U形管换热器设计方案DOC

1、U型管换热器设计方案用 户：上海航天能源股份有限公司型号：KSI600D-1500任务书编号：SR12023工作令：SWA12171图号：SW01-013-001、设计标准本设计中U型管换热器属于换热设备，属管壳式（列管式）换热器。应以安 全为前提，综合考虑质量保证的各个环节，尽可能做到经济合理，可靠的密封性， 足够的安全寿命。设计标准如下：a. TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程b. GB151-1999管壳式换热器c. GB150.1150.4-2011 压力容器c. HG20584-1998钢制化工容器制造技术要求d. JB4712.2-2007容器支座2、U型管

2、换热器的特点U型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定在同一管板上，这一换热器的优点是：管束可以自由伸缩，不会因为管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束 可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。缺点：管内清洗不便，管束中间 部分的管子难以更换，又因最内层管 子弯曲半径不能太小，在管板中心部 分部管不紧凑，所以管字数不能太多， 且管束中心部分存在间隙，使壳程流 体易于短路而影响壳程换热。此外， 为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部 分必须用壁较厚的管子。这就影响了 其适用场合，仅宜用于管壳壁温相差 较大，或壳程介质易结垢

3、而管程介质 不易结垢，咼温、咼压、腐蚀性强的 场合。3、材料选择一、管程材料 筒体与封头的材料选择：该设备管程设计压力I.OMPa,设计温度70。，介质为天然气。天然气最主 要的成分是甲烷，经过处理的天然气具有无腐蚀性，因此可选用一般的钢材。由操作条件可知，该容器属于低压、常温范畴。在常温下材料的组织性和力学性能 没有明显的变化。但根据客户的要求，选用材料S31603，执行GB24511-2009承压设备用不锈钢钢板及钢带的相关要求。 换热管的材料选择：根据该设备的压力、温度、介质的腐蚀程度，按照 GB151管壳式换热器 及客户技术规格书中的换热管有关要求，选用 GB13296锅炉、热交换器用

4、不 锈钢无缝钢管材质，牌号为：00Cr17Ni14Mo2。 管板材质的选择：根据GB151管壳式换热器中的管板材料的有关要求，可以选用钢板及 锻件。本台设备管板较厚，依据标准选择S31603II级锻件，符合标准 NB/T47010-2009承压设备不锈钢及耐热钢锻件 的要求。 接管的材料选择：根据GB150钢制压力容器引用标准以及接管要求焊接性能较好且塑性好 的要求，故选择 00Cr17Ni14Mo2 GB14976-2002流体输送用不锈钢无缝钢管 作各型号接管。因设备设计压力较高，涉及到开孔补强问题，在后面的强度计算 过程中，选择S31603II锻件作为接管材料。 法兰的材料选择：法 兰选

5、用 HG/t20615-2009 钢制管 法兰，材质：S31603II，符合 NB/T47010-2009承压设备不锈钢及耐热钢锻件标准。二、壳程材料： 筒体与封头的材料选择：该设备管程设计压力1.0MPa,设计温度70。，介质为热水。因此可选用一 般的钢材。由操作条件可知，该容器属于低压、常温范畴。在常温下材料的组织 性和力学性能没有明显的变化。但根据客户的要求，选用材料S31603，执行GB24511-2009承压设备用不锈钢钢板及钢带的相关要求。 接管的材料选择：根据GB150钢制压力容器引用标准以及接管要求焊接性能较好且塑性好 的要求，故选择 00Cr17Ni14Mo2 GB14976

6、-2002流体输送用不锈钢无缝钢管 作各型号接管。因设备设计压力较高，涉及到开孔补强问题，在后面的强度计算 过程中，选择S31603II锻件作为接管材料。 法兰的材料选择：法 兰选用 ASME B16.5-2009 钢制管 法兰，材质：S31603II，符合 NB/T47010-2009承压设备不锈钢及耐热钢锻件标准。三、其他附件、连接件：与受压件相焊的的垫板，选用与壳体一致的材料：S31603 GB24511-200Q其余非受压件，选用Q235-BGB3274碳素结构钢和低合金钢热轧厚钢板和 钢带；设备紧固件选用JB/T4707-2000等长双头螺柱、GB/T6170-2000六角螺母；4、

