毕业设计（论文）-PN1.6DN500浮头式换热器设计.doc

xxxxxxxx大学毕业设计(论文)说明书摘 要本设计说明书介绍了题目为pn1.6dn500冷却器的设计过程，并简要论述了它的运用场合、特点和制造加工工艺。本文首先以给出的技术特性与工艺参数为基础，利用传热原理等理论进行工艺计算，确定了内导流浮头式冷却器的基本型号bes 5001.6553/192；再依据gb1501998钢制压力容器和gb1511999管壳式换热器等标准着重对浮头式换热器各零部件进行了结构设计与强度校核，包括筒体、管箱、浮头法兰、浮头盖、管板以及开孔补强等部件及元件；最后，介绍了内导流浮头式换热器的检验、安装、使用与维修等内容。关键词： 传热系数 内导流筒 浮头法兰 弓形折流板 浮头式换热器 abstractthis design specifications introduces the design process of pn1.6 dn500 cooler, and expounds briefly the utilization situation、characteristic and manufacture process. firstly, it is based on physical technical characteristic and technology parameter given in the production that the technology calculation is done by making use of fundamentals about heat transfer process in order to define the model of floating-head type cooler with inner diversion tube, which is bes 5001.644.93/252. then, the structural design and intensity examination about most of components in heat exchanger are carried out by means of standards, such as gb1501998 and gb1511999，including tube body、 tube box、 floating head flange、 floating head cover、the tube plate as well as reinforcement for opening and so on. finally, it is also related to inspection、installation、 operation and maintenance about floating-head type heat exchanger with inner diversion tube.key word: heat transfer coefficient ；inner diversion tube ; floating head flange；flow resistance；segmental baffle；floating-head type heat exchanger ;60目录摘 要iabstractii绪 论1第一章 方案论证51.2 经济合理性71.3 结构可操作性7第二章 结构及强度设计92.1 筒体结构设计及计算192.1.1. 筒体厚度计算92.1.2 筒体的强度校核和水压试验102.2 管箱结构设计112.2.1封头的材料及形式选择14112.2.2标准封头壁厚计算112.2.3管箱应力校核122.2.4 管箱的结构设计122.3 管箱法兰设计132.3.1 法兰选用5132.3.2垫片选用8132.3.3螺柱与螺母选用5142.3.4管箱法兰计算及校核2142.4 钩圈式浮头的设计192.4.1 钩圈式浮头的结构尺寸计算192.4.2 浮头盖的设计计算202.4.3浮头钩圈的设计计算282.5 换热管及管板的设计282.5.1、换热管的设计282.5.2 换热器管板设计302.6 外头盖设计352.6.1 外头盖侧法兰选用10352.6.2.外头盖法兰选用5362.6.3.