再沸器E-301设计毕业论文.docx

再沸器E-301设计毕业论文目录1概 述11.1 换热器的类型21.1.1 间壁式换热器21.1.2 混合式换热器51.1.3 蓄热式换热器51.2固定管板式换热器61.2.1 固定管板式换热器的结构特点61.2.2 固定管板式换热器的设计要求72.换热器各部分的介绍与设计112.1 换热器各部分的材料的选择112.1.1 换热器用材料112.1.2 本次设计换热器材料的选用132.2 换热器结构介绍与设计132.2.1 管程结构132.2.2 壳程结构172.2.3 开孔补强结构202.3 换热器各部分的连接方式232.3.1 壳体与管板的链接结构232.3.2 换热管与管板的连接结构252.3.3 其他部件的连接结构262.4 重要部件的制造工艺要求272.4.1 管板的加工272.4.2 折流板加工272.4.3 管束组装272.4.4 换热管与管板焊接要求272.5 设备的检验283设计计算303.1 壳程圆筒的厚度计算及校核303.1.1 计算条件：303.1.2 厚度计算313.1.3 水压试验：313.2 封头的厚度计算323.2.1 锥形封头的厚度计算323.2.2 椭圆形封头的厚度计算343.3 开孔补强计算353.3.1 接管1蒸汽入口补强计算353.3.2 接管2蒸汽出口补强计算383.3.3 接管3开孔补强计算413.4 法兰螺栓连接的计算与校核443.4.1 计算条件443.4.2 法兰计算与校核443.5 延长部分兼做法兰的固定管板计算与校核463.5.1 固定管板设计的符号说明463.5.2 固定管板的设计条件513.5.3 设计计算及校核52参考文献80结束语81谢辞82再 沸 器 E-3011概 述换热器是化工,石油,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位.二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。在石油化工生产中换热器可作为冷却器、加热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中,间壁式换热器应用最多。1.1 换热器的类型1.1.1 间壁式换热器（1）夹套式换热器 这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加其湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管. 夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。（2）沉浸式蛇管换热器 这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中.蛇管换热器的优点是结构简单,能承受高压,可用耐腐蚀材料制造;其缺点是容器内液体湍动程度低,管外给热系数小.为提高传热系数,容器内可安装搅拌器。（3）喷淋式换热器 这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动,冷却水 从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器.喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多.另外,这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度,增大传热推动力的作用.因此,和沉浸式相比,喷淋式换热器的传热效果大有改善。（4）套管式换热器 套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管,并由U形弯头连接而成.在这种换热器中,一种流体走管内,另一种流体走环隙,两者皆可得到较高的流速,故传热系数较大.另外,在套管换热器中,两种流体可为纯逆流,对数平均推动力较大。套管换热器结构简单,能承受高压,应用亦方便(可根据需要增减管段数目). 特别是由于套管换热器同时具备传热系数大,传热推动力大及能够承受高压强的优点,在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。（5）管壳式换热器 管壳式(又称列管式) 换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。