孙娜的设计说明书gg

1、bes500浮头式换热器摘 要本次设计的题目为bes500浮头式换热器。换热器进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门，特别是在石油和化学工业生产。在换热设备中，管壳式换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最为广泛的应用。在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位。 因此，管壳式换热器的工作原理及选材、基本构造、基本结构等应有进一步的了解，对换热器的各部分进行结构设计及校核十分重要。浮头式换热器的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。浮头换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另

2、外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗。在化工工业中应用非常广泛。本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，采用了四管程。文章首先是对换热器进行了概述，介绍了换热器的应用；其次了解换热器的分类及其工作原理，以及换热器的材料；再次对浮头式换热器各部分进行了设计说明；然后主要是对换热器进行结构设计与强度计算，主要对以下几方面进行了计算：筒体、管箱短节、外头盖、管箱封头、外封头盖、管板、换热管、浮头盖、开孔补强等；结构设计的任务是根据工艺计算所决定的初步结构数据，进一步设计全部结构尺寸，选定材料并进行强度校核，最后绘成图纸。关键词：换热器；结构设计 ；校核 abstrac

3、t the design of the subject as propane cooler. heat exchanger for heat exchange operation is a common process equipment, is widely used in various industrial sectors, especially in the petroleum and chemical industry production. in the heat transfer equipment, shell and tube heat exchanger with high

4、 reliability and wide adaptability, etc., in various industrial areas to be the most widely used. in the heat exchanger to the high-parameter, large-scale development today, shell and tube heat exchanger still dominant. therefore, shell and tube heat exchanger and the working principle of selection,

5、 the basic structure, the basic structure should have a better understanding of the various parts of the heat exchanger design and verification is very important. floating head heat exchanger is characterized by only one end of the tube plate at both ends of the fixed die with the shell, the other e

6、nd can slip relative to the shell, known as the floating head. floating head heat exchanger shell from the expansion of the bundle constraints, it will not bundle the difference between the thermal expansion resulting from temperature stress, another advantage of floating head heat exchanger is also

7、 easy to disassemble, easy to clean. in the chemical industry is widely used. in this paper, floating head heat exchanger for the overall design, in accordance with the design requirements, the selection of the structure, using a four-way. first, the article provides an overview of the heat exchange

8、r, introduced the application of heat; second heat exchanger to understand the classification and how it works, and describes the heat exchanger material; once again floating head heat exchanger for each part design description; then mainly for heat exchanger design and strength calculation, mainly

9、the following aspects were calculated: the cylinder, a short section of tube box, outer cover, tube box head, outside the sealed cover, tube sheet , tubes, floating cover, opening reinforcement, etc.; structural design of the task is calculated according to the process determined by the initial stru

10、ctural data, the further design of all structural dimensions, selected materials and the strength check, the final plotted drawing key words：heat exchanger; structural design; check目录1 前言11.1 换热器的概述111.2 换热器产业的现状及其发展趋势12 换热器的分类及其工作原理22.1 换热器的分类及工作原理22.2换热器的材料242.2.1 化学成分42.2.2 力学与性能52.2.3 制造工艺性能53.浮

11、头式换热器各部分的设计说明63.1 各部分结构及材料的选择363.1.1管程结构63.1.2 壳程结构83.1.3开孔和开孔补强设计123.1.5焊接结构设计163.2 换热设备的制造工艺4193.2.1 封头的形成193.2.2筒节的弯卷成形193.2.4安装与拆卸203.4 检验224.设计计算244.1 筒体的计算56244.1.1 计算条件244.2 .管箱短节的计算254.2.1 计算条件254.2.2 厚度计算264.3 外头盖短节计算264.3.1 计算条件264.3.2 厚度计算274.4 管箱封头计算274.4.1 计算条件274.4.2 厚度计算284.5 外封头盖计算29

