汽油吸收塔中段冷卻器的機(jī)械設(shè)計(jì)

1、摘 要本設(shè)計(jì)說(shuō)明書是關(guān)于輕柴油原料油換熱器的設(shè)計(jì)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)輕柴油與原料油之間的熱交換，實(shí)現(xiàn)熱能的再利用?？紤]到工藝需求和造價(jià)，我們選用了浮頭式換熱器。浮頭式換熱器主要由管箱、管板、殼體、換熱管、折流板、拉桿、定距管、鉤圈、浮頭蓋等零部件組成。其優(yōu)點(diǎn)為熱應(yīng)力較小，便于檢查和清洗，缺點(diǎn)是浮頭蓋與管板法蘭連接有相當(dāng)大的面積，結(jié)果殼體直徑增大，在管束與殼體之間形成了阻力較小的環(huán)形通道，部分流體將由此旁通而不參加熱交換過(guò)程。設(shè)計(jì)內(nèi)容主體是換熱器的換熱器的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)已經(jīng)選定的換熱器型式進(jìn)行設(shè)備內(nèi)各零部件的設(shè)計(jì)，包括：材料的選擇、具體尺寸確定、確定具體位置、管板厚度的計(jì)算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚

2、度的計(jì)算、開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算等。關(guān)鍵詞： 浮頭式換熱器、機(jī)械設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核I目錄摘 要I第一章 換熱器概述11.1 換熱器的應(yīng)用11.2 換熱器的主要分類11.2.1 換熱器的分類及特點(diǎn)11.2.2 管殼式換熱器的分類及特點(diǎn)2第二章 設(shè)計(jì)主要參數(shù)與材料選擇52.1 設(shè)計(jì)條件52.2 材料選擇52.2.1 鋼板52.2.2 鋼管52.2.4 法蘭62.2.5 容器法蘭墊片62.2.6 拉桿、定距管62.2.7 鞍座6第三章 換熱器結(jié)構(gòu)選擇73.1 前端管箱73.2 管束分程和分程隔板的布置73.2.1 管束分程73.2.2 分程隔板的布置83.3 換熱管83.3.1 換熱管的長(zhǎng)度83.3.2 規(guī)格及尺

3、寸偏差83.3.3 布管93.3.4 布管限定圓93.4 管子與管板的連接103.5 管板與殼體的連接113.6 折流板和支持板123.7 拉桿和定距管133.8 防沖與導(dǎo)流143.9 法蘭選擇143.9.1 密封面型式143.9.2 管箱法蘭、殼體法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭和外頭蓋法蘭143.9.3 接管法蘭153.9.4 墊片153.10 支座的選擇16第四章 設(shè)計(jì)計(jì)算與強(qiáng)度校核174.1 殼體、管箱圓筒和外頭蓋圓筒的壁厚計(jì)算與校核174.1.1 符號(hào)174.1.2 殼體壁厚計(jì)算和校驗(yàn)174.1.3 管箱圓筒壁厚計(jì)算和校驗(yàn)184.1.4 外頭蓋圓筒壁厚計(jì)算和校驗(yàn)194.2 浮頭蓋封頭和管箱封頭厚度

4、計(jì)算204.2.1 管箱封頭厚度計(jì)算214.2.2 外頭蓋封頭計(jì)算224.3 管板計(jì)算與校核234.3.1 管板的厚度計(jì)算234.3.2 浮頭式換熱器管板計(jì)算244.3.3 管子與管板連接拉脫力的計(jì)算與校核254.4 螺栓計(jì)算與校核264.4.1 螺栓載荷264.4.2 螺栓面積274.4.3 螺栓設(shè)計(jì)載荷274.5 法蘭的計(jì)算與校核274.6 接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算304.7 壓力實(shí)驗(yàn)324.7.1 殼體水壓試驗(yàn)324.7.2 管程水壓試驗(yàn)壓力33第五章 制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收345.1 總則345.2 浮頭式換熱器的制造345.2.1 封頭和管箱345.2.2 折流板345.2.3 管束的組裝355.

5、2.4 換熱器的組裝355.3 浮頭式換熱器的檢驗(yàn)與驗(yàn)收35結(jié)論37參考文獻(xiàn)38III第一章 換熱器概述第一章 換熱器概述1.1 換熱器的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是將能量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，是流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝流程上的需要。此外，換熱器也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，高爐爐氣（約1500）的余熱，通過(guò)余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供汽、供熱等的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)

6、改進(jìn)及傳熱極力的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼面世。1.2 換熱器的主要分類在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。1.2.1 換熱器的分類及特點(diǎn)按照傳熱方式的不同，換熱器可分為三類：1）直接接觸式換熱器 又稱混合式換熱器，它是利用冷、熱流體直接接觸與混合的作用進(jìn)行熱量的交換。這類換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，常做成塔狀，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場(chǎng)合。）蓄熱式換熱器在這類換熱器中，熱量傳遞是通過(guò)格子磚或填料等蓄熱體來(lái)完成的。首先讓熱流體通過(guò)，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后再讓冷流體通過(guò)，把熱量帶走。由于兩種流體交變轉(zhuǎn)換輸入，因此不可避免地存在著

