固定管板式換熱器設(shè)計說明書.doc

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摘 要 本設(shè)計是關(guān)于固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要進行了換熱器的工藝計算、換熱器的結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計。 本設(shè)計的前半部分是工藝計算部分，按照GB150-2011以及GB151-2014等國家標準以及技術(shù)標準等根據(jù)給定的設(shè)計條件進行換熱器的選型，校核傳熱系數(shù)，計算出實際換熱面積。設(shè)計的后半部分主要是關(guān)于結(jié)構(gòu)和強度的設(shè)計，根據(jù)已選定的換熱器型式進行設(shè)備內(nèi)部各零部件（如接管、定距管折流板、折流板、管箱等）的設(shè)計，包括：材料的選擇、具體的尺寸、確定具體的位置、管板厚度計算等。 本設(shè)計以本著安全可靠、經(jīng)濟性好、傳熱效率高以及保護環(huán)境為原則進行的設(shè)計，符合工廠中的實際應用。 關(guān)于固定管板換熱器設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，本設(shè)計書中均有詳細說明。 關(guān)鍵詞：固定管板；管殼式換熱器；結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 目 錄 摘 要 Ⅰ Abstract Ⅱ 第1章 設(shè)計任務(wù)、思想 1 1.1 設(shè)計任務(wù) 1 1.2 設(shè)計思想 1 第2章 換熱器的工藝設(shè)計 2 2.1換熱器的工藝條件 2 2.2估算設(shè)備尺寸 2 2.2.1計算傳熱管數(shù)NT 2 2.2.2計算殼程直徑D 3 第3章?lián)Q熱器零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 3.1換熱管 4 3.1.1換熱管的型號和尺寸 4 3.1.2換熱管的材料 4 3.1.3換熱管排列方式以及管心距 4 3.2折流板 5 3.2.1折流板的主要幾何參數(shù) 5 3.2.2折流板和殼體間隙 6 3.2.3折流板厚度 6 3.2.4折流板的管孔 6 3.2.5材料的選取 6 3.3拉桿、定距管 6 3.3.1拉桿的結(jié)構(gòu)形式 7 3.3.2拉桿直徑、數(shù)量和尺寸 7 3.3.3拉桿的布置 8 3.4防沖板 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（伸出長度）確定 8 3.6管箱 9 3.7管板結(jié)構(gòu)尺寸 10 3.8封頭 11 3.9法蘭結(jié)構(gòu)類型 12 3.10墊片的選取 12 3.11鞍座的選取 12 第4章 換熱器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 4.1傳熱管與管板的連接 14 4.2管板與殼體的連接 14 4.3 管板與管箱的連接 16 第5章 換熱器的強度設(shè)計與校核 17 5.1殼體、管箱的壁厚計算 17 5.1.1 殼體 17 5.1.2 管箱 18 第6章 部分管件零部件的校核計算 19 6.1殼程圓筒 19 6.2 管箱圓筒 19 6.3 換熱管 20 6.4 管板 20 6.5 管箱法蘭 21 6.6 殼體法蘭 21 6.7 系數(shù) 22 6.8 計算管板參數(shù) 22 第7章 換熱器的制造、檢驗、安裝與維護 24 7.1換熱器的制造、檢驗與驗收 24 7.1.1筒體 24 7.1.2 換熱管 24 7.1.3管板 25 7.1.4 折流板、支持板 25 7.1.5 管束的組裝 25 7.1.6 換熱器的組裝 25 7.1.7 壓力試驗 25 7.2 換熱器的安裝、試車與維護 25 7.2.1安裝 25 7.2.2 試車 26 7.2.3 維護 26 結(jié)束語 27 參考文獻 28 致謝 29 第1章 設(shè)計任務(wù)、思想 1.1 設(shè)計任務(wù) 本設(shè)計的課題為固定管板式冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度設(shè)計。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計需要選擇既合理又經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式，同時又可以滿足制造、檢修、裝配、運輸和維修等要求；而強度計算的內(nèi)容則應包括換熱器材料，確定主要結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強度、剛度和穩(wěn)定性等要求，再根據(jù)設(shè)計壓力確定壁厚，使換熱器能有足夠的腐蝕強度。 1.2 設(shè)計思想 本設(shè)計盡可能采用先進的技術(shù)、國家與行業(yè)標準，使生產(chǎn)既能達到技術(shù)先進，經(jīng)濟合理的要求，又能符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則，具體有以下幾點： (1)根據(jù)GB150—2011《鋼制壓力容器》和GB151—2014《管殼式換熱器》以及JB/T 4715—1992等國家標準作為基礎(chǔ)進行設(shè)計。 (2)應滿足工藝還有操作要求，所設(shè)計出來的流程和設(shè)備能可以保證得到質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，設(shè)計的流程與設(shè)備需要一定操作彈性，可方便進行流量和傳熱的調(diào)節(jié)。 (3)應滿足經(jīng)濟上的要求，設(shè)計應節(jié)省然熱能和電能的消耗、減少設(shè)備與基礎(chǔ)的費用，選擇比較合理的回流比，節(jié)省水蒸氣，設(shè)計應要全面考慮，力求總費用盡可能的低一些。 (4)應保證生產(chǎn)安全，保證換熱器具有一定剛度還有強度。根據(jù)設(shè)計壓力確定壁厚，再校核其他零部件的強度，進行水壓試驗，確定容器是否有足夠的腐蝕裕度。 第2章 換熱器的工藝設(shè)計 2.1換熱器的工藝條件 殼程（進/出） 管程（進/出） 物料名稱 泵用冷卻水 循環(huán)水 物料狀態(tài) 液/液 液/液 設(shè)計壓力 MPa 1.1 0.6 最高工作壓力 MPa 1.0 0.5 設(shè)計溫度 ℃ 150 60 工作溫度 ℃ 63/52 28/38 以下為參考數(shù)據(jù) 換熱面積 m2 400 換熱管規(guī)格及管束級別 φ252.56000；Ⅰ類 程數(shù) 1 4 標準規(guī)范 GB150-2011; GB151-2014 2.2估算設(shè)備尺寸 2.2.1計算傳熱管數(shù)NT 本設(shè)計擬用傳熱管規(guī)格為φ252.5，管長為6m，傳熱管數(shù)NT為 NT===850根 公式中符號： d0 —換熱管外徑。mm AP —所需換熱面積。M2 L —換熱管長。M NT —換熱管總數(shù)。根 2.2.2若將傳熱管若將傳熱管按正三角形排列，計算殼程直徑D 根據(jù)GB151-2014的規(guī)定，管心距定為32mm 橫過管束中心線的管數(shù) Nc=1.1=33根 本設(shè)計采用四管程結(jié)構(gòu)，則殼程內(nèi)徑為 D=t（nc-1）+（1.5）d0 =32（33-1）+1.525 =1061.5mm 圓整得D= 1100mm  第3章?lián)Q熱器零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1換熱管 3.1.1換熱管的型號和尺寸 除光管外，換熱器還可采用各種各樣的強化傳熱管，如翅片管、螺紋管、螺旋槽管等。當管內(nèi)直徑兩側(cè)給熱系數(shù)相差較大時，翅片管的翅片應布置在給熱系數(shù)低的一側(cè)。本設(shè)計選用光管。 換熱管常用的尺寸（外徑x壁厚）主要為Φ19mmx2mm、Φ25mmx2.5mm和Φ38mmx2.5mm的無縫鋼管以及Φ25mmx2mm和Φ38mmx2.5mm的不銹鋼管。 選用管徑時，本設(shè)計給出換熱管規(guī)格φ252.5規(guī)格。 3.1.2換熱管的材料 常用材料有碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金、鈦等。此外還有一些非金屬材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。設(shè)計時應該根據(jù)工作壓力、溫度和介質(zhì)腐蝕性等選用合適的材料。根據(jù)鋼材標準GB/T700-2006中20號鋼完全可以滿足要求，因此本設(shè)計換熱器可以選用材料為20號鋼。 3.1.3換熱管排列方式以及管心距 管子在管板上的排列有正三角形、正方形和正方形錯列三種，如圖所示。傳熱管的排列應使其在整個換熱器圓截面上均勻分布，同時還要考慮流體的性質(zhì)，管箱結(jié)構(gòu)及加工制造等方面的問題。正三角形排列的優(yōu)點：管板的強度高；流體走短路的機會少，但是管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子；但是正三角形排列管外不易清洗。正方形排列的優(yōu)點是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合；但是在同樣的管板面積上可排列的管子數(shù)量較少。同心圓排列方式優(yōu)點靠近殼體的地方管子分布較均勻，，在殼體直徑較小的換熱管可以排列的傳熱管數(shù)比正三角形排列還多[2]。由于本換熱器流體性質(zhì)屬于比較結(jié)晶和不易結(jié)垢，因此可以采用正三角形排列，如圖（a）所示： 圖3-1 管子排列形式 管板上兩傳熱管的中心距為管心距，管心距的大小主要與傳熱管和管板的連接方式有關(guān)，此外還應該考慮管板強度和清洗管外表面時所需的空間。根據(jù)GB151-2014規(guī)定，管心距定為32mm。 3.2折流板 折流板顧名思義是用來改變流體流向的板，常用于管殼式換熱器設(shè)計殼程介質(zhì)流道，根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)和流量以及換熱器大小確定折流板的多少。折流板被設(shè)置在殼程，它既可以提高傳熱效果，還起到支撐管束的作用。 常用的折流板和支持板的形式有弓形和圓盤-圓環(huán)形兩種。弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形三種。在弓形折流板中，流體在板間錯流沖刷管子，而流經(jīng)折流板弓形缺口時是順溜經(jīng)過管子后進入下一板間，改變方向，流動中死區(qū)較少，比較優(yōu)越，結(jié)構(gòu)較簡單，一般標準換熱器中只采用這種。盤環(huán)形折流板制造不方便，流體在管束中為軸向流動，效率較低。而且要求介質(zhì)必須是清潔的，否則沉積物將會沉積在圓環(huán)的后面，導致傳熱面積失效，一般用于壓力比較高而又清潔的介質(zhì)。因此，本設(shè)計采用單弓形折流板。 3.2.1折流板的主要幾何參數(shù) 弓形折流板缺口高度應該使流體通過缺口時與橫過管束時的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占筒體內(nèi)直徑的百分比來確定[1]，單弓形折流板缺口見圖，根據(jù)GB151-2014缺口弦高h值，宜取0.20～0.45倍的圓筒內(nèi)直徑，取系數(shù)為0.25，切去圓缺高度h=0.251100=275mm。 圖3-2 單弓形折流板 3.2.2折流板和殼體間隙 折流板外周與殼體內(nèi)徑之間的間隙越小，則殼體流體介質(zhì)在此外的泄漏越小，使傳熱效率提高，但同時間隙越小，又給制造、安裝帶來困難。根據(jù)GB151-2014選取折流板的名義直徑D＝DN-4.5＝1095.5mm 3.2.3折流板厚度 折流板的厚度與殼體直徑、換熱管無支撐長度有關(guān)，根據(jù)GB151-2014折流板最小厚度δ＝4㎜，可選擇δ＝8㎜ 3.2.4折流板的管孔 ①折流板的管孔直徑和公差：按照GB151-2014規(guī)定，Ⅰ級管束換熱器折流板管孔直徑d＋0.7＝25+0.7＝25.7㎜及允許偏差+0.30 ②管孔中心距：折流板上管孔中心距t＝32mm，公差為相鄰兩孔+0.30，任意兩孔為+1.0 ③管孔加工：折流板上管孔加工后兩段必須倒角0.545。 3.2.5材料的選取 本設(shè)計中設(shè)計溫度150和設(shè)計壓力P＝1.1Mpa，根據(jù)GB150-2011選取材料為Q235-B，其適用范圍：容器設(shè)計壓力P≤1.60；鋼板使用溫度為20～300；用于殼體時，鋼板的厚度不大于16mm，不得用于毒性程度為極度或高度危險的介質(zhì)的壓力容器。 3.3拉桿、定距管 3.3.1拉桿的結(jié)構(gòu)形式 從傳熱角度考慮，有些換熱器不需要設(shè)置折流板。但為了增加換熱管剛度，防止產(chǎn)生過大撓度或引起管子振動，當換熱器無支撐跨距超過標準的規(guī)定值時，必須設(shè)置一定數(shù)量支撐板，其形狀與尺寸均按折流板的規(guī)定來處理[1]。 常用的拉桿的形式有以下兩種，見下圖。 a) 拉桿定距管結(jié)構(gòu)，常適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束 b) 拉桿與折流板點焊結(jié)構(gòu)，其適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束 c) 當管板較薄時，采用其他的連接結(jié)構(gòu)。[1] 圖3-3 拉桿形式 本裝置的換熱管外管徑為25㎜，換熱管直徑為1100mm，根據(jù)上述規(guī)定可選用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。 3.3.2拉桿直徑、數(shù)量和尺寸 （1）拉桿直徑和數(shù)量 根據(jù)GB151-2014規(guī)定，拉桿直徑d＝16mm，拉桿數(shù)量為6根。 （2）拉桿尺寸 圖3-4 拉桿尺寸示意圖 3.3.3拉桿的布置 拉桿盡量均勻布置在管束的外邊緣。對于大直徑換熱器，在布管區(qū)域內(nèi)或是靠近折流板缺口處應布置適當數(shù)量的拉桿，任何折流板都應不少于3個支撐點。 3.4防沖板 防沖板是在換熱器中為了防止流體直接沖刷管子而引起管子振動失穩(wěn)和腐蝕而設(shè)置的。 防沖板在殼體內(nèi)的位置，應使防沖板周邊與殼體內(nèi)壁所形成的流通面積為殼程進口接管截面積的1～1.25倍。 根據(jù)GB151-2014規(guī)定，防沖板的固定形式為： a) 防沖板的兩側(cè)焊在定距管或拉桿上，也可同時焊在靠近管板的第一塊折流板上； b) 防沖板焊在圓筒上； c) 用U形螺栓將防沖板固定在換熱管上。 根據(jù)GB151-2014規(guī)定，防沖板的最小厚度：當殼程進口接管直徑小于300㎜時，對碳鋼、低合金鋼取4.5mm；對不銹鋼取3mm。當殼程進口接管直徑大于300mm時，對碳鋼、低合金鋼取6mm；對不銹鋼取4mm。本裝置的殼程進口接管直徑為1100mm大于300mm，防沖板的材料為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) 接管宜與殼體內(nèi)表面平齊； b）接管應盡量沿換熱器的徑向或軸向設(shè)置； c）設(shè)計溫度高于或等于300時，應采用對焊法蘭； d）必要時應設(shè)置溫度計接口，壓力表接口及液面計接口； e）對于不能利用接管（或接口）進行放氣和排液的換熱器，應在管程和殼程的最高點設(shè)置放棄口，最低點設(shè)置排液口，其最小公稱直徑為20mm； f）立式換熱器可設(shè)置溢流口。 