外头盖垫片及其它9362.6.4 外头盖封头的设计14362.7 开孔补强设计1373.7.1 补强判别372.7.3封头开孔补强计算392.8 其他零部件设计2402.8.1拉杆设计402.8.2 分程隔板设计412.8.3 定距管设计412.8.4滑道设计412.8.5 折流板的设计计算412.8.6. 防冲板设计(gb151- 1999, )432.8.7. 内导流筒的选用432.8.8. 防短路结构设计432.8.9. 鞍式支座的选用11442.8.10. 预防管束发生振动破坏的措施45第三章 浮头式换热器的制造、检验与验收463.1浮头式换热器制造、检验与验收要求463.2浮头式换热器的制造工艺4463.2.1主要零部件的加工工艺463.2.3 浮头式换热器的焊接工艺503.2.4 浮头式换热器的涂漆工艺513.3浮头式换热器的检验与验收513.3.1 换热器常见的试验工艺及要求523.3.2 浮头式换热器的检验工艺52第四章 浮头式换热器的安装、使用与维修544.1浮头式换热器的安装要求544.2浮头式换热器的使用与维修4544.2.1浮头式换热器使用时常见的几种破坏形式544.2.2浮头式换热器的维修55第五章 分析与总结56设计小结57参考文献58致 谢60绪 论过程设备在生产技术领域中应用非常广泛，是化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、能源、纺织、宇航、城建、国防、海洋工程等传统部门所必需的关键设备。它不仅关系到人类的生活和生产，而且直接创造着社会财富，对一个国家的经济起着至关重要的作用。在过程工业中，绝大多数化学反应或传质过程都伴随有热量的变化；同时，几乎所有的工艺过程都有加热、冷却或冷凝的过程，无论是排除多余的热量以便工艺顺利进行，还是进行热量的传递和交换，都必须通过换热设备才能得以进行。因此，换热器不仅是保证工艺流程顺利进行所广泛使用的通用设备，也是开发利用工业二次能源、实现热回收和节约能源的重要设备。目前，研究的重点主要是传热机理、传热强化、两相流、模拟及测试技术、计算机应用、振动、污垢以及与能源利用和环境保护有关的新型高效换热器。但随着能源综合利用和经济效益快速提高的日趋重要，换热器结构性能的设计面临着新的挑战。在提高设备热效率的同时，换热器也正在继续朝着结构紧凑、产品系列化、标准化、专业化和大型化的方向发展。目前在过程工业中，应用最广泛的的换热设备是管壳式换热器，尤其是在石油化工、能源等部门。一般来说，管壳式换热器具有结构坚固、制造容易、生产成本低、适应性大、选材广泛、清洗方便、处理能力强且能适应高温高压等优点。虽然它在结构紧凑性，传热强度和单位传热面积金属消耗量方面无法与紧凑式换热器相比，但它的经济性和可靠性，特别是在高参数的工况条件下，更显示出其独有的长处，仍然是当今应用最为广泛的换热设备，约占换热设备总重的70%。其按结构特点，常见型式可分为：固定管板式换热器、浮头式换热器、u形管式换热器、填料函式换热器、方形壳体翅片管换热器等。（1） 固定管板式换热器固定管板式换热器是管壳式换热器中最基本的一种，其是不同温度的两种流体分别从管外、管内流过，通过间壁进行热交换。这类换热器的结构较简单，制造较方便，造价较低、管侧清洗方便，从而应用相当广泛。在传热面大的情况下，管外管间的截面很大，当流体流量较小时，为了提高载热体的流速及搅动性以改善给热条件，可在壳程中装折流挡板。同时，为提高管内流体的流速，也可将管程分成任一偶数程，并在流体进口管箱的封头中装一块隔板，流体每次只流经一半管子，这样管程就分成了双程；若两个室中都装置隔板，可以把管程分成4程、6程等。其结构缺点是由于管板焊在壳体上，因此在冷、热流体温差较大时，管束与壳体热膨胀伸长量不同，易造成管子与管板连接处因温差应力而产生裂纹，甚至被拉脱，使换热器发生泄漏。另外，由于管束与壳体焊死，管子外表无法用机械方法清洗，因此要求壳程流体干净，不易结垢、结焦和沉淀。但在壳体上增加膨胀节，可以解决换热器管束与壳体热膨胀伸长量不同的问题，从而使其结构能够在冷、热流体平均温差较大或高压的场合下使用，因为可将接头拆下来进行清洗，所以可处理易结垢流体，而对低压气体则不适宜,但其缺点就是制造复杂，仅适用于壳程流体压强小于0.6mpa,管壳温差小于700c且管间只能通过清洁流体的场合。图0.1 固定管板式换热器结构示意图1 管板；2换热管；3折流板（或支承板)；4简体；5封头图0.2 双程固定管板换热器结构示意图1封头；2法兰；3排气口；4筒体；5换热管；6波形膨胀节；7折流板(或支承板)；8防冲板；9壳程接管；10管板；11管程接管；12隔板；13封头；14管箱；15排液口；16定距管；17拉杆；18支座；19垫片；20、21螺栓、螺母 （2） u形管式换热器型管壳式换热器为克服固定管板式换热器的不足，将管子作成“”型，且只有一块管板，弯成u形的管子两端都固定在此管板上；这样，一端固定另一端活动,使得换热器不受膨胀的影响。