化工原理課程設(shè)計——換熱器設(shè)計

1、摘要本課題研究的目的主要是針對給定的固定管板式換熱器設(shè)計要求，通過查閱資料、分析設(shè)計條件，以及換熱器的傳熱計算、壁厚設(shè)計和強度校核等設(shè)計，基本確定固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)。通過分析固定管板式換熱器的設(shè)計條件，確定設(shè)計步驟。對固定管板式換熱器筒體、封頭、管板等部件的材料選擇、壁厚計算和強度校核。對固定管板式換熱器前端管箱、后端管箱、傳熱管和管板等結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，對換熱器進行開孔補強校核。繪制符合設(shè)計要求的固定管板式換熱器的圖紙，給出相關(guān)的技術(shù)要求；在固定管板換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要參考相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，比如GB-150、GB151，使設(shè)計能夠符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時要是設(shè)計的結(jié)構(gòu)滿足生產(chǎn)的需要，達到安

2、全生產(chǎn)的要求。通過設(shè)計過程達到熟悉了解換熱器各部分結(jié)構(gòu)特點及工作原理的目的。關(guān)鍵詞：換熱器；固定管板；設(shè)計；強度目錄摘要I1緒論11.2固定管板換熱器介紹21.3本課題的研究目的和意義31.4換熱器的發(fā)展歷史42產(chǎn)品冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體計算62.1 產(chǎn)品冷卻器設(shè)計條件62.2前端管箱計算8前端管箱筒體計算8前端管箱封頭計算102.3后端管箱計算11后端管箱筒體計算11后端管箱封頭計算132.4殼程圓筒計算133各部分強度校核153.1開孔補強計算153.2殼程圓筒校核183.3管箱圓筒校核194換熱管及法蘭的設(shè)計204.1換熱管設(shè)計204.2管板設(shè)計214.3管箱法蘭設(shè)計224.4殼體法蘭設(shè)計

3、244.5各項系數(shù)計算275 產(chǎn)品冷卻器制造過程簡介345.1 總則345.2零部件的制造34結(jié)論43參考文獻:44致謝441緒論1.1換熱器的作用及分類在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝過程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝過程上的需要。此外，換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，煙道氣、高爐爐氣、需要冷卻的化學(xué)反應(yīng)工藝氣等余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動力的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益。換熱器還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功

4、能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一,應(yīng)用甚為廣泛。按換熱設(shè)備熱傳遞原理或換熱方式分類，可分為以下幾種主要形式。（1）直接接觸式換熱器這類換熱器又稱混合式換熱器。這類換熱器具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等優(yōu)點，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為回?zé)崾綋Q熱器。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價格便宜、單位體積傳熱面大，故較適用于氣-氣熱交換的場合。如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器就是一種蓄熱式換熱器。、（3）間壁式換熱器這類換熱器又稱表面式換熱器。間壁式換熱器式工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的換熱器，其形式多種多樣

5、，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。（4）中間載熱體式換熱器這類換熱器是把兩個間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。載熱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。按傳熱表面結(jié)構(gòu)特點分類（1）管式:套管式、殼管式、蛇管式（2）板式（3）擴展表面式：板翅式、翅片管式及管帶式（4）蓄熱式按流程又可以分為單流程和多流程。1.2固定管板換熱器介紹固定管板式換熱器的兩端管板采用焊接方法與殼體連接固定。換熱管可為光管或低翅管。其結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，能得到較小的殼體內(nèi)徑，管程可分成多樣，殼程也

6、可用縱向隔板分成多程，規(guī)格范圍廣，故在工程中廣泛應(yīng)用。固定管板式換熱器主要特點 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、頂蓋（又稱封頭）等部件構(gòu)成。在圓形外殼內(nèi)，裝入平行管束，管束兩端用焊接或脹接的方法固定在管板上，兩塊管板與外管直接焊接，裝有進口或出口管的頂蓋用螺栓與外殼兩端法蘭相連。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，沒有殼側(cè)密封連接，相同的殼體內(nèi)徑排管最多，在有折流板的流動中旁路最小，管程可以分成任何管程數(shù)，因兩個管板由管子互相支撐，故在各種管殼式換熱器中它的管板最薄，造價最低，因而得到廣泛應(yīng)用。這種換熱器的缺點是：殼程清洗困難，有溫差應(yīng)力存在。當(dāng)冷熱兩種流體的平均溫差較大，或殼體和傳熱管材料膨脹系數(shù)相

7、差較大，熱應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力時，在殼體上需設(shè)膨脹節(jié)，由于膨脹節(jié)強度的限制，殼程壓力不能太高。這種換熱器適用于兩種介質(zhì)溫差不大，或溫差較大但殼程壓力不高，及殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢的場合。1.3本課題的研究目的和意義換熱器的基建投資在一般化工、石化企業(yè)中約占設(shè)備總投資的20%,其中固定管板式換熱器約占換熱器的70%。固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個補償圈，（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。特點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。固定管板式換