管壳式换热器根据其结构形式又可以分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和斧式重沸器五类。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛.。流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组。这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程。同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程。在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同。如两者温差很大, 换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱。因此,当管束和壳体温度差超过50时,应采取适当的温差补偿措施,消除或减小热应力。 1.1.2 混合式换热器混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。1.1.3 蓄热式换热器蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。1.2固定管板式换热器在本次毕业设计中设计的再沸器属于固定管板式换热器，故在此着重介绍一下关于固定管板式换热器的情况：1.2.1 固定管板式换热器的结构特点固定管板式换热器的两端管板和壳体焊接成一体的管壳式换热器。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。其具有结构简单、紧凑、旁路渗流较小无内漏，而且能够承受较高压力，造价低廉，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分为两程规格广泛等优点得到广泛应用。但是它也具有壳程清洗和检修困难，容易产生热应力等缺点。因此壳程必须是洁净不易结垢的物料，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。固定管板式换热器的结构如下图所示： a)卧式固定管板式 b）立式固定管板式1.2.2 固定管板式换热器的设计要求随着经济的发展，不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。所以在进行固定管板式换热器的设计时应满足以下基本要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件：传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热设备具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。为此，具体的做法可以是：增大传递系数：在综合考虑了流体阻力与不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。在传热过程中，降低换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于管壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。增大平均温度差：换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可增大平均温度差，还有助于减少结构中的温度应力。在条件容许时，可提高热流体的进口温度成降低冷流体的进口温度。妥善布置传热面：在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可加大单位时间内安置的传热面积，还可改善流动特征，一般来说错列管束的传热比并列管束的好。如果换热设备中的一侧流体有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，则有利于热量的传递。此外还可以通过设置翅片来增大流体的湍动程度来强化传热。（2）安全可靠换热器（设备）也是压力容器，再进行强度、刚度、温度应力以及疲劳寿命计算时，应该遵照相关的规定：GB150-98GB15199：钢制管壳式换热器。这对保证设备的安全可靠起着很大的作用。