7、一小部分流體相互摻和的現(xiàn)象，造成流體的“污染”。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜，單位體積傳熱面比較大，故較適合用于氣-氣熱交換的場(chǎng)合。）間壁式換熱器這是工業(yè)中最為廣泛使用的一類換熱器。冷、熱流體被一固體壁面隔開，通過(guò)壁面進(jìn)行傳熱。按照傳熱面的形狀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)它又可分為：a）管式換熱器：如套管式、螺旋管式、管殼式、熱管式等；b）板面式換熱器：如板式、螺旋板式、板殼式等；c）擴(kuò)展表面式換熱器：如板翅式、管翅式、強(qiáng)化的傳熱管等。1.2.2 管殼式換熱器的分類及特點(diǎn)管殼式換熱器是目前用得最為廣泛的一種換熱器，主要是由殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件組成，其具體結(jié)構(gòu)如下圖1.1所示。殼體多為圓筒形

8、，內(nèi)部放置了由許多管子組成的管束，管子的兩端固定在管板上，管子的軸線與殼體的軸線平行。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱為殼程流體。為了增加殼程流體的速度以改善傳熱，在殼體內(nèi)安裝了折流板。折流板可以提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過(guò)管束，增強(qiáng)流體湍流程度。1-封頭；2-隔板；3-管板；4-擋板；5-管子；6-外殼圖1.1管殼式換熱器示意圖流體每通過(guò)管束一次稱為一個(gè)管程；每通過(guò)殼體一次就稱為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體速度，可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分為若干組。這樣流體每次只通過(guò)部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程；同樣。為提高

9、管外流速，也可以在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過(guò)殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可以配合使用。由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩流體溫度相差較大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過(guò)50時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可以分為以下幾種主要類型：1）固定管板式換熱器：其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。換熱器的管端以焊接或脹接的方法固定在兩塊管板上，而管板則以焊接的方法與殼體相連。與其它型式的管殼式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)殼體直徑相同時(shí)，可安排更多的管子，也便于分程，

10、同時(shí)制造成本較低。由于不存在彎管部分，管內(nèi)不易積聚污垢，即使產(chǎn)生污垢也便于清洗。如果管子發(fā)生泄漏或損壞，也便于進(jìn)行堵管或換管，但無(wú)法在管子的外表面進(jìn)行機(jī)械清洗，且難以檢查，不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質(zhì)。更主要的缺點(diǎn)是當(dāng)殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，在殼體與管中將產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，因此為了減少溫差應(yīng)力，通常需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，利用膨脹節(jié)在外力作用下產(chǎn)生較大變形的能力來(lái)降低管束與殼體中的溫差應(yīng)力。1-防沖板；2-拉桿；3-單弓形折流板；4-分流隔板；5-旁路擋板；6-管板；7-傳熱管圖1.2 固定管板式換熱器）浮頭式換熱器：管子一端固定在一塊固定管板上，管板夾持在殼體法蘭與管

11、箱法蘭之間，用螺栓連接；管子另一端固定在浮頭管板上，浮頭管板夾持在用螺柱連接的浮頭蓋與鉤圈之間，形成可在殼體內(nèi)自由移動(dòng)的浮頭，故當(dāng)管束與殼體受熱伸長(zhǎng)時(shí)，兩者互不牽制，因而不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭部分是由浮頭管板，鉤圈與浮頭端蓋組成的可拆聯(lián)接，因此可以容易抽出管束，故管內(nèi)管外都能進(jìn)行清洗，也便于檢修。由上述特點(diǎn)可知，浮頭式換熱器多用于溫度波動(dòng)和溫差大的場(chǎng)合，盡管與固定管板式換熱器相比其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、造價(jià)更高。 3）U型管式換熱器：一束管子被彎制成不同曲率半徑的U型管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束，從而省去了一塊管板與一個(gè)管箱。因?yàn)楣苁c殼體是分離的，在受熱膨脹時(shí)，彼此間不受約束，故消除了溫差應(yīng)

12、力。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，管束可以在殼體中抽出，管外清洗方便，但管內(nèi)清洗困難，故最好讓不易結(jié)垢的物料從管內(nèi)通過(guò)。由于彎管的外側(cè)管壁較薄以及管束的中央部分存在較大的空隙，故U型管換熱器具有承壓能力差、傳熱能力不佳的缺點(diǎn)。4）雙重管式換熱器：將一組管子插入另一組相應(yīng)的管子中而構(gòu)成的換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。管程流體（B流體）從管箱進(jìn)口管流入，通過(guò)內(nèi)插管到達(dá)外套管的底部，然后返回，通過(guò)內(nèi)插管和外套管之間的環(huán)形空間，最后從管箱出口管流出。其特點(diǎn)是內(nèi)插管與外套管之間沒(méi)有約束，可自由伸縮。因此，它適用于溫差很大的兩流體換熱，但管程流體的阻力較大，設(shè)備造價(jià)較高。）填料函式換熱器：圖1.4為填料函式換熱器