7、设计参数的确定根据用户提供的容器运行条件，确定该设备的设计参数如下：设计参数容器类别第11类参数名称管稈壳程工作压力WF日）0.8I 0.8设计压力（MPR1.0最人允许工作压力（MPa）1.01.0工作温度进/出（匸）-3/1325/16设让温度代）7070容积（n?）0.3560.459介质天然气热水5、结构设计一、管箱设计： 管箱筒体强度设计:前端管箱筒体计算结果计算单位江苏盛伟过滤设备有限公司计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件筒体简图计算压力Pc1.00MPa设计温度t70.00乜C1内径Di600.00mm材料S31603（板材）试验温度许用应力同120.00MPa设

8、计温度许用应力120.00MPar|rL试验温度下屈服点as180.00MPa :钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C20.00mm焊接接头系数 *0.85厚度及重量计算计算厚度PcDi抵=2rt$_Pc = 2.96mm有效厚度& = & - Ci- C2= 9.70mm名义厚度& = 10.00mm重量225.65Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值Pt = 1.25P 马 =1.5000（或由用户输入）K51MPa压力试验允许通过 的应力水平 HtfcrJr 兰 0.90 cis =162.00MPa试验压力下 圆筒的应力OT = PT.（Di+&）= 55.462&MP

9、a校核条件研兰同T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力2&7皿Pw = （Dj+se）= 3.24553MPa设计温度下计算应力cr =2 &= 31.43MPa102.00MPa校核条件结论合格 管箱封头强度设计:前端管箱封头计算结果计算单位江苏盛伟过滤设备有限公司计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力Pc1.00MPa设计温度t70.00 C内径Di600.00mm曲面深度hj150.00mmI材料S31603(板材)设计温度许用应力M120.00MPar. / . . 41试验温度许用应力同120.00MPaI钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C20

10、.00mm焊接接头系数 *1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值Pt = 1.25Pc= 1.5000MPa压力试验允许通过的应力同t0.90 Ts =162.00MPa试验压力下封头的应 力吋=pT.(Di +4) = 51.51MPa校核条件校核结果合格压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值Pt = 1.25Pc= 1.5000MPa压力试验允许通过的应力同t0.90 5s =162.00MPa试验压力下封头的应 力硏=PT.(KDj +0.5&) = 51 51 2計MPa校核条件斫 IqIt校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = 6HDi 1 = 1.00

11、00计算厚度KPcDi各=2CTt$0.5Pc = 2.51mm有效厚度怎h =&h - Cl- C2= 8.80mm最小厚度min = 200mm名义厚度呑h = 8.80mm结论满足最小厚度要求重量30.31Kg 管板的强度计算:U型管换热器管板计算计算单位江苏盛伟过滤设备有限公司设计条件壳程设计压力 ps1.00MPa管程设计压力pt1.00MPa壳程设计温度ts70.00管程设计温度tt70.00壳程筒体壁厚6s10.00mm管程筒体壁厚dh10.00mm壳程筒体腐蚀裕量C0.00mm管程筒体腐蚀裕量C0.00mm换热器公称直径Di600.00mm换热管使用场合严格场合管板与法兰或圆筒

12、连接方式（a b c d型）a型换热管与管板连接方式（胀接或焊接）焊接管板材料（名称及类型）S31603锻件名义厚度証52.00mm强度削弱系数 卩0.40刚度削弱系数 H0.40材料泊松比V0.30隔板槽面积Ad32092.502 mm换热管与管板胀接长度或焊脚高度14.00mm设计温度下管板材料弹性模量E p191250.00MPa设计温度下管板材料许用应力t r104.50MPa许用拉脱力q58.50MPa壳程侧结构槽深hi0.00mm管程侧隔板槽深h24.00mm壳程腐蚀裕量Cs0.00mm管程腐蚀裕量Ct0.00mm换材料名称00Cr17Ni14Mo2管子外径d19.00mm执八、管

