白土塔进出料换热器的机械设计论文

1、白土塔进出料换热器的机械设计摘 要 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，通过这种设备使物料能达到指定的温度以满足工艺的要求。目前，大型化工及石油化工装置中，采用各种换热的组合，就能充分合理地利用各种等级的能量，使产品的单位能耗降低，从而降低产品的成本以获得好的经济效益。在某些化工建设中，换热设备占全部工艺设备的40%左右。管壳式换热器是最通用的、应用最广泛的换热器。U形管换热器是管壳式换热器的一种，在U形管换热器设计过程中，严格按照GB1501998钢制压力容器和GB1511999管壳式换热器及换热器设计手册等标准进行设计和计算。本设计说明书是关于U形管换热器的设计，主要进行了换热器

2、的工艺计算，换热器的结构和强度设计。并且阐述了换热器的特点、换热器设备及其发展现状、国内发展趋势和研究热点以及换热器的分类，同时说明了U形管换热器的优点，介绍了换热器的结构设计，换热器主要零部件结构的设计及压力容器常用材料等。计算部分主要对形管换热器的筒体、封头和法兰进行了详细的计算，并对其进行了水压试验的校核；还对换热管、管板、折流板和鞍座等各个受压元件按照GB-150和GB-151的标准进行简单的结构设计，使其屈服应力在许用应力范围内。除此之外，还参阅相关的设计手册及大量的文献，完成了各个零件图的绘制，还对一篇外文进行了翻译等工作。 关键词：U形管换热器；厚度计算；强度校核；水压试验 He

3、at exchanger is the equipment that transfers a part of heat from the hot fluid to the cold. In some chemical plant construction, heat exchanger is about 40 of the total process equipment. The most versatile and widely used exchangers are the shell-and-tube types.U shape tube heat exchanger is one ty

4、pe of shell-and-tube heat exchanger, U shape tubeThe design manual is about U shape tube heat exchanger, which included technology, calculation of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger. And Keyword: thickness calculation; strength check; pressure teat目录1.前言11.1 换热器的简介11.1.1 换

5、热器的总体介绍1换热器的特点11.1.3换热器的主要制造工艺21.1.4换热器的应用31.2 换热器的分类及其优缺点41.3 换热器的发展现状及研究热点51.3.1 换热器的发展现状51.3.2 换热器的发展趋势61.3.3 换热器的研究热点71.4 新型材料换热器82.U形管式换热器102.1 U形管式换热器介绍102.1.1 管壳式换热器结构102.1.2 U形管式换热器的特点112.1.3 U形管式换热器的应用范围112.2设备材料的选择122.3 设计参数的确定132.3.1 设计压力132.3.2 计算压力132.3.3 设计温度132.3.4 厚度及厚度附加量132.3.5焊接接头

6、系数142.3.6 许用应力142.4 管程结构152.4.1 换热管152.4.2 管板162.4.3 换热管与管板连接162.5 壳程结构182.5.1 壳体182.5.2 折流杆182.6开孔和开孔补强设计192.6.1 补强结构192.6.2 开孔补强设计准则202.6.3 允许不另行补强的最大开孔直径212.7焊接接头结构212.8.1 焊接接头形式212.8.3 压力容器焊接接头分类223换热器结构设计计算233.1上下换热器的筒体计算233.1.1计算条件233.1.2厚度的计算233.1.3压力校核243.1.4强度校核243.1.5水压试验243.2 上下换热器的前后封头计算

7、243.2.1 计算条件243.2.2 厚度的计算253.2.3 压力校核253.3上下换热器的管箱计算263.3.1 计算条件263.3.2 厚度的计算263.3.3 压力校核273.3.4 强度校核273.3.5 水压试验273.4 上下换热器的管板设计计算273.4.1 结构尺寸及材料选取273.4.2 管板厚度计算283.5上下换热器的换热管应力计算303.5.1 换热管轴向应力计算303.5.2 换热管与管板的拉脱力313.6上下换热器的接管壁厚计算313.6.1 筒体上接管的壁厚计算313.7补强计算323.7.1 型号为108×7mm的接管补强324.零件设计354.1