8、熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。本課題

9、所設(shè)計的冷卻器屬于固定管板換熱器，是針對給定的設(shè)計參數(shù)，按照相關(guān)規(guī)定的要求，通過壁厚計算和強度校核等，設(shè)計固定管板式換熱器產(chǎn)品。熟悉壓力容器設(shè)計的基本要求，掌握固定管板式換熱器的常規(guī)設(shè)計方法，把所學(xué)的知識應(yīng)用到實際的工程設(shè)計中去，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下扎實的基礎(chǔ)。1.4換熱器的發(fā)展歷史二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解

10、決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。 60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。 混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合

11、換熱后必須及時分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。 蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。 間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器

12、應(yīng)用最廣。 間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等。 換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大順流最小

13、。 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，后者可節(jié)省操作費，故在設(shè)計或生產(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，由于相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進出口溫度相等，這時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，還有錯流和折流等流向。 在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)，和換熱器使用中在壁兩側(cè)形

14、成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。 增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設(shè)計時應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。 一般換熱器都用金屬材料制成，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換熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作.換熱器等。2產(chǎn)品冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體計算2.1 產(chǎn)品冷卻器設(shè)計條件圖2-1 冷卻器見圖1前端管箱封頭 2前端管箱筒體 3管板 4管箱法

15、蘭 5殼體法蘭 6殼程筒體 7換熱管 8殼程筒體開孔法蘭 9管箱筒體開孔法蘭 10后端管箱筒體 11后端管箱封頭 產(chǎn)品冷卻器屬于固定管板換熱器，是利用冷卻水將熱流體冷卻的設(shè)備。臥式固定管板式換熱器：封頭管箱，公稱直徑500mm，管程設(shè)計壓力4MPa，殼程設(shè)計壓力4MPa，公稱換熱面積78.8，級管束為碳素鋼較高冷拔換熱管，換熱管外徑19mm,管長4.5m，兩管程，兩殼程。壓力容器類別為二類容器；管、殼程介質(zhì)均為烴；介質(zhì)特性：輕毒、易燃、易爆、易揮發(fā)；左管箱需要做焊后熱處理，右管箱不需要做焊后熱處理；進行100%無損檢測；管子與管板連接形式：強度焊+貼脹；殼程工作壓力2.21MPa，管程工作壓力

16、2.31MPa（冬季）/2.26MPa（夏季）。進/出口工作溫度：殼程55.5/40（冬季），55.5/40.4（夏季）；管程-14.1/7.4（冬季），28.2/45（夏季）。設(shè)計溫度：殼程120/-45；管程120/-45。金屬壁溫：殼程47.75（冬季），47.95（夏季）；管程28（冬季），44（夏季）。最小設(shè)計金屬溫度：殼程-454.00MPa，管程-454.00MPa。腐蝕裕量：殼程1.5mm，管程1.5mm。焊接接頭系數(shù)：殼程1.0，管程1.0。水壓試驗壓力：殼程5.0MPa，管程5.0MPa。管板切割率：32.5%根據(jù)上述已知條件設(shè)計出符合要求的換熱器，以滿足生產(chǎn)需要。2.2前

17、端管箱計算2.2.1前端管箱筒體計算圖2-2-1 前端管箱筒體選用材料：20R（20號壓力容器用鋼材，這種鋼材一方面在國家規(guī)范上滿足要求，一方面有害元素較少，綜合性能好些。設(shè)計溫度下許用應(yīng)力：132.6 Mpa（參見過程設(shè)備設(shè)計399頁表D1 鋼板許用應(yīng)力）常溫下許用應(yīng)力：133 MPa（參見過程設(shè)備設(shè)計399頁表D1 鋼板許用應(yīng)力）常溫下屈服點：245 MPa（參見過程設(shè)備設(shè)計399頁表D1 鋼板許用應(yīng)力）平均溫度下彈性模量：191650 MPa平均溫度下線脹系數(shù)：111100 1/制定板材負偏差為零（設(shè)定值）d =式2.1計算厚度：7.66mm（見式2.1）有效厚度：de =dn - C1

18、- C2= 8.50mm名義厚度：dn = 10.00mm重量：m=62.88密度為7850Kg/m³壓力試驗：液壓試驗PT = 1.25P 式2.2試驗壓力值：5.0000Mpa（見式2.2）壓力試驗允許通過的應(yīng)力水平：sT£ 0.90 ss = 220.50MpasT = 式2.3試驗壓力下圓筒的應(yīng)力：149.56Mpa（見式2.3）校核條件：sT£sT校核結(jié)果：合格壓力及應(yīng)力計算：Pw= 式2.4最大允許工作壓力：4.43304Mpa（見式2.4）st = 式2.5設(shè)計溫度下計算應(yīng)力：119.65Mpa（見式2.5）stf=132.6Mpa校核條件：stfs