13、的結(jié)構(gòu)。管束一端與殼體之間用填料密封，管束的另一端管板與浮頭式換熱器同樣夾持在管箱法蘭和殼體法蘭之間，用螺栓連接。拆下管箱、填料壓蓋等有關(guān)零件后，可將管束抽出殼體外，便于清洗管間。管束可自由伸縮，具有與浮頭式換熱器相同的優(yōu)點(diǎn)。由于減少了殼體大蓋，它的結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，造價(jià)也較低，但填料處容易泄漏，工作壓力與溫度受一定限制，直徑也不宜過(guò)大。1-盤環(huán)形折流板環(huán)板；2-盤環(huán)形折流板盤板；3-縱向隔板；4-換熱管；5-管箱；6-分程隔板；7-定距管；8-拉桿 圖1.3 雙殼程U型管殼式換熱器 圖1.4 填料函式換熱器39第二章 設(shè)計(jì)主要參數(shù)與材料選擇第二章 設(shè)計(jì)主要參數(shù)與材料選擇2.1 設(shè)計(jì)條件

14、 表2.1 換熱器初始條件管程殼程程數(shù)21介質(zhì)循環(huán)水汽油工作壓力 MPa0.51.5設(shè)計(jì)壓力 MPa=1.35=1.68設(shè)計(jì)溫度 6370入口溫度 =43=43出口溫度 =45=50焊縫系數(shù) =0.85 =1換熱面積 =46 =462.2 材料選擇壓力容器用鋼的基本要求是有較高的強(qiáng)度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質(zhì)相容性。改善鋼材性能的途徑主要有化學(xué)成分的設(shè)計(jì)、組織結(jié)構(gòu)的改變和零件表面改性。2.2.1 鋼板Q345R是普通低合金鋼,是鍋爐壓力容器常用鋼材，使用狀態(tài)為：熱軋、控軋或正火。磷、硫含量略低于低合金高強(qiáng)度鋼板Q345鋼，除抗拉強(qiáng)度、延伸率要求比Q345R鋼有所提高外，還要求保證沖擊

15、韌性，對(duì)鋼材的表面缺陷和內(nèi)部缺陷要求比較較高。它是目前我國(guó)用途最廣、用量最大的壓力容器專用鋼板?？捎糜谌萜鳉んw材料中。本設(shè)計(jì)中選用Q345R作為殼體、管箱、管板的材料。Q235B有一定的伸長(zhǎng)率、強(qiáng)度，良好的韌性和鑄造性，易于沖壓和焊接，廣泛用于一般機(jī)械零件的制造。主要用于建筑、橋梁工程上質(zhì)量要求較高的焊接結(jié)構(gòu)件。本設(shè)計(jì)選用Q235B作為分程隔板、擋板、折流板的材料。2.2.2 鋼管 20號(hào)鋼屬于優(yōu)質(zhì)低速鋼，冷擠壓、滲碳淬硬鋼。該鋼強(qiáng)度低，韌性。塑性和焊接性均好。故鋼管材料選20。2.2.3 螺柱和螺母 30CrMoA鋼是一種Cr-Mo系列合金結(jié)構(gòu)鋼，在淬火及低溫回火后或淬火及高溫回火后都具有很

16、好的綜合力學(xué)性能，只有回火溫度高于530時(shí)強(qiáng)度才明顯降低。30CrMoA鋼調(diào)質(zhì)后，在高溫（低于550）條件下也有較高的強(qiáng)度，鋼的低溫韌性良好。 35CrMoA也是中淬透性鋼的一種，常用于代替40CrNi制大截面齒輪與軸，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，480以下工件的緊固件。本次設(shè)計(jì)螺柱與螺母選擇的材料是：30CrMoA，35CrMoA2.2.4 法蘭高壓容器的平蓋、端部法蘭、中（低）壓設(shè)備的法蘭及接管法蘭等常用鍛件制成。根據(jù)鍛件檢測(cè)項(xiàng)目和數(shù)量的不同，中國(guó)壓力容器鍛件標(biāo)準(zhǔn)將鍛件分為、四個(gè)級(jí)別，這里選用的是類壓力容器。鍛件通常所用的鋼材有Q235R、Q235F、16Mn、20等。法蘭材料的選取通常與換熱器殼體材

17、料一致。通常所用的鋼材有Q235、Q235F、16Mn、15MnV、20等。因法蘭是在主要的受力元件之一，故需有較高的強(qiáng)度，故選擇低合金鋼20鍛件，它的特點(diǎn)是：20號(hào)鋼屬于優(yōu)質(zhì)低速鋼，冷擠壓、滲碳淬硬鋼。該鋼強(qiáng)度低，韌性。塑性和焊接性均好2.2.5 容器法蘭墊片墊片可用材料有橡膠墊片、石棉橡膠板墊片、聚四氟乙烯墊片、柔性石墨復(fù)合墊、纏繞墊、金屬包裹墊、金屬環(huán)墊等。本設(shè)計(jì)中殼程介質(zhì)原料油粘度大、具有易燃的特性，要求法蘭與墊片之間具有較好的密封性能。根據(jù)HG20614-97鋼制管法蘭、墊片、緊固件選配規(guī)定，選用纏繞墊片，墊片材料選用柔性石墨作為填充帶材料，根據(jù)GB /T 4705-2000選用06