其管程至少有两程，板上管束可因冷热变化而自由伸缩，而不会造成温差应力。其优点是结构较简单,重量轻，能承受较高的温度和压力，管束可以抽出，管外壁清洗方便；其缺点是不能机械清洗、管子不便拆换、单位容量及单位质量的传热量低，其造价比固定管板式高10%左右，适用于温差大、管内流体介质比较干净或不需要机械方法清洗及高温、高压、腐蚀性强的场合。当压力较高时，在弯管段壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。图0.3 u形管式换热器结构示意图45中间挡板；46u形管；47内导流筒（3） 浮头式换热器 浮头式换热器其一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动，与壳体不相连的部分称为浮头。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不会产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出，这样为检修和清洗提供了方便，其可整体清洗。这种形式的换热器特别适用于高压、壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程都要进行清洗的工况。 浮头式换热器的缺点是结构复杂，价格较贵，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况，所以装配时一定要注意密封性能。浮头式换热器的结构见下图：图0.4 浮头式换热器示意图 目前国内浮头管壳式换热器结构不宜随便拆卸,拆下管箱后管程内介质就会大量从松动的密封面泄漏。因此在结构设计时考虑以上症结, 对提高冷却器换热效率与改善环境是至关重要的，这点在方案论证中将具体说明。因此，通过上述常用的几种换热器的比较分析可以知道，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。依据设计所提供的工艺参数和介质的特性，同时经过技术可行性和经济性论证后，本次设计的冷却器选用内导流浮头式换热器（见图0.4），因热膨胀不是很大，在结构上采用固定隔板结构，但选用带肩式紧固螺栓进行管箱、管板、壳体三者的连接，不仅可以起到充分换热提高效率的作用，同时也能克服其它换热器的一些主要的缺点，而且便于维护和检修。第一章 方案论证换热器是化工、石油、食品、动力等许多部门实现物料之间热量传递的通用设备。随着科学和生产技术的发展，各工业部门在生产中对换热器有不同的要求，故换热器的类型和结构也有许多种。流体的种类、流体的运动、设备的压力和温度等也都必须满足生产过程的要求。 随着科学技术的进步与发展（如高压、 高速、低温、超低温等），又促使了高强度、高效率的紧凑式换热器的发展。在设计和选用时可根据生产要求进行选择。衡量一个换热系统，评价方法很重要。而往往影响因素很多且相互影响，从真正意义上实现“最佳化”是不可能的。一个好的换热设备设计，一般要满足下列要求：a 在给定的工艺参数条件（流体的流量、温度）下，达到要求的传热量和流体出口的温度（即符合工艺条件），合理的实现所规定的工艺条件。b 采用传热速率大、流体流动压力将小、传热面积小的换热设备，以取得最佳效益。c 设备安全可靠； d 便于制造、安装、操作和维护。在满足上述基本要求的同时，也要从技术可行性、经济合理性和结构可操作性等方面加以考虑。1.1 技术可行性在前面已经提及到，一套好的换热设备要在较小的换热面积下实现较好的传热效果。这就必然要求在设计和选型时充分考虑到强化换热器的传热过程。由总传热速率方程：，通过选取合适的dtm、k、s可提高传热速率q。1.1.1 尽可能增大传热平均温度差tm传热平均温差与生产工艺所确定的冷热流体温度条件有关，且其中的加热或冷却介质的温度因所选介质不同而存在很大差异。本设计的换热器中流体均无相变时，可在结构上采用逆流或接近于逆流的流动排布型式以及降低冷却剂的进口温度，如采用深井水来代替循环水，以增大平均传热温差。然而，传热温差的增大将使整个系统的热力学不可逆性增加。因此，不能一味追求传热温差的增加，而需兼顾整个系统能量的合理利用和经济合理性。