19、t結(jié)論：合格2.2.2前端管箱封頭計算 圖2-2-2 前端管箱封頭封頭材料類型：板材選用材料：20R封頭形式：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭選形狀系數(shù)為K=1封頭曲面高度h：125mm封頭直邊高度c：25mm試驗溫度許用應(yīng)力：133Mpa設(shè)計溫度許用應(yīng)力：132.6MpaK = 式2.6形狀系數(shù)：1.0000（見式2.6）d = 式2.7計算厚度：7.60mm（見式2.7）最小厚度：dmin = 0.75mm名義厚度：dn = 10.00mm結(jié)論：滿足最小厚度要求重量：24.74=KgPw= 式2.8最大允許工作壓力：= 4.47040Mpa（見式2.8）結(jié)論：合格2.3后端管箱計算2.3.1后端管箱筒體計算圖

20、2-3-1 后端管箱筒體選用材料：20R設(shè)計溫度下許用應(yīng)力：132.6 MPa常溫下許用應(yīng)力：133 MPa MPa常溫下屈服點：245平均溫度下彈性模量：191650 MPa平均溫度下線脹系數(shù)：111100 1/指定板材負偏差為零計算厚度：d= 7.66mm（見式2.1）有效厚度：de =dn - C1- C2= 8.50mm名義厚度：dn = 10.00mm重量：m=62.88密度為7850Kg/m³壓力試驗：液壓試驗試驗壓力值：PT = 5.0000Mpa（見式2.2）壓力試驗允許通過的應(yīng)力水平：sT£ 0.90 ss = 220.50Mpa試驗壓力下圓筒的應(yīng)力：sT

21、 = 149.56Mpa（見式2.3）校核條件：sT£sT校核結(jié)果：合格壓力及應(yīng)力計算：最大允許工作壓力：Pw 4.43304Mpa（見式2.4）設(shè)計溫度下計算應(yīng)力：st=119.65Mpa（見式2.5）stf=132.6Mpa校核條件：stfst結(jié)論：合格2.3.2后端管箱封頭計算圖2-3-2后端管箱封頭封頭材料類型：板材選用材料：20R封頭形式：橢圓封頭選形狀系數(shù)為K=1封頭曲面高度h：125mm封頭直邊高度：25mm試驗溫度許用應(yīng)力：133Mpa設(shè)計溫度許用應(yīng)力：132.6Mpa形狀系數(shù)：K = 1.0000（見式2.6）計算厚度：d= 7.60mm（見式2.7）最小厚度：dm

22、in = 0.75mm名義厚度：dn = 10.00mm結(jié)論：滿足最小厚度要求重量：24.74=Kg最大允許工作壓力：Pw= 4.47040Mpa（見式2.8）結(jié)論：合格 2.4殼程圓筒計算圖2-3 殼程管筒材料類型：板材材料：20R筒體內(nèi)徑：500mm筒體長度：4400mm腐蝕裕量：1.5mm筒體名義厚度：10mm縱向焊縫焊接接系數(shù)：1環(huán)向焊縫焊接接頭系數(shù)：1指定板材負偏差為零計算厚度：d= 7.66mm（見式2.1）有效厚度：de =dn - C1- C2= 8.50mm名義厚度：dn = 10.00mm重量：553.39Kg壓力試驗類型：液壓試驗試驗壓力值：PT = 5.0000Mpa（

23、見式2.2）壓力試驗允許通過的應(yīng)力水平：sT£ 0.90 ss = 220.50Mpa壓力試驗下圓筒的應(yīng)力：sT = 149.56Mpa（見式2.3）校核條件：sT£sT校核結(jié)果：合格壓力及應(yīng)力計算最大允許工作壓力：Pw= 4.43304Mpa（見式2.4）設(shè)計溫度下計算應(yīng)力：st = 119.65Mpa（見式2.5）stf=132.6Mpa校核條件：stfst結(jié)論：筒體名義厚度大于或等于GB151中規(guī)定的最小厚度6.50mm,合格3各部分強度校核圖3-1 設(shè)備上的開孔及接管3.1開孔補強計算對筒體上接管為89×10的開孔進行補強補強設(shè)計方法：單孔補強開孔處殼體材

24、料類型：板材殼體材料：20R殼體材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：132.6Mpa接管腐蝕裕量：1.5mm接管實際外伸高度：150mm接管實際內(nèi)伸高度：150mm接管材料：管材接管材料：20（GB8163）接管材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：130Mpa接管材料在常溫下的許用應(yīng)力：130Mpa接管焊接接頭系數(shù)：1補強結(jié)構(gòu)：無補強結(jié)構(gòu)接管和殼體連接結(jié)構(gòu)形式：插入式接管焊縫金屬截面積：32mm計算方法 : GB150-1998 等面積補強法, 單孔 開孔直徑d：74.5mm補強區(qū)有效寬度B：149mm接管材料強度削弱系數(shù)fr ：0.98接管有效外伸長度h1: 27.29. mm接管有效內(nèi)伸長度h2：27.2