3.5.2接管高度（伸出長度）確定 接管伸出殼體（或管箱殼體）外壁的長度，主要考慮法蘭形式，焊接操作條件，螺栓拆裝，有無保溫及保溫厚度等因素決定。一般最短應符合下式計算值 I≥h＋h1＋δ＋15（mm） 式中：h—接管法蘭厚度,mm h1—接管法蘭的螺母厚度,mm δ—保溫層厚度,mm I—接管安裝高度,mm 根據(jù)上述要求,求接管高度為:循環(huán)水進口接管高度I＝120mm,冷卻水進口接管高度I＝120mm,循環(huán)水進口接管高度為I＝120mm,循環(huán)水出口高度I＝120mm,管箱排氣口接管高度I＝76mm。 3.6管箱 管箱的作用是把由管道來的管程流體均勻到各傳熱管把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還起到改變流體流向的作用。無論哪種管箱，其管箱的最小內(nèi)側(cè)深度應該滿足這樣的要求：使連接間流體流動的橫截面積至少大于或等于單管程通過的截面。其結(jié)構(gòu)型式有以下幾種： ⑴A型（平蓋管箱）如圖（a）裝有管箱平蓋（或稱盲板），清洗管程時只要拆開盲板即可，而不必拆卸整個管箱和與管箱相連的管路，缺點是盲板機構(gòu)用材多，且尺寸較大是得用鍛件，耗費量大，機械加工時，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的浮頭式換熱器。 ⑵B型封頭管箱型 如圖（b），用于單程或多程管箱，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，適于高壓，清潔介質(zhì)，可省掉一塊造價高的盲板、法蘭和幾十對螺栓，且橢圓封頭受力情況要比平端蓋好的多，缺點是檢查管子和清洗管程時必須拆下連接管道和管箱。 ⑶C型、D型管箱 這種形式是管箱一端與殼體及管板連成一體，或是用于可拆管束與管板制成一體的管箱，另一端可采用A型結(jié)構(gòu)，減少了泄露的可能性。一般用的較少，只在高壓情況下使用。 圖3-5 管箱結(jié)構(gòu)形式 本換熱器由于壓力不高，而且管程為4程所以采用B型管箱。 3.7管板結(jié)構(gòu)尺寸 管板在換熱器的制造成本中占有相當大的比重，管板設(shè)計與管板上的孔數(shù)、孔徑、孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關(guān)。 1本換熱器采用的是選用固定管板兼作法蘭形式的管板。 圖3-6 管板結(jié)構(gòu) 這種管板結(jié)構(gòu)尺寸，在依據(jù)確定的設(shè)計壓力，殼體內(nèi)徑來選擇或設(shè)計法蘭，然后根據(jù)法蘭相應結(jié)構(gòu)尺寸來確定管板的最大直徑，密封面位置、寬度、螺栓直徑、位置、個數(shù)等等，根據(jù)上述確定的殼體內(nèi)徑D＝1100mm和設(shè)計壓力PN＝1.1Mpa，根據(jù)JB4707-2000確定法蘭D＝1260mm D1=1215mm D2=1176mm D3=1156mm D4=1153mm δ=76mm d=27mm。螺柱規(guī)格M24，數(shù)量n=36 2管板孔直徑和允許公差，由參考得管孔直徑為25.25mm，允許偏差為+0.15 0 3管板材料 在選擇管板材料時，除了考慮力學性能外，還應考慮管程和殼程流體的腐蝕性能，以及管板和換熱管之間電位差對腐蝕的影響。本換熱器所采用的材料是16MnR。 3.8封頭 封頭屬壓力容器中鍋爐部件的一種。通常是在壓力容器的兩端使用的。再有就是在管道的末端做封堵之用的一種焊接管件產(chǎn)品。 壓力容器封頭的種類很多，分為凸形封頭、錐殼、變徑短、平蓋及緊縮口等，其中凸形封頭包括半球形分頭、橢圓形封頭、蝶型風頭和球冠形封頭。采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來決定。 1） 半球形封頭，在均勻壓力作用下，薄壁球形容器的薄膜應力分析為相同直徑圓筒的一半，故從受力分析來看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式。但缺點是深度大，直徑小時，整體沖擊困難，大直徑采用分瓣壓其拼焊工作量較大。半球封頭常采用在高壓容器上。 2） 橢圓形封頭是由半個橢圓面和短圓筒組成的，由于封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應用較多的封頭之一。本設(shè)計采用橢圓形封頭。 3） 蝶型封頭是帶折邊的球面封頭，該邊緣彎曲應力與薄膜應力疊加，使該部分的應力遠遠高于其他部分，故應力狀況不佳。但過度環(huán)殼的存在降低了封頭的深度，方便了成型加工，且壓制蝶型封頭的鋼模加工簡單，使蝶型封頭的應用范圍較為廣泛。 4） 錐殼，軸對稱錐殼可以分為無折邊錐殼和折邊錐殼，由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，錐殼的應力分布并不理想，但是其特殊的結(jié)構(gòu)形式有利于固體顆粒和懸浮或粘稠液體的排放，可作為不同直徑圓筒的中間過渡段，因而在中、低容器中使用較為普遍。 對受均勻內(nèi)壓封的強度計算，由于封頭和圓筒相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應力，還考慮與圓筒連接處的不連續(xù)應力。