一定的方法涂上防腐蝕涂層，用來避免金屬表面和腐蝕介質(zhì)直接的接觸。這一種方法是最節(jié)約成本的，并且優(yōu)先用在防止氣態(tài)介質(zhì)的腐蝕。新時代人們正在發(fā)掘他們的抗油和抗溶劑涂。料，高溫涂料，重防腐涂料和特殊環(huán)境涂料。 總 結(jié) 轉(zhuǎn)眼就到了畢業(yè)季， 還記得初選畢業(yè)設(shè)計課題的時候，僅僅是被換熱器三個字所吸引，隨著翻閱書籍以及在網(wǎng)上對課題的查詢，使我對此次課題有了更深的理解。當然，在做畢業(yè)設(shè)計的時候，我遇到了許多專業(yè)知識方面的問題，幸好遇到了一位非常優(yōu)秀的指導老師，老師從初期到后期都非常耐心的對我們進行指導。終于，在臨近答辯時我完成了我的畢業(yè)設(shè)計論文，這也意味著我的大學生活已經(jīng)接近尾聲。在完成設(shè)計過程中，使我鞏固了大學四年所學知識，同時也學到了很多新知識，并且將這些知識進行實際應(yīng)用。在此過程中，我也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，比如公式計算不熟悉，專業(yè)術(shù)語不理解。所以在今后的日子里，我要更加虛心的學習，不斷補充屬于自己的知識庫。 參考文獻 [1]全國壓力容器標準化技術(shù)委員會GB-150《鋼制壓力容器》［Ｍ］．北京：中國標準出版社．1998 [2]全國壓力容器標準化技術(shù)委員會GB-151《管殼式換熱器》［Ｍ］．北京：中國標準出版社．1999 [3]王志魁主編．《化工原理》［Ｍ］． 北京：高等教育出版社，2004 [4]夏清等編．《化工原理》［Ｍ］． 天津：天津大學出版社，2005 [5]賈紹義、柴誠敬.《化工原理課程設(shè)計》［Ｍ］． 天津：天津大學出版社，2002 [6]鄭津洋等編．《過程設(shè)備設(shè)計》［Ｍ］． 北京：化學工業(yè)出版社，2005 [7]化工設(shè)備設(shè)計全書編輯委員會．《換熱器設(shè)計》［Ｍ］． 上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1988 [8]錢頌文主編．《換熱器設(shè)計手冊》［Ｍ］． 北京：化學工業(yè)出版社，2002 [9]楊可楨主編．《機械設(shè)計基礎(chǔ)》［Ｍ］． 北京：高等教育出版社，2003 [10]向寓華.化工容器及設(shè)備［Ｍ］.天津：天津大學出版社，2009 [11]顧永干. 螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 [J] . 壓力容器,1992 [12]趙惠清、蔡紀寧.化工制圖［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2015 [13]譚蔚.化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)［Ｍ］.天津：天津大學出版社，2014 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