汽油改质装置重沸器的机械设计资料

1、第一章 前言第一章 前言用于大于等于两种流体之间、固体和流体之间、固体粒子之间，或有热接触 但温度不同的同种流体之间的热量（或焓）传递的装置，叫做换热设备，是实现 化工生产过程中热量传递和交换的设备。1.1 课题研究背景及目的在工业生产中，热交换器的主要作用是使热量（或焓）由温度相对较高的流 体传到温度相对较低的流体，使流体的温度指标达到工艺过程的规定，以满足工 艺过程的需求。石油、化工、制药、能源等工业生产，需要经常加热低温流体或 冷却高温流体。这些过程与热量的传递有着非常密切的联系，都要用热交换设备 来完成这些过程。在化工厂的设备里，热交换器的投资占总投资的10%到 20%；在炼油厂中，约

2、占设备总投资的 35%到 40%；海水淡化工艺里需要用到的装置几 乎全部是由热交换设备组成的。近 20 年来，换热设备在能量的转化、储藏、回收 以及新能源的利用和污染物的治理中有着普遍的应用。随着热交换器节能技术的高速发展，应用领域也扩大了很多，利用热交换器 对多余的热量进行回收利用给公司带来了较为显著的经济效益。热交换器也是国 民经济和工业生产中应用极其广泛的热交换设备， 随着现代化的新工艺、 新材料、 新技术的开发和能源危机的来临，世界各国都把石油化工的深度加工和综合高效 利用能源放在了首要的位置，由此可见热交换器面临着巨大的挑战。热交换器的 性能对能源的利用率、产品的质量以及整套设备或者

3、系统运行的可靠性、经济性 起着至关重要的作用，有时候甚至起着决定性作用。随着热交换器的地位和作用的提高，为了适应多种工作环境和工作要求，热 交换器也开发出了越来越多的类型，不同类型的热交换器有不同的性能，也具有 各自的优缺点。管壳式热交换器是属于表面式换热器的一类，是热交换器中使用 最广的一种，虽然在传热效率、结构的紧凑性和单位传热面积金属消耗量等方面 不如一些新型的高效紧凑式热交换器，但它结构坚固、可靠性高、易于制造、适 应性广、生产成本低、处理能力大、选用的材料范围广、能承受较高的操作压力 和温度、换热表面的清洁比较方便。在高温、高压和大型换热器中，管壳式热交 换器仍具有绝对优势。管壳式热

4、交换器主要又分为：固定管板式热交换器、 U 型 管式热交换器、浮头式热交换器等，而固定管板式又是管壳式热交换器是使用最 为广泛的一种，具有结构简单，管程清洗方便等特点。因此对固定管板式热交换器的研究和设计具有很大的意义，也是为了实现以广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计下目的： 1、减小设计传热面积的热交换器来减小质量和体积； 2、提高现有热交 换器的换热效率； 3、使热交换器能够工作在温差较低的环境中； 4、减小热交换 器的流体阻力来减少换热器的动力消耗。换热器相关技术的发展主要表现在以下几发面：防腐技术，大型化与小型化 并重，强化技术，抗振技术，防结垢技术，制造技术，

5、研究手段。随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源 的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路的与新结构的涌现，换热器将朝 着更高效、经济、环保的方向发展1.2 设计主要流程本设计首先搜集资料，查阅了相关的二十多篇文献，了解了汽油改质装置重 沸器详细结以及作用原理，全面考虑设计过程中需要注意的因素，并总结了一些 现代化的创新型设计方案，同时详细介绍了本设计的主体固定管板式热交换 器的结构，对管程、壳程的各个主要部件作用做了介绍，最后介绍了本设计要用 到的各个标准，完成了第一章的前言。在第二章，通过给定的设计要求，首先确 定了设计方案，即初步选定热交换器的容器类型、流体

6、的通道、流速、管束的排 布方式以及管径，塔底油的流量、平均传热温度和传热面积等进行结构设计，接 下来确定了接管法兰、接管以及支座的尺寸，然后就分别开始了对壳程圆筒、封 头、管箱法兰、管板等的选材和强度校核，最后进行是否需要膨胀节和接管补强 的判断，完成了热交换器的整个强度计算及校核。第三章进行了对技术条件的编 制，第四章进行了总结，第五章感谢，最后列举了所用到的参考文献。本章节主 要对固定管板式换热器进行热工设计的计算，它的设计程序或步骤随着设计任务 数和原始数据的不同而不同，要尽可能的使已知数据和要设计计算的项目顺次编 排，但由于许多项目之间互相关联，无法排定顺序，故往往先根据经验选定一个