18、Cr19Ni10作為加強(qiáng)環(huán)材料。2.2.6 拉桿、定距管拉桿要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性，距管要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性，考慮到設(shè)計(jì)要求，拉桿選材為07Cr2AIMoRE，定距管選材為09Cr2AIMoRE。2.2.7 鞍座鞍座是換熱器受載元件之一，要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性能。故選用低合金鋼Q235B。第三章 換熱器結(jié)構(gòu)選擇第三章 換熱器結(jié)構(gòu)選擇3.1 前端管箱1）A 型（平蓋管箱） 前端管箱形式中A，裝有管箱平蓋（或稱盲板），清洗管程時(shí)只要拆開盲板即可，而不必拆卸整個(gè)管箱和與管箱相連的管路，缺點(diǎn)是盲板結(jié)構(gòu)用材多，且尺寸較大時(shí)得用鍛件，耗費(fèi)大量機(jī)加工工時(shí)，提高制造成本，增加一道密封

19、的泄漏可能。一般多用于DN<900mm 的浮頭式換熱器中。2）B 型封頭管箱型。用于單程或多程管箱，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，適于高壓，清潔介質(zhì)，可省掉一塊造價(jià)高的盲板、法蘭和幾十對(duì)螺栓，且橢圓封頭受力情況要比平端蓋好得多，缺點(diǎn)是檢查管子和清洗管程時(shí)必須拆下連接管道和管箱，但這種形式用的最多。 本設(shè)計(jì)在考慮了操作的方便，且考慮B 型管箱的優(yōu)點(diǎn)以及公稱直徑大小后選取B,型封頭管箱型為前端管箱。圖3.1 前端管箱3.2 管束分程和分程隔板的布置3.2.1 管束分程 在設(shè)計(jì)中，若采用多管程，則需要在管箱中安裝分程隔板。分程時(shí)，應(yīng)使各程管子數(shù)目大致相等，隔板形式要簡(jiǎn)單，密封長(zhǎng)度要短。為使制造、維

20、修和操作方便，一般采用偶數(shù)管程。程數(shù)不宜過(guò)多，隨著程數(shù)的增加，換熱器的傳熱效率下降且與錯(cuò)流傳熱接近。本設(shè)計(jì)按照題目要求設(shè)計(jì)管程為2，其中管束分程方法常采用平行方式。3.2.2 分程隔板的布置 在換熱器中，不論是管外還是管內(nèi)的流體，要提高它們的傳熱系數(shù)，通常是采用設(shè)置隔板的方法來(lái)增加程數(shù)以提高流體流速實(shí)現(xiàn)其目的。在設(shè)計(jì)時(shí)要求管箱隔板的密封面與管箱法蘭密封面，管板密封面與分程槽面必須處于同一基面，本設(shè)計(jì)管程隔板形式采用上圖中最常用的結(jié)構(gòu)形式（a），如圖3.2所示。圖3.2 分程隔板3.3 換熱管3.3.1 換熱管的長(zhǎng)度 根據(jù)管殼式換熱器GB151-2014 規(guī)定，換熱管的長(zhǎng)度推薦采用：1.0、1.

21、5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m。本設(shè)計(jì)中選取換熱管長(zhǎng)度為6.0m。3.3.2 規(guī)格及尺寸偏差本設(shè)計(jì)中換熱管采用09Cr2AIMoRE材料，根據(jù)鋼制管殼式換熱器GB151-2014 規(guī)定，換熱管外徑的規(guī)格有14mm、16mm、19mm、25mm、32mm、38mm、45mm、57mm。由于走管程的介質(zhì)是循環(huán)水，黏度很小，選用較小的管徑，故本換熱器中選擇252.5規(guī)格的換熱管，由表3.1查得，換熱管中心距為32，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距44。表3.1 換熱管常用中心距換熱管外徑d1920222530323538換熱管中心距S2526283238404448

22、分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn 3840424450525660級(jí)管束管束管板管孔直徑及允許偏差符合表3.2的規(guī)定：表3.2 級(jí)管束管束管板管孔直徑及允許偏差換熱管外徑1416192532384557管孔直徑14.2516.2519.2525.25 32.2538.4045.40 57.55允許偏差 因換熱器中選擇換熱管外徑為25mm，則管孔直徑為25.25，允許偏差為+0.25、0。3.3.3 布管換熱管中心距一般不小于1.25倍的換熱管外徑，這是保證管間小橋在脹管時(shí)有足夠的強(qiáng)度。當(dāng)采用焊接方式時(shí)，管間距可以小一些。傳熱管在管板上的排列有四種基本形式，即正三角形，正四邊形，轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)正

23、四邊形。如下圖3.3所示：圖3.3 布管排列方式三角形排列最為普遍，其在同一直徑管板面積上可排最多的換熱管數(shù)。其用于殼程介質(zhì)較清潔，換熱管外不需清洗。當(dāng)需對(duì)換熱管外清洗時(shí)，則需采用正方形排列，其最小清洗通道應(yīng)不小于6毫米。對(duì)于正方形排列，在一定的管板面積上可排列的管數(shù)最少，但它易于清掃，故在易于生成污垢，需將管束抽出清洗的場(chǎng)合得到一定的應(yīng)用，浮頭式和填料函換熱器中采用這種排列較多。本次設(shè)計(jì)的類型為浮頭式換熱器，綜合殼程介質(zhì)為汽油，需要定期對(duì)換熱管外清洗，故選用的布管方式為正三角形。根據(jù)任務(wù)書給的面積初算換熱管根數(shù)：118 因?yàn)閾Q熱器管程為2，故取3.3.4 布管限定圓符號(hào)：b 其值按表3.3選