12、4.5.1 计算条件294.5.2 厚度计算294.6 管板的设计304.6.1 计算条件304.6.2 管板厚度的计算324.6.3 换热管的轴向应力354.6.4换热器与管板连接拉脱力374.7 浮头盖的设计计算374.7.1 管程压力pt作用下浮头盖的计算374.7.2壳程压力ps作用下浮头盖的计算434.8管箱法兰的计算434.9钩圈的设计474.10开孔补强484.10.1管箱短节处开孔不强484.10.2 壳体接管开孔补强514.11水压试验校核54结束语58参考文献1谢辞211 前言1.1 换热器的概述1 换热设备是使热量从热流体传递到冷流体的设备。它是化工，炼油，动力，食品，轻

13、工，原子能，制药，机械，及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%-20%；在炼油厂中，约占总投资的35%-40%。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量又温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。 换热器实物图 1.2 换热器产业的现状及其发展趋势近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。2011中国换热器市场趋势观察研究预测报告分析：目前，我国换热器产业的市场规模大概为42

14、0亿人民币。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器产业在未来一段时期内将保持稳定增长。预计到2010年年底，我国换热器的市场需求将达到500亿元。 我国换热器产业主要集团中于东北地区、西北地区、华北地区和华东地区。其中，东北地区是我国规模最大的换热器产业基地，特别是吉林四平地区在集中供热、钢铁和电力行业板式换热器市场领域具有较为明显的优势；西北地区则以某肃兰州为中心，依托兰州石油机械研究所和兰石集团的研发和生产力量，形成了较强的换热器产业，尤其是在石油化工和食品领域；2011中国换热器市场趋势观察研究预测报告中数据表明：华北地区在原北京京海、

15、天津换热装备总厂等原机械部换热设备定点生产企业的基上，通过引入大量外资企业，获得了较快的发展；华东地区依托其巨大的市场，在轻工食品领域的换热器市场和面向石油化工的特殊材质换热器领域占据了重要地位。其它地区换热器企业较少，比较知名的还有以佛山市润石传热设备厂为龙头企业的广东佛山地区，该地区主要以板式换热器为主。 据2011中国换热器市场趋势观察研究预测报告预测，2010年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均1015%左右的速度增长。到2015年，我国换热器产业规模将突破880亿元；到2020年我国换热器产业规模有望达到1500亿元。2 换热器的分类及其工作原理2.1 换热器的分类及工作原理

16、 在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。 按作用原理或传热方式分类 （1） 直接接触式换热器它又称混合式换热器，是利用冷，热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。为增加两流体的接触面积，以达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。如冷却塔，冷却冷凝器等。为增加两流体的接触面积，已达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板。 （2） 蓄热式换热器这类换热器又称回热式换热器，是借助于固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。在换热器内首先由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由流体通过，由蓄热体把热

17、量释放给冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两种流体少量混合。若两种流体不允许有混合，则不采用蓄热式换热器。 （3） 间壁式换热器这类换热器又称表面式换热器，是利用间壁将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多样，如管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。 （4） 中间载流体式换热器这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载流体连接起来的换热器。载流体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热

18、器等。 2.2换热器的材料2压力容器材料的选取，材料费用占总成本的比例很大，一般超过30%。材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。选材不当，不仅会增加总成本，而且有可能导致压力容器破坏事故。因此，合理选材是压力容器设计的关键之一。压力容器用料多种多样，有钢，有金属，非金属，复合材料等，压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性，良好的制造性能和与介质兼容性。改善钢材性能的途径主要有化学成分的设计，组织结构的改变和零件表面改性。 2.2.1 化学成分钢材的化学成分对其性能和热处理有较大的影响。提高碳含量可能使强度增加，但是可焊性变差，焊接时易在热影响区出现裂纹。因此，压力容器用