7、数据使计算进行下去，通过计算得到结果后再与初始假定的数据进行比较，知道 达到规定的偏差要求，试算才告结束。一般换热器的设计程序如下：（1）根据生产任务和有关要求确定设计方案；（2）确定换热器类型和主要结构；（3）根据换热量要求，计算换热面积，确定换热管与壳体尺寸；（4）核算换热器的传热能力及流动阻力；（5）确定换热器的工艺结构，形成工艺简图。第一章 前言1.3 热交换器介绍换热设备是用于两种及其以上的流体之间、 一种流体和一种固体之间、 固体粒子之 间或有热接触且具有不同温度的同种流体间的热量（或焓）传递的装置。它是化工、炼 油、食品、轻工、能源、机械以及其他许多工业部门被广泛使用的一种通用设

8、备。在化 工厂的设备里， 热交换器的投资占总投资的 10% 到20%；在炼油厂中， 约占设备总投资 的 35% 到 40%；海水淡化工艺里需要用到的装置几乎全部是由热交换设备组成的。近 20 年来，热交换设备在能量的转化、储藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中 有着普遍的应用。工业生产中， 热交换设备的主要作用是让热量 （或焓）由温度较高的流体传递给温 度较低的流体，使流体的温度达到工艺过程中规定的指标，从而满足工艺过程的需要。 热交换设备也是回收余热、废热以及低品位热能的有效装置。工业生产中，由于工作条件、用途、物料特性等不同，出现了各种不同形式和结构 的换热设备。 在此，主要研究了管壳

9、式固定管板热交换器。 管壳式热交换器属于间壁式 热交换器（又称表面式热交换器） ，它是利用间壁将需要交换的冷热两种流体隔开，互 不接触，热量从热流体通过间壁传递给冷流体的一种热交换器。 这类热交换器是目前使 用最为广泛的一种换热设备。 它的基本结构是在一个或多个圆筒形的壳程 （壳体） 中放 置管束（由多个管子组成） ，该管子的两端或者一端要固定于管板上面，其中管子上的 轴线要和壳体上的轴线相平行。 是为了增加流体在壳程的流速并支承管子， 改善传热的 性能，在筒体内间隔安装多块折流板（也可以是其他新型的折流元件） ，用拉杆和定距 管将折流板和管子组装在一起。 换热器的壳体和两侧的端盖上 （偶数管

10、程则是一侧） 装 有流体的进出口， 也有根据要求在其上装设检查孔， 为安置测量仪表用的接口管、 排气 孔和排液空等。管壳式热交换器虽然在传热效率、 结构的紧凑性和单位传热面积金属消耗量等方面 比不上一些新型高效的紧凑式换热器，但它也有明显的优点，如结构坚固、可靠性高、 易于制造、适应性广、生产成本低、处理能力大、选用的材料范围广、能承受较高的操 作压力和温度、换热表面的清洁比较方便等。在高温、高压和大型热交换器中，管壳式 热交换器仍具有绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。根据管壳式换热器的结构特点，分为固定管板式热交换器、浮头式热交换器、U形管式热交换器、 填料函式热交换器和釜式重沸器五类

11、。 在本设计论文中是对固定管板式 热交换器的设计计算，则着重介绍固定管板式热交换器。广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计1.4 汽油改质装置重沸器结构简介固定管板式热交换器由管板、 管箱、壳程、管子等零部件组成， 管束连接在管板上， 管板和壳体之间焊接， 管束两端用胀接或焊接的方法将管子固定在管板上， 壳体进出口 管直接焊接在筒体上， 管板外圆周和封头法兰直接用螺栓紧固， 管程的进出口管直接焊 接在管箱上， 管束内根据换热管长度设置多块折流板， 这类换热器的管程可以用隔板分 程多个程数。固定管板式热交换器的优点是结构简单、紧凑，并可以承受较高的压力，造价低， 管程的清洗方

12、便， 管子损坏的时候易于堵管或者更换； 缺点是当管束和壳体的壁温或者 材料的线膨胀系数差别较大时， 壳体和管束中的热应力较大。 这种热交换器适用于壳侧 介质比较清洁而且不容易结构并能进行清洗， 管、壳程两侧的温差较小或温差较大但是 壳侧的压力不高的场合。在管壳式热交换器的基本设计方法中， 要在满足工艺过程要求的前提下， 达到安全 和经济的目标。 热交换器的设计中的主要任务有参数选择、 结构设计、 传热计算和压降 计算等。设计主要包括了管子排列、管子支承结构、管程数、管长、壳体形式、热交换 器类型、冷热流体流动通道等工艺计算和壳体、封头、管板等零部件的结构、强度设计 计算。热交换器的工艺设计计算

13、依据设计任务的不同可以分为设计计算和校核计算， 包 括换热面积的计算与选型两方面。 一般情况下已知冷流体和热流体的物性和处理量。 进 出口压力和温度由工艺方面的要求来确定。在设计中需要选择或确定的有三大类数据： 结构数据、 物性数据和工艺数据。 设计计算是根据已知的数据来计算热交换器的换热面 积，从而来决定这个热交换器所需要的结构， 可以来选定已有的标准热交换器； 而校核 计算则是对已经有的热交换器进行一些运行参数的核定，校核它是否满足预定的要求。热交换器的各零部件的设计和选择依据的标准是 GB151-2014热交换器 。热交换器分为管程和壳程， 流经换热管的内通道以及其相贯通的部分称之为管程

