U形管式換熱器設(shè)計(jì)【含11張CAD圖紙】

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GB150—98《鋼制壓力容器》 北京 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社 3. 《化工原理》 陳敏恒 化學(xué)工業(yè)出版社 1999 4. 《化工設(shè)備用鋼》王非 林英 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2003 5. 《石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》 王松漢 北京化學(xué)工業(yè)出版社 2002 6. 《化學(xué)工程手冊(cè)》 時(shí)均 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2002 7. 《壓力容器工程師設(shè)計(jì)指南－GB150、GB151計(jì)算手冊(cè)》北京化學(xué)工業(yè)出版社 1994 8. 《機(jī)械制圖學(xué)》吳卓 王林軍 北京理工大學(xué)出版社 9. 《石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)》 盧煥章 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 1982 10. 《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》 趙軍 化學(xué)工業(yè)出版社 2007 11. 《化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》 朱有庭 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2005 12. 《壓力容器安全技術(shù)》 王明明 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2004 13. 《工程力學(xué)》王義質(zhì) 李叔涵 重慶大學(xué)出版社 2003 14. 《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 北京 中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社 1999 15. 《壓力容器用材料及熱處理》 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2005 16. 《壓力容器設(shè)計(jì)》 欒春遠(yuǎn) 北京 化學(xué)工藝出版社 2006 17. 《壓力容器現(xiàn)代設(shè)計(jì)與安全技術(shù)》 魏新利 吳金星 化學(xué)工業(yè)出版社 2004 18. 《壓力容器設(shè)計(jì)知識(shí)》 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 7. 檢索關(guān)鍵詞 檢索關(guān)鍵詞（中英文）：換熱器；列管式；U形管式：heat exchanger；shell and tube；U-tube U型管式換熱器設(shè)計(jì) 摘要 管殼式換熱器的一種，屬石油化工設(shè)備，由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。U 形管式換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上。U型管換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上，管子可以自由伸縮，無(wú)熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程采用雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能較好，承壓能力強(qiáng)，管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。U型管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)包括管箱、筒體、封頭、換熱管、接管、折流板、防沖板和導(dǎo)流筒、防短路結(jié)構(gòu)、支座及管殼程的其他附件等。 設(shè)計(jì)為二類(lèi)壓力容器，設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力都較高，因而設(shè)計(jì)要求高。換熱器采用雙管程，不銹鋼換熱管制造。設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行了換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及零部件的選型和工藝設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：U型管換熱器，雙程管，筒體，強(qiáng)度，設(shè)計(jì)計(jì)算 U-TUBE HEAT EXCHANGER DESIGN ABSTRACT This paper introduces the U-tube heat exchanger design and calculation. U-tube heat exchanger has only one tube sheet, tubes are fixed at both ends of boards in the same tube, and tubes could telescopic freely, non-thermal stress, thermal performance and compensation; use of double-tube process, the process is longer, higher speed, better heat transfer performance, pressure capacity, and control can be extracted from the shell with easy maintenance and cleaning, and simple structure cost less. The main structure of U-tube heat exchanger, includes Equipment control, shell, head, exchanger tubes, nozzles, baffled, impingement baffle, guide shell, anti-short-circuit structure, support and other shell-tube accessories. This time I designed a second category pressure vessel, which has high design temperature and high design pressure. Thus the design demands are strict. It has dual heat exchanger tube, stainless steel heat exchanger manufacturers. I mainly carried out the design of heat exchanger structural design, strength of design and parts selection and process design. KEYWOEDS: U-tube heat exchanger, frame, intensity, design and calculation 目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 緒論 1 1換熱器材料選擇 4 1.1 選材原則 4 2換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2.1 壁厚的確定 6 2.2 管箱圓筒短節(jié)設(shè)計(jì) 6 2.3 殼體圓筒設(shè)計(jì) 7 2.4 封頭設(shè)計(jì) 8 2.4.1 后封頭計(jì)算 9 2.4.2 管箱封頭計(jì)算 10 2.5 換熱管設(shè)計(jì) 11 2.5.1 換熱管的規(guī)格和尺寸偏差 11 2.5.2 U形管的尺寸 12 2.5.3 管子的排列型式 12 2.5.4 換熱管中心距 13 2.5.5 布管限定圓 13 2.5.6 換熱管的排列原則 15 2.6 