白土塔進(jìn)出料換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)論文VIP

1、白土塔進(jìn)出料換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)摘 要 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，通過這種設(shè)備使物料能達(dá)到指定的溫度以滿足工藝的要求。目前，大型化工及石油化工裝置中，采用各種換熱的組合，就能充分合理地利用各種等級的能量，使產(chǎn)品的單位能耗降低，從而降低產(chǎn)品的成本以獲得好的經(jīng)濟(jì)效益。在某些化工建設(shè)中，換熱設(shè)備占全部工藝設(shè)備的40%左右。管殼式換熱器是最通用的、應(yīng)用最廣泛的換熱器。U形管換熱器是管殼式換熱器的一種，在U形管換熱器設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格按照GB1501998鋼制壓力容器和GB1511999管殼式換熱器及換熱器設(shè)計(jì)手冊等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。本設(shè)計(jì)說明書是關(guān)于U形管換熱器的設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行了換熱器

2、的工藝計(jì)算，換熱器的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。并且闡述了換熱器的特點(diǎn)、換熱器設(shè)備及其發(fā)展現(xiàn)狀、國內(nèi)發(fā)展趨勢和研究熱點(diǎn)以及換熱器的分類，同時(shí)說明了U形管換熱器的優(yōu)點(diǎn)，介紹了換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，換熱器主要零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及壓力容器常用材料等。計(jì)算部分主要對形管換熱器的筒體、封頭和法蘭進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，并對其進(jìn)行了水壓試驗(yàn)的校核；還對換熱管、管板、折流板和鞍座等各個(gè)受壓元件按照GB-150和GB-151的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其屈服應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。除此之外，還參閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊及大量的文獻(xiàn)，完成了各個(gè)零件圖的繪制，還對一篇外文進(jìn)行了翻譯等工作。 關(guān)鍵詞：U形管換熱器；厚度計(jì)算；強(qiáng)度校核；水壓試驗(yàn) He

3、at exchanger is the equipment that transfers a part of heat from the hot fluid to the cold. In some chemical plant construction, heat exchanger is about 40 of the total process equipment. The most versatile and widely used exchangers are the shell-and-tube types.U shape tube heat exchanger is one ty

4、pe of shell-and-tube heat exchanger, U shape tubeThe design manual is about U shape tube heat exchanger, which included technology, calculation of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger. And Keyword: thickness calculation; strength check; pressure teat目錄1.前言11.1 換熱器的簡介11.1.1 換

5、熱器的總體介紹1換熱器的特點(diǎn)11.1.3換熱器的主要制造工藝21.1.4換熱器的應(yīng)用31.2 換熱器的分類及其優(yōu)缺點(diǎn)41.3 換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀及研究熱點(diǎn)51.3.1 換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀51.3.2 換熱器的發(fā)展趨勢61.3.3 換熱器的研究熱點(diǎn)71.4 新型材料換熱器82.U形管式換熱器102.1 U形管式換熱器介紹102.1.1 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)102.1.2 U形管式換熱器的特點(diǎn)112.1.3 U形管式換熱器的應(yīng)用范圍112.2設(shè)備材料的選擇122.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定132.3.1 設(shè)計(jì)壓力132.3.2 計(jì)算壓力132.3.3 設(shè)計(jì)溫度132.3.4 厚度及厚度附加量132.3.5焊接接頭

6、系數(shù)142.3.6 許用應(yīng)力142.4 管程結(jié)構(gòu)152.4.1 換熱管152.4.2 管板162.4.3 換熱管與管板連接162.5 殼程結(jié)構(gòu)182.5.1 殼體182.5.2 折流桿182.6開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)192.6.1 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)192.6.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則202.6.3 允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑212.7焊接接頭結(jié)構(gòu)212.8.1 焊接接頭形式212.8.3 壓力容器焊接接頭分類223換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算233.1上下?lián)Q熱器的筒體計(jì)算233.1.1計(jì)算條件233.1.2厚度的計(jì)算233.1.3壓力校核243.1.4強(qiáng)度校核243.1.5水壓試驗(yàn)243.2 上下?lián)Q熱器的前后封頭計(jì)算

7、243.2.1 計(jì)算條件243.2.2 厚度的計(jì)算253.2.3 壓力校核253.3上下?lián)Q熱器的管箱計(jì)算263.3.1 計(jì)算條件263.3.2 厚度的計(jì)算263.3.3 壓力校核273.3.4 強(qiáng)度校核273.3.5 水壓試驗(yàn)273.4 上下?lián)Q熱器的管板設(shè)計(jì)計(jì)算273.4.1 結(jié)構(gòu)尺寸及材料選取273.4.2 管板厚度計(jì)算283.5上下?lián)Q熱器的換熱管應(yīng)力計(jì)算303.5.1 換熱管軸向應(yīng)力計(jì)算303.5.2 換熱管與管板的拉脫力313.6上下?lián)Q熱器的接管壁厚計(jì)算313.6.1 筒體上接管的壁厚計(jì)算313.7補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算323.7.1 型號為108×7mm的接管補(bǔ)強(qiáng)324.零件設(shè)計(jì)354.1

8、 法蘭的選擇354.2 折流板364.3 拉桿364.4 防沖板384.5 支座38謝 辭40參考文獻(xiàn)411前言1.1換熱器的簡介 1.1.1 換熱器的總體介紹換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，石油化工裝置不斷向大型化發(fā)展，要求換熱器也相應(yīng)大型化，而新產(chǎn)品的開發(fā)、原料的深度加工和精細(xì)化工的發(fā)展等則要求換熱器型式多樣化。另外，又對換熱器提出了新的節(jié)能要求，如煉油工業(yè)中,為了提高換熱系統(tǒng)有效能的利用，要求降低換熱器的平均溫差，這就需要開發(fā)新型換熱器。近年來隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑砹孙@著的經(jīng)濟(jì)效益。 1.1.2換熱器的特點(diǎn)一般換熱器都用金屬

9、材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。石化裝置中的換熱器有以下特點(diǎn)：(1)大型，如