1.1.2尽可能增大单位体积的总传热面积扩展传热面积的方法应以合理地提高设备单位体积的传热面积。本次设计的换热器，其所需管壳程数少，可以不单纯地通过扩大设备的体积来增加传热面积，或增加换热器的台数来增加传热量，完全可以如采用翅片管、波纹管、螺纹管来代替光管等，从改进传热面结构和布置的角度（如直接接触传热）出发加大传热面积，以达到换热设备高效、紧凑的目的。1.1.3尽可能增大传热系数k提高传热系数是强化传热过程的积极措施。欲提高传热系数，就必须减小传热过程各个环节的热阻。由于各项热阻所占份额不同，故应设法减小传热过程中的主要热阻。在换热设备中，金属间壁比较薄且导热系数较高，一般不会成为主要热阻。而污垢热阻是一个可变因素，在换热器投入使用的初期，污垢热阻很小。随着使用时间的增长，污垢将逐渐集聚在传热面上，成为阻碍传热的重要因素。因此，应通过增大流体流速等措施减弱污垢的形成和发展，并注意及时清除传热面上的污垢。通常，流体的对流传热热阻是传热过程的主要热阻。当间壁两侧流体的对流传热系数相差较大时，应设法强化对流传热系数较小一侧的对流传热。由公式 可以分析，并针对本设计，增强对流传热的方法主要有：1在强度允许范围内，选用较小的管壁厚度b，使管壁导热热阻减小。2当两流体的a值相差较大时，设法提高较小一侧流体的a值。3本次设计冷却水必须走管程，长期使用会结垢，可以通过换热器定期清洗或者在设计时匹配好折流板缺口与板间距，消除低流速区和局部循环区以解决污垢问题，减小管壁两侧的污垢热阻。目前，这些措施和方法在工业生产中以得到过应用，本设计选用浮头式换热器在技术上是可行的。但强化传热也应权衡利弊，在采用强化传热措施时，对设备结构、制造费用、动力消耗、检修操作等方面作综合考虑，以获得经济而合理的强化传热方案。1.2 经济合理性在考虑到工艺条件和公称直径的前提下，相比而言，选用内导流浮头式换热器，可以在管、壳程数比较少的情况下以较少的换热面积来满足工艺要求和实现最佳的经济效益。这样所要求的换热管数目少些，换热管长度也短，必然会使筒体的用量大为减少；同时，从长远来看，其在使用过程中产生破坏的几率比其它的形式要小些，维修费会低些。1.3 结构可操作性为了从结构上保证并符合设计的冷却器热传导技术性能, 目前在大多数浮头式换热器设计中已经进行了一些改进，如：对浮动隔板部分结构改进; 对管箱、管板、壳体三者间的连接结构改进, 从而解决了管程清理时壳程内介质的外泄问题。具体说明如下： 1）在多管程冷却器(或换热器)管箱中, 普通的隔板结构形式都为固定隔板结构。虽然在设备加工制作中, 通过对封头与隔板焊后进行消应力退火, 可以减少隔板在使用过程中的变形, 以免产生介质短路, 影响换热效果。但实际实践中, 由于焊接应力无法彻底消除, 隔板在使用过程中应力释放产生隔板变形, 介质的冷热循环作用也导致隔板变形, 结果形成隔板两侧冷热介质串混, 换热效果显著下降。因冷却器一端采用封头为浮头型式, 为防止冷却水短路而影响冷却器的实际换热效果, 可将管束隔板结构改进设计为一种特珠的、可随浮头管板热胀冷缩、密封自动补偿型的密封隔板结构，其在冷却器使用过程中, 始终自动贴紧浮动管板, 从而保证了管程的冷却水水流不会产生短路, 保证冷却器的换热效果。2）浮头管壳式冷却器在使用一段时间后, 需要对管程进行杂质清理和对换热管内外壁进行清垢处理。处理时需要拆卸管箱, 由于原冷却器管箱和管板及壳体间由普通螺栓紧固联接, 因此当松开封头螺母时, 管箱、管板、壳体三者同时松动, 管板与壳体间的密封失效, 导致壳程内润滑油从管板与壳体间的密封面处大量外泄。在本次浮头管壳式冷却器结构设计中, 对此进行了改进而采用带肩式紧固螺栓， 如图5所示连接结构。图1.1管箱、管板、壳体的连接图这种特殊的紧固联接结构和特殊螺栓结构, 使冷却器在拆下封头、清理管程时, 管板与壳体不会产生任何松开, 仍保持管板与壳体间密封面的良好的密封, 保证壳体内润滑油不产生泄漏。这种结构不仅防止管程清理时壳程内润滑油的损耗, 同时使设备周围的生产环境得到很大改善。第二章 结构及强度设计2.1 筒体结构设计及计算1由第一章已得冷却器的型号为bes5001.644.92浮头式换热器。2.1.1. 筒体厚度计算1） 确定设计压力由设计任务给定冷却器的设计压力p为1.6mpa；而经计算可知容器承受的液柱静压力小于5%，可忽略不计，那么取计算压力 mpa。2）确定设计温度设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度，参阅gb150-1998。