管板設(shè)計(jì) 15 2.6.1 管板連接設(shè)計(jì) 17 2.6.2 管板設(shè)計(jì)計(jì)算 19 2.7 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 2.7.1 管箱的最小內(nèi)側(cè)深度 22 2.7.2 分程隔板 22 3 換熱器其他各部件結(jié)構(gòu) 23 3.1 進(jìn)出口接管設(shè)計(jì) 23 3.1.1 接管法蘭設(shè)計(jì) 23 3.1.2 接管外伸長(zhǎng)度 25 3.1.3 接管與筒體、管箱殼體的連接 25 3.1.4 接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 25 3.1.5 接管最小位置 29 3.1.6 殼程接管位置的最小尺寸 30 3.1.7 管箱接管位置的最小尺寸 30 3.2 管板法蘭設(shè)計(jì) 30 3.2.1 墊片的設(shè)計(jì) 33 3.2.2 螺栓設(shè)計(jì) 34 3.2.3 法蘭設(shè)計(jì) 38 3.3 折流板 38 3.3.1 折流板尺寸 39 3.3.2 折流板的布置 39 3.3.3 折流板的固定 36 3.4 拉桿與定距管 38 3.4.1 拉桿的結(jié)構(gòu)型式 39 3.4.2 拉桿的直徑和數(shù)量 39 3.4.3 拉桿的尺寸 40 3.4.4 拉桿的布置 42 3.4.5 定距管尺寸 42 3.5 防沖與導(dǎo)流 42 3.5.1 防沖板的形式 42 3.5.2 防沖板的位置和尺寸 42 3.5.3 導(dǎo)流筒 43 3.6 雙殼程結(jié)構(gòu) 43 3.7 防短路結(jié)構(gòu) 44 3.7.1 旁路擋板的結(jié)構(gòu)尺寸 44 3.7.2 擋管 44 3.7.3 中間擋板 44 3.8 鞍座 45 結(jié)論 46 參考文獻(xiàn) 47 致謝 48 附錄 英文文摘及翻譯 49 U型管式換熱器設(shè)計(jì) 摘要 管殼式換熱器的一種，屬石油化工設(shè)備，由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。U 形管式換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上。U型管換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上，管子可以自由伸縮，無(wú)熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程采用雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能較好，承壓能力強(qiáng)，管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。U型管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)包括管箱、筒體、封頭、換熱管、接管、折流板、防沖板和導(dǎo)流筒、防短路結(jié)構(gòu)、支座及管殼程的其他附件等。 設(shè)計(jì)為二類(lèi)壓力容器，設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力都較高，因而設(shè)計(jì)要求高。換熱器采用雙管程，不銹鋼換熱管制造。設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行了換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及零部件的選型和工藝設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：U型管換熱器，雙程管，筒體，強(qiáng)度，設(shè)計(jì)計(jì)算 U-TUBE HEAT EXCHANGER DESIGN ABSTRACT This paper introduces the U-tube heat exchanger design and calculation. U-tube heat exchanger has only one tube sheet, tubes are fixed at both ends of boards in the same tube, and tubes could telescopic freely, non-thermal stress, thermal performance and compensation; use of double-tube process, the process is longer, higher speed, better heat transfer performance, pressure capacity, and control can be extracted from the shell with easy maintenance and cleaning, and simple structure cost less. The main structure of U-tube heat exchanger, includes Equipment control, shell, head, exchanger tubes, nozzles, baffled, impingement baffle, guide shell, anti-short-circuit structure, support and other shell-tube accessories. This time I designed a second category pressure vessel, which has high design temperature and high design pressure. Thus the design demands are strict. It has dual heat exchanger tube, stainless steel heat exchanger manufacturers. I mainly carried out the design of heat exchanger structural design, strength of design and parts selection and process design. KEYWOEDS: U-tube heat exchanger, frame, intensity, design and calculation 41 目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 緒論 1 1換熱器材料選擇 4 1.1 選材原則 4 2換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2.1 壁厚的確定 6 2.2 管箱圓筒短節(jié)設(shè)計(jì) 6 2.3 殼體圓筒設(shè)計(jì) 7 2.4 封頭設(shè)計(jì) 8 2.4.1 后封頭計(jì)算 9 2.4.2 管箱封頭計(jì)算 10 2.5 換熱管設(shè)計(jì) 11 2.5.1 換熱管的規(guī)格和尺寸偏差 11 2.5.2 U形管的尺寸 12 2.5.3 管子的排列型式 12 2.5.4 換熱管中心距 13 2.5.5 布管限定圓 13 2.5.6 換熱管的排列原則 15 2.6 管板設(shè)計(jì) 15 2.6.1 管板連接設(shè)計(jì) 17 2.6.2 管板設(shè)計(jì)計(jì)算 19 2.7 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 2.7.1 管箱的最小內(nèi)側(cè)深度 22 2.7.2 分程隔板 22 3 換熱器其他各部件結(jié)構(gòu) 23 3.1 進(jìn)出口接管設(shè)計(jì) 23 3.1.1 接管法蘭設(shè)計(jì) 23 3.1.2 接管外伸長(zhǎng)度 25 3.1.3 接管與筒體、管箱殼體的連接 25 3.1.4 接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 25 3.1.5 接管最小位置 29 3.1.6 殼程接管位置的最小尺寸 30 3.1.7 管箱接管位置的最小尺寸 30 3.2 管板法蘭設(shè)計(jì) 30 3.2.1 墊片的設(shè)計(jì) 33 3.2.2 螺栓設(shè)計(jì) 34 3.2.3 法蘭設(shè)計(jì) 38 3.3 折流板 38 3.3.1 折流板尺寸 39 3.3.2 折流板的布置 39 3.3.3 折流板的固定 36 3.4 拉桿與定距管 38 3.4.1 拉桿的結(jié)構(gòu)型式 39 3.4.2 拉桿的直徑和數(shù)量 39 3.4.3 拉桿的尺寸 40 3.4.4 拉桿的布置 42 3.4.5 定距管尺寸 42 3.5 防沖與導(dǎo)流 42 3.5.1 防沖板的形式 42 3.5.2 防沖板的位置和尺寸 42 3.5.3 導(dǎo)流筒 43 3.6 雙殼程結(jié)構(gòu) 43 3.7 防短路結(jié)構(gòu) 44 3.7.1 旁路擋板的結(jié)構(gòu)尺寸 44 3.7.2 擋管 44 3.7.3 中間擋板 44 3.8 鞍座 45 結(jié)論 46 參考文獻(xiàn) 47 致謝 48 附錄 英文文摘及翻譯 49 緒論 能源是當(dāng)前人類(lèi)面臨的重要問(wèn)題之一，能源開(kāi)發(fā)及轉(zhuǎn)換利用已成為各國(guó)的重要課題，而換熱器是能源利用過(guò)程中必不可少的設(shè)備，幾乎一切工業(yè)領(lǐng)域都要使用，化工、冶金、動(dòng)力、交通、航空與航天等部門(mén)應(yīng)用尤為廣泛。