10、30萬t/a乙烯裝置中丙烯冷凍冷凝器，單臺傳熱面積為2880，單重達(dá)75t；(2)承受苛刻的操作條件，如乙烯裝置中的裂解氣急冷器，要承受800左右的高溫，11.76MPa的高壓，在高壓聚乙烯裝置中，換熱器要承受294MPa的高壓，在加氫制苯裝置中，進(jìn)出料換熱器的操作溫度為637.8，壓力約為6.17MPa，介質(zhì)中含有氫氣，操作條件極為苛刻；在乙烯分離裝置中，最低溫度達(dá)到-168.9；(3)耐腐蝕，如異丁烯裝置中的酸再生塔再沸器需耐溫度為130的50%稀硫酸腐蝕；(4)多樣化，在石油化工生產(chǎn)中，除了管殼式換熱器外，還有板翅式、板旋板式、空氣冷卻器等各種型式的換熱器。 1.1.3換熱器的主要制造工

11、藝管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)已基本定型。最近幾年來，除對高溫高壓換熱器的某些零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究改進(jìn)外，其他未有重大進(jìn)展。因此，目前各國已將著眼點(diǎn)轉(zhuǎn)向于改進(jìn)制造工藝、提高勞動生產(chǎn)率、選用新型材料、降低成產(chǎn)成本。 管殼式換熱器的制造，目前趨向于“多軸制”和 “NC”化（數(shù)字控制化）。如管板孔加工和管子與管板的鏈接方面，已采用了數(shù)字程序控制的多頭鉆床,多頭脹管設(shè)備等。此外，管子的切斷，清銹，彎曲和選擇等過程也都已機(jī)械化，但穿管作業(yè)目前仍處于笨重的人工操作。 由于化工，石油和新興的石油化工工業(yè)的迅速發(fā)展，對換熱設(shè)備提出了很多的特殊要求，例入耐高溫，高壓和耐腐蝕等。這常常要求采用新的材料和新的制造工藝。復(fù)合鋼

12、板和雙層管制造，各種新的襯里技術(shù)和成型方法，材料的表面處理工藝及特殊的鏈接技術(shù)等，已得到普遍重視。因?yàn)檫@些新工藝，新技術(shù)的應(yīng)用，不僅能保證產(chǎn)品質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)要求，而且能提高生產(chǎn)效率，節(jié)約貴重材料，降低制造成本，故在生產(chǎn)實(shí)踐中易于推廣。 管子除根據(jù)需要可采用雙金屬管外，還可以進(jìn)行各種表面處理。在日本比較盛行采用滲鉻，滲鋁，噴涂金屬或樹脂保護(hù)層等方法。低合金鋼管的內(nèi)外表面均可以作滲鉻，滲鋁的處理。經(jīng)過滲鉻，滲鋁處理的管子，對于抗硫，硫化物和其他一些腐蝕介質(zhì)以及耐熱等方面，效果很好。但滲鉻，滲鋁后，金屬ASAA機(jī)械性能有所降低，而且引其表面硬度增加，使脹管比較困難，噴涂法是將保護(hù)材料如不銹鋼，鋁或合

13、成樹脂等噴涂在管子表面，在有應(yīng)力腐蝕裂紋的場合，短時(shí)間內(nèi)保護(hù)效果非常好。 管殼式換熱器大都已標(biāo)準(zhǔn)系列化，雖然目前還沒有一個(gè)被公認(rèn)是完善的統(tǒng)一的規(guī)范，但比較起來，美國TEMA標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)通行，并為較多的國家采用或借鑒。換熱器的殼體，管箱，封頭，法蘭等，對其技術(shù)要求在標(biāo)準(zhǔn)中都有嚴(yán)格的規(guī)定，但他們在制造上與化工容器相比，并無特別之處。唯管子與管板的連接和管板的制造，屬換熱器制造中的特有部分。尤其是管子與管板的連接工藝，在國外被認(rèn)為是換熱器制造中的最重要的一環(huán)，因而各國都很注意，并作了大量的研究工作。 1.1.4換熱器的應(yīng)用換熱器的作用可以是以熱量交換為目的，即在確定的流體之間，在一定時(shí)間內(nèi)交換一定數(shù)量

14、的熱量；也可以是以回收熱量為目的，用于余熱利用；也可以是以保證安全為目的，即防止溫度升高而引起壓力升高造成某些設(shè)備被破壞。換熱器的作用不同，其設(shè)計(jì)、選型、運(yùn)行工況也各不相同。1.2換熱器的分類及其優(yōu)缺點(diǎn)按作用原理或傳熱方式分類 (1) 直接接觸式換熱器這類換熱器又稱混合式換熱器，它是利用冷，熱流體直接接觸，彼此混合進(jìn)行換熱的換熱器。如冷卻塔，冷卻冷凝器等。直接接觸式換熱器具有傳熱效率高、單位面積提供的傳熱面積大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場合。 (2) 蓄熱式換熱器這類換熱器又稱回?zé)崾綋Q熱器，它是借助于固體構(gòu)成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流

15、體傳遞給冷流體的換熱器。在換熱器內(nèi)首先由熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后由冷流體通過，由蓄熱體把熱量釋放給冷流體。由于兩種流體交替與蓄熱體接觸，因此不可避免地會使兩種流體少量混合。若兩種流體不允許有混合，則不能采用蓄熱式換熱器。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、單位體積傳熱面大，故較適合用于氣氣熱交換的場合。 (3) 間壁式換熱器這類換熱器又稱表面式換熱器。它是利用間壁將進(jìn)行熱交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的換熱器，其形式多種多樣，如常見的管殼式換熱器和板式換熱器都屬于間壁式換熱器。其中，管殼式換熱器按照結(jié)構(gòu)