材料的选择是一个很重要的环节，不仅要了解材料的机械性能和物理性能和屈服极限、最小强度极限、弹性模量、延伸率、线膨胀系数，导热系数等，还应了解其在特殊环境中的耐电化学腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀的性能。受压的与非受压的部分、焊接的与非焊接的部分、设备的支承部分，在材料选择上应予以不同对待。（3）有利于安装、操作与维修直立设备的安装费往往低于水平的或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房中移动时不会受到楼梯、梁、柱等的妨碍。根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。对于一台高效的换热设备，如果操作上出现一些波动，很可能难以控制操作，以致引起快速的结垢或部件的实效。故在设计时便应提出相应的对策，决不能让换热设备在操作时出现的问题转嫁到下一个工序。对易结垢的换热设备，如在流体中加入净化剂，便可不必停工清洗。否则就应采取快速清洗的办法以缩短停工的时间。有时也可以将换热设备分作两个部分，当一部分在清洗时，另一部分仍维持正常的运行。操作场地应留有足够的空间以便换热设备在报废之前可以将其内件抽出在现场进行焊接、堵漏与修理。（4）经济合理评定换热器最终的指标是：在一定时间内（通常为一年）固定费用（设备的购买费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。当设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标压为重要。动力消耗费与流速的平方成正比，而流速的提高又有助于传热，因此存在一最适宜的流速。传热面上垢层的产生与增厚,使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿。因此还存在一个最适宜的运行周期。严格的讲,如果孤立的仅从换热设备本身来进行经济核算以确定最适宜的操作条件与最适宜的尺寸是不够全面的，最好是已整个系统全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大。当影响换热设备的各项因素改变后对整个系统的效益关系不大时，按照上述观点单独的对换热设备进行经济核算仍然是可行的。换热器的设计包括工艺设计计算和机械设计计算，其中机械设计计算包括：l 壳体和管箱壁厚的计算l 管子与管板连接结构设计l 壳体与管板连接结构设计l 管板厚度计算l 折流板、支持板等零部件的结构设计l 换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算l 管子拉脱力和稳定性校核l 判断是否需要膨胀节，如需要，则选择膨胀节结构形式，并进行有关的计算。l 接管、接管法兰、容器法兰、支座等的选择及开孔补强设计2.换热器各部分的介绍与设计2.1 换热器各部分的材料的选择在进行换热器设计时，对换热器各零件部件的材料，根据设备的操作压力，操作温度流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度和钢来考虑，是比较容易达到的，但对材料的耐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。如果在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高换热器的设计成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有密切的关系。2.1.1 换热器用材料一般换热器用的材料可以分为金属材料和非金属材料，而金属材料又可以分为黑色金属和有色金属。（1）黑色金属及其合金碳钢价格低，强度较高，对于碱性介质的化学腐蚀性比较稳定，对酸性很容易被腐蚀，在无耐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的无缝钢管就是10号钢或20号钢。低合金钢在碳钢只中加入少量的Cr,Mo等元素，以增加材料在高温下的强度，并作为耐腐蚀钢在高温高压的氢介质环境中使用。机械性能和组织均有足够的稳定性，无热脆现象，冷加工性和焊接性良好。（2）不锈钢马氏体系不锈钢如2Cr13钢，它的主要性能表现为对铁离子、亚硫酸气体、硫化氢和环烷酸等均耐腐蚀，但是对于燃料水溶液、混合气体等的耐腐蚀性能低。