近幾年由于新技術(shù)發(fā)展和新能源開(kāi)發(fā)利用，各種類(lèi)型的換熱器越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，而換熱器又是節(jié)能措施中較為關(guān)鍵的設(shè)備，因此，無(wú)論是從工業(yè)的發(fā)展，還是從能源的有效利用，換熱器的合理設(shè)計(jì)、制造、選型和運(yùn)行都具有非常重要的意義。 近年來(lái)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?lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。換熱器分類(lèi)方式多樣,按照其工作原理可分為:直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類(lèi),間壁式換熱器又可分為列管式和板殼式換熱器兩類(lèi),其中列管式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性,在長(zhǎng)期的操作過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),其設(shè)計(jì)資料比較齊全, 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類(lèi)的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。 近年來(lái)盡管列管式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn),但由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等優(yōu)點(diǎn),列管式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類(lèi)型換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 列管式換熱器適用于化工、石油、醫(yī)藥、食品、輕工、冶金、焦化等行業(yè)的液和液,汽和汽,汽和液的對(duì)流傳熱,蒸汽冷凝和液體蒸發(fā)傳熱等換熱冷凝流程。列管式換熱器是由一個(gè)圓筒形殼體及其內(nèi)部的管束組成。管子兩端固定在管板上，并將殼程和管程的流體分開(kāi)。殼體內(nèi)設(shè)有折流板，以引導(dǎo)流體的流動(dòng)并支承管子。用拉桿和定距管將折流板與管子組裝在一起。列管式換熱器共有三種結(jié)構(gòu)型式:固定管板式、浮頭式和U形管式。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)低，每根換熱管可以單獨(dú)清洗和更換，在結(jié)構(gòu)尺寸相同的條件下，與浮頭式和U形管式換熱器相比，換熱面積最大。固定管板式換熱器的殼程清洗困難，適應(yīng)熱膨脹能力差，決定了固定管板式換熱器適用于換熱介質(zhì)清潔，殼程壓力不高，換熱介質(zhì)溫差不大的場(chǎng)合。浮頭式換熱器由于管束的熱膨脹不受殼體的約束，而且可拆卸抽出管束，檢修更換換熱管、清理管束和殼程污垢方便，因此，浮頭式換熱器應(yīng)用最廣泛，在油田儲(chǔ)運(yùn)集輸系統(tǒng)中，60%～70%的換熱器為浮頭式換熱器。?Ｕ形管式換熱器是管殼式換熱器的一種,它由管板、殼體、管束等零部件組成。在同樣直徑情況下,Ｕ形管換熱器的換熱面積最大；它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、密封性能高, 檢修、清洗方便、在高溫、高壓下金屬耗量最小、造價(jià)最低;Ｕ形管換熱器只有一塊管板,熱補(bǔ)償性能好、承壓能力較強(qiáng),適用于高溫、高壓工況下操作。 1換熱器材料選擇 在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)換熱器各種零部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對(duì)材料的制造工藝性能等的要求來(lái)選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿(mǎn)足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來(lái)考慮，是比較容易達(dá)到的，但對(duì)于材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。如在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。 1.1 選材原則 換熱器用鋼的標(biāo)準(zhǔn)、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、許用應(yīng)力、無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)項(xiàng)目均按GB150-1998第四章及其附錄A的規(guī)定。 換熱器的目的是為了傳熱，經(jīng)常與腐蝕性介質(zhì)接觸的換熱表面積很大，為了保護(hù)金屬部受腐蝕，最根本的方法是選擇耐腐蝕的金屬或非金屬材料。換熱器主要部件材料選擇見(jiàn)表2.1 表2.1材料 零部件 材料 設(shè)計(jì)壓力 設(shè)計(jì)溫度 許用應(yīng)力 [s]t 標(biāo)準(zhǔn) 管箱封頭 15CrMoR 8.0 323 128.24 GB6654 后封頭 15CrMoR 8.5 273 136.4 GB6654 筒體 15CrMoR 8.5 273 136.4 GB6654 管箱圓筒短節(jié) 15CrMoR 8.0 323 128.24 GB6654 管板 0Cr18Ni10Ti 4.5 323 112.62 GB4728 換熱管 0Cr18Ni10Ti 8.0 323 100.4 GB/T13296-2007 殼程接管 15CrMo PN16 273 105.86 GB6479 管程接管 0Cr18Ni10Ti PN16 273 筒體法蘭 15CrMo PN6.4 273 GB470O-4703- 2000 管程接管法蘭 0Cr18Ni10Ti PN16 HG20592-97 殼程接管法蘭 15CrMo PN16 323 HG20592-97 管箱法蘭 15CrMo PN6.4 273 GB470O-4703- 2000 2換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須考慮許多因素，如材料、壓力、溫度、比溫差、結(jié)垢情況、流體的性質(zhì)以及檢修與清理等等來(lái)選擇一些適合的結(jié)構(gòu)型式。 對(duì)同一種型式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計(jì)中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足工藝上的需要。 U形管式換熱器僅有一塊管板，且無(wú)浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)比其它換熱器便宜，管束可以從殼體內(nèi)抽出，管外便于清洗，但管內(nèi)清洗困難，所以管內(nèi)介質(zhì)必須清潔及不易結(jié)垢的物料。U形管的彎管部分曲率不通，管子長(zhǎng)度不一。管子因滲漏而堵死后，將造成傳熱面積的損失。 U型管式換熱器，使用在壓力較高的情況下，在彎管段的壁厚要加厚，以彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄。 