16、特點(diǎn)又可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五類。 (4) 中間載流體式換熱器這類換熱器是把兩個(gè)間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載流體連接起來的換熱器。載流體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體，如熱管式換熱器。1.3換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀及研究熱點(diǎn) 1.3.1 換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀目前各種換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，以滿足各工業(yè)部門的需求。國外換熱器目前發(fā)展的基本狀況是：管式換熱器的設(shè)計(jì)沒有重大進(jìn)展，但無論就其數(shù)量或使用場合來看仍居主要地位，最老的管式換熱器如蛇管式、盤管式等在某些場合下仍有應(yīng)用；各種“板式”換熱表

17、面和其他新型結(jié)構(gòu)換熱器發(fā)展很快，在若干場合下與管式結(jié)構(gòu)競爭，而在有些場合下正在逐漸代替管式換熱器；制造工藝獲得了改進(jìn)，新的材料被大量使用、從空間技術(shù)發(fā)展起來的“熱管”引起了極大重視，最終有可能對某些方面的換熱器帶來根本的革新。 管式換熱器雖然在換熱效率、緊湊性和金屬消耗量等方面不及其他新型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大、材料范圍廣等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使它在各種換熱器的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存下去，并且目前仍然是化工、石油和石油化學(xué)工業(yè)中換熱器的“主力軍”。在高溫高壓和大型換熱器中，它占據(jù)著絕對優(yōu)勢。但是近年來，它的結(jié)構(gòu)性能沒有多大改進(jìn)，其設(shè)計(jì)都按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定嚴(yán)格進(jìn)行。國外近期的目標(biāo)已轉(zhuǎn)向于改進(jìn)其制造工

18、藝、采用新的材料和提高生產(chǎn)率。在壓力較低、溫度不高、流量不很大以及處理強(qiáng)腐蝕介質(zhì)而須用貴重金屬材料的若干場合，各種新型、高效、緊湊換熱器正在逐步取代管式換熱器。設(shè)備的發(fā)展和制造水平是密切相關(guān)的。很多情況下，不僅要求有高效緊湊的性能，而且要求提供必要的數(shù)量和保證運(yùn)行的可靠。因此，在發(fā)展換熱器本身的同時(shí)，對換熱器的制造給予了很大注意。一般的目標(biāo)是擴(kuò)大產(chǎn)量，保證質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，降低制造成本。采取的措施是：（a） 擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)系列，進(jìn)一步組織專業(yè)化生產(chǎn)（b） 提高機(jī)械化，加快自動化（c） 采用新技術(shù)、新工藝、新材料1.3.2換熱器的發(fā)展趨勢 基本的發(fā)展趨勢是，提高緊湊性、降低材料消耗、提高傳熱效率、

19、保證互換性和擴(kuò)大容量的靈活性（采用積木式結(jié)構(gòu)），通過減少污塞和便于除垢來減少操作事故。在廣泛的范圍內(nèi)將向大型化發(fā)展。各種新型高效的緊湊式換熱器的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。在壓力、溫度、流量允許范圍內(nèi)，特別是有化學(xué)腐蝕而須用貴重材料制作的場合下，緊湊式換熱器將進(jìn)一步取代管式換熱器。在廣闊的領(lǐng)域內(nèi)，特別是在高溫、高壓和大型化的場合下，管式（尤其是管殼式）換熱器將繼續(xù)獲得發(fā)展。在煉油與化工廠中，管殼式換熱器仍將是基本的換熱設(shè)備之一。在高壓條件下，如合成氨中的高壓氣體冷卻，原用的套管式結(jié)構(gòu)將日益縮小其應(yīng)用，而代之以管殼式結(jié)構(gòu)。制造工藝的改進(jìn)將繼續(xù)置于重要地位。板式換熱器進(jìn)一步發(fā)展的重點(diǎn)，是改進(jìn)墊片材料和密

20、封結(jié)構(gòu)，改進(jìn)板片的剛度設(shè)計(jì)，以便提高操作溫度和使用壓力，擴(kuò)大使用范圍。板式換熱器將繼續(xù)擴(kuò)大使用范圍，發(fā)展新的制造工藝（主要是成型及焊接工藝），改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。螺旋板換熱器的壓力限制仍然是個(gè)問題，但在允許壓力范圍之內(nèi)，其應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大，制造特別是焊接工藝將進(jìn)一步改進(jìn)。板翅式換熱器今后的發(fā)展目標(biāo)，主要是采用新的制造特別是釬焊工藝，擴(kuò)大使用范圍，采用新的材料，板束尺寸和總組合體將向大型化發(fā)展。預(yù)計(jì)在石油化學(xué)工藝中將進(jìn)一步得帶到推廣。翅片管空冷器的使用將更加廣泛，用空冷代替水冷的趨勢仍將繼續(xù)。雖然在設(shè)計(jì)上還預(yù)料不到有多大改進(jìn)，但翅片管將采用更多更新的材料，發(fā)展更多的結(jié)構(gòu)形式，制造工藝將繼續(xù)獲得改進(jìn)。由

21、于工業(yè)用熱的日益增長和出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，熱量回收將更加引起重視。一些“板式”表面的換熱器，將在熱回收領(lǐng)域內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)大使用范圍。新型結(jié)構(gòu)的各種交流換熱器（蓄熱器）將獲得發(fā)展，特別是旋轉(zhuǎn)式蓄熱器，但密封問題有待進(jìn)一步解決。各種新型材料換熱器將進(jìn)一步得到發(fā)展，并將繼續(xù)擴(kuò)大新的材料范圍。為了節(jié)約貴重材料，各種新工藝、新技術(shù)如復(fù)合、襯里及表面處理等技術(shù)將作為重要課題加以研究和發(fā)展。在提高傳熱效率、縮小空間和節(jié)約材料等方面，還將繼續(xù)討論新的途徑，各種新型換熱器將繼續(xù)獲得發(fā)展。新近出現(xiàn)的“熱管”，將獲得廣泛研究，以便探索在化工與石油工業(yè)中具體應(yīng)用的可能性及其使用場合。 1.3.3 換熱器的研究熱點(diǎn)在工業(yè)制冷裝