24、取，mm；b1 見圖3.4，其值按表3.4選取，mm；b2 見圖3.4，mm；bn 墊片寬度，其值按表3.3選取，mm；DL 布管限定圓直徑，mm；Di 圓筒內(nèi)直徑，mm；d 換熱管外徑，mm； 圖3.4 圖3.5 表3.3 表3.4Dib<100010002600>3>4Dibnb1700>700101335 Di= 500mm，取b=4mm，bn=10.5mm，b1=3mm則有:。表3.5 布管限定圓直徑換熱器型式固定管板式、U形管式浮頭式布管限定圓直徑布管限定圓為管束最外層換熱管中心圓直徑，由表3.5計(jì)算得：。3.4 管子與管板的連接換熱管與管板連接是管殼式換熱器

25、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。換熱管與管板的連接方法主要有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊、脹焊并用。而其連接結(jié)構(gòu)如圖3.6所示： 圖3.6 管子與管板的連接方式 強(qiáng)度脹接是為了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。脹接結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單，管子的更換和修補(bǔ)容易，所以應(yīng)用較廣。一般使用的管板為碳素鋼，低合金鋼，管子為碳鋼，設(shè)計(jì)壓力不超過(guò)4.0MPa。強(qiáng)度焊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)，在高溫高壓下能保證連接處的緊密性和抗拉脫能力。 隨著高溫、高壓換熱器的出現(xiàn)，使接頭在操作過(guò)程中，受到反復(fù)變形，熱沖擊，熱腐蝕及介質(zhì)壓力作用，工作環(huán)

26、境極其苛刻，發(fā)生破壞的可能性很大，盡管內(nèi)孔焊較理想的解決了這些問(wèn)題，但因焊接工具復(fù)雜，管板加工困難，因此工程上多數(shù)情況下還是采用脹焊結(jié)合的形式來(lái)解決上述問(wèn)題。 在本設(shè)計(jì)中采用強(qiáng)度焊加貼脹的方法來(lái)作為換熱管與管板的連接方式，此方法既保證換熱管與管板連接的密封形，又保證了換熱管與管孔之間縫隙的拉脫力。3.5 管板與殼體的連接 管板與殼體的連接形式，分為兩類：一是不可拆式的，如固定式管板換熱器，管板與殼體是用焊接連接；一是可拆式的，如U形管式、浮頭式及填料函式和滑動(dòng)管板式的換熱器，一般采用管板本身不直接與殼體焊接，而通過(guò)殼體上法蘭和管箱法蘭夾持固定，如下圖示： 圖3.7 管板與殼體的連接方式考慮到本

27、設(shè)計(jì)為浮頭式換熱器，管束要拆卸進(jìn)行清洗，使用可拆式管板，如上圖示，選用a 形連接方式，管板通過(guò)墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接，此連接在制造上較其它連接方式簡(jiǎn)單，裝卸也比較方便，質(zhì)量較輕。3.6 折流板和支持板 折流板最小間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的五分之一，且不小于50mm，在本設(shè)計(jì)中換熱管外徑為25mm，據(jù)表GB151-2014表42查得其最大無(wú)支撐跨距為0.85m。同時(shí)支持板的形狀和尺寸與折流板一致，所以可根據(jù)折流板的種類選取。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，各種形式折流板見圖3.8。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要選用單弓形折流板。 圖3.8 折流

28、板折流板厚度按GB151-2014表34選取，公稱直徑為500mm，換熱管無(wú)支撐跨距為850mm，折流板選用厚度為8mm。 折流板的間距一般不小于殼體內(nèi)徑的1/5，且不小于50mm，且不超過(guò)圓筒內(nèi)徑。兩塊管板與端部折流板的距離通常大于中間折流板的距離，中間折流板一般在管子有效長(zhǎng)度上等距離布置，本次設(shè)計(jì)選取折流板間距為250mm。折流板數(shù)為20，則有中間折流板間距為：。3.7 拉桿和定距管拉桿有兩種主要形式：1）拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束；2)拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu),適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束。已知換熱管規(guī)格為，故選用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。根據(jù)表3.6所對(duì)應(yīng)的

29、換熱管外徑25，確定拉桿直徑為16mm。表3.6換熱管外徑d10d1414<d<2525d57拉桿直徑101216已知拉桿直徑16mm和換熱器的公稱直徑500mm，再根據(jù)表3.7確定拉桿數(shù)量為4根。表3.7公稱直徑/拉桿<400400<700700<900900<13001300<15001500<18001800<20002000<230010121644466410861210616128181410241812282014根據(jù)表3.8選取 =20mm、 =60mm。表3.8拉桿直徑d拉桿螺紋公稱直徑b10121610121613