殼程內(nèi)可按工藝要求裝置折流板、縱向隔板等，折流板由拉桿固定，以提高換熱設(shè)備的傳熱效果。縱向隔板是一矩形平板，安裝在平行于傳熱管方向（縱向隔板按工藝要求決定）以增加殼側(cè)介質(zhì)流速。 符號(hào)： ---- 鋼材厚度負(fù)偏差mm，應(yīng)按相應(yīng)鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定選?。? ---- 鋼材的腐蝕裕量，mm； ---- 厚度附加量（按[1]第三章?。?，mm；對(duì)多層包扎圓筒只考慮內(nèi)筒的C值，對(duì)熱套圓筒只考慮內(nèi)側(cè)第一層套盒圓筒的C值； ---- 圓筒或球殼的內(nèi)直徑，mm； ---- 圓筒或球殼的外直徑（) ,mm； ---- 計(jì)算壓力（按[1]第3章）,MPa； ---- 設(shè)計(jì)壓力，Mpa； ---- 管程設(shè)計(jì)壓力，Mpa； ---- 殼程設(shè)計(jì)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； ---- 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，MPa； ---- 設(shè)計(jì)溫度下圓筒或球殼材料的許用應(yīng)力（按[1]第4章）,MPa； ---- 試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力（按[1]第4章）,MPa； ---- 焊接接頭系數(shù)（按[1]第3章）；對(duì)熱套圓筒取 = 1 .0； 2.1 壁厚的確定 殼體、管箱殼體和封頭共同組成了管殼式換熱器的外殼。管殼式換熱器的殼體通常由管材或板材卷制而成。壓力容器的公稱(chēng)直徑按GB9019-88規(guī)定，當(dāng)直徑＜400㎜時(shí)，通常采用管材做殼體和管箱殼體。當(dāng)直徑≥400㎜時(shí)，采用板材卷制殼體和管箱殼體。其直徑系列應(yīng)與封頭、連接法蘭的系列相匹配，以便于法蘭、封頭的選型。卷制圓筒的公稱(chēng)直徑以400㎜為基數(shù)，一般情況下，當(dāng)直徑＜1000㎜時(shí)，直徑相差100㎜為一個(gè)系列，必要時(shí)也可采用50㎜；當(dāng)直徑＞1000㎜時(shí)直徑相差200㎜為一個(gè)系列，若采用旋壓封頭，其直徑系列的間隔可以取為100㎜。 圓筒的厚度按GB150-1998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3.1.1的規(guī)定，高合金鋼圓筒的最小厚度應(yīng)不小于3.1.2的規(guī)定。 表3.1.1[2] mm 公稱(chēng)直徑 400～≤700 ＞700～≤1000 ＞1000～≤1500 ＞1500～≤2000 ＞2000～≤2600 浮頭式，U形管式 8 10 12 14 16 固定式管板式 6 8 10 12 14 表3.1.2[2] mm 公稱(chēng)直徑 400～≤500 ＞500～≤700 ＞700～≤1000 ＞1000～≤1500 ＞1500～≤2000 ＞2000～≤2600 最小厚度 3.5 4.5 6 8 10 12 2.2 管箱圓筒短節(jié)設(shè)計(jì) 管箱圓筒（短節(jié)）計(jì)算按GB150-1998第五章的有關(guān)規(guī)定；其開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算按GB150-1998第八章有關(guān)規(guī)定。圓筒的最小厚度按表3.1.2的規(guī)定。設(shè)計(jì)條件見(jiàn)表3.1.3。 表3.1.3 部件 材料 設(shè)計(jì)溫度℃ 設(shè)計(jì)壓力Mpa Mpa Mpa 標(biāo)準(zhǔn) mm mm 管箱圓筒短節(jié) 15CrMoR 30/40 1.5 116.32 1.0 GB6654 0 0 圓筒計(jì)算： 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算厚度按式（3-2-1）計(jì)算，公式的適用范圍為。 （3-2-1） 其中；； ；=1.0帶入上式得： 計(jì)算厚度：δ=5.66mm 設(shè)計(jì)厚度： 名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 6mm 有效厚度： 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力按式（3-2-2）計(jì)算： （3-2-2） 得 < 滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，故取名義厚度= 6mm合適。 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（3-2-3）計(jì)算： （3-2-3） 滿(mǎn)足壓力要求，故取名義厚度= 6mm合適。 2.3 殼體圓筒設(shè)計(jì) 圓筒的厚度應(yīng)按GB 150-1998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3-1的規(guī)定，高合金鋼圓筒的最小厚度應(yīng)不小于表3-2的規(guī)定。設(shè)計(jì)條件見(jiàn)表3-4： 表3-4 部件 材料 設(shè)計(jì)溫度℃ 設(shè)計(jì)壓力Mpa Mpa Mpa 標(biāo)準(zhǔn) mm mm 殼體圓筒 15CrMoR 50/42 1.6 129.7 1.0 GB6654 0 0 圓筒計(jì)算： 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算厚度按式（3-2-1）計(jì)算， 其中；； ；=1.0帶入（3-2-1）得： 計(jì)算厚度：δ=5.86mm 設(shè)計(jì)厚度： 名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 6mm 有效厚度： 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力按式（3-2）計(jì)算： 得 < 滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，故取名義厚度= 26mm合適。 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓力按式（3-2-3）計(jì)算： 滿(mǎn)足壓力要求，故取名義厚度= 6mm合適。 2.4 封頭設(shè)計(jì)[1～3] 壓力容器封頭的種類(lèi)較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等，其中凸形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。 此次設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，它由半個(gè)橢球面和短圓筒組成，如圖3.4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。封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應(yīng)力分布比較均勻，且橢圓形封頭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。設(shè)計(jì)條件見(jiàn)表3.4-1，表3.4-2。 圖3.4 ---- 封頭內(nèi)直徑，mm； ---- 封頭外直徑（),mm； ---- 封頭曲面深度，mm； ---- 封頭質(zhì)變高度，mm； A ---- 封頭內(nèi)表面積，㎡； V ---- 封頭容積，； m ---- 封頭質(zhì)量，㎏； ---- 計(jì)算壓力（按[1]第3章）,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（按[1]第4章）,MPa； ---- 焊接接頭系數(shù)（按[1]第3章）。 3.4.1 后封頭計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計(jì)算厚度按式（3-4-1）計(jì)算： （3-4-1） 其中；； ；=1.0帶入式（3-4-1）得：計(jì)算厚度：δ= 5.3mm 設(shè)計(jì)厚度： 名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 5.5mm 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= 26mm合適。 