22、置換熱器的選擇方面需要根據(jù)工礦企業(yè)自身的自然條件、現(xiàn)場條件、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等因素進(jìn)行綜合考慮，并且堅(jiān)持高效率、低能耗、運(yùn)行安全穩(wěn)定、便于檢修維護(hù)的原則，進(jìn)而取得滿意的經(jīng)濟(jì)效益。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及計(jì)算機(jī)模擬換熱數(shù)學(xué)模型的推廣普及，相信會出現(xiàn)更多、更高效的新型換熱器，而對于制造廠商來說， 材料節(jié)省，成本降低，技術(shù)含量提升，經(jīng)濟(jì)效益也會明顯提高。各種新型、高效換熱器逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品。電場動力效應(yīng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)、添加物強(qiáng)化沸騰傳熱技術(shù)、通入惰性氣體強(qiáng)化傳熱技術(shù)、滴狀冷凝技術(shù)、微生物傳熱技術(shù)、磁場動力傳熱技術(shù)將會在新的世紀(jì)得到研究和發(fā)展。同心管換熱器、高溫噴流式換熱器、印刷線路板換熱器、穿孔板換熱器、微尺

23、度換熱器、微通道換熱器、流化床換熱器、新能源換熱器將在工業(yè)領(lǐng)域及其它領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用。在這里主要對管殼式換熱器的傳熱強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行簡單的介紹。強(qiáng)化傳熱研究的主要任務(wù)是改善熱傳遞速率，以達(dá)到用最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備來傳遞規(guī)定的熱量，用最經(jīng)濟(jì)的冷卻方式保護(hù)高溫元件的安全，即用最佳的熱效率實(shí)現(xiàn)能源的合理利用。因此，強(qiáng)化傳熱因其在工業(yè)生產(chǎn)與能源利用中的特殊作用而得到不斷完善。傳熱強(qiáng)化技術(shù)是一項(xiàng)能顯著改善傳熱性能的節(jié)能新技術(shù)。其主要內(nèi)容是采用強(qiáng)化傳熱元件，改善換熱器的結(jié)構(gòu)，提高傳熱效率，從而使設(shè)備投資與運(yùn)行費(fèi)用最低，以達(dá)到生產(chǎn)的最優(yōu)化。增大傳熱系數(shù)、妥善布置傳熱面、增大平均溫度差是強(qiáng)化傳熱的三種途徑，其中提高傳熱

24、系數(shù)是當(dāng)今強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn)。換熱設(shè)備傳熱過程的強(qiáng)化就是使換熱設(shè)備能在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上傳遞的熱量達(dá)到最大化。管殼式換熱器強(qiáng)化傳遞通常是對光管進(jìn)行加工得到各種結(jié)構(gòu)的異型管，如波紋管、螺紋管、螺旋槽紋管、橫槽紋管、翅片管、針翅管、多孔表面管等，通過這些異型管進(jìn)行強(qiáng)化傳熱，提高工作效率，達(dá)到節(jié)能減排效果。強(qiáng)化傳熱一般分為主動強(qiáng)化傳熱（有源強(qiáng)化）與被動強(qiáng)化傳熱（無源強(qiáng)化）兩種。主動強(qiáng)化傳熱以消耗外部能量為代價(jià)的，如采用電場、光照射、攪拌、流體振動、機(jī)械表面振動等手段，由于受到外加能量限制，因而工程主要采用被動強(qiáng)化傳熱技術(shù)，即通過增加單位體積內(nèi)的傳熱面積或者提高傳熱系數(shù)增加產(chǎn)熱量。目前，管殼式換熱器的

25、傳熱強(qiáng)化技術(shù)主要包括管程和殼程的傳熱強(qiáng)化研究。1.4新型材料換熱器由于石油，化學(xué)以及冶金等工藝過程，多在高溫，高壓，高真空，深冷，有毒等條件下進(jìn)行，而且常常伴隨著強(qiáng)烈的腐蝕性。因此，對化工設(shè)備和化工機(jī)械的材料提出了很多特殊的要求。這些材料的產(chǎn)生與研究已成為各個(gè)國家發(fā)展化工等工業(yè)的重要任務(wù)。在處理強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)條件下，過去所采用的普通材料制成的換熱器設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。從30年代以來發(fā)展了許多耐腐蝕的新型材料換熱設(shè)備，如用石墨，聚四氟乙烯，玻璃，陶瓷等非金屬材料以及鈦等稀有金屬制作換熱設(shè)備，已達(dá)到耐熱防腐的效果。用浸漬類不透性石墨和壓型不透性石墨制造的換熱器已在許多國家得到了廣泛的應(yīng)用。石墨換熱

26、器的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，而且不少國家的石墨換熱器已標(biāo)準(zhǔn)系列化，并向著大型換熱器發(fā)展。由于石墨換熱器須滿足各種不同的化學(xué)工藝流程的要求，因而不同結(jié)構(gòu)形式，不同尺寸的換熱器是各有利弊的，故目前世界各國仍在同時(shí)并用。聚四氟乙烯換熱器是六十年代中期才發(fā)展起來新型材料換熱器，它是由美國“杜邦”公司研制并在1965年開始用于工業(yè)生產(chǎn)的。這種換熱器的性能可與金屬換熱器相比，但它卻具有特殊的耐腐蝕性。主要用途之一是硫酸廠的酸冷卻，用它代替原有冷卻器，可以收到最顯著的經(jīng)濟(jì)效果。這種換熱器發(fā)展很快，到1969年，美，法，英，西德，意大利，加拿大和西班牙等國家約500多個(gè)工廠使用了數(shù)千臺這種換熱器，而到1970年已有

27、15個(gè)國家約2000多個(gè)廠子使用該換熱器。由于她的特性，這種換熱器在今后預(yù)計(jì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。近年來，為了解決化工生產(chǎn)的高溫，高壓，以及強(qiáng)腐蝕等問題，發(fā)展了用鈦等稀有金屬制作的換熱器。由于這些稀有的金屬能耐腐蝕性并具有良好的高溫特性，因此已用于制作適應(yīng)各種特殊操作條件的換熱設(shè)備。但他們的價(jià)格比較昂貴，其應(yīng)用的范圍受到一定限制。由于這些金屬材料比較稀缺，并且從降低生產(chǎn)成本考慮，他們通常以復(fù)合材料如復(fù)合鋼板和襯里等形式提供使用，其中以鈦復(fù)合板和襯里應(yīng)用的最多。今后隨著化工等工業(yè)發(fā)展的需要，鈦等制的金屬換熱器也將得到進(jìn)一步的發(fā)展。2 形管式換熱器2.1 U形管式換熱器介紹 2.1.1管殼式換熱器結(jié)構(gòu)