14、， 流 经换热管外通道以及与其相贯通的部分称为壳程。 整个热交换器的设计过程中， 由于热 交换器是压力容器的一种， 则 GB150-2011钢制压力容器 也是一个运用较多的标准， 其他对法兰、垫片的标准则选用新的能源部发布的 HG/T20615-2009钢制管法兰，螺 纹的选择用到了 GB/T196-2003螺纹规格标准 ，而在制作过程中的选用则用到的是 JBT4712.1JBT4712.4-2007容器支座，在整体的设计中，熟练运用标准是一项非常 重要的技能。在管程结构当中， 换热管占了整个热交换器的大部分重量， 换热管除了光管之外还 能采用各式各样的强化传热管，比如翅片管、螺纹管、螺旋槽管

15、等。当管内外两侧的给 热系数较大的时候， 翅片管的翅片布置应在给热系数较低的一侧。 换热管是具有标准的第一章 前言尺寸（外径壁厚）的钢管，主要分为无缝钢管和不锈钢管。在设计热交换器的时候， 采用小管径的换热管时， 可使传热系数提高、 单位面积的传热面积增大、 金属耗量减少、 结构紧凑。据简单的估算，将同直径热交换器的换热管尺寸由 25mm改为 19mm，传 热面积便可以增加 40% 左右，同时节约 20% 以上的金属。但小管径的流体有较大阻 力，且不方便清洗，容易结垢堵塞。通常情况下，大直径的管子用于黏性较大或污浊的 流体，小管径的管子则用于相对较清洁的流体。换热管常用的材料通常有碳素钢、铜、

16、 铜镍合金、铝合金、低合金钢、不锈钢、钛等。除此之外，也能够用一些非金属材料， 如陶瓷、石墨、聚四氟乙烯等。换热管的排列方式主要有正方形、转角正三角形、正三 角形、转角正方形等。 正三角形的排列方式能够在相同的管板上排列最多的管数， 所以 用的最普遍，但是管外不便于清洗。 为便于管外清洗， 可采用正方形或转角正方形排列 的管束。管板是管壳式热交换器里面最重要的零部件之一， 其作用是排布换热管。 将管程和 壳程的流体分开，避免冷热流体的混合，同时受到管程、壳程的压力和温度的作用。管 板在选材的时候不仅要考虑力学性能， 还要考虑管程和壳程流体的腐蚀性， 以及管板和 换热器之间存在的电位差对腐蚀的影

17、响。当流体腐蚀较低或者基本没有腐蚀性的时候， 管板一般采用压力容器用的碳素钢或者锻件或低合金钢板来制造。 当流体的腐蚀性较强 时，管板应采用耐腐蚀材料，如不锈钢钛、铝、铜、等。对于厚度较大的管板，为达到 降低造价，工程上常采用钛 +钢、不锈钢 +钢、钛 +钢等复合板，或堆焊衬里。在热交换 器承受高温、高压时，高温、高压对管板的要求是具有矛盾的。增大管板的厚度，管板 便可以承受更大的压力， 但是当管板两侧的温差较大的时候， 沿管板内部厚度方向的热 应力会增大；若减小管板的厚度， 可以适当的降低它的热应力， 但是承压能力会下降一 些。而且，在开车和停车的时候，由于厚管板的温度变化较慢，换热管壁厚薄

18、，温度变 化较快，所以在换热管和管板的连接处会产生出较大的热应力， 大的热应力往往会导致 换热管和管板连接的地方发生破坏。 因此，在满足强度的要求下， 应尽量减少管板的厚 度。管板设计时的基本考虑是： 把实际复杂的管板简化为承受均匀分布的载荷， 置于弹 性的基础上并且受到在管孔有平均削弱作用的当量圆板。 同时也在这个基础上考虑管束 对于管板的挠度有约束作用， 但忽略对于管板的转角具有约束作用； 管板周边没有布管 区域对管板有应力影响， 把管板划分成为两个区， 即靠近中央的布管区和靠近周边较窄 的不布管区； 不同结构形式的热交换器， 管板边缘处具有不同形式的连接结构， 根据具 体的情况，考虑了壳

19、体、法兰、管箱、封头、垫片等元件对管板边缘转角产生的约束作 用；管板兼做法兰时， 法兰力矩对管板应力的影响。 管板的设计思路包括管板的弹性分 析、危险工况、管板应力校核、管板应力调整。总体下来，管板的计算非常复杂，手算 的工作量很大，目前我国已开发出过程设备强度计算的软件，比如SW6，在实际工程广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计计算中运用软件计算便会大大缩短设计计算的工作量。管箱位于换热器的两端，其作用是将管道输送过来的流体均匀分布到各个换热管， 把管内的流体汇聚在一起并送出热交换器。 在多管程热交换器里， 管箱还能起到改变流 体流向的作用。管程是在管内流动着的流体从一