由于含碳量较高，故强度和硬度较高。马氏体组织由于热处理有淬硬性，焊接时由于热影响应力容易裂开。铁素体系不锈钢含Cr在15%以上的钢。它对氧化性酸尤其是硝酸有很好的耐蚀性能。在碱性溶液、无氯盐水、苯和洗涤剂中也都有良好的耐蚀性，切削性能好。但是厚板焊接容易脆裂，且焊接后有晶间腐蚀倾向，不应用于厚度较大或者低温情况下使用。奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性能和冷加工性能。（3）耐热钢这类钢按用途分为抗氧化钢、热强钢、气阀钢，按组织分可以分为铁素体钢、马氏体钢，按加工方法分可以分为热轧、锻制及热处理。（4）低温用钢低温用钢按规定应用于设计温度不大于-20摄氏度的条件下。低Ni钢在-50-196的温度范围内，奥氏体不锈钢如0Gr18Ni9和低碳不锈钢等应用于-50-196低温范围中。2.1.2 本次设计换热器材料的选用具体到本次设计的固定管板式换热器，综合考虑上述情况，对换热器的各部分材料选择如下：壳体，管箱以及封头选用低合金钢16MnR，管板选用16MnII,由于管程流体对换热管的要求不是很高，换热管采用20号钢。法兰和螺栓的材料选择主要考虑到其要承受的载荷，根据GB150钢制压力容器的要求，选用16MnII和35GrMoA。2.2 换热器结构介绍与设计2.2.1 管程结构管程通常包括：换热管、管板、管箱、管束分程和换热管与管板连接等结构。（1）换热管换热管的形式：除了光管外换热管还可以采用各种各样的强化传热管，如翅片管、螺旋槽管、螺纹管等。换热管的尺寸：换热管的长度推荐采用： 1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0,12.0 m,换热管的排列形式和中心距：换热管在管板上的排列形式有正三角形、转正三角形，正方形和转正方形。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。换热管的中心距要保证管子与管板连接时管桥有足够的强度和宽度。换热管中心距不应小于换热管外径的1.25倍。常用换热管中心距如下表所示:表 2.1换热管中心距（2）管板管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，降管程和壳程流体分隔开来，避免冷热流体混合。管板同时受到管程和壳程压力和温度的作用。当换热器承受高温高压时，高温和高压对管板的要求是矛盾的。增大管板厚度，可以提高承压能力，但是当管板两侧的温差较大时，管板内部沿着厚度方向的热应力很大，减少管板厚度对于减少热应力有作用但是会降低管板的承压能力。考虑换热器管板的各种工况下的情况应满足在强度允许的条件下尽量减少管板的厚度，以减少热应力。管板设计的基本考虑： 管束对管板绕度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用 管束周边不布管区对管板应力的影响，划管板为两个区。 不同结构的换热器，管板边缘连接结构不同，考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板应力的影响。管板设计思路 管板弹性分析，将换热器分解成封头、法兰、管板、螺栓、垫片等元件组成的弹性系统，各元件之间的相互作用用内力表示，管板简化为弹性基础上的等效均质圆平板。但忽略管束对管板转角的约束作用。 危险工况，壳程压力和管程压力不能同时作用时。 管板应力校核 管板应力调整 （3）管箱壳体直径较大的圆筒大多采用管箱结构。管箱位于管壳式换热器的两端，管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀的分布到换热管以及把管内流体聚集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。如下图所示几种常用管箱的机构形式：图 2.1管箱结构形式对于本次设计的换热器采用封头管箱的结构形式，这种管箱的结构形式适用于介质较为清洁的情况，符合设计要求。关于管箱的厚度的确定依照GB-150的规定来确定。（4）管束分程管束分程可以多种不同的组合方式，对于每一程中的管数应大致相等，且程与程之间的温差不要太大，温差以不超过20为宜。常用的管程数为2，4，6管程。2.2.2 壳程结构壳程主要由壳体、折流板或折流杆、纵向隔板、拉杆、冲挡板、防短路结构等元件组成。（1）壳体：壳体一般是一个圆筒，在壳壁上焊有接管，供壳程流体流出和流入之用。