28、在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備。其中管殼式換熱器是目前最為廣泛的換熱設(shè)備。在圓筒形殼體中放置了由許多管子組成的管束，管子的兩端（或一端）固定在管板上，管子的軸線于殼體的軸線平行。為了增加流體在管外空間的流速并支撐管子，改善傳熱性能，在筒體內(nèi)間隔安裝多塊折流板（或其他新型折流元件），用拉桿和定距管將其與管子組裝在一起。換熱器的殼體上和兩側(cè)的端蓋上（對偶數(shù)管程而言，則在一側(cè)）裝有流體的進(jìn)出口，有時(shí)還在其上裝設(shè)檢查孔，為安置測量儀表用的接口管、排液孔和氣孔等。換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時(shí)，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面

29、逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時(shí)，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時(shí)，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減??；若傳熱面積不變，采用逆流時(shí)可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費(fèi)，后者可節(jié)省操作費(fèi)，故在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。 當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時(shí)，由于相變時(shí)只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進(jìn)出口溫度相等，這時(shí)兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯(cuò)流和折流等流向。

30、2.1.2形管式換熱器的特點(diǎn)（1）換熱管被彎制成形，管的兩端固定在同意管板上，管板與殼體采用法蘭連接，并省去了一塊管板和一個(gè)管箱。（2）因管束與殼體是分離的，在受熱膨脹時(shí)，彼此間不受約束，因而消除了溫差應(yīng)力。但是生產(chǎn)中仍應(yīng)避免因管程溫度的急劇變化而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，致使管子與管板的密封失效引起的泄露。（3）特別是采用管板與管子脹接方式連接的形管換熱器要盡量避免干燒。（4）由于管束可以從管殼中抽出，管外清洗方便，但管內(nèi)清洗困難，故最好不讓易結(jié)垢的物料從管內(nèi)通過。（5）U形管式換熱器只有一塊管板支撐全部管束，因此相同殼體內(nèi)徑的管板，其厚度要大于其他形式。（6）當(dāng)換熱器直徑較大時(shí)，形管部分支撐有困難，

31、管束抗震性差，常在殼體加焊縱向軌道，利用管束上的縱向隔板，支撐在所焊的軌道上來承受部分力。 2.1.3形管式換熱器的應(yīng)用范圍由于形管式換熱器便于裝拆，結(jié)構(gòu)簡單，故此常用作原子能工業(yè)中的蒸汽發(fā)生器，動力工業(yè)中的給水加熱器，石化工業(yè)中的換熱器、再沸器，從而得到廣泛應(yīng)用。 2.2 設(shè)備材料的選擇材料是壓力容器的物質(zhì)基礎(chǔ)，正確選用壓力容器材料是保證容器長期安全使用的一個(gè)基本條件，壓力容器所用材料必須要有良好的焊接性能和冷熱加工性能，壓力容器材料的物理性能也是選材要考慮的。要進(jìn)行換熱的容器要用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料達(dá)到節(jié)省材料的目的。壓力容器常用的鋼材主要有板、管、棒、絲、鍛件、鑄件等形狀。壓力容器的本體主

32、要采用板材、管材和鍛件，其緊固件采用棒材。壓力容器用剛可分為碳素鋼、低合金鋼和高合金鋼。16MnR是一種低合金鋼，它是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入一種或數(shù)種合金元素（不超過5%）以提高鋼材的強(qiáng)度，耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等性能，各種合金元素在低合金鋼中起著不同的作用，錳能有效的提高強(qiáng)度，降低冷脆性能。作為聯(lián)接的螺栓，是法蘭密封結(jié)構(gòu)中主要受力元件。要求螺栓材料具有高的強(qiáng)度，好的韌性。為避免螺栓與螺母咬死或膠合，通常選用不同強(qiáng)度級別的材料或選用不同的熱處理規(guī)范。使用有不同的硬度。螺栓硬度一般應(yīng)比螺母高30HB以上，考慮到螺母的更換比螺栓容易，螺栓材料強(qiáng)度通常比螺母高。因此，螺栓材料選用A3鋼16。墊片材料的

33、選擇應(yīng)根據(jù)工作系統(tǒng)的溫度、壓力以及介質(zhì)種類、化學(xué)性能（如腐蝕性、氧化性是否有毒或污染大氣）物理性能（如比重、粘度比）考慮一般要求墊片材料不污染工作介質(zhì)，耐腐蝕，具有良好的變形性和回彈能力。墊片的耐用溫度應(yīng)大于操作溫度，要有一定的機(jī)械強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)娜彳浶?。在工作溫?00下，不易變質(zhì)硬化或軟化；同時(shí)，在考慮介質(zhì)的放射性，應(yīng)力以及外力對法蘭變形的附加影響因素。檢修更換墊片是否容易。墊片現(xiàn)場加工是否可能，經(jīng)濟(jì)性以及材料來源等。2.3設(shè)計(jì)參數(shù)的確定壓力容器設(shè)計(jì)參數(shù)主要有設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度，厚度，及其附加量，焊接接頭系數(shù)和許用應(yīng)力等。 2.3.1設(shè)計(jì)壓力為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷之一，其值不低于最高工作壓力。最

34、高工作壓力系指容器頂部在正常工作過程中可能產(chǎn)生的最高表壓。設(shè)計(jì)壓力應(yīng)視內(nèi)壓和外壓容器分別取值。 2.3.2計(jì)算壓力是指在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件最危險(xiǎn)截面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力加上液柱靜壓力。當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。 2.3.3設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度也為壓力容器的設(shè)計(jì)載荷條件之一，它是指容器在正常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度。當(dāng)元件金屬溫度不低于0時(shí)，設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬可能達(dá)到的最高溫度；當(dāng)元件金屬溫度低于0時(shí)，其值不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。GB150規(guī)定設(shè)計(jì)溫度等于或低于-20的容器屬于低溫容器。元件的金