20、端流到另一端， 在管壳式热交换器中， 最简单的是 单管程的热交换器。 根据工艺设计要求， 需要增加换热面积的时候， 可采用增加换热管 的长度或管数的方法。 过于加长换热管的长度会受到加工、 运输、 安装及维修等多方面 的限制，因此经常用增加管数的方法来实现换热面积的增加。管板与换热管的连接是管壳式热交换器的设计、 制造中最关键的技术之一， 也是热 交换器出事故率最高的部位， 所以，热交换器中管板和换热管的连接质量的好坏直接影 响了热交换器的使用效果和使用寿命。 主要有采用强度胀接、 强度焊、 胀焊并用的方法 在壳程结构中主要由壳体、折流板或折流杆、拉杆、防冲挡板、纵向隔板、防短路 结构等元件组

21、成。壳体一般情况下是个圆筒，在筒壁上焊有接管，可以流入和排出流体。 折流板的设置是为了提高壳程流体的流速并增加湍动，使壳程流体垂直地冲刷管 束，改善传热，增加壳程流体的传热系数，减少结垢。在卧式热交换器中，折流板的还 有支承作用。 折流板一般是等间距布置， 管束两端的折流板应放置在靠近壳程进出口接 管。折流板上的管孔和换热管之间的间隙、 折流板和壳体内壁之间的间隙应该符合要求， 间隙过大会泄漏严重，对传热不利，还会引起振动；间隙过小，会使安装困难。折流板 一般采用拉杆和定距管连接在一起。 其他零部件可根据需求来设定或者选用， 如折流杆、 防短路结构（挡管、旁路挡板、中间挡板） 、防冲板、支座、

22、静电接地板、铭牌等。上述基本设计主要在工程设计中用到的为主， 当今社会是一个不断发展和进步的社 会，能源和资源的紧缺让人们不得不努力开发新型的热交换器， 研究新型的高效的热交 换器元件， 各工业部门都在努力发展大容量、 高性能的设备， 减少设备的投资和使用费 用。当今的化工等生产中的环境更加恶劣，介质的腐蚀、毒性等情况会更加突出，所以 新型材料也不断的加入热交换器的设计制造中。在这样的世界大环境下， 各国都加快了先进热交换技术和节能技术的发展。 我国十 分重视传热强化和热能的回收利用这些方面的研究和开发工作， 开发了适用于不同的工 业生产过程要求的高效热交换设备来提高经济效益， 并且取得了丰硕

23、的成果。 其中，传 热强化和节能技术是热交换技术研究的主体方向。 传热强化是改善传热性能的技术， 可 以通过提高和改善传热速率， 来达到使用最经济的传热设备来传递一定热量的目的， 也 可以通过提高传热系数、 增加平均传热温差、 扩大换热面积等来实现。 目前还普遍用槽 管、翅片管、螺纹管、波纹管等新型管子来扩展表面以达到强化传热。同时也常会有通第一章 前言过改变壳程挡板结构、 改变管束支承结构等方法来减少或者消除壳程的流动和传热的滞 留死区，从而使换热面积能够得到充分得利用，达到壳程强化传热的效果 10 。总之，在这个能源紧缺的时代， 对热量的充分利用显得尤为重要。 在这个大发展的 背景下，我国

24、的热交换器也取得了巨大的突破， 但是由于我国的热交换器起步相对较晚， 在一些高端热交换器领域， 比如模型化技术、 电脑程序应用于设计计算、 高新材料在热 交换器的运用等方面相对于发达国家较薄弱。 而且我国的化工、 炼油、 轻工业等正处于 快速发展的阶段， 提高热交换器的本土效率和产量便可以减少大量的热交换器进口， 并 能有效的减少国内大多数需要用到热交换器公司的开支， 同时也能促进我国热交换器的 大发展。1.5 热交换器的优化热交换器的优化升级是重要的研究方向。祁飞，刘国振，贾晓艳在固定管板式换 热器热处理有关问题的探讨 一文中分析道，设备是否进行焊后热处理选用哪种热处理， 应首先分析其热处理

25、的目的， 充分理解标准中含义， 再做出正确的选择， 从而才能设计 且制造出合格产品。热交换器的优化主要从结构设计、制作工艺、热处理、新技术开发 应用等方面出发，用以提高换热效率、延长使用寿命、升级控制方案。刘执彬、徐勇在 固定管板换热器传热效率影响因素分析 一文中，总结固定管板换热器传热效率的影 响因素有：流动路线及防短路设置、 折流板间距、 管束在壳程接管进口或出口处的流通 面积。并建议，根据工艺设计参数（介质流速、压力降等）依据伯努利方程确定介质在 换热器内的流速， 再以此流速来设计折流板弓高和间距。 周蕾在固定管板式换热器的 研究与优化中，对固定管板式热交换器的固定管板厚度随工作压力 （

