过程装备制造工艺-典型压力容器

第篇 过程装备制造工艺 8 典型压力容器,主要内容:8.1 管壳式压力容器 8.2 高压容器的制造,8.1管壳式换热器,一、换热器的概述,换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。,是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10 40 。为什么呢？换热器台数占工艺设备总台数的25-70%；质量占工艺设备总质量的25-50%；检修工作量占总检修量的60-70%。,应用广泛适用于多种目的： 热交换，加热，冷却，冷凝，蒸发,3.可靠性,满足操作条件 ,强度足够,保证使用寿命,二、衡量标准,2.合理性,1.先进性,可制造加工，成本可接受,传热效率高，流体阻力小，材料省,传热效率，流体阻力，强度，结构可靠度，耗材量，成本，制造，安装，检修,管壳式换热器的结构：,三、不同目的的换热器,冷却器（cooler）,冷凝器（condenser）,蒸发器（发生相变）（evaporator）,加热器（一般不发生相变）（heater）,再沸器（reboiler）,废热锅炉（waste heat boiler）,按传热方式或工作原理分类,1、直接接触式,传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间,图7-1 直接接触式换热器,四、换热器的基本类型,2、蓄热式,温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大,图7-2蓄热式换热器,又称表面式换热器利用间壁（固体壁面）进行热交换。冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。,应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等,对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为,(3)管壳式,(1)管式,(2)紧凑式,螺旋板式、板式、板翅、伞板等,排管、蛇管、套管,重点,特点：1、传热效率高 2、结构紧凑、质量轻，对于铝制板翅式换热器而言，单位体积的传热面积为15002500m2/m3，相当于管壳式换热器的820倍，重量仅为相同换热面积的管壳式换热器的1/10。3、适应范围广，4、制造工艺复杂，要求严格。5、容易堵塞，清洗和检修较困难，若因腐蚀产生内漏，则很难修理。,优点：结构简单，造价低，操作管理方便，蛇管内可承受高压，还可用在传热面积不大的反应釜内作换热构件。缺点：通常容器内的流体流速很低，故管外给热系数小，加之容器内各处温度大致接近，因而平均温差不大，所以换热效果差，设备笨重，不适于作为需要换热面积很大的换热设备。,套管式换热器是将传热管（内管）以同心圆状插入外管中，它的传热面积是由成组排列的管子所组成，从上到下、从左至右由许多U形弯头连接在一起，然后采用角钢或槽钢焊成支架，组装而成。套管式换热器一般适用于传热面积较小的场合，它比同样传热面积的管壳式换热器所需的空间容积要大，但其结构简单，制造方便等优点而广泛的用作冷却装置。,图7-3换热器构件名称,1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖,根据我们前面学习的内容，请同学们说说序号2、3、8、12、21各代表什么零件？,列管式换热器的工作原理：,列管式换热器,管箱的作用:将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可通过设置隔板起分隔作用。,管箱,五、主要零部件、分类及代号,(a)适用于较清洁介质工况。检查换热管内及清洗换热管时，必须将连接管道一起拆下，很不方便。,(b)在清洗换热管内时，仅将平盖拆下，不及拆除连接管道，易清洗和检查。目前设计中采用较多。缺点是用材较多。,(c)将管箱与盖板焊成一体。可避免在管板密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修清洗不方便，很少采用。,(d)多程隔板安置的一种形式。其接管安装形有多种。如图。, 换热器的型号 DN - A- - -或 管束的级别 管程/壳程数，单壳程时只写Nt 公称长度/换热管外径，m 公称换热面积 管程/壳程设计压力，MPa；压力相等时只写pt 公称直径，mm； 分别表示前端管箱、壳体、后端结构形式,例浮头式换热器平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54，较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程单壳程的浮头式换热器，其型号为：AES500-1.6-54-6/25-4,固定管板式换热器封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积200 ，较高级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器，其型号为：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4,U型管式换热器封头管箱，公称直径500mm，管程设计压力4.0MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积75 ，较高级冷拔换热管外径19mm,管长6m，2管程单壳程的U型管式换热器，其型号为：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2,釜式重沸器平盖管箱，管箱内直径600mm，圆筒内直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积90，普通级冷拔换热管外径25mm,管长6m，2管程釜式重沸器，其型号为：AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2,浮头式冷凝器封头管箱，公称直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积610，普通级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的浮头式冷凝器，其型号为：BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4,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,五、管壳式换热器的分类,基本类型,（一）固定管板式换热器,优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。,缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。,图7-4固定管板式换热器,为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。,图7-5带膨胀节的固定管板式换热器,适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。,折流板：提高壳程流体的流速和湍动程度。,隔板：增加管程数，提高管内流体流速。流速增加，传热效率提高；但流动的阻力也同时增加。,膨胀节的作用：由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。,当壳体和管子之间的温差较大(6070 )且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。,特点,1.一个大管板，一个小管板，小管板在壳体内滑动无温差应力；2.管束可以抽出，清洗；3.结构复杂，浮头内漏不便检查；4.管束与壳体间隙较大影响传热。.,（二）浮头式换热器,（二）浮头式换热器,优点： 管内和管间清洗方便，不会产生热应力。,缺点： 结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。,适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易 结垢的场合。,图7-6浮头式换热器,特点：1.一端可自由伸缩 不产生热应力；2.管束可以抽出，管内外均易清洗；3.填料将壳程介质与外界隔开，易外漏，介质受限制；,（三）U形管式换热器,U形管式换热器,图7-8U型管式换热器,优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。,缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。,适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。,U形管式换热器,特点：,1.只有一个管板，结构简单；2.管子可以抽出，管间易清洗；3.管子可以自由膨胀；4.管内不便清洗，不易更换；5.结构不紧凑。,（四）填料函式换热器,填料函式换热器1纵向隔板；2浮动管板；3活套法兰；4部分剪切环；5填料压盖；6填料；7填料函,填料函式换热器,优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。,缺点：填料处易泄漏。,适用场合： 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。,填料函式密封,图7-9填料函式换热器,六、管子与管板的连接,（一）胀接,利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。,图7-14 胀管前后示意图,（a）胀管前,（b）胀管后,胀管结束後： 管板孔边缘弹性回复，挤压管端并贴紧。,胀管过程发生：管子端部塑性变形；管板孔边缘弹性变形。,优点：工艺简单方便； 消除间隙避免间隙腐蚀。缺点：温度升高时，管端会发生松弛 泄漏。适用条件：p4.0MPa , t350。 注意：管端硬度管板硬度。,为什麽？ 如何实现？,保证紧密性的方法：管板孔开槽；胀接周边保证清洁；管子硬度低于管板孔周边硬度。 保证管端硬度较低并且低于管板硬度的方法：管端退火处理。选材考虑。,胀管率 就是管子、管板的变形率；就要控制合理的胀管率，保证胀接质量。胀管率的计算 推荐两种计算方法： 管子内径增大率K； 管子壁厚减薄率W。,计算胀管率需要测量的数据,测量管板孔径D,测量胀接前管子外径dw,测量胀接前管子内径d1,测量胀接后的管子内径 d2,计算胀管率的公式,管子内径增大率 K=(d2dl)(Ddw) D 100%管子壁厚减薄率 W=(d2dl)(Ddw) 2 100%,胀管率的合理值 它与胀接接头的形式、管子的规格及材质、 管板尺寸、材质等有关，不宜做统一要求。 例如： 20钢，252.5mm钢管胀接 取内径增大率 K=0.8%1.6%, 相当于壁厚减薄率W=4%8%。 若管子直径大、管壁薄，胀管率取小值; 管子直径小,管壁厚，胀管率取大值。,过胀 a 胀管率过大,它可能使管子壁厚减薄量过大，硬化现象严重，甚至产生裂纹； b 还可能使管板产生塑性变形，使胀接强度下降。 c 过胀后很难修复。,注意:,欠胀 胀管率过小,不能保证必要的连接强度和密封性。,液压胀管器,液压胀接,机械胀接,适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力4MPa，设计温度300，且无特殊要求的场合。,原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温度300 。,要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。,胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽(开槽可以增加连接强度和紧密性)。,（二）焊接,优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。,图7-16 焊接间隙示意图,管板,间隙,换热管,强度低,强度高,减小焊接应力,焊接形式：,（三）胀焊并用,胀焊并用连接主要有：强度焊贴胀先焊后胀强度胀密封焊先胀后焊概念解释：密封焊不保证强度，只防漏； 强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度； 贴胀只消除间隙，不承担拉脱力； 强度胀既消除间隙，又满足胀接强度。