固定管板式換熱器設計說明書

《固定管板式換熱器設計說明書》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《固定管板式換熱器設計說明書（41頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

固定管板式換熱器設計 摘 要 本 設 計 是 關 于 固 定 管 板 式 換 熱 器 的 結 構 設 計 主 要 進 行 了 換 熱 器 的 工 藝 計 算 換 熱 器 的 結 構 和 強 度 設 計 本 設 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 標 準 等 根 據 給 定 的 設 計 條 件 進 行 換 熱 器 的 選 型 校 核 傳 熱 系 數 計 算 出 實 際 換 熱 面 積 設 計 的 后 半 部 分 主 要 是 關 于 結 構 和 強 度 的 設 計 根 據 已 選 定 的 換 熱 器 型 式 進 行 設 備 內 部 各 零 部 件 如 接 管 定 距 管 折 流 板 折 流 板 管 箱 等 的 設 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 計 以 本 著 安 全 可 靠 經 濟 性 好 傳 熱 效 率 高 以 及 保 護 環(huán) 境 為 原 則 進 行 的 設 計 符 合 工 廠 中 的 實 際 應 用 關 于 固 定 管 板 換 熱 器 設 計 的 各 個 環(huán) 節(jié) 本 設 計 書 中 均 有 詳 細 說 明 關 鍵 詞 固 定 管 板 管 殼 式 換 熱 器 結 構 設 計 本科課程設計 I 固定管板式換熱器設計 II 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 本科課程設計 III 目 錄 摘 要 Abstract 第 1 章 設計任務 思想 1 1 1 設計任務 1 1 2 設計思想 1 第 2 章 換熱器的工藝設計 2 2 1 換熱器的工藝條件 2 2 2 估算設備尺寸 2 2 2 1 計算傳熱管數 NT 2 2 2 2 計算殼程直徑 D 3 第 3 章換熱器零部件的結構設計 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 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 拉桿的結構形式 7 3 3 2 拉桿直徑 數量和尺寸 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 管板結構尺寸 10 3 8 封頭 11 固定管板式換熱器設計 IV 3 9 法蘭結構類型 12 3 10 墊片的選取 12 3 11 鞍座的選取 12 第 4 章 換熱器的機械結構設計 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 22 6 8 計算管板參數 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 結束語 27 本科課程設計 V 參考文獻 28 致謝 29 固定管板式換熱器設計 0 第 1 章 設計任務 思想 1 1 設 計 任 務 本設計的課題為固定管板式冷卻器結構設計 設計包括結構設計和強度設 計 其中結構設計需要選擇既合理又經濟的結構形式 同時又可以滿足制造 檢修 裝配 運輸和維修等要求 而強度計算的內容則應包括換熱器材料 確 定主要結構尺寸 滿足強度 剛度和穩(wěn)定性等要求 再根據設計壓力確定壁厚 使換熱器能有足夠的腐蝕強度 1 2 設 計 思 想 本設計盡可能采用先進的技術 國家與行業(yè)標準 使生產既能達到技術先 進 經濟合理的要求 又能符合優(yōu)質 高產 安全 低消耗的原則 具體有以 下幾點 1 根據 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進行設計 2 應滿足工藝還有操作要求 所設計出來的流程和設備能可以保證得到質 量穩(wěn)定的產品 設計的流程與設備需要一定操作彈性 可方便進行流量和傳熱 的調節(jié) 3 應滿足經濟上的要求 設計應節(jié)省然熱能和電能的消耗 減少設備與基 礎的費用 選擇比較合理的回流比 節(jié)省水蒸氣 設計應要全面考慮 力求總 費用盡可能的低一些 4 應保證生產安全 保證換熱器具有一定剛度還有強度 根據設計壓力確 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 本科課程設計 1 第 2 章 換熱器的工藝設計 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 設計壓力 MPa 1 1 0 6 最高工作壓力 MPa 1 0 0 5 設計溫度 150 60 工作溫度 63 52 28 38 以下為參考數據 換熱面積 m2 400 換熱管規(guī)格及管束級別 25 2 5 6000 類 程數 1 4 標準規(guī)范 GB150 2011 GB151 2014 2 2 估 算 設 備 尺 寸 2 2 1 計 算 傳 熱 管 數 NT 本設計擬用傳熱管規(guī)格為 25 2 5 管長為 6m 傳熱管數 NT 為 NT 850 根dL A6025 4 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 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 GB151 2014 的規(guī)定 