8、 法兰的选择354.2 折流板364.3 拉杆364.4 防冲板384.5 支座38谢 辞40参考文献411前言1.1换热器的简介 1.1.1 换热器的总体介绍换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，石油化工装置不断向大型化发展，要求换热器也相应大型化，而新产品的开发、原料的深度加工和精细化工的发展等则要求换热器型式多样化。另外，又对换热器提出了新的节能要求，如炼油工业中,为了提高换热系统有效能的利用，要求降低换热器的平均温差，这就需要开发新型换热器。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。 1.1.2换热器的特点一般换热器都用金属

9、材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。石化装置中的换热器有以下特点：(1)大型，如

10、30万t/a乙烯装置中丙烯冷冻冷凝器，单台传热面积为2880，单重达75t；(2)承受苛刻的操作条件，如乙烯装置中的裂解气急冷器，要承受800左右的高温，11.76MPa的高压，在高压聚乙烯装置中，换热器要承受294MPa的高压，在加氢制苯装置中，进出料换热器的操作温度为637.8，压力约为6.17MPa，介质中含有氢气，操作条件极为苛刻；在乙烯分离装置中，最低温度达到-168.9；(3)耐腐蚀，如异丁烯装置中的酸再生塔再沸器需耐温度为130的50%稀硫酸腐蚀；(4)多样化，在石油化工生产中，除了管壳式换热器外，还有板翅式、板旋板式、空气冷却器等各种型式的换热器。 1.1.3换热器的主要制造工

11、艺管壳式换热器的结构已基本定型。最近几年来，除对高温高压换热器的某些零部件结构进行了研究改进外，其他未有重大进展。因此，目前各国已将着眼点转向于改进制造工艺、提高劳动生产率、选用新型材料、降低成产成本。 管壳式换热器的制造，目前趋向于“多轴制”和 “NC”化（数字控制化）。如管板孔加工和管子与管板的链接方面，已采用了数字程序控制的多头钻床,多头胀管设备等。此外，管子的切断，清锈，弯曲和选择等过程也都已机械化，但穿管作业目前仍处于笨重的人工操作。 由于化工，石油和新兴的石油化工工业的迅速发展，对换热设备提出了很多的特殊要求，例入耐高温，高压和耐腐蚀等。这常常要求采用新的材料和新的制造工艺。复合钢

12、板和双层管制造，各种新的衬里技术和成型方法，材料的表面处理工艺及特殊的链接技术等，已得到普遍重视。因为这些新工艺，新技术的应用，不仅能保证产品质量，满足设计要求，而且能提高生产效率，节约贵重材料，降低制造成本，故在生产实践中易于推广。 管子除根据需要可采用双金属管外，还可以进行各种表面处理。在日本比较盛行采用渗铬，渗铝，喷涂金属或树脂保护层等方法。低合金钢管的内外表面均可以作渗铬，渗铝的处理。经过渗铬，渗铝处理的管子，对于抗硫，硫化物和其他一些腐蚀介质以及耐热等方面，效果很好。但渗铬，渗铝后，金属ASAA机械性能有所降低，而且引其表面硬度增加，使胀管比较困难，喷涂法是将保护材料如不锈钢，铝或合

13、成树脂等喷涂在管子表面，在有应力腐蚀裂纹的场合，短时间内保护效果非常好。 管壳式换热器大都已标准系列化，虽然目前还没有一个被公认是完善的统一的规范，但比较起来，美国TEMA标准在国内通行，并为较多的国家采用或借鉴。换热器的壳体，管箱，封头，法兰等，对其技术要求在标准中都有严格的规定，但他们在制造上与化工容器相比，并无特别之处。唯管子与管板的连接和管板的制造，属换热器制造中的特有部分。尤其是管子与管板的连接工艺，在国外被认为是换热器制造中的最重要的一环，因而各国都很注意，并作了大量的研究工作。 1.1.4换热器的应用换热器的作用可以是以热量交换为目的，即在确定的流体之间，在一定时间内交换一定数量