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。,胀焊并用,克服了单纯的焊接及胀接的缺点，主要优点是：连接紧密，提高抗疲劳能力；消除间隙腐蚀和应力腐蚀；提高使用寿命。施工方式：先胀後焊；先焊後胀。 胀接贴胀；强度胀。 焊接密封焊，强度焊。根据不同情况具体制定施工工艺。,七、管程的分程及管板与隔板的连接,当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。,（一）分程原因,（二）分程原则,（三）分程隔板,图7-21 双层隔板与管板的密封,各程换热管数应大致相等； 相邻程间平均壁温差一般不应超过28； 各程间的密封长度应最短； 分程隔板的形状应简单。,图7-22 单层隔板与管板的密封,封头,隔板,管板,（四）分程方式,表72管程布置表,（一）工艺计算,八、管壳式换热器设计内容,选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数 。,（二）机械设计,1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；2）换热器封头选择，压力容器法兰选择；3）管板尺寸确定；4）折流板的选择与计算；5）管子拉脱力的计算；6）温差应力计算。,1. 壳体直径及壁厚； 2.封头法兰、管件及补强； 3.管板结构及强度； 4.细部连接结构； 5.附件结构； 6.管子拉脱力验算； 7.壳体热应力校核； 8.支座设计。,管壳式换热器机械设计内容总结,说出换热器类型,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,8.2高压容器的制造,1、结构细长,2、采用平盖或球形封头,3、密封结构特殊多样,4、高压筒体（身）限制开孔,高压容器的结构特点,(长径比可达28),(多种自紧式密封),高压容器的结构型式,筒体结构,单层式,组合式,整体锻造式锻焊式卷焊式单层瓦片式无缝钢管式,层板包扎式热套式绕板式等等,单层容器和多层容器制造工艺比较,单层容器制造工艺过程简单、生产效率较高。 多层容器工艺过程较复杂,工序较多,生产周期长。,单层容器使用钢板相对较厚,而厚钢板的轧制比较困难,抗脆裂性能比薄板差,质量不易保证,价格昂贵。 多层容器所用钢板相对较薄,质量均匀易保证,抗脆裂性好。,多层容器的安全性高 即使个别层板存在缺陷,也不容易延展至其他层板，不会产生瞬时的脆性破坏, 。 另外,多层容器钻有透气孔,可以排出层间气体,若内筒发生腐蚀破坏,介质由透气孔泄出易于发现。,由于层间间隙, 导热性小得多,高温工作时热应力大。,层板间隙的存在,环焊缝处必然存在缺口的应力集中,没有深的纵焊缝,但它的深环焊缝难于进行热处理。,为提高厚壁筒的承载能力,在内壁面产生预压缩应力,达到均化应力沿壁厚分布的目的。 多层也采用内层预紧，改善受力。,单层厚壁容器在内压作用下,筒体沿壁厚方向的应力分布很不均匀,筒体内壁面应力大、外壁面应力小,随着简体外直径和内直径之比的增大,这种不均匀性更为突出。,2、组合式厚壁容器（即多层式）,2、制造： 用装置将层板逐层、同心 地包扎在内筒上； 借纵焊缝的焊接收缩力使 层板和内筒、层板与层板 之间互相贴紧，产生一定 的预紧力； 筒节上均开有安全孔 报警。,筒体,深环焊缝,筒节,内层1225mm,外层412mm,为避免裂纹沿壁厚方向扩展，各层板之间的纵焊缝应相互错开75。,筒节的长度视钢板的宽度而定，层数则随所需的厚度而定。,（1）多层包扎式,1、结构：,多层包扎筒节,多层包扎筒节,3、优点：制造工艺简单，不需大型复杂加工设备；安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力； 减少了脆性破坏的可能性；包扎预应力改善筒体的应力分布； 对介质适应性强，可选择合适的内筒材料。,4、缺点： 筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利用率低（仅60%左右）； 深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。 无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射线检测； 焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降； 环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。,5、应用情况：目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式筒体结构。,1、结构，制造： 内筒（厚度 30mm）卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。,热套筒节,（2）热套式,2、优点：工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数优点。,3、缺点： 筒体要有较准确的过盈量，卷筒的精度要求很高，且套合时需选配套合； 套合时贴紧程度不很均匀； 套合后，需热处理以除套合预应力及深环焊缝的焊接残余应力。,（3）绕板式,1、结构：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式筒体的基础上发展起来的。2、制造：内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续缠绕若干层35mm厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道纵焊缝，需要2个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆或三块“瓦片”制成。,3、优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达90%以上）。4、缺点：中间厚两边薄，累积间隙。,绕板式,（4）整体多层包扎式,1、结构：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结