管心距定為 32mm 固定管板式換熱器設計 2 橫過管束中心線的管數 Nc 1 1 33 根850 本設計采用四管程結構 則殼程內徑為 D t nc 1 1 5 d0 32 33 1 1 5 25 1061 5mm 圓整得 D 1100mm 本科課程設計 3 第 3 章換熱器零部件的結構設計 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 當管內直徑兩側給熱系數相差較大時 翅片管的翅片應布置在給 熱系數低的一側 本設計選用光管 換熱管常用的尺寸 外徑 x 壁厚 主要為 19mmx2mm 25mmx2 5mm 和 38mmx2 5mm的無縫鋼管以及 25mmx2mm和 38mmx2 5mm的不銹鋼管 選用管徑時 本設計給出換熱管規(guī)格 25 2 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 設計時應該根據工 作壓力 溫度和介質腐蝕性等選用合適的材料 根據鋼材標準 GB T700 2006 中 20 號鋼完全可以滿足要求 因此本設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 管箱結構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 因而對流傳熱系數較高 相同 的殼徑內可排列更多的管子 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生污垢的場合 但是在同樣 的管板面積上可排列的管子數量較少 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比正三角形排 列還多 2 由于本換熱器流體性質屬于比較結晶和不易結垢 因此可以采用正 三角形排列 如圖 a 所示 固定管板式換熱器設計 4 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 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 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計殼程 介質流道 根據介質性質和流量以及換熱器大小確定折流板的多少 折流板被 設置在殼程 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 流經折流板弓形缺口時是順溜經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 結構較簡單 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 因此 本設計采用單弓形折流板 3 2 1 折 流 板 的 主 要 幾 何 參 數 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直徑的百分比來確定 1 單弓形折流板缺口 見圖 根據 GB151 2014 缺口弦高 h 值 宜取 0 20 0 45 倍的圓筒內直徑 取 系數為 0 25 切去圓缺高度 h 0 25 1100 275mm 本科課程設計 5 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徑之間的間隙越小 則殼體流體介質在此外的泄漏越 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 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 根據 GB151 2014 折 流板最小厚度 4 可選擇 8 3 2 4 折 流 板 的 管 孔 折流板的管孔直徑和公差 按照 GB151 2014 規(guī)定 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 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 管孔加工 折流板上管孔加工后兩段必須倒角 0 5 45 3 2 5 材 料 的 選 取 本設計中設計溫度 150 和設計壓力 P 1 1Mpa 根據 GB150 2011 選取材 料為 Q235 B 其適用范圍 容器設計壓力 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的壓力容器 3 3 拉 桿 定 距 管 固定管板式換熱器設計 6 3 3 1 拉 桿 的 結 構 形 式 從傳熱角度考慮 有些換熱器不需要設置折流板 但為了增加換熱管剛度 防止產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 必須設置一定數量支撐板 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 拉桿定距管結構 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構 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 采用其他的連接結構 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 根據上述規(guī) 定可選用拉桿定距管結構 3 3 2 拉 桿 直 徑 數 量 和 尺 寸 1 拉桿直徑和數量 根據 GB151 2014 規(guī)定 拉桿直徑 d 16mm 拉桿 數量為 6 根 2 拉桿尺寸 圖 3 4 拉 桿 尺 寸 示 意 