参考换热器设计说明书

1、机械设计机械设计包括结构设计和强度计算两部分。参考压力容器安全技术监察规程，本次设计的换热器为二类容器。1.1 结构设计1.1.1 设计条件1.1.1.1 设计压力 设计压力根据最高工作压力确定。设有安全阀时，设计压力取最高工作压力的1.051.10倍。本设计取1.1倍。 壳程设计压力，液柱压力 = 则可忽略液柱压力， 计算压力，取高于其一个等级的公称等级。 管程设计压力，忽略液柱压力，则取高出其一个压力等级为2.5。1.1.1.2 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。 8，124 管程设计温度的确定 ，由于气氨最高

2、操作温度为124，故取设计温度为130。壳程设计温度的确定，由于壳程水最高操作温度为42，故取设计温度为50。 1.1.2 筒体壁厚1.1.2.1 筒体选材 由于筒体设计温度为50，设计压力为0.4，参考GB150-1998，故选20R。1.1.2.2 筒体壁厚的计算 式中 计算厚度，； 计算压力，； 焊接接头系数。由表可知，故令=。(取=2在无特殊腐蚀情况下,对于碳素钢和低合金钢，不小于1) 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，因此使用该标准中钢板厚度超过5时(如20R,16MnR和16MnDR)等，可取=0 8，1

3、25由钢材标准规格，取 =-(+) ( C=+) =8-(0+2) =61.1.2.3 筒体的强度校核 8，122 式中 有效厚度， =-C， ； 名义厚度， ； 设计温度下圆筒的计算应力， ； C 厚度附加量， 。=1331.0=133<故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力为1.1.3 管箱设计1.1.3.1 管箱选材管程设计压力为1.43MPa，温度为130，参考GB150-1998，故选20R。1.1.3.2 管箱筒体厚度计算 由表可知，故令=。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，因此使用该标准中

4、钢板厚度超过5时(如20R,16MnR和16MnDR)等，可取=0 8，125由钢材标准规格，取 =-(+) ( C=+) =8-(0+2) =61.1.3.3 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。10，1681.1.3.4 筒体的强度校核 8，122 式中 有效厚度, =-C， ； 名义厚度， ； 设计温度下圆筒的计算应力， ； C 厚度附加量，。=1331.0=133<故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力为1.1.4 管箱法兰1.1.4.1 材料选择 管程设计压力为1.43MPa，温度为130，参考GB150-1998，故选20R。 13，6 1.1.4.

5、2 法兰尺寸法兰材料及其质量列表如下： JB/T 4703-2000公称直径DN，法兰，螺柱规格数量6007607156766666635020042211827M2424 表4-1乙型平焊法兰 13，39 公称直径DN，法兰质量，kg平面凸面凹面榫面槽面PN=2.5MPa600993102.299.8101.297.3 表4-2乙型平焊法兰质量 13，40 1.1.4.3 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SO型。1.1.5 管箱法兰垫片 选择非金属垫片：垫片600-2.50，石棉橡胶板GB/T3985。 13，63 垫片结构图见装配图。 13，63JB/T4704-200

6、0公称压力， 2.5公称直径， 6006656153 表4-3垫片尺寸 13，64 1.1.6 管箱法兰螺柱螺母 对于2.5的螺柱应当选用40Cr，对应的螺母为35。JB/T4707-2000 本次选用等长双头螺柱。 13，6-7 图4-1等长双头螺柱结构图 13，81 JB/T4707-2000, 162024273036,405060657080,22.53445,56666,162024273036,极限偏差单件质量, 公称尺寸1000.1330.2081100.1470.2291200.1600.2501300.1730.2700.3901400.1870.2910.4201500.2

7、000.3120.4501600.2130.3330.4801700.2270.3450.5101800.2400.3740.5400.6950.8531900.2530.3950.5700.7330.9012000.4160.6000.7720.9483000.6250.9001.1601.422 表4-4等长双头螺柱的型式与尺寸 13，821.1.7 封头的设计 由于管程设计压力为1.43MPa，温度为130，故封头材料选为20R。1.1.7.1 封头的壁厚计算 式中 计算厚度, ; 计算压力, ; 焊接接头系数。 8，140 由表可知,故令=.(取=2在无特殊腐蚀情况下,对于碳素钢和低合