連接處總應力的大小與封頭的幾何形狀和尺寸，封頭與圓筒厚度的比值大小有關(guān)。 3.9法蘭結(jié)構(gòu)類型 法蘭的基本結(jié)構(gòu)形式按組成法蘭的圓筒、法蘭環(huán)及錐頸三部分的整體性程度可分為松式法蘭、整體法蘭和任意式法蘭三種。 1） 松式法蘭：指法蘭不直接固定在殼體上或者雖固定而不能保證與殼體作為一個整體承受螺栓載荷的結(jié)構(gòu)。適用于有色金屬和不銹鋼制設(shè)備或管道上。且法蘭用碳素鋼制作，以節(jié)約貴重金屬。但法蘭剛度小，厚度較厚，一般只適用于壓力較低的場合。 2） 整體法蘭：將法蘭與殼體鍛或鑄成一體或經(jīng)全熔透的平焊法蘭，這種結(jié)構(gòu)能保證殼體與法蘭同時受力，使法蘭厚度可以適當減薄，但會在殼體上產(chǎn)生較大應力。其中的帶頸法蘭可以提高法蘭與殼體的連接剛度，適用于壓力、溫度較高的重要場合。 3） 任意法蘭：從結(jié)構(gòu)來看，這種法蘭與殼體連成一體，但剛性介于整體法蘭和松式法蘭之間，這類法蘭結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，故在低壓容器或管道中得到廣泛應用。 根據(jù)JB/T4702-2000故選用整體式乙型平焊法蘭。 3.10墊片的選取 設(shè)備墊片主要有：非金屬墊片、纏繞墊片和金屬包墊片。一般情況下，非金屬軟墊片適用于甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭，法蘭密封面式為光滑密封或凹凸密封面。纏繞墊片適用于乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭，法蘭密封面式為光滑密封或凹凸密封面以及榫槽密封面。金屬包墊片適用于乙型平焊法蘭、長頸對焊法蘭，法蘭密封面式為光滑密封或凹凸密封面以及榫槽密封面。 本換熱器殼程和管程介質(zhì)為泵用冷卻水和循環(huán)水，工作溫度與壓力不高，采用非金屬墊片，可以按照JB/T4720進行選用與驗收。 3.11鞍座的選取 本換熱器是臥式換熱器，換熱器鞍式支座可按JB/T4712 選用。鞍式支座在換熱器上的分布應按下列原則確定： a）當L≦300mm時 ，取Ls=（0.4～0.6）L b) 當L>3000mm時 取Ls=（0.5～0.7）L c）盡量使Lc和Lc1相近 圖3-7 鞍座  第4章 換熱器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1傳熱管與管板的連接 管子與管板的連接，在管殼換熱器的設(shè)計中，是一個比較重要的結(jié)構(gòu)部分。它不僅加工工作量大，而且必須是每個連接處在設(shè)備的運行中，保證介質(zhì)無法泄露及承受介質(zhì)壓力的能力。管子與管板的連接形式有強度脹接、強度焊接與脹焊接的混合結(jié)構(gòu)。無論采用何種連接方式，都必須滿足以下兩個條件:連接處保證介質(zhì)無泄漏的充分氣密性;承受介質(zhì)壓力的充分結(jié)合力。強度脹接結(jié)構(gòu)簡單，換熱管修補容易。由于脹接管端處在脹接使產(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應力。不銹鋼管與管板無論壓力大小，溫度高低，一般均采用焊接結(jié)構(gòu)，目的是消除換熱管與管板孔的間隙，從而消除間隙腐蝕。 4.2管板與殼體的連接 管板與殼體的連接依據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)形式分為可拆連接及不可拆連接?？刹疬B接主要用于浮頭式，U型管式和填料函式換熱器的固定端管板，不可拆連接在剛性結(jié)構(gòu)換熱器中采用，其兩端管板的內(nèi)側(cè)面直接焊在殼體上，而根據(jù)兩端管板的外側(cè)面連接形式又分為管板兼法蘭和不兼作法蘭。目前用于管側(cè)介質(zhì)壓力及密封性能要求不高的場合即通常稱為固定管板式換熱器；后者多見于管側(cè)壓力很高或密封性能要求也高的高溫高壓換熱器中。 本設(shè)備選取了延長部分兼作法蘭的管板。如圖為常見的兼作法蘭的管板與殼體連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體情況也可選用其他形式的結(jié)構(gòu)。其使用壓力及場合主要根據(jù)焊縫是否焊透及焊縫受力的情況?？珊竿附Y(jié)構(gòu)及對接焊縫使用壓力則較高，反之則較低，如圖（a）為角焊縫，無論采用對接雙面焊，但是進行殼程強度計算時，只能依這里的焊縫為最薄弱環(huán)節(jié)取用適于殼體板厚大于10mm，殼程壓力Ps≦1MPa，不適用于易燃、易揮發(fā)及有毒介質(zhì)的場合。圖（b）、（c) 形式的焊接質(zhì)量科大大提高，因此適適用在壓力較高（Ps≦4MPa），設(shè)備直徑較大，管板較厚的場合。圖（b）（e）形式的使用壓力更高，一般 Ps<4MPa.此時管板帶有凸肩，其焊接結(jié)構(gòu)性能已由交接變?yōu)閷?，故承載能力更佳。在選定上述結(jié)構(gòu)形式時，要特別注意殼程介質(zhì)有無間隙腐蝕作用，則只能選擇圖（b）（d）兩種不帶墊板的結(jié)構(gòu)；若殼程節(jié)奏無間隙腐蝕的作用，應盡量選擇帶有墊片的存在間隙的結(jié)構(gòu)形式，即圖（c）、（e），它可以保證對接焊縫焊透，焊接質(zhì)量更佳。