圖 本科課程設計 7 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)域內或 是靠近折流板缺口處應布置適當數量的拉桿 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 蝕而設置的 防沖板在殼體內的位置 應使防沖板周邊與殼體內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 GB151 2014 規(guī)定 防沖板的固定形式為 a 防沖板的兩側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 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 接管宜與殼體內表面平齊 b 接管應盡量沿換熱器的徑向或軸向設置 c 設計溫度高于或等于 300 時 應采用對焊法蘭 d 必要時應設置溫度計接口 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 程的最高點設置放棄口 最低點設置排液口 其最小公稱直徑為 20mm f 立式換熱器可設置溢流口 固定管板式換熱器設計 8 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 15 mm 式中 h 接管法蘭厚度 mm h1 接管法蘭的螺母厚度 mm 保溫層厚度 mm I 接管安裝高度 mm 根據上述要求 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 其管箱的最小內側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 其結構型式有以下幾種 A 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 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 B 型封頭管箱型 如圖 b 用于單程或多程管箱 優(yōu)點是結構簡單 便于制造 適于高壓 清潔介質 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 C 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 型結構 減少了泄露的可能 性 一般用的較少 只在高壓情況下使用 本科課程設計 9 圖 3 5 管 箱 結 構 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 構 尺 寸 管板在換熱器的制造成本中占有相當大的比重 管板設計與管板上的孔數 孔徑 孔間距 開孔方式以及管子的連接方式有關 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 管板結構 這種管板結構尺寸 在依據確定的設計壓力 殼體內徑來選擇或設計法蘭 然后根據法蘭相應結構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 個數等等 根據上述確定的殼體內徑 D 1100mm 和設計壓力 PN 1 1Mpa 根據 JB4707 2000 確定法蘭 D 1260mm D1 1215mm 固定管板式換熱器設計 10 D2 1176mm D3 1156mm D4 1153mm 76mm d 27mm 螺柱規(guī)格 M24 數 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構形 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 由于結構不連續(xù) 錐殼的應力分布并不理想 但是其特殊的結構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 本科課程設計 11 對受均勻內壓封的強度計算 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 3 9 法 蘭 結 構 類 型 法蘭的基本結構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構 適用于有色金屬和不銹鋼制設備 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全熔透的平焊法蘭 這種結 構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 從結構來看 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 這類法蘭結構簡單 加工方便 故在低壓容器 或管道中得到廣泛應用 根據 JB T4702 2000 故選用整體式乙型平焊法蘭 3 10 墊 片 的 選 取 設備墊片主要有 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 固定管板式換熱器設計 12 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 本科課程設計 13 第 4 章 換熱器的機械結構設計 4 1 傳 熱 管 與 管 板 的 連 接 管子與管板的連接 在管殼換熱器的設計中 是一個比較重要的結構部分 它不僅加工工作量大 而且必須是每個連接處在設備的運行中 保證介質無法 泄露及承受介質壓力的能力 管子與管板的連接形式有強度脹接 強度焊接與 脹焊接的混合結構 無論采用何種連接方式 