13、管子壁厚 &2.00mmU型管根数n200根换热管中心距 S25.00mm设计温度下换热管材料许用应力& t117.00MPa垫 片a型垫片材料软垫片压紧面形式1a 或 1b垫片外径Do660.00mm垫片内径Di620.00mm垫片厚度&mm垫片接触面宽度 Qmm垫片压紧力作用中心园直径Dg644.00mmEf （ c 型）管板材料弹性模量191250.00MPaE； （ d 型）管板材料弹性模量191250.00MPaEh（ bd 型）管相圆筒材料弹性模量191250.00MPaEs （ bc 型）壳程圆筒材料弹性模量191250.00MPabf （ c d 型）官板延长部分形成的凸缘宽

14、度0.00mm& （ c 型）壳体法兰或凸缘厚度0.00mm& （ d 型）管箱法兰或凸缘厚度0.00mm参数计算管板布管区面积At三角形排列2At =1732 nS +Ad =248592.50mm2正方形排列2At =2nS + Ad =一根换热管管壁 金属横截面积aa=n5tn（d6tn） = 106.812 mm管板开孔前抗弯刚度 Db c d型D _ 丘卩 J _0.0012（1y ）N mm管板布管区当量直径DtDt =、；4At/ 兀=562.60mm半径 Ra型R = Dg / 2 =mm其他R = D 2 =_ 322.00系数 RPt =Dt/ 2R= 0.87系数 按和D

15、i和6 J Di查图得：怕=0.000000系数 按右h! D和6 J Di查图得：o = 0.000000壳程圆筒与法兰 或凸缘的旋转刚度参数KfKf = 0MPa0.00管箱圆筒与法兰 或凸缘的旋转刚度参数K；管板边缘旋转刚 参数Kf旋转刚度无量刚系数 f系数Cc, Ce, Cma ,c型b ,d型a型其他Kf = 0MPaKf = 0Kf =Kf K； =0.002TDtKf q00Cc =0.2825MPa按Kf和1几，查图分别得：Ce.0445Cm =0.0000管板厚度或管板应力计算a管板计算厚度6抵=0.82D。潜吾Pd取|Ps|Pt |大值43.411mm型管板名义厚度6 =3

16、 +Cs +Ct48.000mm结论合格管板中心处径向应力o|rz0Ps= 0亦垒-Jr-叭賞=MPaPt = 05|孑舒|巳汕|倉）=MPabcd布管区周边处 径向应力Ps= 0Ce码心=亍只-R2MPa型仝tPt = 0Ce5|vt=7T|Ps-P|=MPa边缘处径向应 力O|r主Ps= 03rL =R = 2 CM Q - Pt2MPaPt = 03DjrT =2CM|Ps Pt2MPa管板应力校核单位：MPabcd型Ps工况|CF|r=0 =1.5b 1lr |r=Rt =15 k|r=R =15 fcr JPt工况|r|r=o =1.5fcr Jr |r=Rt =15k】|b|r=R

17、 =15 fcf换热管轴向应力计算及校核fft : MPa （单位）计算工况计算公式计算结果校核只有壳程设计压力 Ps, 管程设计压力Pt =0 :2nd6 = -(Ps R) - Pt =4a|-2.65|/tw bt合格只有管程设计压力 Pt , 壳程设计压力Ps=0 :|1.65|/tw冋合格壳程设计压力Ps,管程 设计压力Pt同时作用：|-1.00|合格换热管与管板连接拉脱力校核拉脱力qI crt a I“氏卜1.19仝qMPa校核合格重量69.12Kg注：带#号的材料数据是设计者给定的 进出口开孔补强计算:开孔补强计算计算单位江苏盛伟过滤设备有限公司接管：A,B, $ 219x 8计

18、算方法:GB150-199等面积补强法，单孔设计条件简图计算压力Pc1MPa设计温度70C壳体型式圆形筒体壳体材料S31603名称及类型板材-1A;J-1-.,1厶A苇-壳体开孔处焊接接头系数 $0.85壳体内直径Di600mm壳体开孔处名义厚度 S n10mmINAA|壳体厚度负偏差 Ci0.3mm壳体腐蚀裕量 C20mm壳体材料许用应力d t120MPa接管实际外伸长度80mm接管实际内伸长度0mm接管材料 名称及类型00Cr17Ni14Mo2管材接管焊接接头系数1接管腐蚀裕量0mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 Cit1mm