至于管板上環(huán)形圓角則完全是為了減少應力集中。 圖4.2.1兼作法蘭的管板與殼體的連接結(jié)構(gòu) 4.3 管板與管箱的連接 管板與管箱連接多數(shù)是靠法蘭連接的，形式很多，隨著溫度，壓力及耐腐蝕情況下不同而異。在設(shè)計中應合理選擇不同鏈接形式，對設(shè)備的制造，安全及節(jié)約材料有重要的意義。 固定管板式換熱器的管板與管箱法蘭的連接形式比較簡單，除了滿足工藝上的要求選擇一定的密封形式外，按壓力、溫度來選擇法蘭的結(jié)構(gòu)形式。如圖所示為三種最常見的固定管板換熱器的管板與管箱法蘭連接形式。圖（a）的結(jié)構(gòu)采用平面密封形式，適用于管程操作壓力小于1.6MPa，且對氣密性要求不高的情況下。圖（b）采用榫槽密封面形式，適于氣密性要求較高的場合，但具有制造要求較高，加工比較困難，墊片窄，安裝不便等缺點，一般在中低壓較少采用，當在較高壓下采用時，法蘭的形式應該用長頸法蘭。圖（c）的形式時最常見，法蘭的密封面采用凹凸面形式，視壓力高低，法蘭形式可分為平焊法蘭，更過為長頸法蘭。 根據(jù)本設(shè)備的氣密性要求和加工方便，安裝便利，采用下面的圖（c）連接方式。 圖4-1 固定管板換熱器的管板與管箱的連接  第5章 換熱器的強度設(shè)計與校核 5.1殼體、管箱的壁厚計算 5.1.1 殼體 16MnR（熱軋），根據(jù)GB150-2011在設(shè)計壓力1.1MPa和設(shè)計溫度150℃下的許用力[б]t=170MPa,受壓元件的焊接接頭形式是雙面焊對接接頭或相當于雙面焊的全焊透對接接頭，其100%無損檢測下的焊接接頭系數(shù)Φ=1.00，局部無損檢測Φ=0.85，取Φ=1.公稱直徑Di=1100mm，碳鋼的腐蝕余量C2=1mm,鋼板厚度負偏差C1=0.8mm 計算厚度 δ===3.57mm≈4mm 設(shè)計厚度 δd=δ+C2=4+1=5mm 名義厚度 δn=δd +C1=5+0.8=6mm（根據(jù)GB151-2014規(guī)定低合金鋼圓筒最小厚度為 8mm） 有效厚度 δe=δn-C2-C1=8-1-0.8=6.2mm 設(shè)計溫度下的圓筒的計算 應力： бt===98.13 MPa <[б]tΦ=1701=170MPa 設(shè)計溫度下的圓筒 最大允許工作應力 []===1.91MPa>1.1MPa 5.1.2 管箱 采用16MnR(熱軋)，根據(jù)GB150-2011在設(shè)計壓力0.6MPa和設(shè)計溫度60℃下的許用力[б]t=170MPa,受壓元件的焊接接頭形式是雙面焊對接接頭或相當于雙面焊的全焊透對接接頭，其100%無損檢測下的焊接接頭系數(shù)Φ=1.00，局部無損檢測Φ=0.85，取Φ=1.公稱直徑Di=1100mm，碳鋼的腐蝕余量C2=1mm,鋼板厚度負偏差C1=0.8mm 計算厚度 δ===2.64mm≈3mm 設(shè)計厚度 δd=δ+C2=3+1=4mm 名義厚度 δn=δd +C1=4+0.8=5mm（根據(jù)GB151-2014規(guī)定低合金鋼圓筒最小厚度為8mm） 有效厚度 δe=δn-C2-C1=8-1-0.8=6.2mm 設(shè)計溫度下的圓筒的計算 應力： бt===53.52MPa <[б]tΦ=1701=170MPa 設(shè)計溫度下的圓筒最大允許工作應力 []===1.91MPa>0.6MPa 第6章 部分管件零部件的校核計算 延長部分兼作法蘭固定式管板 6.1殼程圓筒 設(shè)計計算條件： 設(shè)計壓力ps=1.1MPa 設(shè)計溫度Ts=150 平均金屬溫度 ts=101 裝配溫度t0=15 材料名稱 16MnR(熱軋) 設(shè)計溫度下許用應力[s]t =170 Mpa 平均金屬溫度下彈性模量 Es=1.9105Mpa 平均金屬溫度下熱膨脹系數(shù)as=1.12105 mm/mm 殼程圓筒內(nèi)徑 Di =1100 mm 殼 程 圓 筒 名義厚 度=8 mm 殼 程 圓 筒 有效厚 度=6.2 mm 殼體法蘭設(shè)計溫度下彈性模量 =2.046105 MPa 殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積 A=0.25 p Di2=2.827105 mm2 殼程圓筒金屬橫截面積 As=pds ( Di+ds )=1.528104 mm2 6.2 管箱圓筒 設(shè)計壓力pt=0.6 Mpa 設(shè)計溫度Tt=60 材料名稱16MnR(熱軋) 設(shè)計溫度下彈性模量 Eh=2.045105 Mpa 管箱圓筒名義厚度(管箱為高頸法蘭取法蘭頸部大小端平均值) dh=23mm 管箱圓筒有效厚度dhe=19 mm 管箱法蘭設(shè)計溫度下彈性模量 =2.045105Mpa 6.3 換熱管 料名稱20(GB8163) 管子平均溫度Tt=33 設(shè)計溫度下管子材料許用應力=130 MPa 設(shè)計溫度下管子材料屈服應力=226.2 MPa 設(shè)計溫度下管子材料彈性模量 =1.912105 MPa 平均金屬溫度下管子材料彈性模量=1.918105MPa 平均金屬溫度下管子材料熱膨脹系數(shù) =1.1105mm/mm 管子外徑 d=25 mm 管子壁厚dt=2.5 mm 管子根數(shù) n=850 換熱管中心距 S=32mm 一根管子金屬橫截面積=176.7 mm2 換熱管長度 L=6000 mm 管子有效長度(兩管板內(nèi)側(cè)間距) L=5920 