8、金钢,不小于1) (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,因此使用该标准中钢板厚度超过5时如和等,可取=0)由钢材标准规格,取=8=-(+) (=+) =8-(0+2) =81.1.7.2 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：公称直径总深度内表面积容积DNHAV6001750.43740.0353 JB4746-2002表4-5 EHA椭圆形封头内表面积，容积公称直径封头名义厚度 ，mmDN3456810121416182060010.113.517.020.427.534.641.84

9、9.256.764.271.9表4-6 EHA椭圆形封头质量 JB4746-2002 图4-2 EHA椭圆型封头结构 12，36-37-381.1.7.3 封头的强度校核 对于标准椭圆形封头，=1.0椭圆形封头的最大工作压力为 8，1401.1.8 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。 8，192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

10、进行水压试验。（1）水压试验对于内压容器 8，193 在小于20,100时的应力都为133. 8，399 =1.25=1.251.43=1.7875(2) 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 =90.183 =0.91.0245=220.5< 8，3991.1.9 拉杆设计1.1.9.1 拉杆选材选择拉杆和定距管材料为10。1.1.9.2 拉杆参数拉杆的直径和数量按下表选择： 换热管外径拉杆直径12表4-7拉杆选用表公称直径DN，拉杆直径 ，124 表4-8拉杆数量选用表 6，75-76拉杆尺寸与结构如下： 拉杆直径拉杆螺纹公称直径121

11、215502.0 表4-9拉杆尺寸表 6 ，76图4-3拉杆结构图 6，75 1.1.9.3 拉杆的布置拉杆应尽量布置在管束的边缘，本次用四根拉杆。1.1.10 管板设计1.1.10.1 材料选择 选择管板材料为20R。1.1.10.2 管板结构 选择e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。 公称压力 螺柱规格数量2.51.060076071567659766360012.527M24243848 表4-10管板尺寸参数 10，146通过校核后确定管板厚度为49.5mm。结构如下： 图4-4管板结构 10，1271.1.10.3 管板布管见管板零件图。1.

12、1.10.3.1 中心距的求取本次设计采用正三角形排列，换热管尺寸为mm，因此取换热器中心距为25mm。1.1.10.3.2 布管限定圆 对固定管板式换热器,布管限定圆的直径为 圆筒内径,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, ,一般不小于8，为换热管外径。 6，23本次设计取=10mm，则=600-2×10=580mm。 换热管外径或无支撑跨或且管孔直径允许偏差 +0.30 0 表4-11 I级管束折流板和支持板管孔直径及允许偏差表1.1.10.3.3 拉杆孔的设计拉杆孔直径 ,为拉杆直径。 6，25 拉杆与管板采用螺纹连接。螺纹深度,为拉杆螺纹孔公称直径,.

13、 = 6，25 1.1.10.3.4 实际布管实际布管数为451根，其中换热管447根，拉杆4根。1.1.11 换热管设计在标准中选取换热管为，材料为16，长度为6000。换热管规格换热管最小伸出长度 最小坡口深度 1.52.52换热管与管板的连接采用强度焊，其尺寸如下： 表4-12换热管与管板的连接采用强度焊 图4-5换热管安装尺寸图6，69 1.1.12 接管设计1.1.12.1 管程接管设计 管程为气氨，对气体( 为压强, ; 为气体密度, )令 = 壳程流体体积流量， 流体在接管中的流速， 3，279 选取标准管子=65，材料为20。1.1.12.2 壳程接管设计水进出口接管流速初取,