19、钢的含碳量一般不大于0.25%。在钢中加入钒，钛，铌等元素，可提高钢的强度和韧性。硫和磷是钢中最主要的有害元素。硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷能使高钢的强度，使会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性，抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能，抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对磷，硫，氢等有害杂质元素含量的控制更加严格。例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0，020%和0.030%。随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在0.002%以内。另外，化学成分对热处理也有决

20、定性的影响，如果对成分控制不严，就达不到预期的热处理效果。 2.2.2 力学与性能由于载荷和应力状态的不同，以及钢材在受力状态下所处的工作环境的不同，钢材受力后所表现出的不同行为，称为材料的力学行为。钢材的力学行为，不仅与钢材的化学成分，组织结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系。钢材的力学性能主要的表征强度，韧性，塑性变形能力的判据，是近些设计时选材和强度计算的主要依据。压力容器设计中，常用的强度判据包括抗拉强度，屈服点，持久强度，蠕变极限和疲劳极限；塑性判据包括延伸率，断面收缩率；韧性判据包括吸收功，韧脆转变温度，断裂韧性等。韧性对压力容器安全运行具有重要意义。在载荷作用下，

21、压力容器中的缺陷常会发生扩展，当裂纹扩展到某一临界尺寸时将会引起断裂事故，此临近裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性。如果钢的韧性高，压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大，安全性也越高。因此，为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展，压力容器常选用韧性好的钢材。 2.2.3 制造工艺性能材料制造工艺性能的要求与容器结构形式和使用条件紧密相关。制造过程中进行冷卷，冷冲压加工的零部件，要求钢材有良好的冷加工成型性能和塑性，其延伸率应在15%-20%以上。为检验钢板承受弯曲变形能力，一般应根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角度为180的弯曲实验。试样外表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。 3.浮

22、头式换热器各部分及设计说明3.1 各部分结构及材料的选择3 3.1.1管程结构 流体流经换热管内的通道及与其相通部分称为管程。 换热管 换热管形式 ：除光管外，换热管还可采用各种各样的强化换热管，如翅片管，螺旋槽管，螺纹管等。当管内外两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。 换热管尺寸：换热管尺寸主要为 19mm2mm, 25mm2.5mm, 38mm2.5mm,无缝钢管以及25mm2mm, 38mm2.5mm的不锈钢管。标准管长有1.5，2.0,3.0,4.5,6.0,9.0m等。采用小管径，可使单位体积的传热面积增大，结构紧凑，金属耗量减少，传热系数提高。但小管径流体

23、大，不便清洗，易结垢堵塞。一般大直径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。 换热管材料：常用材料有碳素钢，低合金钢，不锈钢，铜铜镍合金，铝合金，钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨，陶瓷，聚四氟乙烯等。设计时应根据工作压力，温度和介质腐蚀性等选用合适材料。 换热管排列形式及中心距 ：换热管在管板上的排列形式主要有正三角形，正方形和转角三角形，转角正方形。正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用的最为普遍，但管外不一清洗。为便于管外清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。 管板管板是管壳式换热器最重要的零件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，

24、避免冷热流体混合，并同时受管程，壳程压力和温度的作用。 管板材料 在选择管板材料时除力学性能外，还应考虑管程和壳程的流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。当流体物腐蚀性较弱或有轻微腐蚀时，管板一般采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造。当流体腐蚀性较强时，管板应采用不锈钢，铜，铝，钛等耐腐蚀材料。但对于较厚的管板，若整体采用价格昂贵的耐腐蚀性，造价很高。管板结构 当换热器承受高温，高压时，高温和高压对管板的要求的矛盾的。增大管板厚度，可以提高承受能力，但当管板两侧流体温差很大时，管板内部沿厚度方向的热应力。当迅速停车或进气温度突然变化时，热应力往往会导致管板和换热管在连接