mm 管束模數(shù) =4489 Mpa 管子回轉(zhuǎn)半徑 =8.004 mm 管子受壓失穩(wěn)當量長度lcr=240 mm 系數(shù)Cr ==129.2 比值 =29.99 管子穩(wěn)定許用壓應力 ()時， []= =32.59 MPa 管子穩(wěn)定許用壓應力 ()時， []==99.99Mpa 6.4 管板 材料名稱16Mn 設(shè)計溫度 =80 設(shè)計溫度下許用應力=150 Mpa 設(shè)計溫度下彈性模量=2.038105 MPa 管板腐蝕裕量 C2 =1mm 管板輸入厚度dn=40 mm 管板計算厚度 d=36 mm 隔板槽面積 (包括拉桿和假管區(qū)面積)Ad=1.68104 mm2 管板強度削弱系數(shù)μ=0.4 管板剛度削弱系數(shù)η= m=0.4 管子加強系數(shù) K=4.898 管板和管子連接型式 焊接 管板和管子脹接(焊接)高度l=3.5 mm 脹接許用拉脫應力 [q]=4 Mpa 焊接許用拉脫應力 [q]=65 Mpa 6.5 管箱法蘭 材料名稱16Mn 管箱法蘭厚度 =36 mm 法蘭外徑 =830 mm 基本法蘭力矩 = Nmm 管程壓力操作工況下法蘭力=8.76106 Nmm 法蘭寬度 =70 mm 比值=0.025 比值=0.07333 系數(shù)(按dh/Di ,df”/Di , 查<>圖25) 0.00 系數(shù)w”(按dh/Di ,df”/Di ,查<>圖 26) 0.003472 旋轉(zhuǎn)剛度 =70.4 Mpa 6.6 殼體法蘭 材料名稱 16Mn 殼體法蘭厚度=36 mm 法蘭外徑 =830 mm 法蘭寬度 =70 mm 比值 =0.01 比值=0.045 系數(shù), 按dh/Di ,df”/Di , 查<>圖25 0.00 系數(shù), 按dh/Di ,df”/Di , 查<>圖26 0.000344 旋轉(zhuǎn)剛度 =8.462 MPa 法蘭外徑與內(nèi)徑之比 =1.233 6.7 系數(shù) 殼體法蘭應力系數(shù)Y ( 按K查<>表9-5) 9.379 管板第一彎矩系數(shù)(按,查<>圖 27) 0.1421 系數(shù) =19.6 系數(shù)(按查<>圖 29) =3.396 換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼體剛度之比 =3.359 換熱管束與帶膨脹節(jié)殼體剛度之比 管板第二彎矩系數(shù)(按K,Q或查<>圖28(a)或(b))=2.828 系數(shù)（帶膨脹節(jié)時代替Q） =0.002147 系數(shù) (按K,Q或Qex 查圖30) =0.007632 法蘭力矩折減系數(shù) =0.1625 管板邊緣力矩變化系數(shù) =3.538 法蘭力矩變化系數(shù) =0.4252 6.8 計算管板參數(shù) 管板開孔后面積 A - 0.25 npd 2=1.689105 mm2 管板布管區(qū)面積 (三角形布管) (正方形布管 ) 管板布管區(qū)當量直徑 =532.3 mm 系數(shù) =0.5972 系數(shù) =0.2428 系數(shù) =4.779 管板布管區(qū)當量直徑與殼體內(nèi)徑之比 =0.8872  第7章 換熱器的制造、檢驗、安裝與維護 7.1換熱器的制造、檢驗與驗收 換熱器的制造、檢驗與驗收，應遵守GB151-2014和GB150-2011的有關(guān)規(guī)定。 7.1.1筒體 a) 圓筒內(nèi)直徑允許偏差：用板材卷制時，內(nèi)直徑允許偏差可通過外圓周長加以控制，其外圓周長允許偏差為10mm,下偏差為0。 b) 圓筒同一斷面上，最大直徑與最小直徑之差為e0.5%DN, DN=0.5%600=3mm c) 圓筒直線度偏差為L/1000，且當L6000mm時，其值不大于4.5mm。L=2652mm,所以直線度允許偏差為2652/1000=2.65mm。進行檢查時，應通過中心線和垂直面即沿圓周0、90、180、270四個部位測量。 d) 殼體內(nèi)壁凡有礙管束順利裝入或抽出的焊縫均應磨至于母材表面平齊。 e) 插入式接管不應伸出管箱、殼體和頭蓋的內(nèi)表面。 7.1.2 換熱管 a) 換熱管管端外表面應除銹，用于焊接時，管端清理長度應不小于管外徑，且不小于25mm。 b) 管端坡口應采用機械方法加工，焊前應清洗干凈。 7.1.3管板 a) 管板由高合金鋼0Cr17Ni12Mo2制成，加工前表面不平度不得大于2mm,如超過此值，應先進行校平，然后進行加工。 b) 拼接管板的對接接頭應進行100%射線或者超聲檢測，按JB4730進行表面檢測，檢測結(jié)果不低于II級，或超聲檢測中的I級為合格。 c) 換熱管與管板的連接：二者采用焊接的形式連接，連接部位的 和管板孔表面，應清理干凈，不得有毛刺、鐵屑、銹斑、油污等。焊渣及凸出于換熱管內(nèi)壁的焊瘤均應清除。 d) 管板與換熱管焊接時，管孔表面粗糙度Ra25ｕm。 7.1.4 折流板、支持板 a) 折流板、支持板的管孔直徑及允許誤差按GB151-2014中的5.9.3的規(guī)定為19.6，但允許超差0.1mm的管孔數(shù)不得超過4%。 b) 折流板、支持板外圓表面粗糙度Ra值不得大于25ｕm，外圓面兩側(cè)的尖角應倒鈍。還應清除折流板、支持板上的任何毛刺。 