26、壳程与管程压力 ） 改变的变化情况和不同热交换器公称直径条件下的管板布管情况进行了系统的研究， 采 用线性加权法对固定管板式热交换器的整体进行了优化。 陈文星，陈士玮在 换热器优 选的灰靶决策法 一文中， 灰靶理论应用到热交换器设计方案的评价与优选中， 取得了 与采用其他方法分析一致的结果， 显示了它的有效性和实用性。 而且整个分析过程简便， 为其他一般化工设计方案优选提供 了一种实用的方法。王伟，商玉坤，王立刚在焦 化厂粗煤气冷却用固定管板式换热器改进 15提出了结构设计上 的改进和制造过程中 的几个问题。王武超，赵竞全在冷凝器动态性能仿真研究 一文中应用移动边界法 （MB） 对冷凝器建立了

27、动态仿真数学模型，模型体现了冷凝器内各个相区长度随时间的变化， 模型最终可以化为常微分线性方程组的形式， 在求解上更为方便且兼顾了仿真的效率和 精度，模型可提供冷凝器详细的性能参数； 研究了在系统不同的控制参数阶跃情况下冷 凝器的动态响应， 获得了冷凝器的动态特性， 冷凝器的动态特性是冷凝器动态优化设计 和编制系统控制规律的基础。 该文中的冷凝器建模方法适合于系统级仿真研究。 况莉在广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计循环水换热器泄漏故障分析和对策 一文中，提出了循环水换热器泄漏故障分析和对 策，使得换热器运行效果良好， 达到了降低维修费用， 保证装置长周期稳定运行的目的

28、， 为以后类似换热器的维护改造提供了有益的经验。刘维亭，张冰，朱志宇在主冷凝器 模糊控制系统设计 一文中，从主冷凝器的特性出发， 对真空凝水过冷度控制系统进 行了深入地研究， 详细阐述了系统的设计准则、 设计模型及实现方法。 该系统硬件采用 了数字信号处理芯片， 以保证系统的实时性， 软件采用了模糊神经网络算法以克服系 统模型的不确定性。设计出了工作稳定可靠，具有较强的鲁棒性的换热系统。第二章 结构设计和强度校核第二章 结构设计和强度校核2.1 设计条件2.1.1 设计压力壳程设计压力 Pd 2.5MPa ，液柱压力 gh 0.95 1000 9.8 1.1 0.95Pa= 10241Pa 5

29、%Pd则可忽略液柱压力， 计算压力 Pc Pd ，取高于其一个等级的公称等级 4.0MPa 。管程设计压力 Pd 2.5MPa ，忽略液柱压力，则取高出其一个压力等级为 4.0MPa2.1.2 设计温度设计温度指容器在正常情况下， 设定的元件金属温度， 设计温度不得低于元件金属 在工作温度状态可能达到的最高温度。管程设计温度的确定 ，由于气氨最高操作温度为 180，故取设计温度为 200 壳程设计温度的确定， 由于壳程水最高操作温度为 310，故取设计温度为 3302.2 筒体壁厚2.2.1 筒体选材由于筒体设计温度为 330，设计压力为 2.5 MPa ，参考 GB150-2011，Q345

30、R是普 通低合金钢 , 是锅炉压力容器常用钢材，使用状态为：热轧、控轧或正火。磷、硫含量 略低于低合金高强度钢板 Q345钢，除抗拉强度、延伸率要求比 Q345R钢有所提高外， 还要求保证冲击韧性， 对钢材的表面缺陷和内部缺陷要求比较较高。 而且它是目前我国 用途最广、用量最大的压力容器专用钢板 , 可用于容器壳体材料中 , 故选择 Q345R。广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计2.2.2 筒体壁厚的计算PtcDi2 t Pc式中 计算厚度， mm ；Pc 计算压力， MPa ； 焊接接头系数。PcDi2 tPc2.5 11002 143 0.85 2.5mm 11.4

31、30mmdC2 (11.430 2)mm 13.430mmn d C1（13.430 0.3 ）mm 13.730mm对厚度进行圆整可得名义厚度为： n =16mm（取C2 =2mm在无特殊腐蚀情况下 ,对于碳素钢和低合金钢，不小于 1mm）GB6654压力容器用钢板和 GB3531低温压力容器用低合金钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于 0.25 mm ，因此使用该标准中钢板厚度超过 5mm 时（如20R,16MnR 和 16MnDR) 等，可取 C1=0( C=C1 +C 2 )e= n-(C1+C2 )10第二章 结构设计和强度校核=16-(0.3+2)=13.7mm2.2.3筒体

32、的强度校核tPc(Die) 2.5(1100 11.7) tc i e 94.96MPa t2 e 2 11.7式中 e 有效厚度， e= n -C， mm；n 名义厚度， mm ；t 设计温度下圆筒的计算应力， MPa ；C 厚度附加量， mm t =143 0.85=121.55MPatt t故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力 pw 为2 e tDie2 11.7 143 0.851100 11.72.56MPa11广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计2.3 管箱设计2.3.1 管箱选材管程设计压力为 2.5 MPa，温度为 200，参考 GB150-20