25、处发生破坏。 图 1 实体照片 管箱壳体直径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱位于管壳式换热器的两端，管箱的作用是把管道输送来的流体均匀的分布到各换热管的把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起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原因来决定。 图2 管箱实体图 3.1.2 壳程结构 壳程主要由壳体，折流板或折流杆，支持板，纵向隔板，拉杆，防冲挡板，放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，供壳程流体进入和排出之用。为防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处常装有防冲挡板，或称缓冲

26、板。当壳体法兰采用高颈法兰或壳程进出口接管直径较大或采用活动管板时，壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大，靠近两端管板的传热面积利用率很低，为克服这一缺点，可采用导流筒结构。导流筒除可以减小流体停滞区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率外，还起防冲挡板的作用，保护管束免受冲击。 (2) 折流板 设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结构。在卧式换热器中，折流板还起支撑管束的作用。 常用的折流板形式有弓形和圆盘-圆环形两种，其中弓形折流板有单弓形，双弓形和三弓形三种,根据需要可采用

27、其他形式的折流板与支持板，如堰形折流板。图3折流板的实体图 弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横向流过管束时的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占壳体内直径的百分比来确定。如单弓形折流板，缺口弦高宜取0.20-0.45倍的壳体内直径，最常用的是0.25倍壳体内直径。 对于卧式换热器，壳程为单相清洁液体时，折流板缺口应水平上下布置。若气体中含有少量液体时，则在缺口朝上的折流板最低处开设通液口；若液体中含有少量气体，则应在缺口朝下的折流板最高处开通气口。卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口。折流板一般应按等间距布置，管束两端的

28、折流板应尽量靠近壳程进出口接管。折流板最小间距宜不下于内直径的1/5，且不小于50mm；最大间距应不大于恰提内直径。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合乎要求，间隙过大，泄漏严重，对传热不利，还易引起振动；间隙过小，安装困难。从传热角度考虑，有些换热器使不需要设置折流板的。但是为了增加换热管的刚度，防止产生过大的挠度或引起管子振动，当换热器物之承跨距超过了标准中的规定值时，必须设置一定数量的支持板，其形状与尺寸均按折流板规定来处理。折流板与支持板一般用拉杆和定距管连接在一起，在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕道折流板背后接近壳体处，会有一部分流体停滞起来

29、，形成了对传热不利的死去。为了消除这个弊病，宜采用多弓形折流板。如双弓形折流板，因流体分为两股流动，在折流板之间的流速相同时，其间距只有单弓形的一半。不仅减少了传热死去，而且提高了传热效率。（3）折流杆传统的装有折流板的管壳式换热器存在着影响传热的死区，流体阻力大，且易发生换热管振动与破坏。为了解决传统折流板换热器中换热管与折流板的切割破坏和流体诱导振动，并且强化传热提高传热效率，近年来开发了一种新型的管束支撑结构折流杆支撑结构。该支撑结构有折流圈和焊在折流圈上的支承杆所组成。折流圈可有棒材或板材加工而成，支承杆可有圆钢或扁钢制成。一半4块折流圈为一组，也可采用2块折流圈为一组。支承杆的直径等

30、于或小于管子之间的间隙。因而能牢固地将换热管支承住，提高管束的刚性。（4）放短路结构为了防止壳程流体流动在某些区域发生短路，降低传热效率，需要采用放短路机构。常用的放短路结构主要有旁路挡板，挡板，中间挡板。 旁路挡板 为了防止壳程边缘介质短路而降低传热效率，需增设旁路挡板，以迫使壳程流体通过管束与管程流体进行换热。旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接，通常当壳体公称直径dn500mm，增设一对旁路挡板；dn=500mm时，增设两对挡板；dn1000mm时，增设三对旁路挡板。 挡管 当换热器采用多管程时，为了安排管箱分程隔板，在管中心不排列换