14、则接管直径 壳程流体体积流量, 流体在接管中的流速, 2,279 选取标准管子=150，材料为20。1.1.12.3 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。1.1.13 接管法兰和垫片的设计1.1.13.1 法兰材料选择与接管材料一致。1.1.13.2 法兰结构和尺寸 PN2.5MPa带颈对焊钢制管法兰HG20595-97，其，厚度分别为6 。 9，52PN1.0MPa带颈对焊钢制管法兰HG20595-97，其，厚度为6mm。9，54法兰密封面尺寸如下：公称通径 2.54.020565624336505135651181182

15、43951091109415021121124.53.5183203204182表4-13法兰密封面尺寸 9，17各接管其他参数如下表：热轧无缝钢管 YB231-70 钢管外径，壁厚，理论重量，接管长度，159622.64113 表4-14热轧无缝钢管 16，341钢管外径 ，壁厚 ，理论重量， 接管长度， 76610.36109冷拔无缝钢管 YB231-70 表4-15热轧无缝钢管 16，3451.1.13.3 法兰垫片选择壳程接管法兰用垫片均为非金属平垫片石棉橡胶板XB350（HG20606-97）。9，1751.1.13.4 螺栓螺母选择管程接管选择六角螺栓，8.8级。1.1.14 接管

16、外伸长度1.1.14.1 各接管尺寸设计其确定参考如下： ，公称直径DN ，05065150150200 表4-16接管外伸长度参考表 10，33 1.1.14.2 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。 1.1.14.3 壳程接管位置的确定无补强圈时接管外径，管板厚度，接管外缘到容器法兰与筒体连接焊缝的距离，且，不小于30，为壳体壁厚， 通过校核本次设计中接管无需补强。故=mm，暂取为200mm。1.1.15 防冲挡板管程流体为轴向进入，且流体流速大于3时需设置防冲挡板。 对于碳钢和低合金钢，折流板厚度取为4.5。 6，76 本次选择防冲挡板材料为20 。 防冲挡板结构及

17、其相关尺寸如下：=，本次取为17mm。接管内径，= 10，47 =（64+50）=114初取为120。其结构位置确定如下图： 图4-6防冲挡板结构及其相关尺寸10，48壳程流速小于3 ，无需设置。1.1.16 折流板1.1.16.1 材料折流板材料选为20。1.1.16.2 折流板的设计折流板型式，其他参数，工艺计算时已给出。折流板厚度根据6，72，其最小厚度为6，本次取为8。折流板直径为=（600-4.5）=595.5 6，73 其结构如下：图4-7 折流板结构图1.1.17 吊耳根据6，175，当管箱重量超过30时，宜设置吊耳，也可采用钢丝起吊。根据10，175，可对称的设置两个吊耳。单个

18、吊耳允许掉起载荷165040301202000206050401503000表4-17吊耳尺寸1.1.18 焊接结构设计1.1.18.1 焊接结构焊接结构按相应标准或见装配图及其零件图。1.1.18.2 焊接材料的选择本次设计的换热设备所用材料有。考虑母材力学性能与化学材料，构件的结构与刚性和经济性，该容器采用电弧焊时所用焊条使用型号如下表：接头母材焊条型号焊条牌号20+20E4303(GB/T5117)J42220+20RE4315(GB/T5117)J42720R+20RE4315(GB/T5117)J427 当采用埋弧焊焊时所焊丝焊剂型号如下表：接头母材焊丝型号焊剂牌号20+20H08A

19、 （GB/T14957）HJ43120+20RH08A （GB/T14957）HJ43120R+20RH08A （GB/T14957）HJ431 表4-18焊接材料选用表 18，276 2821.1.19 各零部件质量估算1.1.19.1 壳程筒体质量的估算壳体长度的计算 =（6000- +2×3）=5904 壳体质量的计算=7.853.145.9040.0081164.221.1.19.2 封头质量的估算1.1.19.3 换热管质量的计算其相关参数如下表：换热管外径，壁厚，换热管单位长度质量，192碳钢，低合金钢高合金钢0.8380.855换热管长为6米，材料为20，则其质量为=