33、11，Q345R 是普通低合金 钢, 是锅炉压力容器常用钢材，使用状态为：热轧、控轧或正火。磷、硫含量略低于低 合金高强度钢板 Q345钢，除抗拉强度、延伸率要求比 Q345R 钢有所提高外，还要求保 证冲击韧性，对钢材的表面缺陷和内部缺陷要求比较较高。 而且它是目前我国用途最广、 用量最大的压力容器专用钢板，可用于容器壳体材料中，故选Q345R。2.3.2 管箱筒体厚度计算PcDi2 tPcPcDi2 tPc2.5 11002 183 0.85 2.5mm 8.91mm 。dC2 (8.91 2)mm 11.91mmnC1(11.91 0.3 )mm 12.21mm 对厚度进行圆整可得名义厚

34、度为： n =16 mmGB6654压力容器用钢板和 GB3531低温压力容器用低合金钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于 0.25 mm ，因此使用该标准中钢板厚度超过 5mm 时(如20R,16MnR 和 16MnDR) 等，可取 C1=0( C=C1 +C2 )e= n-(C1+C2 )12第二章 结构设计和强度校核=16-(0.3+2)=13.7 mm2.3.3 管箱选择本次设计选择 D 型管箱，其结构型式见管箱零件图2.3.4 管箱的强度校核118.77 MPa tPc(Die) 2.5(1100 11.7)2 e 2 11.7式中 e 有效厚度 , e= n -C， mm；n

35、 名义厚度， mm ；t 设计温度下圆筒的计算应力， MPa ；C 厚度附加量， mm t =183 0.85=155.55MPa t故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力 pw 为2 e tDie2 11.7 183 0.851100 11.73.274MPa13广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计2.4 管箱法兰2.4.1 材料选择管程设计压力为 2.5MPa，温度为 200，参考 GB150-2011，材料 20 属于优质低速 钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性。塑性和焊接性均好。故选20。2.4.2 法兰尺寸法兰材料及其质量列表如下： JB/T 47

36、03-2000表 2-1 长颈对焊法兰公称直径 DN， mm法兰， mm螺柱DD1D2D3D4Htaa1d规格数量11001351281221221201019528262339M36400009064公称直径 DN法兰质量， kg平面凸面凹面榫面槽面PN=4.0MPa1100420.3435.9429.3430.9434.1表 2-2 长颈对焊法兰质量2.4.3 法兰型式根据公称压力等级以及介质性质选择法兰型式为 WN型。2.5 管箱法兰垫片选择非金属垫片：缠绕垫 D 型GB/T3985垫片结构图见装配图。14第二章 结构设计和强度校核公称压力 PN ， mm4.0公称直径 DN ， mmD

37、3D2t1100120912293表 2-3 垫片尺寸JB4703-20002.6 管箱法兰螺柱螺母对于 PN 4.0 MPa 的螺柱应当 选用 35，对应的螺母为 25。JB/T4707-2000本次选用等长双头螺柱。等长双头螺柱结构图如下：图 2-1 等长双头螺柱图15广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计表 2-4 等长双头螺柱的形式与尺寸JB/T4707-2000d , mm162024273036L0 ,mm405060657080C,mm22.53445r ,mm56666d2 ,mmA162024273036BL,mm极限偏差单件质量 , kg公称尺寸1001

38、.30.1330.2081101.50.1470.2291200.1600.2501300.1730.2700.3901400.1870.2910.4201500.2000.3120.4501600.2130.3330.4801700.2270.3450.5101800.2400.3740.5400.6950.8531900.2530.3950.5700.7330.9012000.4160.6000.7720.9483000.6250.9001.1601.4222.7 封头的设计由于管程设计压力为 2.5MPa，温度为 200，Q345R是普通低合金钢 , 是锅炉压力 容器常用钢材，使用状态为

39、：热轧、控轧或正火。磷、硫含量略低于低合金高强度 钢板 Q345钢，除抗拉强度、 延伸率要求比 Q345R钢有所提高外， 还要求保证冲击韧 性，对钢材的表面缺陷和内部缺陷要求比较较高，而且它是目前我国用途最广、用16第二章 结构设计和强度校核量最大的压力容器专用钢板。可用于容器壳体材料中，故封头材料选为Q345R。2.7.1 封头的壁厚计算PcDi2 t0.5Pc式中 计算厚度 , mm; Pc 计算压力 , MPa;PcDi2 t0.5Pc焊接接头系数。2.5 1 10 0 mm 8.88mm2 183 0.85 0.5 2.5dC2 (8.88 2) 10.88mm(取C2 =2mm在无特