31、热管，导致管间短路，影响传热效率。为此，在换热器分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管。挡管一般与换热管的规格相同，可与折流板电焊固定，也可用拉杆代替。挡管每隔3-4排换热管设置一根但不应设置在折流板缺口处。挡管伸出第一块及最近一块折流板或支持板的长度应不大于50mm。 中间挡板 在u形管式换热器中，u形管束中心部分存在较大间隙，流体宜走短路而影响传热效率。为此在u形管束的中间通道处设置中间挡板。中间挡板一般与折流板电焊固定。通常当壳体公称直径dndn500mm时，设置一块挡板；500mmdn1000mm时，设置两块挡板；dn500mm时，设置不少于三块挡板。（5）壳程分程根据工艺

32、设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器壳程分为多程结构。 3.1.3开孔和开孔补强设计由于各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器上开孔并安装接管。开孔以后，除消弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作到来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。(1)补强结构压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构主要有补强圈补强，厚壁接管补强和整锻件补强三种形式。图4开孔补强形式 补强圈补强 这是中低压容器应用最多的补强结构，补强圈补强贴焊在壳体与接管连接处。它结构简单，制造方便，使用经验丰富，但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合

33、，传热结果差，在中温以上使用时，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强局部区域产生较大的热应力；另外，补强圈去壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。这种补强结构一般使用在静载，常温，中低压，材料的标准抗拉强度低于540mpa，补强圈厚度小于等于1.5，壳体名义厚度不大于38mm的场合。 厚壁接管补强 即在开孔处焊上一段厚壁接管。由于接管的加厚部分正处于最大应力区域内，故比补强圈更能有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检查，因此补强效果较好。高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。 整锻件补强 该补强结构是将

34、接管和部分壳体连同补强部分金属集中开孔应力最大部位，能有效地降低应力集中系数；可采用对焊焊缝，并使焊缝极其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低10%-15%。缺点是锻件供应困难，制造成本较高，所以只在重要压力容器中应用，如核容器，材料屈服点在500mpa,以上的开孔及受低温，高温，疲劳载荷容器的大直径开孔等。（2）开孔补强设计准则开孔补强设计就是指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减少到某一允许值。目前通用的，也是最早的开孔补强设计准则是基于弹性失效设计准则的等面积补强法。但随着各国对开孔补强研究的深入，出现了许多新的设计思想，形成了新的设计准则，如建立了以塑性失效

35、准则为基础的极限分析方法。设计时，对于不同的使用场合和载荷性质可采用不同的设计方法。设计时，对于不同的使用场合和载荷性质可采用不同设计方法。 等面积补强 认为壳体因开孔倍消弱的承载面积，须有补强材料在离开空变一定距离范围内予以等面积补偿。该方法是以双向受拉伸的无限的大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则，故对小直径的开孔安全可靠。 等面积补强准则的优点是有长期的实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全，因此不少国家的容器设计规范主要采用该方法，

36、如asme-1和gb150等。由于该补强法未计及开孔处的应力集中的影响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安全裕量，因此有时显得富裕，有时显得不足。 极限分析补强 该法要求带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。(3) 允许不另行补强的最大开孔直径压力容器常常存在各种强度裕量，例如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度；接管根部有填角焊缝；焊接接头系数小于1但开孔位置不再焊缝上。这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔出的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予接管。gb150规定，当在设计压力小于

37、或等于3.5mpa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm时，只要接管最小厚度满足要求就可不另行补强。 3.1.4 密封装置设计压力容器的可拆密封装置形式很多，如中低压容器中的螺纹连接，承插式连接和螺栓法兰连接等，其中以结构简单，装备比较方便的螺栓法兰连接最为普通。 螺栓法兰连接主要由法兰，螺栓和垫片组成，螺栓作用有两个：一是提供预紧力实现初始密封，并承担内压产生的轴向力；二是使螺栓法兰连接变成可拆连接。垫片装在两个法兰中间，作用是防止容器发生泄漏。法兰上有螺栓孔，以容纳螺栓。螺栓力，垫片反力与作用在筒体中面上的压力载荷不再同一直线上，法兰受到