19、补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力d t117MPa补强圈许用应力d tMPa开孔补强计算壳体计算厚度S2.956mm接管计算厚度St0.871mm补强圈强度削弱系数frr0接管材料强度削弱系数fr0.975开孔直径d205mm补强区有效宽度 B410mm接管有效外伸长度 hi40.5mm接管有效内伸长度 h20mm开孔削弱所需的补强面积 A606.9mm2壳体多余金属面积 A113802 mm接管多余金属面积 A24842 mm补强区内的焊缝面积A3642 mmA计A2+A3=1928 mm2 ，大于 A，不需另加补强。补强圈面积 a42 mmA-( A1+A2+A3)2 mm结论

20、:补强满足要求，不需另加补强。、壳程结构强度设计: 壳程筒体强度计算:U形管式换热器筒体计算结果计算单位江苏盛伟过滤设备有限公司计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件筒体简图计算压力Pc1.00MPa设计温度t70.00乜C1内径Di600.00mm材料S31603（板材）试验温度许用应力同120.00MPa设计温度许用应力120.00MPar|rL试验温度下屈服点as180.00MPa :钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C20.00mm焊接接头系数 *0.85厚度及重量计算计算厚度PcDi抵=2rt$_Pc = 2.96mm有效厚度& = & - Ci- C2= 9.70mm名

21、义厚度& = 10.00mm重量225.65Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值Pt = 1.25P 马 =1.5000（或由用户输入）K51MPa压力试验允许通过 的应力水平 HtfcrJr 兰 0.90 cis =162.00MPa试验压力下 圆筒的应力OT = PT.（Di+&）= 55.462&MPa校核条件研兰同T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力2&7皿Pw = （Dj+se）= 3.24553MPa设计温度下计算应力cr =2 &= 31.43MPa102.00MPa校核条件结论合格 壳程封头计算:后端封头计算结果计算单位计算所依据的标准计算条件计算压力P

22、c1.00MPa设计温度t70.00 C内径Di600.00mm曲面深度hi150.00mm材料S31603(板材)设计温度许用应力M120.00MPa试验温度许用应力同120.00MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数 *0.85压力试验类型试验压力值压力试验允许通过的 应力曰t试验压力下封头的应 力压力试验时应力校核 液压试验Pt = 1.25Pc= 1.5000lcT 0.90 Cs =162.00江苏盛伟过滤设备有限公司GB 150.3-2011椭圆封头简图MPaMPa校核条件校核结果；rr = pT-(Di -) = 78.304紗孑：卜-Tt合格MPa

23、压力试验类型试验压力值压力试验允许通过的 应力卜Tt试验压力下封头的应 力校核条件校核结果压力试验时应力校核 液压试验Pt = 1.25Pc= 1.5000lc T - 0.90 Cs162.00CT = pT-(KDi 0-5e) = 78.302報； ：:：曰 T合格厚度及重量计算MPaMPaMPa形状系数=1.0000K = 16计算厚度KPcDi；h = 2；t y.5Pc = 2.95mm有效厚度:eh = ；nh - Cl- C2= 6.80mm最小厚度-min = 2.00mm名义厚度nh = 8.80mm结论满足最小厚度要求重量30.31Kg压力计算最大允许工作压力2gt*6ePw= KDj 40.5罠=2.29897MPa结论合格 进出口补强计算:开孔补强计算计算单位江苏盛伟过滤设备有限公司接管：C,D, 0 114x 6计算方法:GB150-199等面积补强法，单孔设计条件简图计算压力Pc1MPa设计温度70CB壳体型式圆形筒体壳体材料S31603名称及类型板材-!(J 1/u Mk壳体开孔处焊接接头系数 00.85壳体内直径Di600mm壳体开孔处名义厚度 S n10mm相 JCT壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C20mm壳体材料许用应力d t120MPa接管实际外伸长度50mm接管实际内伸长度0mm接管材料 名称及类型0