25、9mm開孔削弱所需的補強面積A：572.6mm殼體多余金屬面積A1：62.57mm接管多余金屬面積A2：638mm補強區(qū)內(nèi)的焊接面積A3 :32mmA1+A2+A3=732.6 mm2 ，大于A，不需另加補強。 結(jié)論: 補強滿足要求,不需另加補強。 對筒體上接管為32×8的開孔進行補強補強設(shè)計方法：單孔補強開孔處殼體材料類型：板材殼體材料：20R殼體材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：132.6Mpa接管腐蝕裕量：1.5mm接管實際外伸高度：150mm接管實際內(nèi)伸高度：150mm接管材料：管材接管材料：20（GB8163）接管材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：130Mpa接管材料在常溫下的許用應(yīng)力

26、：130Mpa接管焊接接頭系數(shù)：1補強結(jié)構(gòu)：無補強結(jié)構(gòu)接管和殼體連接結(jié)構(gòu)形式：插入式接管焊縫金屬截面積：32mm 計算方法 : GB150-1998 等面積補強法, 單孔 開孔直徑d：21mm補強區(qū)有效寬度B：57mm接管材料強度削弱系數(shù)fr ：0.98接管有效外伸長度h1:12.96mm接管有效內(nèi)伸長度h2：12.96mm開孔削弱所需的補強面積A：162.4mm殼體多余金屬面積A1：30.17mm接管多余金屬面積A2：235.1mm補強區(qū)內(nèi)的焊接面積A3 :32mmA1+A2+A3=297.3mm²，大于A，不需另加補強。 結(jié)論: 補強滿足要求,不需另加補強。 對前端管箱筒體上接管

27、為159×15的開孔進行補強補強設(shè)計方法：單孔補強開孔處殼體材料類型：板材殼體材料：20R殼體材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：132.6Mpa接管腐蝕裕量：1.5mm接管實際外伸高度：150mm接管實際內(nèi)伸高度：150mm接管材料：管材接管材料：16Mn（熱軋）接管材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：163Mpa接管材料在常溫下的許用應(yīng)力：163Mpa接管焊接接頭系數(shù)：1補強結(jié)構(gòu)：無補強結(jié)構(gòu)接管和殼體連接結(jié)構(gòu)形式：插入式接管焊縫金屬截面積：32mm 計算方法 : GB150-1998 等面積補強法, 單孔開孔直徑d：135.8mm補強區(qū)有效寬度B：271.5mm接管材料強度削弱系數(shù)fr ：1接管

28、有效外伸長度h1:45.12mm接管有效內(nèi)伸長度h2：45.12mm開孔削弱所需的補強面積A：1039mm殼體多余金屬面積A1：114.4mm接管多余金屬面積A2：1818mm補強區(qū)內(nèi)的焊接面積A3 :32mmA1+A2+A3=1965 mm2大于A，不需另加補強。 結(jié)論: 補強滿足要求,不需另加補強。 對后端管箱筒體上接管為25×8的開孔進行補強補強設(shè)計方法：單孔補強開孔處殼體材料類型：板材殼體材料：20R殼體材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：132.6Mpa接管腐蝕裕量：1.5mm接管實際外伸高度：150mm接管實際內(nèi)伸高度：150mm接管材料：管材接管材料：20（GB8163）接管材

29、料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：130Mpa接管材料在常溫下的許用應(yīng)力：130Mpa接管焊接接頭系數(shù)：1補強結(jié)構(gòu)：無補強結(jié)構(gòu)接管和殼體連接結(jié)構(gòu)形式：插入式接管焊縫金屬截面積：32mm 計算方法 : GB150-1998 等面積補強法, 單孔 開孔直徑d：14mm補強區(qū)有效寬度B：50mm接管材料強度削弱系數(shù)fr ：0.98接管有效外伸長度h1:10.58mm接管有效內(nèi)伸長度h2：10.58mm開孔削弱所需的補強面積A：108.8mm殼體多余金屬面積A1：30.17mm接管多余金屬面積A2：194.2mm補強區(qū)內(nèi)的焊接面積A3 :32mmA1+A2+A3=256.4 mm2，大于A，不需另加補強。 結(jié)

30、論: 補強滿足要求,不需另加補強。 3.2殼程圓筒校核圖3-2 殼程圓筒 平均金屬溫度ts：48° C裝配溫度ts：15平均金屬溫度下彈性模量Es：191600平均金屬溫度下熱膨脹系數(shù)as：111100A=0.25pDi2式3.1殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積：196300 mm2（見式3.1）As=pds (Di+ds) 式3.2殼程圓筒金屬界面積：135800 mm2（見式3.2）3.3管箱圓筒校核設(shè)計壓力：4Mpa設(shè)計溫度：120材料名稱：20R設(shè)計溫度下彈性模量：192000Mpa管箱圓筒名義厚度（管箱為高徑法蘭取法蘭頸部大小端平均值）：16mm管箱圓筒有效厚度：8.5mm管箱法蘭設(shè)