38、弯矩的作用，会发生弯曲变形。螺栓法兰连接设计的一般目的是：对于已知的垫片特性，确定安全，经济的法兰和螺栓尺寸，使接头的泄漏率在工艺和环境允许范围内，使接头内的应力在材料允许范围内，即确保密封性和结构完整性。 图5 法兰示图(1)密封机理 流体在密封口泄漏有两条途径，一是渗透泄漏，即通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏，除了受介质压力，温度，粘度，分子结构等流体状态性质影响外，主要与垫片的结构与材料性质有关，可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来避免渗透泄漏；二是界面泄漏，即沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。压紧面就是指上，下法兰与垫片的接

39、触面。加工时压紧面上凹凸不平的间隙及压紧力不足时造成界面泄漏的直接原因。界面泄漏时密封失效的主要途径。 防止流体泄漏的基本方法是密封口增加流体流动的阻力，当介质通过密封口的阻力越大，约有利于密封。螺栓法兰连接的整个工作过程可用尚未预紧工况，预紧工况与操作工况来说明。 3.1.5焊接结构设计 压力容器各受压部件的组装大多采用焊接方式，焊缝的接头形式和坡口形式的计算直接影响到焊接的质量与容器的安全，因而必须对容器焊接接头的结构进行合理设计。(1)焊接接头形式焊缝系指焊件经焊接所形成的结合部分，而焊接接头时焊缝，熔合线和热影响区的总称。焊接接头形式一般由被焊接两金属件的相互结构位置来决定，通常分为对

40、接接头，角接接头及t字接头，搭接接头。 对接接头 系两个相互连接零件在接头处的中间处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。这种焊接接头受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证，因此，是压力容器中最常用的焊接结构形式。 角接接头和t型接头 系两个相互连接零件在接头处的中间相互垂直或相交成某一角度进行焊接的接头。两构件成t字形焊接在一起的接头，叫t型接头。角接接头和t字接头都形成角焊缝。角接接头和t型接头，在街头处构件结构是不连续的，承载后受力状态不如对连接头，应力集中比较严重，且焊接质量也不易得到保证。但是在容器的某些特殊部位，由于结构的限制，不得不采用这种焊接结构，如接管，法兰，

41、夹套，管板和凸缘的焊接，多为角接接头或t型接头。 搭接接头 系两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中间相互平行，进行焊接接头。搭接接头的焊缝属于角接缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受力情况较差。在压力容器中，搭接接头主要用于加强圈与壳体，支座垫板与器壁以及凸缘与容器的焊接。(2)坡口形式为了保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般需将焊件连接处预先加工成各种形式，称为焊接坡口。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。其中的坡口形式有5种，即i形，v形，v单边形，u形和，j形，基本坡口可以单独应用，也可以两种或两种以上组合使用，如x形坡口是由两个v

42、形坡口和一个i形组成而成。压力容器用对接接头，角接接头和t型接头，施焊前，一般应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。(3) 压力容器焊接接头分类为了对不同类别的焊接接头对口错边量，热处理，无损检测，焊缝尺寸等方面有针对性的提出不同的要求，gb150根据焊接接头在容器上的位置，即根据该焊接接头所连接两元件的结构类型以及由此而确定的应力水平，把压力容器中受压部位的焊接接头分成a，b，c，d四类图6 焊接接头分类示意图圆筒部分的纵向接头，球形封头与圆筒连接的环向接头，各类凸形封头中的所有焊接接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头，均属类接头。壳体部分的环向接头，锥形封头小端与接管连接接头，长颈法