14、的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。换热器的作用不同，其设计、选型、运行工况也各不相同。1.2换热器的分类及其优缺点按作用原理或传热方式分类 (1) 直接接触式换热器这类换热器又称混合式换热器，它是利用冷，热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。如冷却塔，冷却冷凝器等。直接接触式换热器具有传热效率高、单位面积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。 (2) 蓄热式换热器这类换热器又称回热式换热器，它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

15、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，然后由冷流体通过，由蓄热体把热量释放给冷流体。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，则不能采用蓄热式换热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适合用于气气热交换的场合。 (3) 间壁式换热器这类换热器又称表面式换热器。它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，其形式多种多样，如常见的管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。其中，管壳式换热器按照结构

16、特点又可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类。 (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，如热管式换热器。1.3换热器的发展现状及研究热点 1.3.1 换热器的发展现状目前各种换热器发展很快，新结构不断出现，以满足各工业部门的需求。国外换热器目前发展的基本状况是：管式换热器的设计没有重大进展，但无论就其数量或使用场合来看仍居主要地位，最老的管式换热器如蛇管式、盘管式等在某些场合下仍有应用；各种“板式”换热表

17、面和其他新型结构换热器发展很快，在若干场合下与管式结构竞争，而在有些场合下正在逐渐代替管式换热器；制造工艺获得了改进，新的材料被大量使用、从空间技术发展起来的“热管”引起了极大重视，最终有可能对某些方面的换热器带来根本的革新。 管式换热器虽然在换热效率、紧凑性和金属消耗量等方面不及其他新型换热器，但它具有结构坚固、弹性大、材料范围广等独特优点，使它在各种换热器的竞相发展中得以继续存下去，并且目前仍然是化工、石油和石油化学工业中换热器的“主力军”。在高温高压和大型换热器中，它占据着绝对优势。但是近年来，它的结构性能没有多大改进，其设计都按照有关标准规定严格进行。国外近期的目标已转向于改进其制造工

18、艺、采用新的材料和提高生产率。在压力较低、温度不高、流量不很大以及处理强腐蚀介质而须用贵重金属材料的若干场合，各种新型、高效、紧凑换热器正在逐步取代管式换热器。设备的发展和制造水平是密切相关的。很多情况下，不仅要求有高效紧凑的性能，而且要求提供必要的数量和保证运行的可靠。因此，在发展换热器本身的同时，对换热器的制造给予了很大注意。一般的目标是扩大产量，保证质量，提高劳动生产率，降低制造成本。采取的措施是：（a） 扩大标准系列，进一步组织专业化生产（b） 提高机械化，加快自动化（c） 采用新技术、新工艺、新材料1.3.2换热器的发展趋势 基本的发展趋势是，提高紧凑性、降低材料消耗、提高传热效率、

19、保证互换性和扩大容量的灵活性（采用积木式结构），通过减少污塞和便于除垢来减少操作事故。在广泛的范围内将向大型化发展。各种新型高效的紧凑式换热器的应用范围将进一步扩大。在压力、温度、流量允许范围内，特别是有化学腐蚀而须用贵重材料制作的场合下，紧凑式换热器将进一步取代管式换热器。在广阔的领域内，特别是在高温、高压和大型化的场合下，管式（尤其是管壳式）换热器将继续获得发展。在炼油与化工厂中，管壳式换热器仍将是基本的换热设备之一。在高压条件下，如合成氨中的高压气体冷却，原用的套管式结构将日益缩小其应用，而代之以管壳式结构。制造工艺的改进将继续置于重要地位。板式换热器进一步发展的重点，是改进垫片材料和密