管程进口温度20，出口温度75，取管程设计温度取100。壳程进口温度180，出口温度135，取壳程设计温度为200。3）选用筒体材料介质为易燃易爆气体，筒体材料选q345r，壳程设计温度为200，由gb15098查表4-1如下：表3-1 筒体材料许用应力钢号钢板标准使用状态厚度mm常温强度指标设计温度下许用应力 mpampampaq345rgb713热轧正火3165103451834） 筒体的厚度计算圆筒由钢板卷焊而成； 焊缝型式：双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊缝； 无损探伤要求：100%无损探伤，=1.0。公式适用范围为，故筒体的计算厚度按下式计算： mm式中： mpa ； mm； mpa （假定钢板厚度在1636mm范围内）根据gb6654压力容器用钢板规定：对于q345r钢板可取厚度负偏差mm；在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，腐蚀裕量不小于1mm,取腐蚀裕量c2 = 1mm。设计厚度 mm；查gb151-1999，公称直径为500mm的浮头式换热器圆筒的最小厚度为8mm, 那么名义厚度圆整后可取 mm。检查：mm时，、无变化，故取筒体名义厚度mm合适。筒体的有效厚度 mm2.1.2 筒体的强度校核和水压试验1）强度校核由gb15098查得：t =183mpa设计温度下圆筒的计算压力可用下式计算：mpa , 故满足强度要求。2）水压试验 取试验温度为200，筒体材料均为q345r，查得： mpa。 根据gb1511999 p14规定：水压试验压力按下式计算 mpa 压力试验时圆筒的薄膜应力为 mpa而 mpa； 相比较有：故满足水压试验的强度要求。2.2 管箱结构设计2.2.1封头的材料及形式选择14材料选q345r，选择标准椭圆形封头，根据jb/t4736-2002 p28，选以内径为基准，类型代号为eha，型式参数关系为：di/2(h-h)=2。标准椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒组成。直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。如图2-1所示：图3.1 封头断面形状查jb/t4746-2002 ，附录b，表b.1得 dn500，总深度h175mm，内表面积a=0.4374m2 ，容积v=0.0353 m3 ；h1=150mm,h2=25mm标记： eha 500 jb/t4746-20022.2.2标准封头壁厚计算根据gb150-1998 p49 ，封头的计算厚度按下式计算 mm式中：应力增强系数 （采用标准椭圆封头） 查jb/t47462002,，1.0 (100%无损检测)根据gb6654压力容器用钢板规定：对于q345r钢板可取厚度负偏差mm；在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，腐蚀裕量不小于1mm,取腐蚀裕量c2 = 1mm；厚度附加量。设计厚度 mm；名义厚度圆整后可取 mm检查：mm时，、无变化且满足封头选型时的假设，故取封头名义厚度mm合适。筒体的有效厚度 mm由jb/t4746-2002 ，附录b，表b2，,=500mm,查得封头质量m=31.02kg 2.2.3管箱应力校核 取试验温度为200，管箱材料为q345r，钢板标准gb713，使用状态：热轧正火，查得： mpa。 根据gb1511999 p14规定：水压试验压力按下式计算 mpa压力试验时椭圆形封头的应力为 mpa而 mpa； 相比较有：6.4mm，则 c. 垫片压紧力a) 预紧状态下需要的垫片压紧力 b) 操作状态下需要的最小垫片压紧力2） 螺栓计算 (参见gb150-1998, )a. 螺栓载荷a) 预紧状态下需要的最小螺栓载荷 b) 操作状态下需要的最小螺栓载荷 b. 螺栓面积a) 预紧状态下需要的最小螺栓面积 常温下螺栓材料的许用应力，查gb150-1998表4-7，对于40mnvb，钢材标准gb3077，使用状态为调质 ，=210mpa； 设计温度100下螺栓材料的许用应力=190mpa，则预紧状态下需要的最小螺栓面积b) 操作状态下需要的最小螺栓面积 c) 需要的螺栓面积 d) 实际螺栓面积 满足设计要求。c. 