橢圓形封頭的最大允許工作壓力按式（3-4-2）計(jì)算： （3-4-2） 該封頭滿(mǎn)足壓力要求，故取名義厚度= 5.5mm合適。 設(shè)計(jì)溫度下封頭的計(jì)算應(yīng)力按式（3-4-3）計(jì)算： （3-4-3） 滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，故取名義厚度= 26mm合適。 3.4.2 管箱封頭計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計(jì)算厚度按式（3-4-1）計(jì)算： 其中；； ；=1.0帶入（3-4-1）得：計(jì)算厚度：δ= 5.35mm 設(shè)計(jì)厚度： 名義厚度： ，經(jīng)圓整取= 6mm 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= 26mm合適。 橢圓形封頭的最大允許工作壓力按式（3-4-2）計(jì)算： 該封頭滿(mǎn)足壓力要求，故取名義厚度= 26mm合適。 設(shè)計(jì)溫度下封頭的計(jì)算應(yīng)力按式（3-4-3）計(jì)算： 滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，故取名義厚度= 6mm合適。 由續(xù)表1[3]查取封頭的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.4.2： 表3.4.2 封頭 公稱(chēng)直徑DN mm 曲面高度 mm 直邊高度 mm 內(nèi)邊面積A 容積V 質(zhì)量m 管箱封頭 200 50 12 0.8194 0.0992 74.67 后封頭 200 50 12 0.8194 0.0992 74.67 3.5 換熱管設(shè)計(jì)[4] 符號(hào)規(guī)定： d ---- 換熱管外徑，mm； δ ---- 換熱管厚度，mm； R ---- 彎管段彎曲半徑，mm； ---- 彎曲前換熱管的最小壁厚，mm； ---- 直管段的計(jì)算厚度，mm； 3.5.1 換熱管的規(guī)格和尺寸偏差 換熱管的長(zhǎng)度有設(shè)計(jì)條件給定取為6m，直徑Ф19mm，厚度δ=2mm；由GB13296查得換熱管的規(guī)格和尺寸偏差見(jiàn)表3.5.1： 表3.5.1 材料 換熱管標(biāo)準(zhǔn) 管子規(guī)格，mm 高精度，較高精度，mm 管控規(guī)格，mm 外徑d 厚度δ 外徑偏差 厚度偏差 管孔直徑 允許偏差 不銹鋼0Cr18Ni10Ti GBA13296-2007 12 2 0.20 14.25 3.5.2 U形管的尺寸 ① U形管彎管段的彎曲半徑 U形管彎管段的彎曲半徑R（見(jiàn)圖3.5.2）應(yīng)不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑可按GB151-1999表11選取，取=40mm。 圖3.5.2 ② U形管彎管段彎曲前的最小壁厚按式（3-5-1）計(jì)算： （3-5-1） 其中，d = 19mm，R = = 40mm， = 2mm，帶入上式得： ，圓整取為2.5mm 3.5.3 管子的排列型式 換熱管的排列主要有以下四種方式： 圖3.5.3[2] 正三角形排列用得最普遍，因?yàn)楣茏娱g距都相等，所以在同一管板面積上可排列最多的管子數(shù)，而且便于管板的劃線與鉆孔。但管間不易清洗，TEMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，殼程需用機(jī)械清洗時(shí)，不得采用三角形排列型式。 在殼程需要機(jī)械清洗時(shí)，一般采用正方形排列，管間通道沿整個(gè)管束應(yīng)該是連續(xù)的，且要保證6mm的清洗通道。 圖3.5.3中（a）和（d）兩種排列方式，在折流板間距相同的情況下，其流通截面要比（b）、（c）兩種的小，有利于提高流速，故更合理些。 本次設(shè)計(jì)采用正三角形排列。 3.5.4 換熱管中心距 換熱管的中心距宜不小于1.25倍的換熱管外徑，根據(jù)GB151-1999表12，取換熱管中心距為S = 25mm，取分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 = 38mm。 3.5.5 布管限定圓 符號(hào)： b ---- 見(jiàn)圖3.5.5.1，其值按表3.5.5.1選取，mm； ---- 見(jiàn)圖3.5.5.1，其值按表3.5.5.2選取，mm； ----見(jiàn)圖3.5.5.1，，mm； ---- 固定管板式換熱器或U型管式換熱器管束最外層換熱管外表面至殼體內(nèi)壁的最短距離，見(jiàn)圖3.5.5.2， = 0.25d = 0.25×19 = 4.75mm，一般不小于8mm，取= 8mm； ---- 墊片寬度，其值按表3-9選取，mm； ---- 布管限定圓直徑，mm； ---- 圓筒內(nèi)直徑，mm； ---- 換熱管外徑，mm； 表3.5.5.1[2] b <1000 >3 100～260 >4 = 200mm,取b = 6mm。 表3.5.5.2[2] 布管限定圓為管束最外層換熱管中心圓直徑，布管限定圓按表3.5.5.3確定。 表3.5.5.3[2] 換熱器型式 固定管板式、U形管式 浮頭式 布管限定圓直徑 得：。 除了考慮布管限定圓直徑外，換熱管與防沖板間的距離也許考慮。通常，換熱管外表面與鄰近防沖板表面間的距離，最小為6mm。換熱管中心線與防沖板板厚中心線或上表面之間的距離，最大為換熱管中心距的。 3.5.6 換熱管的排列原則 ①換熱管的排列應(yīng)使整個(gè)管束完全對(duì)稱(chēng)； ②在滿(mǎn)足布管限定圓直徑和換熱管與防沖板間的距離規(guī)定的范圍內(nèi)，應(yīng)全部布滿(mǎn)換熱管； ③拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣在靠近折流板缺邊位置處應(yīng)布置拉桿，其間距小于或等于200mm，拉桿中心至折流板缺邊的距離應(yīng)盡量控制在換熱管中心距地（0.5～1.5）范圍內(nèi)； ④多管程的各管程數(shù)應(yīng)盡量相等，其相對(duì)誤差應(yīng)控制在10%以?xún)?nèi)，最大不得超過(guò)20%。 3.6 管板設(shè)計(jì) 符號(hào)規(guī)定： ---- 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，；例如雙管程管板，對(duì)于三角形排列： （3-6-1） ---- U 形管根數(shù)，管板開(kāi)孔數(shù)為2n； ---- 沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)； ---- 換熱管中心距，mm； ---- 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距，mm； ---- 管板布管區(qū)面積，㎡； 三角形排列: （3-6-3） ---- 一根換熱管管壁金屬的橫截面積，㎡； ---- 系數(shù)，按和，查圖19[2]； ---- 系數(shù)，按和，查圖20[2]； ---- 系數(shù)，按和，查圖21[2]； ---- 管板開(kāi)孔前的抗彎剛度，N·mm； （3-6-5） ---- 墊片壓緊力作用中心圓直徑，按[1]第9章，mm； ---- 殼程圓筒和管箱圓筒內(nèi)直徑，mm； ---- 管板布管區(qū)當(dāng)量直徑，Mmm； （3-6-6） d ---- 換熱管外徑,mm； ---- 管板材料的彈性模量,MPa； ---- 管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，MPa； ，對(duì)于a型連接 ---- 殼程圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，MPa； ---- 管箱圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，MPa； ---- 旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量綱參數(shù)；對(duì)于a型連接= 0 ---- 換熱管與管板脹接長(zhǎng)度或焊腳高度，按5.8.2.3或5.8.3.2[2]規(guī)定，mm； ---- 管板設(shè)計(jì)壓力，MPa； ---- 殼程設(shè)計(jì)壓力，MPa； ---- 管程設(shè)計(jì)壓力，MPa； ---- 換熱管與管板連接的拉脫力，MPa； ---- 許用拉脫力，按5.7.5[2]規(guī)定，MPa； ---- 半徑，mm；對(duì)a型連接： （3-6-7） ---- 換熱管中心距，mm； ---- 管板計(jì)算厚度，mm； ---- 管箱圓筒厚度，mm； ---- 殼程圓筒厚度，mm； ---- 換熱管壁厚,mm； ---- 管板強(qiáng)度削弱系數(shù)，一般可??