43、兰与接管连接的接头，均属类焊接接头，但已规定为a，c，d类的焊接接头除外。平盖，管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体，接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头。均属类焊接接头。接管，人孔，凸缘，补强圈等于壳体连接的接头，均属类焊接接头，但已规定为a，b类的焊接接头除外。3.2 换热设备的制造工艺4 3.2.1 封头的形成 风头的成形方法主要有冲压成形，旋压成形和爆炸成形，其中后面两种方法适用大型封头的成形，且爆炸成形对操作环境的要求比较高，因此，对于公称直径不是很大的封头通常采用冲压成形。 按照冲压前毛坯是否预先加热又分为冷冲压和热冲压，其选择的主要依据如下： （

44、1）材料的性能。对于常温下塑性较好的材料，可采用冷冲压；对于热塑性较好的材料可采用热冲压。 （2）依据毛坯的厚度与毛坯直径d。之比即相对厚度/d。来选择冷热冲压。 封头的冲压形成通常是在508000t的水压机或油压机上进行。 3.2.2筒节的弯卷成形管箱的筒体，壳体的筒体以及浮头箱的筒体都是在卷板机上弯卷而成的。根据板材的材质、厚度、弯曲半径、卷板机的形式和卷板能力，实际生产中管节的弯卷可分为冷卷和热卷。由于热卷可以防止冷加工硬化的产生，提高塑性和韧性，不产生内应力，管箱的筒体，壳体的筒体以及浮头箱的筒体均选用热卷成形。热卷成形也要注意控制加热温度和加热速度。常用的卷板机有三辊卷板机、四辊卷板

45、机和立式卷板机。 3.2.4安装与拆卸设计中要考虑到安装问题，各零部件的结构不能影响整个装配体的安装，对于浮头式换热器，设计的初衷是可以拆下管束进行清洗。因此也要考虑到拆卸的问题，其安装步骤可概述如下：第一步：焊接部件 将所有的焊接部件进行焊接，包括管箱，壳体，浮头箱，蝶形盖，支座等；第二步：安放折流板 将拉杆的一个螺纹端拧入固定管板的螺纹孔，6根拉杆都装好，然后每套入一组定距杆再装一组折流板，依次把折流板装在拉杆上，知道最后两块折流板装上启用螺母套在拉杆的另一个螺纹端拧紧固定；第三步：安装管子 将管子沿折流板的孔一根根穿入，并在固定管板上进行胀接。另一端装上浮动管板进行胀接； 第四步：安装壳

46、程隔板 先将壳程隔板两侧的偏心杆机构装好，将壳程隔板从管束侧面装入并将一头插入固定管板上安装隔板的槽中； 第五步：安装壳体 将焊接好的壳体从浮动管板的那一端套入，使之前装好的组件（如图7所示）完全装入壳体内，在壳程隔板的伸出端扭动偏心杆的摇柄使隔板两侧的密封填料挤紧，从而达到壳程的分成密封； 第六步：安装官箱 在固定管板端接已焊接好的管箱，将管箱法兰与壳体法兰对接用双头螺柱连接。在浮头端上钩圈法兰和蝶形盖，（钩圈法兰由两个半圆形构成，使其安装方便）用双头螺柱连接; 第七步：安装浮头箱 将浮头箱法兰与壳体法兰对接用双头螺柱连接； 第八步：安装支座 将支座焊接到壳体上。 如果要拆下管束进行清洗，将

47、第四、五、六步反过来操作即可。拆流板是不能拆下的。3.3 换热设备中换热管与管板连接换热管与管板连接时管壳式换热器设计，制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。所以换热管与管板连接质量的好坏，直接影响换热器的寿命。换热管与管板的链接方法主要有强度胀接，强度焊和胀焊并用。 (a) 强度胀接 是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。常用的胀接有非均匀胀接和均匀胀接两大类。 机械滚珠胀接为最早的胀接方法，目前热在大量使用。他利用滚胀管深入插在管板孔中的管子的端部，旋转胀管器使管子直径增大并产生塑性变形，而管板只产生弹性变形。取出胀管器后，管板弹性恢复，使馆板与管子间产生一定的挤