20、=5.028 表4-19换热管质量参数表=4476 =2248.41.1.19.4 接管质量计算kg 1.1.19.5 接管法兰质量的计算 1.1.19.6 管箱法兰质量 1.1.19.7 管板质量的估算左管板质量：右管板质量：换热管孔直径，；换热管数；拉杆孔直径，；拉杆孔深，；拉杆数目；材料密度，代入已知数据求得：左管板质量： = 202.92右管箱质量： 203.011.1.20 防冲挡板的质量估算kg=0.399kg 1.1.21 折流板的质量估算 12.34kg1.1.22 支座的设计1.1.22.1 支座选型 按照JB/T471247252007 容器支座进行设计，由于筒体直径较小，

21、故选择重型支座。其标记为：JB/T 4712.12007，支座B1 600F； JB/T 4712.12007，支座 B1 600S，包角为 。 12，6-7 其相关参数见14，12-13。1.1.22.2 支座材料 根据14，22，选择其材料为Q235-A，垫板材料与筒体一致为20R。1.1.22.3 支座位置的确定 管束长度3000，本次取 10，173 参考10，174，查得，=3600，=1200。由于壳程接管外伸长度为200，因此加高支座高度到300。1.1.22.4 支座质量1.1.23 本次设计中所用螺母参数 本次设计中所用型六角螺母的结构参数与尺寸规格 GB/T6170-200

22、0 螺纹规格 10121620243017.820.016.83339.050.98.410.814.81821.525.6161824303646 表4-20型六角螺母的结构参数与尺寸规格 15，3151.1.24 设备水压试验充水质量的水压试验时取常温为20，在此温度下水的密度为998.2kg/m3。 2，336封头充水质量筒体充水质量充水总重 kgkg1.1.25 设备总重估算设备总重包括封头、筒体、容器法兰及其螺柱、管板、换热管、折流板、接管及其法兰、防冲挡板各零部件重量。可拆件左管箱质量+ =27.5+1.129+3.94+0.399+99.8 =132.768可拆件右管箱质量+ =

23、27.5+1.129+3.94+99.8 =132.369可拆件筒体及管板质量 = =1621.266设备总重1621.266+132.768+2248.4+12.34×18+132.369+30 =4386.9231.1.26 设备充水后质量估算充水后质量包括设备净重和水的质量。设备充水总重=（1738.42+4386.923）=6125.3041.2 强度校核1.2.1 固定管板换热器设计计算固定管板换热器设计计算 计算单位化学化工过程装备与控制工程0502 设 计 计 算 条 件 壳 程管 程设计压力 0.33MPa设计压力 1.43MPa设计温度 50设计温度 130壳程圆筒

24、内径 600 mm管箱圆筒内径600mm材料名称20R(正火)材料名称20R(正火) 简 图 计 算 内 容壳程圆筒校核计算前端管箱封头校核计算后端管箱封头校核计算管箱法兰校核计算开孔补强设计计算管板校核计算1.2.2 壳程圆筒计算壳程圆筒计算计算单位计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.34MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 600.00mm材料 20R(正火) ( 板材 )试验温度许用应力 s 133.00MPa设计温度许用应力 st 133.00MPa试验温度下屈服点 ss 245.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f

25、1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.76mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 6.00mm名义厚度 dn = 8.00mm重量 691.51Kg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 = 1.7875 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT£ 0.90 ss = 220.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 90.27 MPa校核条件 sT£ sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 2.63366MPa设计温度下计算应力 st = = 16.95MPastf 133.00

26、MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度7.00mm,合格1.2.3 前端管箱封头计算前端管箱封头计算计算单位 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.43MPa设计温度 t 130.00° C内径 Di 600.00mm曲面高度 hi 275.00mm材料 20R(正火) (板材)设计温度许用应力 st 132.40MPa试验温度许用应力 s 133.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 0.5317计算厚度 d = = 1.73mm有效厚度 de =

27、dn - C1- C2= 6.00mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dn = 8.00mm结论 满足最小厚度要求重量 37.47 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 4.93403MPa结论 合格1.2.4 后端管箱封头计算后端管箱封头计算计算单位 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.43MPa设计温度 t 130.00° C内径 Di 600.00mm曲面高度 hi 275.00mm材料 20R(正火) (板材)设计温度许用应力 st 132.40MPa试验温度许用应力 s 133.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm

28、焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 0.5317计算厚度 d = = 1.73mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 6.00mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dn = 8.00mm结论 满足最小厚度要求重量 37.47 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 4.93403MPa结论 合格1.2.5 管箱法兰计算管箱法兰计算计算单位设 计 条 件简 图设计压力 p1.436MPa计算压力 pc1.436MPa设计温度 t130.0° C轴向外载荷 F0.0N外力矩 M0.0N.mm壳材料名称20R(正火)体许用应力 132.