20、封结构，改进板片的刚度设计，以便提高操作温度和使用压力，扩大使用范围。板式换热器将继续扩大使用范围，发展新的制造工艺（主要是成型及焊接工艺），改进结构设计。螺旋板换热器的压力限制仍然是个问题，但在允许压力范围之内，其应用将进一步扩大，制造特别是焊接工艺将进一步改进。板翅式换热器今后的发展目标，主要是采用新的制造特别是钎焊工艺，扩大使用范围，采用新的材料，板束尺寸和总组合体将向大型化发展。预计在石油化学工艺中将进一步得带到推广。翅片管空冷器的使用将更加广泛，用空冷代替水冷的趋势仍将继续。虽然在设计上还预料不到有多大改进，但翅片管将采用更多更新的材料，发展更多的结构形式，制造工艺将继续获得改进。由

21、于工业用热的日益增长和出于经济性的考虑，热量回收将更加引起重视。一些“板式”表面的换热器，将在热回收领域内继续扩大使用范围。新型结构的各种交流换热器（蓄热器）将获得发展，特别是旋转式蓄热器，但密封问题有待进一步解决。各种新型材料换热器将进一步得到发展，并将继续扩大新的材料范围。为了节约贵重材料，各种新工艺、新技术如复合、衬里及表面处理等技术将作为重要课题加以研究和发展。在提高传热效率、缩小空间和节约材料等方面，还将继续讨论新的途径，各种新型换热器将继续获得发展。新近出现的“热管”，将获得广泛研究，以便探索在化工与石油工业中具体应用的可能性及其使用场合。 1.3.3 换热器的研究热点在工业制冷装

22、置换热器的选择方面需要根据工矿企业自身的自然条件、现场条件、运行经验等因素进行综合考虑，并且坚持高效率、低能耗、运行安全稳定、便于检修维护的原则，进而取得满意的经济效益。随着科学技术的进步及计算机模拟换热数学模型的推广普及，相信会出现更多、更高效的新型换热器，而对于制造厂商来说， 材料节省，成本降低，技术含量提升，经济效益也会明显提高。各种新型、高效换热器逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺

23、度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。在这里主要对管壳式换热器的传热强化技术进行简单的介绍。强化传热研究的主要任务是改善热传递速率，以达到用最经济的设备来传递规定的热量，用最经济的冷却方式保护高温元件的安全，即用最佳的热效率实现能源的合理利用。因此，强化传热因其在工业生产与能源利用中的特殊作用而得到不断完善。传热强化技术是一项能显著改善传热性能的节能新技术。其主要内容是采用强化传热元件，改善换热器的结构，提高传热效率，从而使设备投资与运行费用最低，以达到生产的最优化。增大传热系数、妥善布置传热面、增大平均温度差是强化传热的三种途径，其中提高传热

24、系数是当今强化传热的重点。换热设备传热过程的强化就是使换热设备能在单位时间内、单位面积上传递的热量达到最大化。管壳式换热器强化传递通常是对光管进行加工得到各种结构的异型管，如波纹管、螺纹管、螺旋槽纹管、横槽纹管、翅片管、针翅管、多孔表面管等，通过这些异型管进行强化传热，提高工作效率，达到节能减排效果。强化传热一般分为主动强化传热（有源强化）与被动强化传热（无源强化）两种。主动强化传热以消耗外部能量为代价的，如采用电场、光照射、搅拌、流体振动、机械表面振动等手段，由于受到外加能量限制，因而工程主要采用被动强化传热技术，即通过增加单位体积内的传热面积或者提高传热系数增加产热量。目前，管壳式换热器的

25、传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强化研究。1.4新型材料换热器由于石油，化学以及冶金等工艺过程，多在高温，高压，高真空，深冷，有毒等条件下进行，而且常常伴随着强烈的腐蚀性。因此，对化工设备和化工机械的材料提出了很多特殊的要求。这些材料的产生与研究已成为各个国家发展化工等工业的重要任务。在处理强腐蚀性介质条件下，过去所采用的普通材料制成的换热器设备远远不能满足需要。从30年代以来发展了许多耐腐蚀的新型材料换热设备，如用石墨，聚四氟乙烯，玻璃，陶瓷等非金属材料以及钛等稀有金属制作换热设备，已达到耐热防腐的效果。用浸渍类不透性石墨和压型不透性石墨制造的换热器已在许多国家得到了广泛的应用。石墨换热