35、屬溫度可以通過傳熱計(jì)算或?qū)崪y得到，也可按內(nèi)部介質(zhì)的最高溫度確定，或在基準(zhǔn)上增加（或減少）一定數(shù)值。 2.3.4厚度及厚度附加量設(shè)計(jì)時(shí)要考慮厚度附加量C由鋼材的厚度負(fù)偏差C1和腐蝕裕量C2組成，C=C1+C2 ,不包括加工減薄量C3。計(jì)算厚度（）是按有關(guān)公式采用計(jì)算壓力得到的厚度。設(shè)計(jì)厚度（）系計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和。名義厚度（）指設(shè)計(jì)厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在圖樣上的厚度。有效厚度（）為名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材負(fù)偏差。腐蝕裕量主要是防止容器受壓元件由于均勻腐蝕，機(jī)械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄。與腐蝕介質(zhì)直接接觸的筒體，封頭，接管，等受壓元件，均應(yīng)考慮材料的腐蝕

36、裕量。腐蝕裕量一般可根據(jù)鋼材在介質(zhì)中的均勻腐蝕速率和容器的設(shè)計(jì)壽命確定。在無特殊腐蝕情況下，對于碳素鋼和低合金鋼，C2 不小于1mm；對于不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)的腐蝕性極微時(shí)，可取C2=0。 2.3.5焊接接頭系數(shù)通過焊接制成的容器，焊縫中可能存在夾渣，未熔透，裂紋，氣孔等焊接缺陷，且在焊縫的熱影響區(qū)很容易形成粗大晶粒而使母材強(qiáng)度或塑性有所降低，因此焊縫往往成為容器強(qiáng)度比較薄弱的環(huán)節(jié)。為彌補(bǔ)焊縫對容器整體的強(qiáng)度削弱，在強(qiáng)度計(jì)算中需引入焊接接頭系數(shù)。焊接接頭系數(shù)表示焊縫金屬與母材強(qiáng)度的比值，反映容器強(qiáng)度受削弱的程度。 2.3.6許用應(yīng)力許用應(yīng)力是容器殼體，封頭等受壓元件的材料許用強(qiáng)度，取材料強(qiáng)度失效判據(jù)

37、的極限值與相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)系數(shù)之比，設(shè)計(jì)時(shí)必須合理的選擇材料的許用應(yīng)力，采用過小的許用應(yīng)力，會使設(shè)計(jì)的部分過分笨重而浪費(fèi)的材料，反之則使部件過于單薄而容易破損。材料強(qiáng)度失效判據(jù)的極限值可以用各種不同的方式表示，如屈服點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度，持久強(qiáng)度，蠕變極限等。應(yīng)根據(jù)失效類型來確定極限值。在蠕變溫度以下通常取材料常溫下最低抗拉強(qiáng)度，常溫或設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)或三者除以各自的材料設(shè)計(jì)系數(shù)后所得到的最小值，作為壓力容器受壓元件設(shè)計(jì)時(shí)的許用應(yīng)力，即按下式取值 =min，也即是說設(shè)計(jì)受壓元件時(shí)，以抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)同時(shí)來控制許用應(yīng)力。因?yàn)閷g性材料制作的容器，按彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，容器總體部位的最大應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)低于材料的

38、屈服點(diǎn)，故許用應(yīng)力應(yīng)以屈服點(diǎn)為基準(zhǔn)。目前在壓力容器設(shè)計(jì)中，不少規(guī)范同時(shí)用抗拉強(qiáng)度作為計(jì)算許用應(yīng)力的基準(zhǔn)，其目的是為能在一定程度上防止斷裂失效。當(dāng)碳素鋼和低合金鋼的設(shè)計(jì)溫度超過420，鉻鉬合金鋼的設(shè)計(jì)溫度高于450，奧氏體不銹鋼設(shè)計(jì)溫度高于550時(shí)，有可能產(chǎn)生蠕變，因而必須同時(shí)考慮基于高溫蠕變極限或持久強(qiáng)度的許用應(yīng)力。材料設(shè)計(jì)系數(shù)的一個(gè)強(qiáng)度保險(xiǎn)系數(shù)，主要是為了保證受壓元件強(qiáng)度有足夠的安全儲備量，其大小與應(yīng)力計(jì)算的精確性，材料性能的均勻性，載荷的確切程度，制造工藝和使用管理的先進(jìn)性以及檢驗(yàn)水平等因素有著密切關(guān)系。材料設(shè)計(jì)系數(shù)數(shù)值的確定，不僅需要一定的理論分析更需要長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累。2. 4管程結(jié)構(gòu)

39、流體流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相通部分稱為管程。 2.4.1換熱管（1）換熱管形式換熱管尺寸換熱管尺寸（外徑×壁厚）主要為 19mm×2mm, 25mm×2.5mm, 38mm×2.5mm,無縫鋼管以及25mm×2mm, 38mm×2.5mm的不銹鋼管。標(biāo)準(zhǔn)管長有1.5，2.0,3.0,4.5,6.0,9.0m等。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量減少，傳熱系數(shù)提高。（2） 換熱管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(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)工作

40、壓力，溫度和介質(zhì)腐蝕性等選用合適材料。（3） 換熱管排列形式及中心距換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形，正方形和轉(zhuǎn)角三角形，轉(zhuǎn)角正方形。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用的最為普遍，但管外不一清洗。為便于管外清洗，可以采用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。換熱管中心距要保證管子與管板連接時(shí)，管橋（相鄰兩管間的凈空距離）有足夠的強(qiáng)度和寬度。管間需要清洗時(shí)還要留有進(jìn)行清洗的通道。換熱管中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑。 2.4.2管板管板是管殼式換熱器最重要的零件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷熱流體混合，并同時(shí)受管程，殼程壓力和溫度的作用。（1