； ---- 管板材料泊松比，??； ---- 布管區(qū)當(dāng)量直徑與直徑2R之比； ---- 設(shè)計(jì)溫度下，管板材料的許用應(yīng)力，MPa； ---- 設(shè)計(jì)溫度下，換熱管材料的許用應(yīng)力，MPa； 管板是管殼式換熱器的一個(gè)重要元件，它除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個(gè)重要受壓元件。對(duì)管板的設(shè)計(jì)除了要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求外，同時(shí)應(yīng)合理的考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。管板得合理設(shè)計(jì)對(duì)于正確選用和節(jié)約材料、減少加工制造的困難、降低成本、確保使用安全都具有重要意義。 U型管換熱器僅有一塊管板，采用可拆式連接，管板通過(guò)墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接。其連接形式。 管板的最小厚度除滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求外，當(dāng)管板和換熱器采用焊接時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的要求，且不小于12mm。若管板采用復(fù)合鋼板，其復(fù)合層的厚度應(yīng)不小于3mm。對(duì)于有腐蝕要求的復(fù)層，還應(yīng)保證距復(fù)層表面深度不小于2mm的復(fù)層化學(xué)成分和金相組織符合復(fù)層材料的要求。 當(dāng)管板與換熱管采用脹接時(shí)，管板得最小厚度（不包括腐蝕裕度）應(yīng)滿(mǎn)足表3.6.1。若管板采用復(fù)合管板，其復(fù)層最小厚度應(yīng)不小于10mm。并應(yīng)保證距復(fù)層表面深度不小于8mm的復(fù)層化學(xué)成分和金相組織符合復(fù)層材料的要求。 3.6.1 管板連接設(shè)計(jì) （1）管板與換熱管的連接 對(duì)于換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)形式，主要有以下三種：①脹接；②焊接；③脹焊并用，但也可采用其他可靠的連接形式。 a、強(qiáng)度脹接用于管殼之間介質(zhì)滲漏不會(huì)引起不良后果的情況下，脹接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管子修不容易。由于脹接管端處在脹接時(shí)產(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應(yīng)力，隨著溫度的上升，殘余應(yīng)力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結(jié)合力的作用。一般適用設(shè)計(jì)壓力≤4MPa；設(shè)計(jì)溫度≤300℃；操作中無(wú)劇烈的振動(dòng)，無(wú)過(guò)大的溫度變化及明顯的應(yīng)力腐蝕場(chǎng)合。一般要求：1、換熱管材料的硬度值一般需低于管板材料的硬度值；2、有應(yīng)力腐蝕時(shí)，不應(yīng)采用管端局部退火的方式來(lái)降低換熱管的硬度。 b、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。管子與管板的焊接，目前應(yīng)用較為廣泛，由于管孔不需開(kāi)槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，因此制造加工簡(jiǎn)單。焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)，當(dāng)焊接部分滲漏時(shí)，可以補(bǔ)焊，如須調(diào)換管子，可采甩專(zhuān)用刀具拆卸焊接破漏管子，反而比拆卸脹管方便。不適用于有較大振動(dòng)和有間隙腐蝕的場(chǎng)合。其結(jié)構(gòu)形式和尺寸見(jiàn)圖3.6.1和表3.6.1。 圖3.6.1 表3.6.1[2] 換熱管規(guī)格 d×δ 1×1 12×1 14×1.5 16×1.5 19×2 25×2 32×2.5 38×3 45×3 57×3.5 換熱管最小伸出長(zhǎng)度 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 最小坡口深度 1.0 2 2.5 注：1 當(dāng)工藝要求管端伸出長(zhǎng)度列值（如立式換熱器要求平齊或少低）時(shí)，可適當(dāng)加大管板坡口深度或改變結(jié)構(gòu)型式 2 當(dāng)換熱管直徑和壁厚與列表值不同時(shí)值可適當(dāng)調(diào)整 3 圖（c）用于壓力較高的工況 本次設(shè)計(jì)中采用不銹鋼換熱管，通常不銹鋼管與管扳一般均采用焊接結(jié)構(gòu)，不管其壓力大小，溫度高低。采用圖3.6.1焊接形式，取= 1.5mm，= 2.5mm，= 2.0mm。管板最小厚度不小于12mm。 c、對(duì)于壓力高、滲透性強(qiáng)或在一例有腐蝕性的介質(zhì)，為保證不致泄漏后污染另一側(cè)物料，這就要求管子與管板的連接處絕對(duì)不漏，或?yàn)榱吮苊庠谘b運(yùn)及操作過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)焊縫的影響，或避免縫隙腐蝕的可能性等，采用脹焊并用的結(jié)構(gòu)型式。脹焊并用的結(jié)構(gòu)從加工工藝過(guò)程來(lái)看，有先脹后焊，先焊后脹，焊后脹接及貼張等幾種形式。 3.6.2 管板設(shè)計(jì)計(jì)算 (1)換熱器設(shè)計(jì)條件： 殼程設(shè)計(jì)壓力 = 1.5MPa；管程設(shè)計(jì)壓力 = 1.5MPa 管板設(shè)計(jì)溫度323℃ 殼程腐蝕裕量C = 0mm；管程腐蝕裕量C = 0mm 管程程數(shù)為2 換熱器公稱(chēng)直徑DN = 200mm 換熱管外徑d = 12mm 換熱管壁厚= 2mm 換熱管根數(shù)n = 322（根據(jù)JB/T4717-1992 U型管式換熱器型式與基本參數(shù)選?。? 換熱管與管板為焊接連接 加持管板的殼程法蘭與管箱法蘭采用特殊設(shè)計(jì)的長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭環(huán)形密封面 墊片為八角墊環(huán)Ф900/Φ840 墊片基本密封寬度，按GB 150-1998表9-1選壓緊面形狀6 殼程側(cè)隔板槽深= 4mm；管程側(cè)隔板槽深= 4mm 管板強(qiáng)度削弱系數(shù)= 0.4 (2)各元件材料及其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 換熱管材料0Cr18Ni10Ti；設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力= 112.62MPa 管板材料0Cr18Ni10Ti；設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力=83.62MPa 許用拉托力按GB 151-1999表33 (3)計(jì)算 a、根據(jù)布管尺寸計(jì)算、、；根據(jù)法蘭連接密封面型式和墊片尺寸計(jì)算墊片壓緊力作用中心圓直徑。由式（3.6.1）得： 由式（3.6.3）得： 由式（3.6.6）得： 根據(jù)GB150第9.5.1條 <6.4mm = 墊片接觸面的平均直徑= 230mm。 b、計(jì)算，以查表22[2]得，或以查圖19，由縱坐標(biāo)軸上直接查得。 ，查圖查圖19[2]，由縱坐標(biāo)軸上直接查得：=0.2742 c、確定管板設(shè)計(jì)壓力 因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)中設(shè)備壓力高，因而對(duì)其工作條件要求高，考慮設(shè)備運(yùn)行的安全性，保證設(shè)備在任何情況下管程和殼程壓力同時(shí)作用，且兩側(cè)均為正壓，取 管板計(jì)算厚度δ按式（3.6.8）計(jì)算。 （3.6.8） 代入數(shù)據(jù)得： 根據(jù)GB151-1999 管板的名義厚度不小于下列三者之和： ⅰ、管板的計(jì)算厚度或最小厚度，取大者； ⅱ、殼程腐蝕裕量或結(jié)構(gòu)開(kāi)槽深度，取大者； ⅲ、管程腐蝕裕量或分程隔板槽深度，取大者； 所以， = 圓整取= 150mm 管板得有效厚度 整體管板得有效厚度指分程隔板槽底部的管板厚度減去下列二者之和： a、 管程腐蝕裕量超出管程隔板槽深度的部分； b、 殼程腐蝕裕量與管板在殼程側(cè)的結(jié)構(gòu)開(kāi)槽深度二者中的較大值。 d、換熱管的軸向應(yīng)力 一根換熱管管壁金屬橫截面積 按三種工況分別計(jì)算： ① 只有殼程設(shè)計(jì)壓力，管程設(shè)計(jì)壓力為0； ② 只有管程設(shè)計(jì)壓力，殼程設(shè)計(jì)壓力為0； ③ 殼程設(shè)計(jì)壓力和管程設(shè)計(jì)壓力同時(shí)作用； 以上三種工況下計(jì)算值的絕對(duì)值均小于換熱管設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 e、換熱管與管板連接拉脫力 其中取d項(xiàng)計(jì)算中三種工況的絕對(duì)值最大者 取，，則有 由此得：< = 56.31MPa 滿(mǎn)足要求。 3.7 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 管箱的作用是把管道中來(lái)的流體，均勻分布到各傳熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多程換熱器中，管箱還起改變流體的流向作用。管箱側(cè)或管箱頂部有介質(zhì)的出、入口接管。 3.7.1 管箱的最小內(nèi)側(cè)深度 （1）軸向開(kāi)口的單管程管箱，開(kāi)口中心處的最小深度應(yīng)不小于接管內(nèi)直徑的1/3； （2）多程管箱的內(nèi)側(cè)深度應(yīng)保證兩程之間的最小流通面積不小于每程換熱管流通面積的1.3倍；當(dāng)操作允許時(shí)，也可等于每程換熱管的流通面積。 兩程之間的最小流通面積是指管箱被平行與地面的平面所剖開(kāi)所形成的載面面積；每程換熱管流通面積是指同一管程內(nèi)的換熱管管內(nèi)截面所形成的面積之和。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇取管箱內(nèi)側(cè)深度為835mm。 3.7.2 分程隔板 隔板材料應(yīng)采用與管箱相同的材料制造。分程隔板的最小厚度應(yīng)不小于表6[2]的規(guī)定。按規(guī)定取隔板材料為15CrMo，隔板的最小厚度為10mm。 分程隔板槽深按照5.6.6.2[2]規(guī)定： 1) 槽深宜不小于4mm ； 2）分程隔板槽的寬度為：碳鋼12mm,不銹 鋼 11 mm ； 3）分程隔板槽拐角處的倒角一般為45°，倒角寬度b近似等于分程墊片的圓角半徑R， 取槽深為4mm，槽寬度為12mm，倒角為45°。 4 換熱器其他各部件結(jié)構(gòu) 4.1 進(jìn)出口接管設(shè)計(jì) 在換熱器的殼體和管箱上一般均裝有接管或接口以及進(jìn)出口管。在殼體和大多數(shù)管箱的底部裝有排液管，上部設(shè)有排氣管，殼側(cè)也常設(shè)有安全閥接口以及其他諸如溫度計(jì)、壓力表、液位計(jì)和取樣管接口。對(duì)于立式管殼式換熱器，必要時(shí)還需設(shè)置溢流口。由于在殼體、管箱殼體上開(kāi)孔，必然會(huì)對(duì)殼體局部位置的強(qiáng)度造成削弱。因此，殼體、管箱殼體上的接管設(shè)置，初考慮其對(duì)傳熱和壓降的影響外，還應(yīng)考慮殼體的強(qiáng)度以及安裝、外觀等因素。 4.1.1 接管法蘭設(shè)計(jì) 已知設(shè)計(jì)條件見(jiàn)表4.1.1 表4.1.1 管口規(guī)格 符號(hào) 用途或名稱(chēng) 公稱(chēng)尺寸 連接標(biāo)準(zhǔn) 法蘭類(lèi)型及密封面形式 1-1，2 管程進(jìn)出口 PN16 DN250 HG20592-97 WN/RJ 2-1，2 殼程進(jìn)出口 PN16 DN200 HG20592-97 WH/RJ 根據(jù)HG20592-97選取接管法蘭的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： 公稱(chēng)直徑 DN 鋼管外徑 A1 法蘭厚度 C 法蘭頸 法蘭高度 H 法蘭理論重量 （kg） N S H1 R 200 219 66 278 16 16 8 140 65.6 250 273 76 340 20 18 10 155 106.4 公差 連接尺寸 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 螺紋 Th 200 430 360 36 12 M33×2 250 515 430 42 12 M39×3 密封面尺寸 DN d P E F Rmax 250 388 330 11 17 0.8 200 322 275 11 17 0.8 公差 ±0.5 ±0.13 +0.4 0 ±0.2 ±0.5° 墊片尺寸 DN A P H C 200 15.5 275 22 10.5 250 15.5 330 22 10.5 公差 ±0.2 ±0.18 ±0.4 ±0.2 緊固件長(zhǎng)度計(jì)算： 螺柱： 式中： ----緊固件長(zhǎng)度，mm； ----法蘭厚度，mm ----法蘭厚度正公差（按HG 20592～20635-97表A.0.1-1規(guī)定）,mm； ----環(huán)連接面法蘭突臺(tái)高度（按HG 20592第8.0.2規(guī)定），mm； ----環(huán)連接面法蘭間近似距離（按HG 20592～20635-97表A.0.1-2規(guī)定）,mm； ----螺母最大厚度（按HG 20592～20635-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm； ----緊固件倒角端長(zhǎng)度（按HG 20592～20635-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm； ----六角螺栓或螺柱安裝時(shí)的最小伸出長(zhǎng)度（按一個(gè)螺距計(jì)算，見(jiàn)HG 20592～20635-97表A.0.1-3規(guī)定）,mm； ----六角螺栓或螺柱的負(fù)公差（按HG 20592～20635-97表A.0.1-4規(guī)定）,mm；， ----墊片厚度，取。 查取數(shù)值，及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表: DN 計(jì)算結(jié)果l 200 66 +4.0 11 6.7 28．7 2 2 2.3 3 239.4 250 76 +4.0 11 6.7 33.4 2.5 3 2.6 3 272.1 4.1.2 接管外伸長(zhǎng)度 接管外伸長(zhǎng)度也叫接管伸出長(zhǎng)度，是指接管法蘭面到殼體（管箱殼體）外壁的長(zhǎng)度。 可按式（4.1.1）計(jì)算： （4.1.1） 符號(hào)： ---- 接管外伸長(zhǎng)度，mm； ---- 接管法蘭厚度，mm；h = C+E； 殼程進(jìn)出口法蘭： 管程進(jìn)出口法蘭： ---- 接管法蘭的螺母厚度，mm； 殼程進(jìn)出口法蘭： 管程進(jìn)出口法蘭： ---- 保溫層厚度，mm，取為0。 代入數(shù)據(jù)計(jì)算接管外伸長(zhǎng)度得： 殼程進(jìn)出口接管外伸長(zhǎng)度為：，取。 管程進(jìn)出口接管外伸長(zhǎng)度為：，取。 4.1.3 接管與筒體、管箱殼體的連接 接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB 150-1998第8章和附錄J的有關(guān)規(guī)定。接管（或接口）的一般要求： 1）接管宜與殼體內(nèi)表面平齊； 2）接管應(yīng)盡量沿?fù)Q熱器的徑向或軸向設(shè)置； 3）設(shè)計(jì)溫度高于或等于300℃時(shí)，應(yīng)采用對(duì)焊法蘭； 4) 必要時(shí)應(yīng)設(shè)置溫度計(jì)接口，壓力表接口及液面計(jì)接口； 5）對(duì)于不能利用接管（或接口）進(jìn)行放氣和排液的換熱器，應(yīng)在管程和殼程的最高點(diǎn)設(shè)置放氣口，最低點(diǎn)設(shè)置排液口，其最小公稱(chēng)直徑為20mm； 6) 立式換熱器可設(shè)置溢流口。 