壳体内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。关于壳体的厚度的确定依照GB-150的规定来确定。（2）折流板设置折流板的目的：为了提高流通流速，增大湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，改善传热，同时减少结垢。常用的折流板形式有弓形和圆盘-圆环两种。弓形折流板是最常见的类型，大多数管壳式换热器中都采用单弓形折流板，单弓形折流板使得壳程具有较高的传热膜系数，但也带来较高的压降。双弓形折流板同前者相比，在相同的挡板间距下，压降可以通常减少到50%-70%，但同时也会降低传热膜系数。所以，一般都是在需要一个较低壳程压降的情况下才会采用这种双弓形挡板。图 2.2折流板弓形折流板缺口高度的确定：应使流体通过缺口时与横向流过管束时的流速接近。缺口的大小用切去的弓形弦高占壳体内径的百分比来确定。对于本次设计使用的单弓形折流板的缺口高度宜取0.20-0.45倍壳体内径。折流板的布置：折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程的进出口接管。折流板的最小间距应不小于壳体内径的1/5，且不小于50mm；最大间距应不大于壳体内径。折流板上管孔与换热管之间的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙应符合要求，间隙过大，泄露严重，间隙过小，安装困难。（3）折流杆新型管束支撑结构折流杆支撑结构。该支撑结构又折流圈和焊接在折流圈上的支撑杆（杆可以水平、垂直或其他角度）所组成。支撑杆可由圆钢或扁钢制成。一般4块折流圈为一组。（4）防冲挡板为了防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和震动，在壳程进口处常设有防冲挡板。（5）防短路结构在壳程内流体走短路是降低换热器效率的重要影响因素，为了减少短路可采取一些防短路结构。常采用的防短路结构有：旁路挡板、挡管、中间挡板。假管：为两端堵死的管子，放置与分程隔板槽背面两管板之间，且不穿过管板，可与折流板点焊固定。既没有布管的区域区，可防止流体走短路旁路挡板：在浮头式换热器的壳程和管程间，由于安装源头、法兰的位置的需要，都有一圈没有排列管子的较大的间隙，换热时一部分壳程流体不与管子接触而由此间隙短路而过，显著降低了换热器的传热效率。为此，增设旁路挡板以加大阻力，迫使绝大部分壳程流体通过管束进行热交换a. 旁路挡板的数量：壳体直径：Dg500mm, 1对550Dg950mm, 2对Dg1000mm, 3对b. 旁路挡板的厚度：在折流板厚度小于或等于6时，取与折流板同厚。在折流板厚度大于6时，应不小于6，且不大于折流板厚度材质和加工要求同折流板。采用对称布置。挡板加工成规则长条状，长度等于折流板或支撑板的间距，两端焊在折流板或支撑板上。中间挡板： U型管束最里层的管间通道很宽，应设置中间挡板来减少短路，中间挡板与折流板点焊固定。2.2.3 开孔补强结构在压力容器上，为满足工艺操作条件以及制造、安装、检验、维修等要求，开孔是不可避免的。容器开孔以后，不仅削弱了器壁的强度，而且在壳体和接管的连接处，由于结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力集中，给容器的安全操作带来隐患。因此压力容器设计中必须充分考虑开孔的补强问题。（1）不另行补强的最大开孔直径容器开孔以后，强度必然受到削弱，但由于容器名义厚度存在一定的厚度裕量，因此可利用其厚度裕量不另行补强。按照GB1501998(钢制压力容器)中的有关规定，当壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：设计压力小于或等于25MPa；两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的两倍；接管公称外径小于或等于89mm；不补强接管的外径和最小壁厚为2535、32 35、38 35、45 40、48 40、 5750、6550、 7660、 8960(接管的腐蚀裕量为lmm)。当开孔超出上述条件时，必须通过计算来判断是否需要予以补强。