48、压力而贴合在一起，从而达到紧固的密封的目的。 液压胀接与液袋胀接的基本原理相同，都是利用液体压力使换热管产生塑性变形。橡胶胀接是利用机械压力是特种橡胶长度缩短，直径变大，从而带动管热管扩张达到胀接目的这些胀接方法具有生产率高，劳动强度低，密封性能好等优点。 强度胀接主要适用于设计压力小于等于4.0mpa；设计温度小于等于300；操作中无剧烈震动，无过大温度波动及无明显应力腐蚀等场合。 (b) 强度焊 是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。由于管孔不需要退火和磨光，因此结构简单。焊接结构强度高，抗拉脱力强。在高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。管子焊接处如有渗漏可以补

49、焊或利用专用工具拆卸后予以更换。 当换热管与管板连接处的焊接之后，管板与管子中存在的残余热应力与应力集中，在运行时可能引起应力腐蚀与疲劳。此外，管子与管板孔之间的间隙中存在的不流动的液体与间隙的液体有着浓度上的差别，还容易产生间隙腐蚀。 除有较大振动及有间隙腐蚀的场合，只要材料可焊性好，强度焊可用其他任何场合。管子与薄管板的连接应采用焊接方法。 (c) 胀焊并用 胀接与焊接方法都有各自的优点和缺点，在有些情况下，例如高温，高压换热器管子与管板的连接处，在操作中受到反复热变形，热冲击，腐蚀及介质压力的作用，工作环境极其苛刻，很容易发生破坏。无论单独采用焊接或是胀接都难以解决问题。如果采用胀焊并用

50、的方法，不仅能改善连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。因此目前胀接并用方法已得到比较广泛的应用。 胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动或疲劳载荷；有间隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。3.4 检验化工设备不仅在制造之前对原材料进行检验而且在制造过程中要随时进行查。 3.4.1 质量检验内容和方法 设备制造过程中的检验，包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验，具体内容如下： （1）原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验； （2）原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织检验，总称为破坏试验； （3）原材料和焊缝内部缺陷的检验，其检验方法是无损检测，它

51、包括：射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等； （4）设备试压，包括：水压试验、介质试验、气密试验等。 3.4.2 耐压试验和气密性试验 制造完工的换热器应对换热器管板的连接接头，管程和壳程进行耐压试验或增加气密性试验，耐压试验包括水压试验和气压试验。换热器一般进行水压试验，但由于结构或支撑原因，不能充灌液体或运行条件不允许残留试验液体时，可采用气压试验。 如果介质毒性为极度，高度危害或管、壳程之间不允许有微量泄漏时，必须增加气密性试验。换热器压力试验的顺序如下： 固定管板换热器先进行壳程试压，同时检查换热管与管板连接接头，然后进行管程试压； u形管式换热器、釜式重沸器（u形管束）及填料函

52、式换热器先用试验压环进行壳程试压，同时检查接头，然后进行管程试压； 浮头式换热器、釜式重沸器（浮头式管束）先用试验压环和浮头专用工具进行管头试压，对于釜式重沸器尚应配备管头试压专用壳体，然后进行管程试压，最后进行壳程试压； 重叠换热器接头试压可单台进行，当各台换热器程间连通时，管程和壳程试压应在重叠组装后进行。4.设计计算4.1 筒体的计算56 4.1.1 计算条件计算压力 pc=2.25 mpa 设计温度 t=60 内径 di=500 mm 选用的材料 16mnr 钢板负偏差 c1=0 钢板的腐蚀裕量 c2=3 mm 操作温度下的许用应力 =170 mpa 设计温度下的许用应力 t=170 mpa 试验温度下的屈服点 =345 mpa 焊接系数 =1 4.1.2 厚度的计算 计算厚度 = =2.2550021701-2.25 =3.33 mm 设计厚度 =3.333 =6.33 mm 名义厚度 =7 mm 有钢材标准规格，可取n=8 mm 有效