4.1.4 接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 符號(hào)： A ---- 開(kāi)孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積，㎡； B ---- 補(bǔ)強(qiáng)有效寬度，mm； C ---- 厚度附加量，mm； ---- 殼體內(nèi)直徑，mm； d ---- 開(kāi)孔直徑，圓形孔取接管內(nèi)直徑加兩倍厚度附加量，橢圓形或長(zhǎng)圓形孔取所考慮平面上的尺寸（弦長(zhǎng)，包括厚度附加量），mm； ---- 強(qiáng)度削弱系數(shù)，等于設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比，當(dāng)該值大于1.0時(shí)，取為1.0； ---- 接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度，mm； ---- 接管內(nèi)側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度，mm； ---- 計(jì)算壓力（按GB150-1998第三章），MPa； ---- 殼體開(kāi)孔處的計(jì)算厚度，mm； ---- 殼體開(kāi)孔處的有效厚度，mm； ---- 接管有效厚度，mm； ---- 殼體開(kāi)孔處的名義厚度，mm； ---- 接管名義厚度，mm； ---- 接管計(jì)算厚度，mm； ---- 設(shè)計(jì)溫度下殼體材料的許用應(yīng)力（按GB150-1998第四章），MPa； ---- 鋼材標(biāo)準(zhǔn) 抗拉強(qiáng)度下限值，MPa； ---- 鋼材標(biāo)準(zhǔn)屈服點(diǎn)，MPa； ---- 焊接接頭系數(shù)（按GB150-1998第三章）。 本次設(shè)計(jì)采用整體補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)如下： （1）確認(rèn)方法的適用性 A 圓筒計(jì)算厚度： 殼程圓筒計(jì)算厚度： 管程圓筒計(jì)算厚度： B 接管計(jì)算厚度： 殼程開(kāi)孔直徑： 管程開(kāi)孔直徑： 殼程接管計(jì)算厚度： 名義厚度：，圓整取 有效厚度： 管程接管計(jì)算厚度： 名義厚度：，圓整取 有效厚度： C 校核使用條件 殼程接管： ， 管程接管： ， 故本設(shè)計(jì)可用整鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。 （2）開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積 殼程： 管程： （3）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍 A 設(shè)定補(bǔ)強(qiáng)元件結(jié)構(gòu)尺寸如圖4.1.4所示。過(guò)渡圓角半徑按GB150確定。 或取大者，式中：， 殼程圓角半徑： 取30mm 管程圓角半徑： 取35mm 或取大者 殼程圓角半徑： 取15mm 管程圓角半徑： 取15mm B 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍半徑 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍半徑按式（4.1.4.1）計(jì)算 （4.1.4.1） 殼程有效補(bǔ)強(qiáng)范圍半徑： 管程有效補(bǔ)強(qiáng)范圍半徑： （4）有效補(bǔ)強(qiáng)面積 A 圓筒多余金屬面積： 殼程： 管程： B 接管多余金屬面積： 殼程： 管程： C 密集補(bǔ)強(qiáng)區(qū)金屬面積： D 有效補(bǔ)強(qiáng)面積（略去，圓角處金屬面積）： 殼程： 管程： （5）補(bǔ)強(qiáng)結(jié)果 殼程： 管程： 故補(bǔ)強(qiáng)滿(mǎn)足要求。 4.1.5 接管最小位置 在換熱器設(shè)計(jì)中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進(jìn)、出口接管應(yīng)盡量靠近兩端管板，而管箱進(jìn)、出口接管盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱殼體長(zhǎng)度，減輕設(shè)備重量。然而，為了保證設(shè)備的制造、安裝，管口距地的距離也不能靠的太近，它受到最小位置的限制。本設(shè)計(jì)采用接管整體補(bǔ)強(qiáng)。 4.1.6 殼程接管位置的最小尺寸 符號(hào)： b ---- 管板厚度，mm； ---- 殼程/管箱接管位置最小尺寸，mm； C ---- 補(bǔ)強(qiáng)圈外邊緣（無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)，為管外壁）至管板（或法蘭）與殼體連接焊縫之間的距離，mm； ---- 補(bǔ)強(qiáng)圈外圓直徑，mm； ---- 接管外徑，mm。 殼程接管位置的最小尺寸，可按下列公式計(jì)算： 無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈的接管 （4.1.6.1） 取C≥4S(S為殼體厚度，mm)且≥30mm。 計(jì)算殼程接管位置的最小尺寸如下： C ≥ 4S = 4×26 = 104mm，取C = 105mm； 4.1.7 管箱接管位置的最小尺寸 管箱接管位置的最小尺寸，可按下列公式計(jì)算： 無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈的接管 （4.1.7.1） 取C≥4S(S為殼體厚度，mm)且≥30mm。 計(jì)算管箱程接管位置的最小尺寸如下： C ≥ 4S = 4×26 = 104mm，取C = 105mm； 4.2 管板法蘭設(shè)計(jì) 壓力容器的可拆密封裝置形式很多，如中低壓容器中的螺紋連接、承插式連接和螺栓法蘭連接等，其中以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配比較方便的螺栓法蘭連接用得最普通。螺栓法蘭連接主要由法蘭、螺栓和墊片組成。本次設(shè)計(jì)管板與管箱和殼體的連接采用螺栓法蘭連接。 符號(hào)規(guī)定： ---- 預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小螺栓總截面積，以螺紋小徑計(jì)算或以無(wú)螺紋部分的最小直徑計(jì)算，取小者，㎡； ---- 實(shí)際使用的螺栓總截面積，以螺紋小徑計(jì)算或以無(wú)螺紋部分的最小直徑計(jì)算，取小者，㎡； ---- 需要的螺栓總截面積，取、之大者，㎡； ---- 操作狀態(tài)下，需要的螺栓總截面積，以螺紋小徑計(jì)算或以無(wú)螺紋部分的最小直徑計(jì)算，取小者，㎡； ---- 墊片有效密封寬度，mm； ---- 墊片基本密封寬度（見(jiàn)表9-1[1]）,mm； ---- 螺栓中心圓直徑，mm； ---- 墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm； ---- 法蘭內(nèi)直徑，mm； 當(dāng)時(shí)，法蘭軸向應(yīng)力（見(jiàn)式5-12）計(jì)算中，以代替。對(duì)筒體端部結(jié)構(gòu)，等于筒體端部?jī)?nèi)直徑； ---- 法蘭外直徑，mm； ---- 參數(shù)，,； ---- 螺栓公稱(chēng)直徑，mm； ---- 螺栓孔直徑，mm； ---- 在設(shè)計(jì)溫度下法蘭材料的彈性模量，按附錄F[1](提示的附錄),MPa； ---- 參數(shù)，， ---- 流體壓力引起的總軸向力，，N； ---- 整體法蘭頸部應(yīng)力校正系數(shù)（法蘭頸部小端應(yīng)力與大端應(yīng)力的比值），由圖9-7[1]查得或按表9-8[1]計(jì)算，當(dāng)時(shí)，取為1； ---- 預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力，N； ---- 作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力，,N； ---- 窄面法蘭墊片壓緊力，包括、，(預(yù)緊)三種情況，N； ---- 整體法蘭系數(shù)，由圖9-3[1]查得或按表9-8、9-9計(jì)算； ---- 操作狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力，N； ---- 流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力之差，,N； ---- 法蘭頸部高度，對(duì)筒體端部結(jié)構(gòu)，