（2）GB150适用的开孔范围当其内径Di 1500mm时，开孔最大直径d12Di，且d520mm；当其内径Di 1500mm时，开孔最大直径d13Di,且d1000mm； 凸形封头或球壳的开孔最大直径d12Di ；锥壳(或锥形封头)的开孔最大直径d13Di,Di为开孔中心处的锥壳内直径；在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。（3）补强结构形式补强圈补强：补强圈补强是指在壳体开孔周围贴焊一圈钢板，即补强圈。补强圈一般与器壁采用搭接结构，材料与器壁相同，补强圈尺寸可参照标准确定，也可按等面积补强原则进行计算。当补强圈厚度超过8mm时，一般采用全焊透结构，使其与器壁同时受力，否则不起补强作用。为了焊接方便，补强圈可以置于器壁外表面（下图所示）或内表面，或内外表面对称放置，但为了焊接方便，一般是把补强圈放在外面的单面补强。为了检验焊缝的紧密性，补强圈上有一个M10的小螺纹孔。从这里通入压缩空气进行焊缝紧密性试验。厚壁接管补强：厚壁接管补强就是在开孔处焊上一个特意加厚的短管，这样可有效地降低开孔周围应力集中的程度，采用的入式接管则补强效果更佳。整锻件补强：整锻件补强是在开孔处焊上一个特制的整体锻件，补强金属集中在应力最大的部位，采用对接焊且使接头远离应力集中区域，补强效果最好、特别是抗疲劳性好。但锻件加工复杂、且成本高，所以只用在重要的设备上。如容器受低温、高温，交变载荷的较大开孔等。 图 2.5整体锻件补强2.3 换热器各部分的连接方式2.3.1 壳体与管板的链接结构管板与壳程圆筒以及管箱圆筒的连接方式有多种，现排列如下：a型 ： 管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接；b型 ： 管板直接与壳程圆筒和管箱圆筒形成整体结构；c型 ： 管板 与壳程圆筒连为整体，其延长部分形成凸缘被夹持在活套环与管箱法兰之间；d型 ： 管板 与管箱圆筒连为整体，其延长部分形成凸缘被夹持在活套环与壳体法兰之间；e型 ： 管板 与壳程圆筒连为整体，其延长部分兼作法兰，与管箱用螺柱、垫片连接；f型 ： 管板与管箱圆筒连为整体，其延长部分兼作法兰，与壳体法兰用螺柱、垫片连接。图 2.6壳体与管板的链接结构本次设计采用e型管板与壳程圆筒连为整体，其延长部分兼作法兰，与管箱用螺柱、垫片连接的方式。2.3.2 换热管与管板的连接结构换热管与管板的连接质量是换热器质量的最重要标志。管壳式换热器主要失效为管板与换热管的连接失效。对于压力高、直径大、管束长的重型换热器,一旦出现泄漏其直接及间接损失则更为严重。因此,合理选用安全可靠的管接头型式,使用相应的加工设备与技术是换热器制造的关键。常用的换热管与管板连接方式有：强度焊、强度胀接和胀焊并用。（1）强度胀接:适用于设计压力小于等于4MPa,设计温度小于等于300,操作时无剧烈振动、无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀的场合。（2）强度焊接:适用于设计压力小于等于35MPa,无较大振动及无间隙腐蚀的场合。（3）胀焊并用:适用于设计压力小于等于35MPa,密封性能要求较高,承受振动或疲劳载荷,有间隙腐蚀,采用复合板的场合。在实际生产中对换热器密封性能的要求往往较高,有些使用场合有间隙腐蚀,有时还伴有振动和疲劳载荷等,所以要求换热器管板连接采用胀焊并用的结构形式。对于本次设计由于设计压力小于等于35MPa,无较大振动及无间隙腐蚀的场合所使用的连接方式是强度焊，焊接高度为3.5mm。2.3.3 其他部件的连接结构其他部件的连接均采用法兰连接或焊接的方式进行连接。压力容器的可拆密封装置形式很多，其中最常用的是螺栓法兰连接。螺栓法兰连接主要由法兰、螺栓和垫片组成。其连接情况如下图所示： 图 2.7法兰连接图影响密封性能的主要因素有：a螺栓预紧力，b垫片性能，c压紧面质量，d法兰刚度，e操作条件等。（1）螺栓法兰设计主要包括：螺栓法兰的密封性设计法兰结构类型及标准的选择（2）法兰的结构类型包括：松式法兰，整体法兰，任意性法兰。（3）本次设计的法兰连接形式:本次设计中管板与封头的法兰连接采用长颈对焊法兰连接，接管的连接采用标准管法兰连接。连接标准依照HG20592要求。2.4 重要部件的制造工艺要求2.4.1 管板的加工为使换热器管板管孔与管子外径在同一公差范围内,首先必须根据到货换热管外径的实际尺寸决定管板管孔的加工精度。如上所述,管板管孔的加工精度为已到货换热管实际均匀外径0.30.05mm。2.4.2 折流板加工折流板孔与管板孔的同心度直接影响换热管能否顺利穿入管孔中，因此折流板的加工应以象限为组，将一个象限内的折流板用直板固定到一起，并做好正面标记。