都必須滿足以下兩個條件 連接處 保證介質無泄漏的充分氣密性 承受介質壓力的充分結合力 強度脹接結構簡單 換熱管修補容易 由于脹接管端處在脹接使產生塑性變形 存在著殘余應力 不銹鋼管與管板無論壓力大小 溫度高低 一般均采用焊接結構 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換熱器的結構形式分為可拆連接及不可拆連接 可 拆連接主要用于浮頭式 U 型管式和填料函式換熱器的固定端管板 不可拆連 接在剛性結構換熱器中采用 其兩端管板的內側面直接焊在殼體上 而根據兩 端管板的外側面連接形式又分為管板兼法蘭和不兼作法蘭 目前用于管側介質 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 側壓力很高或密封性能要求也高的高溫高壓換熱器中 固定管板式換熱器設計 14 本設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 本科課程設計 15 殼體連接結構 根據具體情況也可選用其他形式的結構 其使用壓力及場合主 固定管板式換熱器設計 16 要根據焊縫是否焊透及焊縫受力的情況 可焊透結構及對接焊縫使用壓力則較 本科課程設計 17 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 固定管板式換熱器設計 18 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 本科課程設計 19 程壓力 Ps 1MPa 不適用于易燃 易揮發(fā)及有毒介質的場合 圖 b c 固定管板式換熱器設計 20 形式的焊接質量科大大提高 因此適適用在壓力較高 Ps 4MPa 設備直徑 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 其焊接結構性能已由交接變?yōu)閷?故承載能力更佳 在選 定上述結構形式時 要特別注意殼程介質有無間隙腐蝕作用 則只能選擇圖 b d 兩種不帶墊板的結構 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構形式 即圖 c e 它可以保證對接焊縫焊 透 焊 接 質 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 本科課程設計 21 圖 4 2 1 兼作法蘭的管板與殼體的連接結構 4 3 管 板 與 管 箱 的 連 接 管板與管箱連接多數是靠法蘭連接的 形式很多 隨著溫度 壓力及耐腐 蝕情況下不同而異 在設計中應合理選擇不同鏈接形式 對設備的制造 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構形式 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 構采用平面密封形式 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 根據本設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 固定管板式換熱器設計 22 第 5 章 換熱器的強度設計與校核 5 1 殼 體 管 箱 的 壁 厚 計 算 5 1 1 殼 體 16MnR 熱軋 根據 GB150 2011 在設計壓力 1 1MPa 和設計溫度 150 下的許用力 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 1 00 局部 無損檢測 0 85 取 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 3 57mm 4mmctP 2Di 1 702 設計厚度 d C 2 4 1 5mm 名義厚度 n d C 1 5 0 8 6mm 根據 GB151 2014 規(guī)定低合金 鋼圓筒最小厚度為 8mm 有效厚度 e n C 2 C1 8 1 0 8 6 2mm 設計溫度下的圓筒的計算 應力 t 98 13 MPa eic2DP 2 610 1 1MPawP e tDi2 2 6107 本科課程設計 23 5 1 2 管 箱 采用 16MnR 熱軋 根據 GB150 2011 在設計壓力 0 6MPa 和設計溫度 60 下的許用力 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 1 00 局部 無損檢測 0 85 取 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 2 64mm 3mmctP 2Di 6 0172 設計厚度 d C 2 3 1 4mm 名義厚度 n d C 1 4 0 8 5mm 根據 GB151 2014 規(guī)定低合金 鋼圓筒最小厚度為 8mm 有效厚度 e n C 2 C1 8 1 0 8 6 2mm 設計溫度下的圓筒的計算 應力 t 53 52MPa eic2DP 2 60 0 6MPawP e tDi2 2 6107 固定管板式換熱器設計 24 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 設計計算條件 設計壓力 ps 1 1MPa 設計溫度 Ts 150 C 平均金屬溫度 ts 101 裝配溫度 t0 15 C 材料名稱 16MnR 熱軋 設計溫度下許用應力 t 170 Mpa 平均金屬溫度下彈性模量 Es 1 9 105Mpa 平均金屬溫度下熱膨脹系數 s 1 12 105 mm mm C 殼程圓筒內徑 Di 1100 mm 殼 程 圓 筒 名義厚 