41、） 管板材料在選擇管板材料時(shí)除力學(xué)性能外，還應(yīng)考慮管程和殼程的流體的腐蝕性，以及管板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響。當(dāng)流體無腐蝕性或有輕微腐蝕時(shí)，管板一般采用壓力容器用碳素鋼或低合金鋼板或鍛件制造。當(dāng)流體腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，管板應(yīng)采用不銹鋼，銅，鋁，鈦等耐腐蝕材料。但對于較厚的管板，若整體采用價(jià)格昂貴的耐腐蝕性，造價(jià)很高。 （2） 管板結(jié)構(gòu)當(dāng)換熱器承受高溫，高壓時(shí)，高溫和高壓對管板的要求的矛盾的。增大管板厚度，可以提高承受能力，但當(dāng)管板兩側(cè)流體溫差很大時(shí)，管板內(nèi)部沿厚度方向的熱應(yīng)力增大；減薄管板厚度，可以降低熱應(yīng)力，但承壓能力降低。此外，在開車、停車時(shí)，由于厚管板的溫度變化慢，換熱管的穩(wěn)固變化快，

42、在換熱管與管板連接處會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。當(dāng)迅速停車或進(jìn)氣溫度突然變化時(shí)，熱應(yīng)力往往會導(dǎo)致管板與換熱管在連接處發(fā)生破壞。因此，在滿足強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量減少管板厚度。 2.4.3換熱管與管板連接換熱管與管板連接時(shí)管殼式換熱器設(shè)計(jì)，制造最關(guān)鍵的技術(shù)之一，是換熱器事故率最多的部位。所以換熱管與管板連接質(zhì)量的好壞，直接影響換熱器的使用壽命。換熱管與管板的鏈接方法主要有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊和脹焊并用。（1） 強(qiáng)度脹接是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的脹接。常用的脹接有非均勻脹接（機(jī)械滾珠脹接）和均勻脹接（液壓脹接、液袋脹接、橡膠脹接和爆炸脹接等）兩大類。機(jī)械滾珠脹接為最早的脹接方法，目前仍在大

43、量使用。它利用滾脹管伸入插在管板孔中的管子的端部，旋轉(zhuǎn)脹管器使管子直徑增大并產(chǎn)生塑性變形，而管板只產(chǎn)生彈性變形。取出脹管器后，管板彈性恢復(fù)，使館板與管子間產(chǎn)生一定的擠壓力而貼合在一起，從而達(dá)到緊固與密封的目的。 強(qiáng)度脹接主要適用于設(shè)計(jì)壓力小于等于4.0MPa；設(shè)計(jì)溫度小于等于300；操作中無劇烈震動、無過大溫度波動及無明顯應(yīng)力腐蝕等場合。（2） 強(qiáng)度焊是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的焊接。由于管孔不需要開槽，且對管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加工簡單。焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)。在高溫高壓下也能保證連接處的密封性能和抗拉脫能力。管子焊接處如有滲漏可以補(bǔ)

44、焊或利用專用工具拆卸后予以更換。當(dāng)換熱管與管板連接處的焊接之后，管板與管子中存在的殘余熱應(yīng)力與應(yīng)力集中，在運(yùn)行時(shí)可能引起應(yīng)力腐蝕與疲勞。此外，管子與管板孔之間的間隙中存在的不流動的液體與間隙外的液體有著濃度上的差別，還容易產(chǎn)生間隙腐蝕。除有較大振動及有間隙腐蝕的場合，只要材料可焊性好，強(qiáng)度焊可用其他任何場合。管子與薄管板的連接應(yīng)采用焊接方法。（3） 脹焊并用脹接與焊接方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在有些情況下，例如高溫，高壓換熱器管子與管板的連接處，在操作中受到反復(fù)熱變形、熱沖擊、腐蝕及介質(zhì)壓力的作用，工作環(huán)境極其苛刻，很容易發(fā)生破壞，無論單獨(dú)采用焊接或是脹接都難以解決問題。如果采用脹焊并用的方法

45、，不僅能改善連接處的抗疲勞性能，而且還可消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。因此目前脹焊并用方法已得到比較廣泛的應(yīng)用。脹焊并用的方法，從加工工藝過程來看，主要有強(qiáng)度脹+密封焊、強(qiáng)度焊+貼脹、強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹等幾種形式。脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動或疲勞載荷；有間隙腐蝕；需采用復(fù)合管板等的場合。2.5殼程結(jié)構(gòu)殼程主要由殼體、折流板或折流桿、支持板、縱向隔板、拉桿、防沖擋板、防短路結(jié)構(gòu)等元件組成。 2.5.1殼體殼體一般是一個(gè)圓筒，在殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。為防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和振動，在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。當(dāng)殼體法蘭采用高

46、頸法蘭或殼程進(jìn)出口接管直徑較大或采用活動管板時(shí)，殼程進(jìn)出口接管距管板較遠(yuǎn)，流體停滯區(qū)過大，靠近兩端管板的傳熱面積利用率很低。為克服這一缺點(diǎn)，可采用導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)。導(dǎo)流筒除可減小流體停滯區(qū)，改善兩端流體的分布，增加換熱管的有效換熱長度，提高傳熱效率外，還起防沖擋板的作用，保護(hù)管束免受沖擊。 2.5.2折流桿傳統(tǒng)的裝有折流板的管殼式換熱器存在著影響傳熱的死區(qū)，流體阻力大，且易發(fā)生換熱管振動與破壞。為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器中換熱管與折流板的切割破壞和流體誘導(dǎo)振動，并且強(qiáng)化傳熱提高傳熱效率，近年來開發(fā)了一種新型的管束支承結(jié)構(gòu)折流桿支承結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)由折流圈和焊在折流圈上的支承桿（桿可以水平、垂直或其他角