31、計溫度下彈性模量：202100Mpa4換熱管及法蘭的設(shè)計4.1換熱管設(shè)計 圖4-1 換熱管及其布局換熱管與管板連接形式強度焊+貼脹換熱管排列方式：三角形排列管間距：25mm換熱管長度：4500mm換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度：332mm換熱管根數(shù)：248換熱管外徑：19mm換熱管壁厚：2換熱管材料：20（GB8163）換熱管材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：130Mpa換熱管材料在設(shè)計溫度下的屈服點：216Mpa換熱管材料在設(shè)計溫度下的彈性模量：190200Mpa換熱管材料在平均溫度下的彈性模量：191837.5Mpa換熱管材料在平均溫度下線脹系數(shù)：110000管子有效長度（兩管板內(nèi)側(cè)間距）：4400mm

32、管束模數(shù)：=2329Mpa式4.1管子回轉(zhuǎn)半徑：6.052mm（見式4.1）管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度：332mm系數(shù)Cr =131.8比值=54.86 () = 式4.2管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力：85.53Mpa（見式4.2）4.2管板設(shè)計管板與殼體、管箱的連接方式：e型 圖4-2 管板與殼體、管箱連接方式隔板槽面積：7766mm殼程側(cè)結(jié)構(gòu)開槽深度：6mm管程側(cè)分程隔板槽深度：6mm管板名義厚度：50mm介質(zhì)性質(zhì)：清毒、易燃、易爆、易揮發(fā)殼程側(cè)管板腐蝕裕量：1.5mm管程側(cè)管板腐蝕裕量：1.5mm管板材料類型：板材管板材料：16Mn（熱軋）管板材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：157Mpa管板材料在設(shè)計溫度下

33、的彈性模量：202100管箱法蘭設(shè)計材料在設(shè)計溫度下彈性模量：202100材料名稱：16MnR(熱軋)設(shè)計溫度： 120設(shè)計溫度下許用應(yīng)力：157MPa設(shè)計溫度下彈性模量：202100MPa管板腐蝕裕量 C2 ：3mm管板輸入厚度n：50mm管板計算厚度 ：38mm隔板槽面積 (包括拉桿和假管區(qū)面積)Ad：7766mm2管板強度削弱系數(shù)： 0.4管板剛度削弱系數(shù)： 0.4式4.3管子加強系數(shù) K：3.251（見式4.3）管板和管子連接型式：焊接管板和管子脹接(焊接)高度：l3mm焊接許用拉脫應(yīng)力 q：65MPa 4.3管箱法蘭設(shè)計圖4-3-1管箱法蘭一圖4-3-2管箱法蘭二法蘭為標(biāo)準(zhǔn)法蘭：JB

34、/T 4702 2000法蘭材料類型：板材法蘭材料：16MnR（熱軋）法蘭材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：151.8Mpa法蘭材料在常溫下的許用應(yīng)力：153Mpa法蘭外徑：660mm法蘭內(nèi)徑：500mm法蘭有效厚度：68錐頸高度：10頸部大端有效厚度：26mm頸部小端有效厚度：16mm剪切面高度：78mm圖4-3-3密封面及螺栓布局螺栓及墊片的結(jié)構(gòu)參數(shù)：螺栓圓直徑：615mm密封面形式：平面墊片與密封面接觸內(nèi)徑：530mm墊片與密封面接觸外徑：645mm墊片材料：石棉橡膠板（厚度1.5mm）墊片比壓力：25.5Mpa墊片系數(shù)：2.75螺栓個數(shù)：24螺栓公稱直徑：24mm螺栓根徑：20.7mm螺栓材

35、料：40MnB螺栓材料在常溫下的許用應(yīng)力：212Mpa螺栓材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：186.6Mpa材料名稱16MnR(熱軋)管箱法蘭厚度： 68mm法蘭外徑 ：660mm式4.4法蘭寬度： 80mm（見式4.4）比值：0.017比值：0.136系數(shù)(按h/Di ,f”/Di , 查<<GB151-1999>>圖25)：0.00系數(shù)w”(按h/Di ,f”/Di ,查<<GB151-1999>>圖 26) ：0.002827式4.5旋轉(zhuǎn)剛度：138.6MPa（見式4.5）4.4殼體法蘭設(shè)計圖4-4-1殼體法蘭一圖4-4-2殼體法蘭二法蘭為標(biāo)準(zhǔn)法