度 8 mm s 殼 程 圓 筒 有效厚 度 6 2 mm se 殼體法蘭設計溫度下彈性模量 2 046 105 MPaEf 殼程圓筒內直徑橫截面積 A 0 25 Di2 2 827 105 mm2 殼程圓筒金屬橫截面積 As s Di s 1 528 104 mm2 6 2 管 箱 圓 筒 設計壓力 pt 0 6 Mpa 設計溫度 Tt 60 C 材料名稱 16MnR 熱軋 設計溫度下彈性模量 Eh 2 045 105 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 h 23mm 管箱圓筒有效厚度 he 19 mm 管箱法蘭設計溫度下彈性模量 2 045 105MpaEf 本科課程設計 25 6 3 換 熱 管 料名稱 20 GB8163 管子平均溫度 Tt 33 C 設計溫度下管子材料許用應力 130 MPa t 設計溫度下管子材料屈服應力 226 2 MPast 設計溫度下管子材料彈性模量 1 912 105 MPatE 平均金屬溫度下管子材料彈性模量 1 918 105MPat 平均金屬溫度下管子材料熱膨脹系數 1 1 105mm mm t C 管子外徑 d 25 mm 管子壁厚 t 2 5 mm 管子根數 n 850 換熱管中心距 S 32mm 一根管子金屬橫截面積 176 7 mm2ad tt 換熱管長度 L 6000 mm 管子有效長度 兩管板內側間距 L 5920 mm 管束模數 4489 Mpa 管子回轉半徑 8 004 mmtK 2t2 5 0 di 管子受壓失穩(wěn)當量長度 lcr 240 mm 系數 Cr 129 2 tstE 比值 29 99licr 管子穩(wěn)定許用壓應力 時 32 59 MPailCcrr cr2rt il 管子穩(wěn)定許用壓應力 時 99 99Mpailcr cr rcts1Ci 6 4 管 板 材料名稱 16Mn 設計溫度 80tp 設計溫度下許用應力 150 Mpa r t 設計溫度下彈性模量 2 038 105 MPaEp 管板腐蝕裕量 C 2 1mm 管板輸入厚度 n 40 mm 管板計算厚度 36 mm 隔板槽面積 包括拉桿和假管區(qū)面積 Ad 1 68 10 4 mm2 固定管板式換熱器設計 26 管板強度削弱系數 0 4 管板剛度削弱系數 0 4 管子加強系數 K 4 898 LEnaDKpti2 318 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 f 法蘭外徑 830 mm 基本法蘭力矩 N mmDf Mm 管程壓力操作工況下法蘭力 8 76 106 N mmMp 法蘭寬度 70 mm2 ifb 比值 0 025 比值 0 07333 hi fi D 系數 按 h Di f Di 查 圖 25 0 00C 系數 按 h Di f Di 查 圖 26 0 003472 旋轉剛度 70 4 Mpa 2 1 h 3i ffi f EbDEK 6 6 殼 體 法 蘭 材料名稱 16Mn 殼體法蘭厚度 36 mm f 法蘭外徑 830 mm 法蘭寬度 70 mmfD2 ffiDb 比值 0 01 比值 0 045is i f 系數 按 h Di f Di 查 圖 25 0 00C 系數 按 h Di f Di 查 圖 26 0 000344 旋轉剛度 8 462 MPa 2 1s 3i fi EDbEKff 法蘭外徑與內徑之比 1 233if 本科課程設計 27 6 7 系 數 殼體法蘭應力系數 Y 按 K 查 表 9 5 9 379 管板第一彎矩系數 按 查 圖 27 0 1421f m1 系數 19 6f 1m 系數 按 查 圖 29 3 396Ktf G2 換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼體剛度之比 3 359Q stAEna 換熱管束與帶膨脹節(jié)殼體剛度之比 LKexexst 管板第二彎矩系數 按 K Q 或 查 圖 28 a 或 b Qex 2 828m2 系數 帶膨脹節(jié)時 代替 Q 0 002147ex 2211GKmM 系數 按 K Q 或 Qex 查圖 30 0 0076323 法蘭力矩折減系數 0 1625 f f 管板邊緣力矩變化系數 3 538 ts 2 tE 法蘭力矩變化系數 0 4252 MK ff 6 8 計 算 管 板 參 數 管板開孔后面積 A 0 25 n d 2 1 689 105 mm2 l 管板布管區(qū)面積 三角形布管 d2t86 0S 正方形布管 tAn 固定管板式換熱器設計 28 管板布管區(qū)當量直徑 532 3 mm 4ttAD 系數 0 5972 Al 系數 0 2428lna 系數 4 779 s0461 Q 管板布管區(qū)當量直徑與殼體內徑之比 0 8872 tti D 本科課程設計 29 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 規(guī) 定 7 1 1 筒 體 a 圓 筒 內 直 徑 允 許 偏 差 用 板 材 卷 制 時 內 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 e 0 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 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 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 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 