折流板孔两端要倒角，减小管子的磨损。根据折流板间距的大小应适当调整折流板孔径的公差范围，间距小于150 mm的，公差应适当加大0.3 mm左右。2.4.3 管束组装以内管板为基准，按图样要求装配拉杆、定距管、折流板、支持板等，然后将外管板与内管板固定在一起。穿管时由内向外进行，穿一排，调整一排管头，使之伸出外管板的长度为3-4mm。穿管过程切勿用铁锤直接敲击换热管，应上下轻微晃动换热管，同时在换热管端部采用牵引工装，让换热管顺利穿入管孔。2.4.4 换热管与管板焊接要求首先,管板加工时间紧接在换热器组装前,孔加工坡口尺寸到位;换热管打磨管头后立即及时组装,并检查伸出长度,不合格者调整更换;将换热器吊立,(可在车间地面挖建深井,便于换热器放置),管板水平放置,对U型管束可支撑其管板,尽量使管板接近水平。在焊前用钢丝刷清理,压缩空气吹净等方法使见金属光泽。在焊接过程中,采用合理焊接工艺和速度,使每根焊条焊完整个管的焊缝后在四孔中间三角区引弧和熄弧;对于碳钢换热器采用双道焊接:先将管板和换热管先焊接一道,然后,用钢丝刷等清理干净,根据现场情况采用试压检查或着色等方法检查,有经验也可直接肉眼检查。对漏点和裂纹要打磨掉后补焊。所有完成后再焊接一道。通过双道焊接,焊接接头尺寸达到设计要求;通过中间检查,有效地消除了焊接缺陷,从而保证换热器和管板焊接接头质量。对于一些耐蚀性能好的不锈钢材质且采用氩弧焊等来保证焊缝质量的换热器,则可视情况采用一道或二道焊接,但也采用合理焊接工艺和速度来充分保证焊接接头尺寸。经过上述措施后,有效提高换热器和管板焊接接头的质量。2.5 设备的检验压力容器试验方法分：耐压试验，气密性试验，氨渗透，等等。其中耐压试验又分：液压试验，气压试验。本次设计的换热器采用液压试验。（1）气压试验气压试验所用气体为干燥洁净空气、氮气或气体惰性气体，试验气体温度一般不低于15摄氏度，由于气压试验比液压试验危险，故气压试验比叶压试验压力要低。容器上的对接接头应进行100%射线或超声检测。（2）液压试验在液压试验时，为防止材料发生低应力脆性破坏，液体温度不得不低于容器壳体材料的韧脆转变温度。一般来说，碳素钢、16MnR和正火15MnVR钢制容器液压试验时，液体温度不得低于五摄氏度；其他低合金钢制容器，液体温度不得低于十五摄氏度。如果因板厚等因素造成材料韧脆转变温度升高，则需相应提高试验温度。氯离子能破坏奥氏体不锈钢表面钝化膜，使其在拉应力作用下发生应力腐蚀破坏。因此奥氏体不锈钢制压力容器进行水压试验时，还应将水中氯离子含量控制在25m/L以内，并在试验后立即将水渍清楚干净。试验压力值的确定：PT = 1.25P 压力试验允许通过的应力水平: ：sT 0.90 ss试验压力下圆筒的应力：sT = 校核条件: sT sT如果满足上述校核条件，则液压试验合格。(1)压力容器液压试验的要求:凡在试验时，不会导致发生危险的液体，在低于其沸点的温度下，都可用作液压试验介质。一般应采用水。当采用可燃性液体进行液压试验时，试验温度必须低于可烯性液体的闪点，试验场地附近不得有火源，且应配备适用的消防器材。以水为介质进行液压试验，其所用的水必须是洁净的。奥氏体不锈钢压力容器用水进行液压试验时，应严格控制水中的氯离子含量不超过25mg/L。试验合格后，应立即将水渍去除干净。压力容器中应充满液体、滞留在压力容器内的气体必须排净。压力容器外表面应保持干燥，当压力容器壁温与液体温度接近时，才能缓慢升压至设计压力；确认无泄漏后继续升压到规定的试验压力，保压30分钟，然后，降到规定试验压力的80%，保压足够时间进行检查。检查期间压力应保持不变，不得采用连续加压来维持试验压力不变。压力容器液压试验过程中不得带压紧固螺栓或向受压元件施加外力。素钢、16MnR和正火15MnVR制压力容器在液压试验时，液体温度不昨低于5；其他低合金钢制压力容器，液体温度不得低于15。如果由于板厚等因素造成材料无延性转变温度升高，则需相应提高液体温度其他材料制压力容器液压试验温度按设计图样规定。铁素体钢制低温压力容器在液压试验时，液体温度应高于壳体材料和焊接接头两者中比冲击试验的规定温度的高值再加20。换热压力容器液压试验程序按GB151规定执行。新制造的压力容器液压试验完毕后应用压缩空气将其内部吹干。(2)液压试验后的压力容器，符合下列条件为合格无渗漏。无可见的变形。试验过程中无异常的响声。对抗拉强度规定值下限大于等于540Mpa的材料，表面经无损检测抽查未发现裂纹。