3052.02.0拉桿的連接尺寸如圖3.9所示，拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，對(duì)于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當(dāng)?shù)睦瓧U，任何折流板應(yīng)不少于3個(gè)支承點(diǎn)。圖3.93.8 防沖與導(dǎo)流當(dāng)管程介質(zhì)從進(jìn)口管以軸向流入時(shí)，或者換熱管中的介質(zhì)流速超過(guò)3m/s 時(shí)，應(yīng)設(shè)置防沖板，以減少流體的不均勻分布和對(duì)換熱管端的沖蝕。防沖板的形式一般有工字形、矩形和圓形。一般防沖板的邊長(zhǎng)應(yīng)大于接管外徑50mm，防沖板最小厚度：碳鋼為4.5mm，不銹鋼為3mm。3.9 法蘭選擇3.9.1 密封面型式常見法蘭密封面主要有突面、凹凸面、榫槽面、全平面、環(huán)連接面5種型式，結(jié)構(gòu)如下圖所示

31、：圖3.10 密封面型式3.9.2 管箱法蘭、殼體法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭和外頭蓋法蘭根據(jù)設(shè)計(jì)條件，本設(shè)備采用a型管板與殼體連接方式，設(shè)計(jì)壓力1.68MPa,公稱壓力PN=2.5 MPa，查HG2059220635-97鋼制管法蘭、墊片、緊固件和JB47004703-200壓力容器法蘭，外頭蓋法蘭、管箱法蘭和殼體法蘭都選用凹面密封面法蘭（代號(hào)FM），外頭蓋側(cè)法蘭選用凸面密封面法蘭（代號(hào)M）。3.9.3 接管法蘭根據(jù)GB150-2011 的規(guī)定，筒體開孔時(shí)，當(dāng)其1500mm時(shí)，其最大直徑d，且d。接管法蘭根據(jù)HG20592-2009標(biāo)準(zhǔn)選用。設(shè)計(jì)溫度70，根據(jù)設(shè)計(jì)溫度選用壓力等級(jí)PN2.5的法蘭，公稱

32、直徑為150mm，如圖3.11所示。結(jié)構(gòu)形式選用突面法蘭密封面帶頸對(duì)焊法蘭，尺寸見表3.9、表3.10。 圖 3.11 突面(RF)法蘭密封面結(jié)構(gòu) 表3.9 密封面尺寸公稱通徑 DN 公稱壓力PN WXYZ 15016516517017819521025.55.0395421422394表3.10 接管法蘭尺寸公稱通徑DN法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑 K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量N螺栓Th法蘭厚度CNR1504604102612M2428342815213.9.4 墊片 墊片裝在管板與法蘭之間，作用是防止容器發(fā)生泄漏。墊片是密封結(jié)構(gòu)中的重要元件，其變形能力和回彈能力是形成密封的必要條件。變形能力大的

33、密封墊易填滿壓緊面上的間隙，并使預(yù)緊力不致太大；回彈能力大的密封墊，能適應(yīng)操作壓力和溫度的波動(dòng)。又因墊片是與介質(zhì)直接接觸的，所以還應(yīng)具有能適應(yīng)介質(zhì)的溫度、壓力和腐蝕等性能。 根據(jù)HG20592-2009選用的纏繞式墊片，0Cr18Ni9金屬帶和柔性石墨。根據(jù)選定的法蘭選墊片的型號(hào)：JB/T 4706-2000，基本結(jié)構(gòu)如圖3.11所示，其主要結(jié)構(gòu)尺寸見件表3.11。 圖3.11 墊片基本結(jié)構(gòu)圖表3.11 法蘭墊片主要尺寸容器法蘭墊片型號(hào)B51-800-4.0 JB/T 4075-2000553576566 3.10 支座的選擇 參照GB151-2014支座選擇，鞍式支座如下圖所示。鞍式支座在換

34、熱器上的布置應(yīng)按下列原則確定： a） 當(dāng) 時(shí)，取 b） 當(dāng) 時(shí)，取 c） 盡量使和相似。 （0.5-0.7）L=3600mm現(xiàn)根據(jù)JB/T 4712.1-2007容器支座第一部分：鞍式支座，由表6 知允許載荷Q：155kN；鞍座高度：h=200mm；底板： 腹板：筋板： 墊板：弧長(zhǎng)為590mm 螺栓間距：鞍座質(zhì)量：21Kg增加100mm高度增加的質(zhì)量：4Kg第四章 設(shè)計(jì)計(jì)算與強(qiáng)度校核第四章 設(shè)計(jì)計(jì)算與強(qiáng)度校核4.1 殼體、管箱圓筒和外頭蓋圓筒的壁厚計(jì)算與校核4.1.1 符號(hào) C 厚度附加量，mm,對(duì)多層包扎圓筒只考慮內(nèi)筒的C值;對(duì)熱套圓簡(jiǎn)只考慮內(nèi)側(cè)第一層套合圓筒的C值 圓簡(jiǎn)或球殼的內(nèi)直徑,mm