螺栓设计载荷a) 预紧状态下螺栓设计载荷 b) 操作状态下螺栓设计载荷 3） 受内压管箱法兰计算及校核 (参见gb150-1998, ) 法兰力矩 a) 预紧状态下的法兰力矩 力臂 其中，螺栓中心圆直径 = d1 =700mm则 b) 操作状态下的法兰力矩 由gb150-1998,表9-4, ,得 ; 其中，螺栓中心主法兰颈部与法兰背面交点的径向距离,即 则 那么作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力 流体压力引起的总轴向力与作用法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力之差 则 法兰设计力矩常温下法兰材料许用应力 ；设计温度下法兰材料许用应力；查gb150-1998,表4-5, ,法兰材料为,设计温度为100, 则=170mpa，=170mpa. 法兰应力a) 轴向应力 其中：法兰颈部小端有效厚度；法兰颈部大端有效厚度法兰颈部高度 , 参数法兰有效厚度= ； ； 查gb150-1998,表9-5, p103得： t=1.83, z=4.90 y=9.5, u=10.44查gb150-1998, 图9-3,，得：整体法兰系数=0.873，则 查gb150-1998，图9-4,得整体法兰系数vi =0.318，则参数 , , 查gb150-1998，图9-7， 得f =1.70b) 径向应力 b) 环向应力 应力校核a) 轴向应力 其中 设计温度下圆筒材料许用应力=170mpa；则 ，符合设计要求。b) 径向应力 ，符合设计要求。c) 环向应力 ，符合设计要求。c) 组合应力 符合选用要求。综合上述，管箱法兰设计符合要求。2.4 钩圈式浮头的设计2.4.1 钩圈式浮头的结构尺寸计算浮头钩圈采用刨开型式，这样便于装拆。 钩圈式浮头的结构尺寸 参看2gb151-1999 p80 ，其结构尺寸图如下： 图3.5 钩圈式浮头的结构 按gb151-1999 5.6.3.3的规定 查p23 表14 取 =4mm；（当di3当di=1000-2600时4）查表15，取垫片宽度 =12mm；=3mm；（当di=10,=3mm,当di700时=13, =5mm）则 mm c安装及拧紧浮头螺母所需空间尺寸，应考虑在各种情况下的热膨胀量，宜不小于60mm，取为80mm； 浮头法兰和钩圈的内直径 浮头法兰和钩圈的外直径 布管限定圆直径，按gb151-1999 5.6.3.3确定 p23 表13，对于浮头式有： 外头盖内直径 浮头管板外直径 2.4.2 浮头盖的设计计算各符号及取值：螺栓中心圆直径 =+()/2=494+(580-494)/2=537mm法兰外直径 ，为580 mm 垫片压紧力作用中心圆直径 法兰内直径，为470 mm 作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的轴向分力 作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的径向分力pc 计算压力mpa；分别取管程压力pt（内压）和壳程压力ps（外压） 封头球面内半径，查p81 表46 =500mmld 螺栓中心至法兰环内侧的径向距离lr 对法兰环截面形心的力臂 封头边缘外球壳中面切线与法兰环的夹角球冠形封头计算厚度，mm球冠形封头名义厚度，mm浮头法兰计算厚度，mm封头材料在设计温度下的许用应力，mpa焊接接头系数1）浮头垫片及螺栓计算a浮头垫片的选用及计算由jb/t4700-20008，表2，根据匹配要求，结合hg2058020585-1998 p363 附录a，选用缠绕垫片；由jb/t4705-2002，选用材料0cr13钢带+特制石棉，凸密封面应带内加强环；由jb/t4705-2002，表4，p71，当dn=500，pn=1.6，查得如下结构尺寸(单位：mm)：表33 垫片尺寸 d d d1 592 572568 由jb/t4705-2000，图1，p70，垫片的金属板材厚度为4.5mm，结构如下：图3.6 缠绕垫片（带内加强环）查gb150-1998，表9-2，对于内填石棉缠绕式金属，有：垫片系数m=3，比压力y=69mpa.标记： 垫片 b 5 15001.60 jb/t4705-2000a. 垫片有效密封宽度： 垫片外径/内径/厚度为/4.5， 按gb150-1998 p91表9-1 压紧面型式1a 则 ，那么有效密封宽度b. 垫片压紧力作用中心圆直径 因 6.4mm，则 dg取垫片接触的平均直径，即 c. 