36、蘭：JB/T 4702 2000法蘭材料類型：板材法蘭材料：16MnR（熱軋）法蘭材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：151.8Mpa法蘭材料在常溫下的許用應(yīng)力：153Mpa法蘭外徑：660mm法蘭內(nèi)徑：500mm法蘭有效厚度：68錐頸高度：10頸部大端有效厚度：26mm頸部小端有效厚度：16mm剪切面高度：78mm圖4-4-3密封面及螺栓布局螺栓及墊片的結(jié)構(gòu)參數(shù)：螺栓圓直徑：615mm密封面形式：平面墊片與密封面接觸內(nèi)徑：530mm墊片與密封面接觸外徑：645mm墊片材料：石棉橡膠板（厚度1.5mm）墊片比壓力：25.5Mpa墊片系數(shù)：2.75螺栓個數(shù)：24螺栓公稱直徑：24mm螺栓根徑：20.7m

37、m螺栓材料：40MnB螺栓材料在常溫下的許用應(yīng)力：212Mpa螺栓材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力：186.6Mpa材料名稱：16MnR(熱軋)殼體法蘭厚度：50mm法蘭外徑： 660mm法蘭寬度 ：80mm（見式4.4）比值 ：0.017比值 ：0.1系數(shù), 按h/Di ,f”/Di , 查<<GB151-1999>>圖25 ：0.00系數(shù), 按h/Di ,f”/Di , 查<<GB151-1999>>圖26： 0.002027旋轉(zhuǎn)剛度：69.49MPa（見式4.5）4.5各項系數(shù)計算管板第一彎矩系數(shù)(按,查<<GB151-1999>

38、;>圖 27) ：0.363式4.6系數(shù)：4.764（見式4.6）系數(shù)(按查<<GB15198>>圖 29) ：1.883式4.7換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼體剛度之比：1.968（見式4.7）管板第二彎矩系數(shù)(按K,Q或查<<GB151-1999>>圖28(a)或(b)：2.70式4.8系數(shù)（帶膨脹節(jié)時代替Q）：0.0145（見式4.8）系數(shù) (按K,Q或Qex 查圖30) ：0.02487式4.9法蘭力矩折減系數(shù)：0.4851（見式4.9）管板邊緣力矩變化系數(shù)：1.014法蘭力矩變化系數(shù)：0.5082管板開孔后面積A - 0.25 npd 2

39、：125500mm2管板布管區(qū)面積 (三角形布管) =142100mm2管板布管區(qū)當(dāng)量直徑：426.8mm系數(shù)：0.639系數(shù)：0.2128系數(shù)：3.187系數(shù)(帶膨脹節(jié)時代替Q) ：4.505管板布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼體內(nèi)徑之比：0.8536管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度 k = K ：0.4758僅有殼程壓力Ps作用下的危險組合工況 (Pt = 0)不計溫差應(yīng)力計溫差應(yīng)力 換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差 =(t-t)-(t-t)0.0-0.0001685 當(dāng)量壓力組合 4MPa4Mpa 有效壓力組合 12.755.868MPa基本法蘭力矩系數(shù) 00管板邊緣力矩系數(shù)0.014690.01469管板邊緣

40、剪力系數(shù) 0.070.07管板總彎矩系數(shù) 0.51620.5162系數(shù)僅用于 時0.19060.1906系數(shù) 當(dāng) 時,按K和m 查圖31(a)實線當(dāng) 時,按K和m 查圖31（b）0.29410.2941系數(shù) > 0 ,=, < 0 , =0.28950.2895管板徑向應(yīng)力系數(shù)帶膨脹節(jié)Q為Q= 0.020210.02021管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù) =0.033090.03309管板布管區(qū)周邊處剪切應(yīng)力系數(shù) =0.069460.06946殼體法蘭力矩系數(shù)-0.007368-0.007368表4-5-1計算值許用值 計算值許用值管板徑向應(yīng)力 70.911.5 235.532.64M

41、Pa3 471 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力32.111.5 235.514.78MPa3 471 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力15.890.5 78.57.314MPa1.5 235.5殼體法蘭應(yīng)力 -33.681.5 235.5-15.5MPa3 471 換熱管軸向應(yīng)力 -8.34613085.536.302MPa3 39085.53殼程圓筒軸向應(yīng)力 32.73132.615.07MPa397.8換熱管與管板連接拉脫應(yīng)力 q =4.978q653.759MPa3q焊接 q脹接195不計溫差應(yīng)力 計溫差應(yīng)力 換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差 =(t-t)-(t-t)0.0-0.0001685 當(dāng)量壓力組合