3设计计算3.1 壳程圆筒的厚度计算及校核3.1.1 计算条件：计算压力: Pc =2.8Mpa, 设计温度：t=300, 内径 Di = 500mm;材料1 6MnR(热轧) ( 板材 ) , 钢板负偏差 c1=0, 腐蚀裕量c2=3mm.焊接接头系数 f=0.85试验温度许用应力 s=170.00 Mpa, 设计温度许用应力 st =144.00 MPa试验温度下屈服点 ss=345Mpa,3.1.2 厚度计算计算厚度： 有效厚度 ：de=dn-C1-C2=7.00mm根据GB151，壳体的名义厚度应不小于8mm名义厚度 dn = 10.00mm3.1.3 水压试验：（1）试验压力值： PT = 1.25P =1.252.8 = 4.13 （2）试验压力下圆筒的应力:sT = = =176.04MpasT 0.9ss=310.5Mpa, 水压试验合格。（3）压力及应力计算：最大允许工作压力 ：Pw= = 3.38Mpa设计温度下计算应力： st = = = 101.40stf=1440.85=122.4Mpa合格3.2 封头的厚度计算3.2.1 锥形封头的厚度计算（1）计算条件：计算压力 Pc =0.42Mpa, 设计温度 t=188； 锥壳大端内径 Di = 500mm;锥壳小端内径 Dis = 350mm锥壳大端转角半径 r=75.00 mm, 锥壳小端转角半径 ri=45.00 mm锥壳计算内直径 Dc =479.90锥壳半顶角 a=30.00选材：16MnR试验温度许用应力 s=170.00设计温度许用应力 st=170.00试验温度下屈服点 ss=345.00钢板负偏差 C1=1.00腐蚀裕量 C2=3.00焊接接头系数 f=1.00（2）锥壳计算锥壳： 锥壳大端:系数K = 0.6819过渡段厚度：=0.42mm过渡段相连锥壳:系数：f = = =0.55mm计算厚度：dr= = =0.69mm锥壳小端：应力增强系数Q= 3.01计算厚度 ：dr= = 1.30mm综上计算锥壳大小端及锥壳名义厚度：drn =8mm.选择锥形封头：CHC5008-16MnR JB4746.3.2.2 椭圆形封头的厚度计算（1）计算条件：计算压力 Pc=0.44Mpa设计温度 t=188内径 Di=500.00mm材料16MnR曲面高度 hi=125.00mm钢板负偏差 C1=0.00腐蚀裕量 C2=3mm焊接接头系数 f=1设计温度许用应力 st=170.00Mpa试验温度许用应力 s=170 Mpa（2）厚度计算：形状系数:K = = 1.0mm计算厚度:d = = =0.65mm名义厚度： dn=10.00mm有效厚度： de =dn-C1-C2=7mm最小厚度： dmin=3.00mm名义厚度满足最小厚度要求。确定椭圆形封头：EHA500X10-16MnR JB47463.3 开孔补强计算3.3.1 接管1蒸汽入口补强计算（1）计算条件：计算压力 pc=2.8 Mpa设计温度t=300壳体型式：圆形筒体壳体材料：16MnR壳体开孔处焊接接头系数=0.85壳体开孔处名义厚度n=10mm壳体厚度负偏差 C1=0mm壳体腐蚀裕量 C2=3mm壳体材料许用应力nt =144Mpa接管焊接接头系数=1接管腐蚀裕量C2t=3mm接管厚度负偏差 C1t =1.25mm接管材料许用应力tt=101 Mpa补强圈材料: 16MnR壳体内直径 Di=500mm接管材料: 20号钢，接管参数：8910 L=144mm,DN=80mm（2）开孔补强计算开孔直径:d=内径+2（C2t + C1t）=89-20+2(3+1.25)=77.5mm. fr =ttnt=101144=0.701接管有效厚度:det =dnt -C=10-4.25=5.75mm开孔削弱所需补强面积 :A=dd+2ddet (1- fr)=77.55.785+25.7855.75(1-0.701)=468.23mm2有效补强范围确定：有效宽度:B=max2d,d+2n+2nt=max277.5,77.5+210+210=155mm.外侧有效高度: h1=mindnt,144= min27.84,144=27.84mm内侧有效高度: h2=mindnt,0= min27.84,0=0mm壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：A1 =(B-d)(de-d)-2det(de -d)(1- fr)=(155-77.5)( 7-5.785)-25.785( 7-5.785)(1-0.701)=90.0