40、殊腐蚀情况下 ,对于碳素钢和低合金钢 ,不小于 1mm) n d C1(10.88 0.3 )mm 11.18mm对厚度进行圆整可得名义厚度为： n =14mm(GB6654压力容器用钢板和 GB3531低温压力容器用低合金钢板规定压力容器 专用钢板的厚度负偏差不大于 0.25 mm ,因此使用该标准中钢板厚度超过 5mm 时如和等 可取 C1 =0)e= n -( C1+C 2 )( C =C1+C2 )=14-(0.3+2)=11.7 mm17广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计2.7.2 封头尺寸选择以内径为基准的椭圆形封头，代号为 EHA，其尺寸和结构如下 JB4

41、746-2002表 2-5 EHA椭圆形封头内表面积，容积 ：公称直径总深度内表面积容积DNHAVmmmm2 m3 m11003001.39800.1980表 2-6 EHA 椭圆形封头质量kg JB4746-2002公称 直径封头名义厚度n ， mmDN34568101214161820mm110055.764.686.5108.6130.9153.3176.0198.9221.9图 2-2 EHA 椭圆型封头结构18第二章 结构设计和强度校核2.7.3 封头的强度校核对于标准椭圆形封头， K =1.0椭圆形封头的最大工作压力 pw 为2 e t KDi 0.5 e2 9.7 183 0.8

42、51100 0.5 11.72.7288MPa2.8 液压试验压力试验除材料本身的缺陷外， 容器在制造和使用中会产生各种缺陷。 为考核缺陷对压力安 全性的影响，压力容器制造完毕后或是定期检验时，都要进行压力试验。常温时，水的压缩系数比气体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。本 次设备压力试验采用水压试验。由于管程壳程压力不等， 且管程压力大于壳程， 故水压试验时先将壳程压力升高到 与管程相等，再进行水压试验。(1)水压试验对于内压容器PT 1.25P tT t在小于 20,100时的应力都为 133 MPa .PT 1.25P =1.25 Pc =1.25 4 MPa =5 MPa(2

43、) 应力校核为使液压试验时容器材料处于弹性状态 ,在压力试验前必须校核试验时圆筒的薄膜 应力 TPT (Di e) 5 (1100 13.7)T = T i e = MPa =203.230 MPaT 2 e 2 13.70. 9 s =0.9 0.85 345=263.925 MPaT 0.9 s19广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计2.9 拉杆设计2.5.1 拉杆选材拉杆要求有足够的强度和良好的焊接性，定距管要求有足够的强度和良好的焊接性，考虑到设计要求，选择拉杆材料为 Q235A，定距管材料为 10。2.5.2 拉杆参数拉杆的直径和数量按下表选择：表 2-7 拉杆

44、选用表换热管外径 d25拉杆直径 dn16表 2-8 拉杆数量选用表公称直径 DN， mm 拉杆直径 dn ， mm400 7001610拉杆尺寸与结构如下：表 2-9 拉杆尺寸表拉杆直径dn拉杆螺纹公称直径dnLaLbb161618502.020第二章 结构设计和强度校核b45dndnLaLbL图 2-3 拉杆结构图2.5.3 拉杆的布置拉杆应尽量布置在管束的边缘，本次用 10 根拉杆。2.10 管板设计2.10.1 材料选择16Mn它的特点是：高的强度和屈服比，高韧度，良好的焊接性能和冷、热加工性 能，一定的腐蚀性能。考虑设计要求，故选择管板材料为 16Mn。2.10.2 管板结构选择 e

45、 型的连接方式即： 管板与壳程圆筒连接为整体， 其延长部分兼做法与管箱用螺柱 连接。表 2-10 管板尺寸参数 mm公称压力2 kgf /cmDgDD1D2D3D4D5Cd2螺柱bfbPtPs规格数量2.51.060076071567659766360012.527M2424384821广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计结构如下：图 2-4 管板结构2.10.3 管板布管见管板零件图。2.11 中心距的求取正三角形排列最为普遍， 其在同一直径管板面积上可排最多的换热管数。 其用于壳 程介质较清洁，换热管外不需清洗。当需对换热管外清洗时，则需采用正方形排列，其 最小清洗通

46、道应不小于 6 毫米。换热管尺寸为 25 2.5mm，因此取换热器中心距为 32mm。2.12 布管限定圆对固定管板式换热器 ,布管限定圆的直径 DL 为DL Di 2b3Di 圆筒内径 ,mmb3 固定 管板 式换 热器管束最外层管束外表面 至壳体内 表面 的最短 距离 , b3 0.25do ,一般不小于 8mm， d o为换热管外径。本次设计取 b3=10mm，则 DL =1100-2 10=1080mm 。22第二章 结构设计和强度校核表 2-11 I 级管束折流板和支持板管孔直径及允许偏差表换热管外径 d 或无支撑跨ld 32 或 l 900l 900且 d 32管孔直径d 0.7d