42、 -4.851MPa-4.851MPa 有效壓力組合 -18.02MPa-24.9MPa操作情況下法蘭力矩系數(shù)-0-0管板邊緣力矩系數(shù) -0-0管板邊緣剪力系數(shù) -0-0管板總彎矩系數(shù) 0.3630.363系數(shù)僅用于 時0.1340.134系數(shù) 當(dāng) 時,按K和m 查圖31（a）實線當(dāng) 時,按K和m 查31（b)0.31970.3197系數(shù) >0, =; <0 ,=0.31590.3159管板徑向應(yīng)力系數(shù)帶膨脹節(jié)Q為Q =0.02050.0205管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)=0.021740.02174管板布管區(qū)周邊處剪切應(yīng)力系數(shù)= 0.064920.06492殼體法蘭力矩系數(shù) -0

43、.0145-0.0145表4-5-2計算值許用值計算值許用值管板徑向應(yīng)力 102.2 MPa1.5 235.5141.2MPa3 471 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力 -1.834 MPa1.5235.5-2.535MPa3471 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力-20.99 MPa0.5 78.5-29 MPa1.5 235.5殼體法蘭應(yīng)力93.66 MPa1.5 235.5129.4MPa3 471 換熱管軸向應(yīng)力 18.59 MPa13085.5334.4 MPa3 39085.53殼 程圓筒軸向應(yīng)力 14.61 MPa132.6-1.903397.8換熱管與管板連接拉脫應(yīng)力 q =11.09 MPa

44、q6520.52MPa3q焊接q脹接195計算結(jié)果管板名義厚度 50mm表4-5-3管板通過校核5 產(chǎn)品冷卻器制造過程簡介5.1 總則依據(jù)GB150-98鋼制壓力容器和GB151-1999管殼式換熱器等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于一、二類壓力容器中換熱器制造的工藝要求，并遵守壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程的規(guī)定進行制造。5.2零部件的制造1. 殼體（1）庫房備有材質(zhì)證明書、檢驗合格的10mm，16MnR鋼板，要求材料表面不得有裂紋、結(jié)疤、夾渣、分層等缺陷；核對材料標(biāo)記，實測鋼板厚度。（2）按實測封頭外圓周長計算展開尺寸，按排板要求劃線，庫管員作好材料標(biāo)記移植，檢驗員檢查確認(rèn)后，按線下料。筒體理論下料尺寸為：500

45、0mm。（3）按工藝規(guī)程要求滾卷鋼板，筒體A類焊縫組對錯邊量b1.2mm，棱角度E2.5。筒體縱縫延長部位點固試板、引熄弧板，定位焊長度2050mm，間距150200mm。（4）按焊接工藝要求加工坡口，坡口兩側(cè)30mm范圍內(nèi)清理污物，然后按焊接工藝施焊；填寫施焊記錄；檢驗員檢查外觀質(zhì)量。（5）按探傷工藝對縱焊縫進行20%RT檢測，按JB/T4730.24730.3-2005標(biāo)準(zhǔn)級合格。（6）筒體校圓，要求最大最小直徑差e7mm，棱角度E3m。（7）焊接試板進行機械性能試驗，拉伸1件，彎曲4件，沖擊6件8。（8）按筒體布板圖要求組對各筒節(jié)，定位焊要求同4；筒體B類環(huán)縫組對錯邊量b2.2 mm，棱

46、角度E3.2 mm；筒體直線度H/1000即0.012mm。（9） 按探傷工藝對B類環(huán)焊縫進行20%RT檢測，按JB/T4730.24730.3標(biāo)準(zhǔn)級合格。2. 換熱管（1） 庫房備有材質(zhì)證明書、檢驗合格的25mm，L=6000mm鋼管，要求材料表面不得裂紋、結(jié)疤、分層等缺陷；核對材料規(guī)格和尺，實測鋼管厚度。（2）對管子總數(shù)的5%且不少于2根作拉力、硬度、彎曲、擴口壓扁等抽樣檢驗(或按圖樣要求，作其中一項或幾項檢驗)。其結(jié)果應(yīng)符合有關(guān)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。（3） 根據(jù)圖樣或工藝長度要求，在砂輪切割機上定尺切割下料。（4） 換熱管直線度不大于1.5/1000，管換熱管切口端面不應(yīng)有毛刺其端面與中心線、

47、垂直度f不大于0.5 mm。（5） 換熱管管端外表面應(yīng)除銹。管端除銹長度應(yīng)不小于管徑，且不小于25 mm。3.管板（見圖5-1）圖5-1管板（1） 庫房備有材質(zhì)證明書、檢驗合格的50mm，16MnII 鋼板，要求材料表面無可見缺陷；經(jīng)超聲波檢測無分層缺陷；核對材料標(biāo)記，實測鋼板厚度。（2） 按圖紙尺寸1030mm及排板要求劃線，內(nèi)外徑預(yù)留4.55.0 mm機加余量；庫管員作好材料標(biāo)記移植，檢驗員檢查確認(rèn)后，按線下料。（3） 管板毛坯氣割下料時，厚度方向的傾斜量應(yīng)小于5°。毛坯氣割后禁止水激冷卻。（4） 凹凸密封面凹面和凸面的外徑，榫槽密封面榫面和槽面的外徑公差按GB/T1801的規(guī)定