7.1.5 管束的組裝 a) 拉桿上的螺母應擰緊，以免在裝入或抽出管束時，因折流板竄動而損傷換熱管。 b) 穿管時不應強行敲打，換熱管表面不應出現(xiàn)凹癟或劃傷。 c) 除換熱管與管板間以焊接連接外，其他任何零件均不準與換熱管相焊。 d) 管箱應在補焊后做消除應力的熱處理，設(shè)備法蘭應在熱處理后加工。 e) 換熱管的密封面應予以保護，不得因磕碰劃傷、電弧損傷、焊瘤、飛濺等而損壞密封面。 7.1.6 換熱器的組裝 a) 換熱器的零部件在組裝前應認真檢查和清掃，不應留有焊疤、焊接飛濺物、浮銹及其他雜物等。 b) 吊裝管束時，應防止管束變形和損傷換熱管。 c) 螺栓的緊固至少應分三遍進行，每遍的起點應相互錯開120角。 7.1.7 壓力試驗 壓力試驗的方法及要求應符合GB150-2011《鋼制壓力容器》第十章10.9的規(guī)定。 浮頭式壓力容器的壓力試驗的順序：先用浮頭專用試壓工具進行管頭試壓，然后管程和殼程均以0.83MPa（表壓）進行水壓試驗，合格后，再以0.105MPa(表壓)進行氣密性試驗。 7.2 換熱器的安裝、試車與維護 7.2.1安裝 a) 安裝位置：根據(jù)浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)形式，在換熱器的兩端留有足夠的空間來滿足拆裝、維修的需要。 b) 基礎(chǔ)：必須使換熱器不發(fā)生下沉。在活動支座的一端應予以埋滑板。 c) 地腳螺栓和墊鐵 ①活動支座的地腳螺栓應裝有兩個緊鎖的螺母，螺母與底板間應留有1-3mm的間隙。 ②地腳螺栓兩側(cè)均有墊鐵。設(shè)備找平后，楔入墊鐵，可與設(shè)備支座底板焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。 ③墊鐵的安裝不應妨礙換熱器的熱膨脹。 7.2.2 試車 試車前應查閱圖紙有無特殊要求和說明。銘牌上有無特殊標志。試車前應清洗整個系統(tǒng)，并在入口接管處設(shè)置過濾網(wǎng)。系統(tǒng)中如無旁路，試車時應增設(shè)臨時旁路。 試車開始后，開啟放氣口，使流體充滿設(shè)備。此設(shè)備的物料為蒸汽，開車前應排空殘液，以免形成水擊，因為此設(shè)備的介質(zhì)有腐蝕性，停車后應將殘存介質(zhì)排凈。 開車和停車過程中，應逐漸升溫和降溫，以免造成壓差過大和熱沖擊。 7.2.3 維護 換熱器不得在超過銘牌規(guī)定的條件下運行。要經(jīng)常對管程和殼程介質(zhì)的溫度和壓降進行監(jiān)督，分析換熱器的泄露和結(jié)構(gòu)情況。在壓降增大和傳熱系數(shù)降低超過一定數(shù)值時，應根據(jù)介質(zhì)和換熱器的結(jié)構(gòu)，選擇有效的方法進行清洗。應經(jīng)常監(jiān)視管束的震動情況。  結(jié)束語 本次設(shè)計依據(jù)國家相關(guān)規(guī)范、標準，嚴格遵循GB151-2014《管殼式換熱器》和GB150-2011《鋼制壓力容器》，對固定管板換熱器設(shè)計進行了工藝設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械設(shè)計和加工工藝，設(shè)計出來的換熱器在選材、工藝結(jié)構(gòu)等方面都達到較高的標準，滿足生產(chǎn)要求。 在換熱器的設(shè)計過程中,我感覺我的理論運用于實際的能力得到了提升，主要有以下幾點： (1)掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力；(2)樹立了既考慮技術(shù)上的先進性與可行性，又考慮經(jīng)濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設(shè)計思想，在這種設(shè)計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力；(3)培養(yǎng)了迅速準確的進行工程計算的能力；(4)學會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設(shè)計思想的能力。  參考文獻 [1] 中華人民共和國國家標準.鋼制壓力容器.GB 150-2011.北京：中國標準出版社 [2] 中華人民共和國國家標準.鋼制壓力容器.GB 151-2014.北京：中國標準出版社 [3] 中華人民共和國國家標準.橢圓形封頭.JB/T4746-2002.云南：云南科技出版社出版 [4] 中華人民共和國行業(yè)標準.壓力容器法蘭.JB/T 4700～4707-2000.云南：云南科技出版社出版 [5] 中華人民共和國行業(yè)標準.碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T700-2006：中國標準出版社 [6]《石油化工設(shè)計手冊》第1卷和第2卷，化學工業(yè)出版社，2001年; TE65-62/10023 [7]《化工設(shè)備設(shè)計手冊》1中的“材料與零部件”上海人民出版社，1973；TQ055-62/2132:1 [8]《化工容器及設(shè)備》余國綜主編 ，天津大學出版社；TQ053/8061 [9]《化工容器及設(shè)備》卓震主編，中國石化出版社 1998； TQ053.2/11004 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