47、 0.4允许偏差+0.3002.13 拉杆孔的设计拉杆孔直径 d1 d 1.0 (16 1.0)mm 17mm ,d 为拉杆直径。 拉杆与管板采用螺纹连接。螺纹深度 l2 1.5dn ,dn 为拉杆螺纹孔公称直径 ,mm.l2 1.d5n =1.5 16mm 24mm2.14 实际布管实际布管数为 937根，其中换热管 927根，拉杆 10 根。2.15 换热管设计在标准中选取换热管为 25mm 2.5mm， 10 号钢塑性、韧性很好，易冷热加正火 或冷加工后切削加工性能好， 此钢的可焊性非常好， 可以用任何方法进行焊接， 焊前和 焊后不必进行热处理， 无回火脆性， 淬透性和淬硬性均差。 但此

48、钢用不宜用于要求高强 度的环境，只适用于要求受力不大、 韧性高的零件中， 可用作冷轧、 冷冲、冷镦、冷弯、 热轧等工艺成形，也可用作心部强度不高的渗碳件、碳氮共渗件等。本设计选用 10 号 钢作为换热管的材料。 ，长度为 3000mm 。换热管与管板的连接采用强度焊加贴胀，其尺寸如下所示23广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计表 2-12 换热管与管板的连接采用强度焊换热管规格换热管最小伸出长度最小坡口深度 l3l1l225 2.51.52.52图 2-5 换热管安装尺寸2.16 接管设计2.16.1 管程接管设计选取标准管子 DN=350m，m材料 20 属于优质低速钢

49、，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强 度低，韧，。塑性和焊接性均好，考虑设计要求，故材料选 20。2.16.2 壳程接管设计选取标准管子 DN=350m，m材料 20 属于优质低速钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强 度低，韧性，塑性和焊接性均好，考虑设计要求，故材料选 20。24第二章 结构设计和强度校核2.17 排气管和排液管的设计考虑到壳程接管都安装于最高处或最低处， 并且为单壳程，无须设排气管和排液管。 管程不设置。2.18 接管法兰和垫片的设计2.18.1 法兰材料选择与接管材料一致 ,选择材料 202.18.2 法兰结构和尺寸PN4.0MPa带颈对焊钢制管法兰 HG20595-97，其 DN=3

50、50m，厚度分别为 10 mmPN4.0MPa带颈对焊钢制管法兰 HG20595-97，其 DN=25mm ，厚度为 10mm。 法兰密封面尺寸如下：表2-13 法兰密封面尺寸公称通径DNdf1f2f3WXYZMPaPN2.54.025606824.54.04357584235041046525.55.0395421422394各接管其他参数如下表： 热轧无缝钢管 YB231-70表 2-14 热轧无缝钢管钢管外径， mm壁厚， mm理论重量， kg m接管长度， mm3771090.5111325广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计冷拔无缝钢管 YB231-70表 2-

51、15 冷轧无缝钢管钢管外径， mm壁厚 ， mm理论重量， kg m接管长度， mm361021.361092.18.3 法兰垫片选择壳程接管法兰用垫片均为非金属平垫片，缠绕垫 D 型。2.18.4 螺栓螺母选择管程接管选择六角螺栓， 8.8 级。2.19 接管外伸长度2.19.1 各接管尺寸设计其确定参考如下：表2-16 Pg 40kgf /cm2 接管外伸长度参考表2.19.2 管程接管位置的确定由于选择 D 型管箱，管程接管采用轴向进出2.19.3 壳程接管位置的确定无补强圈时 L1 dH (b 4) C226第二章 结构设计和强度校核dH 接管外径， mmb 管板厚度， mmC 接管外

52、缘到容器法兰与筒体连接焊缝的距离， 且 C 4S，不小于 30mm，S 为 壳体壁厚， mm通过校核本次设计中接管无需补强。故L1 dH (b 4) C=377 86 64 338.5mm，暂取为 200mm。 222.20 防冲挡板管程流体为轴向进入，且流体流速大于 3m s 时需设置防冲挡板。 对于碳钢和低合金钢，折流板厚度取为 14mm 。Q235B 有一定的伸长率、强度， 良好的韧性和铸造性， 易于冲压和焊接， 广泛用于一般机械零件的制造， 主要用于建筑、 桥梁工程上质量要求较高的焊接结构件。本次选择防冲挡板材料为 Q235B 。 防冲挡板结构及其相关尺寸如下：H h d f =(1.

53、2 357 )mm 89.85 mm ，本次取为 90mm。2 4 2 4d f 接管内径， mmB1=B2B1 d f 50=(357+50) mm =407 mm初取为 410mm。其结构位置确定如下图：27广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计图 2-6 防冲挡板结构及其相关尺寸壳程流速小于 3 m s ，无需设置。2.21 折流板2.21.1 材料Q235B有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，广泛用于 一般机械零件的制造。 主要用于建筑、 桥梁工程上质量要求较高的焊接结构件。 故折流 板材料选为 Q235B。2.21.2 折流板的设计折流板厚度本次取为 14 mm ，折流板直径为 Di