垫片压紧力a) 预紧状态下需要的垫片压紧力 b) 操作状态下需要的最小垫片压紧力b 螺栓计算 (参见gb150-1998, )选用等长双头螺栓，查jb/t4700-2000 p6 表2 根据螺栓材料40cr选螺母材料为45；a. 螺栓载荷a) 预紧状态下需要的最小螺栓载荷 b) 操作状态下需要的最小螺栓载荷 b. 螺栓面积a) 预紧状态下需要的最小螺栓面积 常温下螺栓材料的许用应力， =196mpa； 设计温度100下螺栓材料的许用应力=176mpa，则预紧状态下需要的最小螺栓面积b) 操作状态下需要的最小螺栓面积 c) 需要的螺栓面积 d) 实际螺栓面积满足设计要求。c. 螺栓设计载荷a) 预紧状态下螺栓设计载荷 b) 操作状态下螺栓设计载荷 2） 浮头法兰的设计计算参看5压力容器法兰jb/t4700-2000 p5 表1 选用长颈对焊法兰，密封面型式为凸面。 查jb/t4700-2000 p11 表7 法兰材料选用锻件q345r时，其在1.6mpa 100 时的最大允许工作压力为1.60mpa；其它设计条件：计算压力pc=1.6mpa ；设计温度t=100； 法兰材料为锻件q345r常温下法兰材料的许用应力设计温度下法兰材料的许用应力 螺栓材料为40cr，常温下螺栓材料的许用应力 设计温度下螺栓材料的许用应力 钩圈式浮头换热器的浮头盖宜采用球冠形封头。球冠形封头，浮头法兰应分别在管程压力pt作用下和壳程压力ps作用下进行内压和外压的设计计算，取其大者为计算厚度。（1）管程压力pt作用下（内压）浮头盖的计算参看gb151-1999 p81 查jb/t4767-2002 钢制压力容器用封头p33 要100%射线探伤，取=1.0a球冠形封头计算厚度（材料q345r） =170mpa (取pt=pc)根据gb6654压力容器用钢板规定：对于q345r钢板可取厚度负偏差mm；在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，腐蚀裕量不小于1mm,取腐蚀裕量c2 = 2mm；厚度附加量。设计厚度 mm；名义厚度圆整后可取 mm检查：mm时，、无变化且满足封头选型时的假设，故取封头名义厚度mm合适。筒体的有效厚度 mmb、 受内压浮头法兰厚度计算 gb151-1999 p82 表47 法兰力矩 a) 预紧状态下的法兰力矩 力臂 则 b) 操作状态下的法兰力矩 查jb/t4721-92 表1浮头法兰的厚度，因浮头法兰的计算厚度尚为计算出，先取，计算出后再进行校核。 查gb1501998图91，p88，取焊角底高，则那么作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力流体压力引起的总轴向力与作用法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力之差 则 法兰厚度计算预紧状态 操作状态 预紧状态下法兰厚度 mm操作状态下法兰厚度 法兰厚度取与之大者，且不小于球冠心封头名义厚度的两倍，则 圆整取=70mm 。 （2）壳程压力ps作用下（外压）浮头盖的计算参看2gb151-1999 p81 查jb/t4767-2002 钢制压力容器用封头p33 要100%射线探伤，取=1.0a球冠形封头厚度确定a. 球冠形封头计算厚度选用材料q345r，则在设计温度下的许用应力为 =170mpa参数 查gb150-98 p52 t图7-5 得：q=2.2 (取ps=pc) b. 外压球壳所需的有效厚度的计算： 根据gb6654压力容器用钢板规定：对于q345r钢板可取厚度负偏差mm；在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，腐蚀裕量不小于1mm,取腐蚀裕量c2 = 2mm；厚度附加量 假设 mm，令；而，则那么系数，查gb150-1998图6-5 得 b=125mpa；许用外压力，大于且接近，上述名义厚度假设合适。 c. 受外压时球冠形封头的计算厚度确定取a、b中的较大值，即，取名义厚度 mmb受外压浮头法兰厚度计算（gb151-1999, ） 因部分参数与受内压的参数相同，这里只就不同的参数加以计算说明： 因浮头法兰的计算厚度尚为计算出，先估取，计算出后再进行校核。 查gb1501998图91，p88，取焊角底高，则 法兰力矩 a预紧状态下的法兰力矩 b操作状态下的法兰力矩 法兰厚度计算预紧状态 操作状态 预紧状态下法兰厚度 mm操作状态下法兰厚度 法兰厚度取与之大者，且不小于球冠心封头名义厚度的两倍，则 圆整取=70mm 。