47、度）所組成。折流圈可由棒材或板材加工而成，支承桿可由圓鋼或扁鋼制成。一半4塊折流圈為一組，也可采用2塊折流圈為一組。支承桿的直徑等于或小于管子之間的間隙。因而能牢固地將換熱管支承住，提高管束的剛性。2.6開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 2.6.1補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)壓力容器接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)通常采用局部補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，主要有補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)、厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)和整鍛件補(bǔ)強(qiáng)三種形式。（1） 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)這是中低壓容器應(yīng)用最多的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)貼焊在殼體與接管連接處。它結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用經(jīng)驗(yàn)豐富，但補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時(shí)，二者存在較大的熱膨脹差，因而使補(bǔ)強(qiáng)局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；另外，補(bǔ)強(qiáng)圈與殼

48、體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，所以抗疲勞性能差。這種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)一般使用在靜載、常溫、中低壓、材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度低于540MPa、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于等于1.5、殼體名義厚度不大于38mm的場合。（2） 厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)即在開孔處焊上一段厚壁接管。由于接管的加厚部分正處于最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，故比補(bǔ)強(qiáng)圈更能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢驗(yàn)，因此補(bǔ)強(qiáng)效果較好。高強(qiáng)度低合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感性較高，一般都采用該結(jié)構(gòu)，但必須保證焊縫全熔透。（3） 整鍛件補(bǔ)強(qiáng)該補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)是將接管和部分殼體連同補(bǔ)強(qiáng)部分做成整體鍛件，再與殼體和接管焊接。其優(yōu)點(diǎn)是：補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開孔應(yīng)力最大部位

49、，能最有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)；可采用對接焊縫，并使焊縫極其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點(diǎn)，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10%15%。缺點(diǎn)是鍛件供應(yīng)困難，制造成本較高，所以只在重要壓力容器中應(yīng)用，如核容器，材料屈服點(diǎn)在500MPa以上的開孔及受低溫、高溫、疲勞載荷容器的大直徑開孔等。 2.6.2開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)就是指采取適當(dāng)增加殼體或接管厚度的方法將應(yīng)力集中系數(shù)減少到某一允許值。目前通用的、也是最早的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的等面積補(bǔ)強(qiáng)法。但隨著各國對開孔補(bǔ)強(qiáng)研究的深入，出現(xiàn)了許多新的設(shè)計(jì)思想，形成了新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。（1） 等面積補(bǔ)強(qiáng)認(rèn)為殼體因開孔被削弱的承載面積，須有補(bǔ)強(qiáng)材料在

50、離孔邊一定距離范圍內(nèi)予以等面積補(bǔ)償。該方法時(shí)以雙向受拉伸的無限的大平板上開有小孔時(shí)孔邊的應(yīng)力集中作為理論基礎(chǔ)的，即僅考慮殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力，且以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次應(yīng)力強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，故對小直徑的開孔安全可靠。由于該補(bǔ)強(qiáng)法未計(jì)及開孔處的應(yīng)力集中的影響，也沒有計(jì)入容器直徑變化的影響，補(bǔ)強(qiáng)后對不同接管會得到不同的應(yīng)力集中系數(shù)，即安全裕量，因此有時(shí)顯得富裕，有時(shí)顯得不足。 等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則的優(yōu)點(diǎn)是有長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，簡單易行，當(dāng)開孔較大時(shí)，只要對其開孔尺寸和形狀等予以一定的配套限制，在一般壓力容器使用條件下能夠保證安全，因此不少國家的容器設(shè)計(jì)規(guī)范主要采用該方法，如ASME-1和GB150等。（2） 壓

51、力面積補(bǔ)強(qiáng)法要求殼體的承壓投影面積對壓力的乘積和殼壁的承載截面積對許用應(yīng)力的乘積相平衡。該法僅考慮開孔邊緣一次總體及局部薄膜應(yīng)力的靜力要求，在本質(zhì)上與等面積補(bǔ)強(qiáng)法相同，沒有考慮彎曲應(yīng)力的影響。（3） 極限載荷補(bǔ)強(qiáng)法要求帶補(bǔ)強(qiáng)接管的殼體極限壓力與無接管時(shí)的殼體極限壓力基本相同。 2.6.3允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑壓力容器常常存在各種強(qiáng)度裕量，例如接管和殼體實(shí)際厚度往往大于強(qiáng)度需要的厚度；接管根部有填角焊縫；焊接接頭系數(shù)小于1但開孔位置不再焊縫上。這些因素相當(dāng)于對殼體進(jìn)行了局部加強(qiáng)，降低了薄膜應(yīng)力從而也降低了開孔出的最大應(yīng)力。因此，對于滿足一定條件的開孔接管，可以不予補(bǔ)強(qiáng)。GB150規(guī)定，當(dāng)在

52、設(shè)計(jì)壓力小于或等于2.5MPa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心的間距大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑小于或等于89mm時(shí)，只要接管最小厚度滿足，要求就可不另行補(bǔ)強(qiáng)。2.7焊接接頭結(jié)構(gòu)壓力容器各受壓部件的組裝大多采用焊接方式，焊縫的接頭形式和坡口形式的計(jì)算直接影響到焊接的質(zhì)量與容器的安全，因而必須對容器焊接接頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。 2.7.1焊接接頭形式 焊縫系指焊件經(jīng)焊接所形成的結(jié)合部分，而焊接接頭時(shí)焊縫、熔合線和熱影響區(qū)的總稱。焊接接頭形式一般由被焊接兩金屬件的相互結(jié)構(gòu)位置來決定，通常分為對接接頭、角接接頭及T字接頭、搭接接頭。（1） 對接接頭系兩個(gè)相互連接零件在接頭處的中間處于同一平面或同一弧面內(nèi)進(jìn)行焊接的接頭。這種焊接接頭受熱均勻，受力對稱，便于無損檢測，焊接質(zhì)量容易得到保證，因此，是壓力容器中最常用的焊接結(jié)構(gòu)形式。（2） 角接接頭和T形接頭系兩個(gè)相互連接零件在接頭處的中間相互垂直或相交成某一角度進(jìn)行焊接的接頭。兩構(gòu)件成T字形焊接在一起的接頭，叫T形接頭。角接接頭和T形接頭