29、4MPa法材料名称20R(正火)许用sf133.0MPa兰应力stf121.8MPa材料名称35螺许用sb118.0MPa应力stb102.4MPa栓公称直径 d B24.0mm螺栓根径 d 124.0mm数量 n24个Di600.0Do760.0垫 结构尺寸Db715.0D外665.0D内615.0016.0 mmLe22.5LA31.5h10.0126.0材料类型软垫片N25.0m3.25y(MPa)38.0压紧面形状1a,1bb8.94DG647.1片b06.4mm b= b0b06.4mm DG= ( D外+D内 )/2b0 > 6.4mm b=2.53b0 > 6.4mm

30、 DG= D外 - 2b螺 栓 受 力 计 算预紧状态下需要的最小螺栓载荷WaWa= bDG y = 691014.1N操作状态下需要的最小螺栓载荷WpWp = Fp + F = 641837.0 N所需螺栓总截面积 AmAm = max (Ap ,Aa ) = 6267.9mm2实际使用螺栓总截面积 AbAb = = 10857.3mm2力 矩 计 算操FD = 0.785pc = 405700.5NLD= L A+ 0.51 = 44.5mmMD= FD LD = 18053674.0N.mm作FG = Fp = 169601.7NLG= 0.5 ( Db - DG ) = 33.9mmM

31、G= FG LG = 5757110.5N.mmMpFT = F-FD = 66209.9NLT=0.5(LA + d1 + LG ) = 45.7mmMT= FT LT = 3027280.0N.mm外压: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 内压: Mp = MD+MG+MT Mp = 26838064.0N.mm预紧 MaW = 1010391.2NLG = 33.9mmMa=W LG = 34297612.0N.mm计算力矩 Mo= Mp 与Masft/sf中大者 Mo = 31409392.0N.mm螺 栓 间 距 校 核实际间距 = 93.6mm最小间距

32、56.0 (查GB150-98表9-3)mm最大间距 128.0mm 形 状 常 数 确 定97.98h/ho = 0.1 K = Do/DI = 1.267 1.6由K查表9-5得T=1.811Z =4.309Y =8.349U=9.175整体法兰查图9-3和图9-4FI=0.90379VI=0.460290.00922松式法兰查图9-5和图9-6FL=0.00000VL=0.000000.00000查图9-7由 d1/do 得f = 2.15945整体法兰 = 499951.9松式法兰 = 0.00.3=f e+1 =1.46g = y/T = 0.811.61 = 1.06剪应力校核计

33、算 值许 用 值结 论预紧状态 20.08MPa校核合格操作状态 12.76MPa校核合格输入法兰厚度f = 50.0 mm时, 法兰应力校核应力性质计 算 值许 用 值结 论轴向应力 158.26MPa =182.7 或 =331.0( 按整体法兰设计的任 意 式法兰, 取 ) 校核合格径向应力 32.00MPa = 121.8校核合格切向应力 36.93MPa = 121.8校核合格综合应力 = 97.59MPa = 121.8校核合格法兰校核结果校核合格1.2.6 开孔补强计算开孔补强计算计算单位接 管: 159, 159×6计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.336MPa设计温度50壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型20R(正火)板材壳体开孔处焊接接头系数1壳体内直径 Di600mm壳体开孔处名义厚度n8mm壳体厚度负偏差 C10mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t133MPa 接管实际外伸长度105mm接管实际内伸长度0mm接管材料20(GB9948)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm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 C1t