（3） 浮头法兰及球冠形封头厚度确定综合上述两种情况，根据gb151-1999 p80，规定：球冠形封头，浮头法兰应分别在管程压力pt作用下和壳程压力ps作用下进行内压和外压的设计计算，取其大者为计算厚度，即球冠形封头厚度 mm； 浮头法兰厚度 =70mm查jb/t4746-2002 ，附录i，表1.1，p59得 dn500，总深度h65mm，内表面积a=0.2033m2 ，容积v=0.0063 m3 ，封头质量m=16.1425kg 标记： psh 1000 jb/t4746-20022.4.3浮头钩圈的设计计算钩圈分a、b两种。本设计选择b 型，钩圈为两个半圆环结构。两个半圆环合在一起，与浮头法兰用螺栓相联接，夹持住浮动管板。钩圈的材质一般与浮动管板相同，选用锻件16mn。据gb151-1999 p83中b 型钩圈的设计厚度计算式=36+16=52mm，其中为管板厚度。图3.7 b型钩圈与浮动管板配合2.5 换热管及管板的设计 查 gb151-1999 p62 表292.5.1、换热管的设计1）选材 换热管选用20钢，252mm，为级管束 即采用普通级冷拔钢管。查gb1511999，表33，得换热管最小伸出长度 =2.5mm；最小坡口深度=2mm；查gb150-1998 p18 表4-3表3-4 钢管许用应力钢号钢板标准壁厚mm常温强度指标设计温度下许用应力 mpampampa20gb8136 2390245130查gb150-1998 p180 表f5 20号钢在100的弹性模量为 2）结构尺寸参数及设计数据管子外径 管子壁厚 管子根数n=164管长 管心距查gb151-1999 p27-28在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支撑的面积 其中：沿隔板槽一侧的排管根数，查25换热器设计手册 表1-2-25 =11换热管中心距 查gb151-1999 p22 表12隔板槽两侧相邻管中心距 查gb151-1999 p22 管子金属总截面积 换热管的有效长度 =3000-238-21.5=2921mm为管端伸出长度，查gb151-1999 p69 表33 =1.5mm管子设计温度下的弹性模量管子设计温度下的许用应力=130 mpa管子设计温度下的屈服点 查 gb150-1998 p177 表f2 =220mpa管子回转半径管子受压失稳当量长度 查gb151-1999 p59 图32系数当，则换热管稳定许用压力换热管稳定性合格。2.5.2 换热器管板设计 参考换热器设计手册p257管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体连接外，还是换热器中的一个主要受压元件。它或者与筒体直接相焊（固定管板式换热器），或者被夹持在两法兰之间，起着管、壳程之间隔板和固定管板换热的双重作用。对管板的设计，除了满足强度要求外，同时应合理的考虑其结构设计。1） 管板结构由于考虑到了装拆、清洗要方便，查gb151-1999, ，管板与壳体、管箱的连接选用a型连接方式（可拆式管板夹持型），即管板通过垫片与壳程法兰和管箱法兰连接；其管板与壳体、管箱的连接具体下图所示。图3.8 管板与壳体、管箱的连接形式管板材料选用锻件16mn，采用整体锻件形式的管板。查gb151-1999，附录j,表j2, 得，换热管单位长度重量m=1.130kg，则总重量m=nlm=1.133164kg=555.92 kg查gb151-1999，附录j,表j1, 得一根换热管管壁金属的横截面积查gb151-1999,表16, ,管孔直径为25.25mm,允许偏差为；换热管与管板采用先焊后胀的形式； 2）换热器管板设计参数a 换热器管板设计条件壳程设计压力 =1.6mpa ; 管程设计压力 =1.6 mpa管板设计温度 100 ; 管程数 2壳程腐蚀裕量 =2mm ; 管程腐蚀裕量 =2mmb 结构尺寸参数管板强度削弱系数=0.4；管板钢板削弱系数 一般可取值，取=0.4；壳程侧管板结构槽深=0mm；管板侧隔板槽深=5mm；夹持管板的壳程法兰和管箱法兰采用jb/t4703-2002 法兰m 500-1.6 即pn=1.6 dn500 长颈对焊法兰凹面密封；垫片选用缠绕垫片（带内加强环），按gb150-1998表9-1 压紧面型式选用1a， 则 。c 各元件材料及其设计数据管板材料在设计温度（100）下许用应力 =150mpa，管板材料的弹性模量=170103 mpa；许用拉脱应力按gb151表26，p42得 q=0.5 =0.5150=7