35、; 圓筒或球殼的外直徑(),mm; 計(jì)算壓力,MPa; 圓筒或球殼的最大允許工作壓力,MPa 圓筒或球殼的計(jì)算厚度,mm; 圓筒或球殼的有效厚度,mm; 多層包扎圓筒內(nèi)筒的名義厚度,mm; 圓筒或球殼的名義厚度,mm; 設(shè)計(jì)溫度下圓筒或球殼的計(jì)算應(yīng)力,mm; 設(shè)計(jì)溫度下圓 筒或球殼材料的許用應(yīng)力 ,M Pa ;4.1.2 殼體壁厚計(jì)算和校驗(yàn) 殼體圓筒的厚度按GB150-2011壓力容器第5章計(jì)算，但碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度應(yīng)不小于表4.1的規(guī)定。表4.1 碳素鋼和低合金鋼圓筒的最小厚度 公稱直徑4007007001000100015001500200020002600浮頭式，U形管式81

36、0121416殼體圓筒設(shè)計(jì)條件如表4.2所示。表4.2 殼體圓筒設(shè)計(jì)條件部件 材料設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)壓力Mpa許用應(yīng)力Mpa焊縫系數(shù)C1mmC2mm殼體圓筒Q345R701.6818910.33設(shè)計(jì)溫度70下殼體的計(jì)算厚度如下，其中，=1.0，帶入下式4.1得： 計(jì)算厚度：= 2.23mm設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：,經(jīng)圓整取=6mm, 圓筒的最小厚度應(yīng)不小于表4.1的規(guī)定，則取= 8mm有效厚度： 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力按下式4.2計(jì)算： 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓力按下式4.3計(jì)算： 則有：滿足強(qiáng)度和壓力要求，故取= 8mm符合設(shè)計(jì)要求。4.1.3 管箱圓筒壁厚計(jì)算和校驗(yàn)管箱圓筒設(shè)計(jì)條件如表4.3

37、所示：表4.3 管箱圓筒設(shè)計(jì)條件部件材料設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)壓力Mpa許用應(yīng)力Mpa焊縫系數(shù)C1mmC2mm管箱圓筒短節(jié)Q345R701.681891.00.33設(shè)計(jì)溫度70下管箱圓筒短節(jié)的計(jì)算厚度如下，其中， ，=1.0，帶入公式4.1得： 計(jì)算厚度：= 2.23mm設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：,經(jīng)圓整取=8mm, 圓筒的最小厚度應(yīng)不小于表4.1的規(guī)定，取= 8mm有效厚度：設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力按公式4.2計(jì)算： 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓力按公式4.3計(jì)算： 則有：滿足強(qiáng)度和壓力要求，故取= 8mm符合設(shè)計(jì)要求。4.1.4 外頭蓋圓筒壁厚計(jì)算和校驗(yàn)外頭蓋圓筒設(shè)計(jì)條件如表4.4所示：表4.4 外頭蓋

38、圓筒短節(jié)設(shè)計(jì)條件部件材料設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)壓力Mpa許用應(yīng)力Mpa焊縫系數(shù)C1mmC2mm外頭蓋圓筒短節(jié)Q345R701.681891.00.33設(shè)計(jì)溫度下外封頭圓筒短節(jié)的計(jì)算厚度如下，其中； ；=1.0帶入公式4.1得： 計(jì)算厚度：= 2.23mm設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：,經(jīng)圓整取=6mm, 圓筒的最小厚度應(yīng)不小于表4.1的規(guī)定，取= 8mm有效厚度：設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力按公式4.2計(jì)算： 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓力按公式4.3計(jì)算： 則有：滿足強(qiáng)度和壓力要求，故取= 8mm合適。4.2 浮頭蓋封頭和管箱封頭厚度計(jì)算壓力容器封頭的種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等，其中凸形

39、封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和球冠形封頭。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(lái)決定。 圖4.1 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭此次設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，它由半個(gè)橢球面和圓筒短節(jié)組成，如圖4.1所示。直邊段的作用是避免封頭和圓筒的連接焊縫出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。橢圓形封頭應(yīng)力分布比較均勻，且深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應(yīng)用較多的封頭之一。管箱封頭和外頭蓋封頭設(shè)計(jì)條件如表4.5，表4.6所示。表4.5 管箱封頭設(shè)計(jì)條件部件材料設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)壓力Mpa許用應(yīng)力Mpa焊縫系數(shù)C1mmC2mm管箱封頭Q345R701.681

40、891.00.33表4.6外頭蓋封頭設(shè)計(jì)條件部件材料設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)壓力Mpa許用應(yīng)力Mpa焊縫系數(shù)C1mmC2mm外頭蓋封頭Q345R701.681891.00.33符號(hào)規(guī)定：Di 封頭內(nèi)直徑，mm；D0封頭外直徑（),mm；h1 封頭曲面深度，mm；h2封頭質(zhì)變高度，mm；A 封頭內(nèi)表面積，；V 封頭容積，m3；m 封頭質(zhì)量，； 計(jì)算壓力，MPa； 最大允許工作壓力，MPa；封頭計(jì)算厚度，mm； 封頭有效厚度，mm； 封頭名義厚度，mm； 設(shè)計(jì)溫度下封頭材料的計(jì)算應(yīng)力，MPa； 設(shè)計(jì)溫度下封頭材料的許用應(yīng)力,MPa； 焊接接頭系數(shù)。4.2.1 管箱封頭厚度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的厚度計(jì)算如下,其中