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 Ra 25 m 固定管板式換熱器設計 30 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 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 25 m 外 圓 面 兩 側 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 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 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 浮 頭 式 換 熱 器 的 結 構 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 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 本科課程設計 31 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 地 腳 螺 栓 兩 側 均 有 墊 鐵 設 備 找 平 后 楔 入 墊 鐵 可 與 設 備 支 座 底 板 焊 牢 但 不 得 與 下 面 的 平 墊 鐵 或 滑 板 焊 死 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 置 過 濾 網 系 統(tǒng) 中 如 無 旁 路 試 車 時 應 增 設 臨 時 旁 路 試 車 開 始 后 開 啟 放 氣 口 使 流 體 充 滿 設 備 此 設 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 備 的 介 質 有 腐 蝕 性 停 車 后 應 將 殘 存 介 質 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 常 對 管 程 和 殼 程 介 質 的 溫 度 和 壓 降 進 行 監(jiān) 督 分 析 換 熱 器 的 泄 露 和 結 構 情 況 在 壓 降 增 大 和 傳 熱 系 數 降 低 超 過 一 定 數 值 時 應 根 據 介 質 和 換 熱 器 的 結 構 選 擇 有 效 的 方 法 進 行 清 洗 應 經 常 監(jiān) 視 管 束 的 震 動 情 況 固定管板式換熱器設計 32 結束語 本 次 設 計 依 據 國 家 相 關 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 計 進 行 了 工 藝 設 計 結 構 設 計 機 械 設 計 和 加 工 工 藝 設 計 出 來 的 換 熱 器 在 選 材 工 藝 結 構 等 方 面 都 達 到 較 高 的 標 準 滿 足 生 產 要 求 在 換 熱 器 的 設 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 據 包 括 從 已 發(fā) 表 的 文 獻 中 和 從 生 產 現 場 中 搜 集 的 能 力 2 樹 立 了 既 考 慮 技 術 上 的 先 進 性 與 可 行 性 又 考 慮 經 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 計 思 想 在 這 種 設 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 計 思 想 的 能 力 本科課程設計 33 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 構 鋼 GB T700 2006 中 國 標 準 出 版 社 6 石 油 化 工 設 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 備 設 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 備 余 國 綜 主 編 天 津 大 學 出 版 社 TQ053 8061 9 化 工 容 器 及 設 備 卓 震 主 編 中 國 石 化 出 版 社 1998 TQ053 2 11004 10 化 學 工 程 手 冊 第 十 三 篇 化 學 工 業(yè) 出 版 社 1979 TQ02 62 2912 13 11 化 工 原 理 上 下 冊 化 學 工 業(yè) 出 版 社 12 石 油 化 工 工 藝 計 算 圖 表 烴 加 工 出 版 社 TE6 64 1013 13 過 程 設 備 設 計 鄭 津 洋 董 其 伍 桑 芝 富 主 編 化 學 工 業(yè) 出 版 社 2010 6 14 化 工 設 備 設 計 手 冊 材 料 與 零 部 件 上 上 海 科 學 技 術 出 版 社 1982 年 15 壓 力 容 器 與 化 工 設 備 使 用 手 冊 上 冊 董 大 勤 袁 鳳 隱 主 編 化 學 工 業(yè) 出 版 社 2000 16 過 程 裝 備 制 造 與 檢 測 鄒 廣 華 劉 強 主 編 北 京 化 工 工 業(yè) 出 版 社 2003 年 17 化 工 設 備 設 計 全 書 化 工 設 備 用 鋼 王 非 林 英 編 北 京 化 工 工 業(yè) 出 版 社 2003 12 18 化 工 煉 油 設 備 常 用 標 準 匯 編 上 冊 蘭 州 石 油 機 械 研 究 所 編 北 京 技 術 標 準 出 版 社 出 版 1978 固定管板式換熱器設計 34