48、，孔為H12，軸為h12。（5） 螺柱孔中心圓直徑和相鄰兩螺栓孔弦長的極限偏差為±0.6mm9，任意兩螺柱孔弦長極限偏差按表5-2的規(guī)定： 表5-2公稱直徑Dg600600-12001200極限偏差±1.0±1.5±2.0（6） 以上規(guī)定外的加工面未注公差尺寸的公差等級按GB/T1804中m級的規(guī)定。（7） 管板鉆孔時，盡量采用鉆模孔。管板孔兩端按圖樣要求倒角，去掉管板孔周圍毛刺。（8） 管板孔直徑及允許偏差按表3-4規(guī)定。鉆孔后應(yīng)抽查不小于6°管板中心角區(qū)域內(nèi)的管孔，在這一區(qū)域允許4%的管孔上偏差比表2.7中的數(shù)值大0.15毫米。表5-3換熱

49、管外徑1416192532384557管孔直徑14.2516.2519.2525.2532.3538.4045.4057.55允許偏差（9） 鉆孔后應(yīng)抽查不小于60°管板中心角區(qū)域內(nèi)的孔橋?qū)挾?，其值的合格率?yīng)不小于96%，最小孔橋?qū)挾菳min的數(shù)量應(yīng)控制在4%以內(nèi)，超過上述合格率時，則應(yīng)全管板檢查。（10） 管孔表面粗糙度Ra值不大于25um,管孔表面不得有影響脹接密性的缺陷，如貫通的縱向或螺旋狀刻痕等。（11） 隔板槽密封應(yīng)與環(huán)形密封槽齊平，或略低于環(huán)形密封面(控制在0.5mm以內(nèi))。4.折流板、支持板（見圖5-2）圖5-2 折流板（1） 折流板、支持板下料時，除應(yīng)留有車削加工外圓

50、的余量外，還需將一組管束的折流板完全壓實對齊，在邊緣，相互點固成整體。用對應(yīng)的管板作鉆模鉆出折流板的中心位置錐坑孔，拿掉管板，按圖紙要求加工所需的折流板孔。（2）在折流板對應(yīng)的數(shù)個管孔分別穿入尺寸相近的螺栓，再用螺母擰緊后，方可車削外圓，其直徑及允許偏差見表5-4，外圓表面粗糙度Ra值不大于25um，外圓面兩側(cè)尖角需倒鈍。表5-4注：用DN426mm無縫鋼管做圓筒時，折流板名義外徑為無縫鋼管實際內(nèi)徑減2mm。對傳熱影響不大時，允許偏差可比上表中偏差值大一倍。換熱器采用內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)時，支持板與圓筒內(nèi)徑的間隙應(yīng)比表中值小。（3）折流板、支持板加工按Q/J.J04.03.63規(guī)定，加工后按要求打標(biāo)記。

51、（4）外圓車削后，各流板須依圖樣要求依次對應(yīng)剪切(或刨削)成弓形,并去除折流板上的所有毛刺。5. 組裝管束在專用的組裝胎具上安裝，將各個折流板以各個間距L=450mm固定結(jié)實,依次穿入定距管，拉桿。拉桿裝入后，用螺栓適當(dāng)固定。然后組裝管板和換熱管，在組裝時要注意以下幾點：（1）穿管前應(yīng)將換熱管及管板孔清理干凈，管孔不得有油污和銹蝕；（2）要保證管板與管束軸線垂直；（3）保證折流板組裝方向有鉆孔方向一致，且管孔同心；（4）嚴(yán)格按圖紙要求控制管束的尺寸和折流板的方向。6. 管板與管束的連接（1）根據(jù)實際情況和經(jīng)驗的總結(jié)，本方案采用強度焊+貼脹，即先焊后脹。焊前管板坡口容易清洗干凈，焊接時管子與管板間隙處的空氣可以從正、反兩側(cè)排除，對于防止焊縫產(chǎn)生氣孔及保證焊接接頭的質(zhì)量十分有益。同時，后脹可以使脹口脹后的殘余應(yīng)力不會松馳，避免了因焊接高溫的影響而發(fā)生松馳。（2）管與管板的接頭形式和坡口換熱管與管板連接部位的換熱管與管表面，應(yīng)清理干凈，不應(yīng)留有影響焊接連接質(zhì)量的毛刺、鐵屑、銹斑、油污等,接頭形式及結(jié)構(gòu)如圖5-3。 （a）上管板與管子的連接 （b）下管板與管子的連接圖5-3管板與管子連接（3）焊接工藝 焊接方法：常用并推薦的為鎢極氣體保護焊（GTAW）,用手工焊和機械焊均可,管與管板焊道應(yīng)至少二道或二道以上。 焊接位置：采用