41、， ，=1.0帶入公式4.4可得： 計(jì)算厚度：= 2.23mm設(shè)計(jì)厚度：名義厚度： ，圓整取=6mm, 考慮到管箱圓筒厚度為8mm，故取= 8mm有效厚度：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15，但當(dāng)確定封頭厚度時(shí)，已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問(wèn)題，可不受此限制。故該標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的名義厚度= 8mm合適。橢圓形封頭的最大允許工作壓力按下式4.5計(jì)算： （4.5）式中：K橢圓形封頭形狀系數(shù)， 表4.7 系數(shù)K值2.62.52.42.32.22.12.01.91.81.71.61.51.4K1.461.371.291.211.141.071.000.930.870.810.760.71

42、0.66由表4.7取K值為1，則則有：該封頭滿足壓力要求，故取= 8mm符合設(shè)計(jì)要求。 設(shè)計(jì)溫度下封頭的計(jì)算應(yīng)力按下式4.6計(jì)算： 則有：該封頭滿足強(qiáng)度要求，故取= 8mm符合設(shè)計(jì)要求。4.2.2 外頭蓋封頭計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計(jì)算厚度按下式4.4計(jì)算，其中，=1.0, 計(jì)算厚度：= 2.23mm設(shè)計(jì)厚度：名義厚度： ，經(jīng)圓整取=6mm, 考慮外頭蓋圓筒短節(jié)厚度為8mm，故取= 8mm有效厚度：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15，但當(dāng)確定封頭厚度時(shí)已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問(wèn)題，可不受此限制。 故該標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的名義厚度= 8mm合適。橢圓形封頭的最大允許工作壓力按公式4.5

43、計(jì)算： 則有 該封頭滿足壓力要求，故取= 8mm符合設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)溫度下封頭的計(jì)算應(yīng)力按公式4.6計(jì)算： 則有： 該封頭滿足強(qiáng)度要求，故取= 8mm符合設(shè)計(jì)要求4.3 管板計(jì)算與校核4.3.1 管板的厚度計(jì)算符號(hào)規(guī)定：Ad 在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支承的面積，；例如多管程管板，對(duì)于正方形排列: ；A1 管板布管區(qū)內(nèi)開孔后的面積，mm2；At 管板布管區(qū)面積，；對(duì)于單管程換熱器，正方形排列： 對(duì)于多管程換熱器，應(yīng)取上式計(jì)算值與之和；a 換熱管管壁金屬的橫截面積，mm2；C 系數(shù)，按和查圖23；DG 墊片壓緊力作用中心圓直徑，按GB150-2011壓力容器第9章

44、，mm； Dt 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑，mm；d 換熱管外徑，mm; 設(shè)計(jì)溫度時(shí)，管板材料的彈性模量,MPa； 設(shè)計(jì)溫度時(shí)，換熱管材料的彈性模量,MPa； 系數(shù)，按和查圖24； 管束模數(shù)，Mpa，； 管束無(wú)量綱剛度，Mpa;；L 換熱管有效長(zhǎng)度（兩管板內(nèi)側(cè)間距）；n 換熱管根數(shù)； 無(wú)量綱壓力： Pd 管板設(shè)計(jì)壓力，MPa；Pt 殼程設(shè)計(jì)壓力，MPa；Ps 管程設(shè)計(jì)壓力，MPa；q 換熱管與管板連接的拉脫力，MPa； 許用拉脫力，MPa；S 換熱管中心距，mm；R 半徑，mm；對(duì)a型連接：； 管板計(jì)算厚度，mm； 換熱管壁厚,mm； 管板強(qiáng)度削弱系數(shù)，一般可?。?設(shè)計(jì)溫度下，管板材料的許用應(yīng)力，MP

45、a； 設(shè)計(jì)溫度下，換熱管材料的許用應(yīng)力，MPa；4.3.2 浮頭式換熱器管板計(jì)算1） 初始數(shù)據(jù)：殼程設(shè)計(jì)壓力：1.68Mpa管程設(shè)計(jì)壓力：1.35Mpa2) 系數(shù)計(jì)算管板布管區(qū)面積對(duì)于正方形排列 布管區(qū)內(nèi)開孔后面積 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑 管束模數(shù) 管束無(wú)量綱剛度 系數(shù) 無(wú)量綱壓力1.5按和 ， 查圖23 ，得C= 0.64 查圖24 ，得=8.1管板計(jì)算厚度 實(shí)際名義厚度取 4.3.3 管子與管板連接拉脫力的計(jì)算與校核1)本次設(shè)計(jì)管板與殼體的連接方式為a型連接方式，查得GB151-2014換熱器的軸向應(yīng)力按公式4.7計(jì)算: （4.7）式中：當(dāng)量壓力組合： , , , 則計(jì)算結(jié)果為：MPa<02)因?yàn)?，則計(jì)算換熱管穩(wěn)定許用壓應(yīng)力換熱管的回轉(zhuǎn)半徑imm換熱管失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度mm則 滿足當(dāng)時(shí)，3)換熱管與管板連接的拉脫力根據(jù)GB151-2014中5.75表26選取，