26、器的结构形式多种多样，而且不少国家的石墨换热器已标准系列化，并向着大型换热器发展。由于石墨换热器须满足各种不同的化学工艺流程的要求，因而不同结构形式，不同尺寸的换热器是各有利弊的，故目前世界各国仍在同时并用。聚四氟乙烯换热器是六十年代中期才发展起来新型材料换热器，它是由美国“杜邦”公司研制并在1965年开始用于工业生产的。这种换热器的性能可与金属换热器相比，但它却具有特殊的耐腐蚀性。主要用途之一是硫酸厂的酸冷却，用它代替原有冷却器，可以收到最显著的经济效果。这种换热器发展很快，到1969年，美，法，英，西德，意大利，加拿大和西班牙等国家约500多个工厂使用了数千台这种换热器，而到1970年已有

27、15个国家约2000多个厂子使用该换热器。由于她的特性，这种换热器在今后预计得到进一步的发展。近年来，为了解决化工生产的高温，高压，以及强腐蚀等问题，发展了用钛等稀有金属制作的换热器。由于这些稀有的金属能耐腐蚀性并具有良好的高温特性，因此已用于制作适应各种特殊操作条件的换热设备。但他们的价格比较昂贵，其应用的范围受到一定限制。由于这些金属材料比较稀缺，并且从降低生产成本考虑，他们通常以复合材料如复合钢板和衬里等形式提供使用，其中以钛复合板和衬里应用的最多。今后随着化工等工业发展的需要，钛等制的金属换热器也将得到进一步的发展。2 形管式换热器2.1 U形管式换热器介绍 2.1.1管壳式换热器结构

28、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。其中管壳式换热器是目前最为广泛的换热设备。在圆筒形壳体中放置了由许多管子组成的管束，管子的两端（或一端）固定在管板上，管子的轴线于壳体的轴线平行。为了增加流体在管外空间的流速并支撑管子，改善传热性能，在筒体内间隔安装多块折流板（或其他新型折流元件），用拉杆和定距管将其与管子组装在一起。换热器的壳体上和两侧的端盖上（对偶数管程而言，则在一侧）装有流体的进出口，有时还在其上装设检查孔，为安置测量仪表用的接口管、排液孔和气孔等。换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面

29、逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。 当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。

30、2.1.2形管式换热器的特点（1）换热管被弯制成形，管的两端固定在同意管板上，管板与壳体采用法兰连接，并省去了一块管板和一个管箱。（2）因管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，因而消除了温差应力。但是生产中仍应避免因管程温度的急剧变化而产生的应力集中，致使管子与管板的密封失效引起的泄露。（3）特别是采用管板与管子胀接方式连接的形管换热器要尽量避免干烧。（4）由于管束可以从管壳中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，故最好不让易结垢的物料从管内通过。（5）U形管式换热器只有一块管板支撑全部管束，因此相同壳体内径的管板，其厚度要大于其他形式。（6）当换热器直径较大时，形管部分支撑有困难，

31、管束抗震性差，常在壳体加焊纵向轨道，利用管束上的纵向隔板，支撑在所焊的轨道上来承受部分力。 2.1.3形管式换热器的应用范围由于形管式换热器便于装拆，结构简单，故此常用作原子能工业中的蒸汽发生器，动力工业中的给水加热器，石化工业中的换热器、再沸器，从而得到广泛应用。 2.2 设备材料的选择材料是压力容器的物质基础，正确选用压力容器材料是保证容器长期安全使用的一个基本条件，压力容器所用材料必须要有良好的焊接性能和冷热加工性能，压力容器材料的物理性能也是选材要考虑的。要进行换热的容器要用导热系数较高的材料达到节省材料的目的。压力容器常用的钢材主要有板、管、棒、丝、锻件、铸件等形状。压力容器的本体主

32、要采用板材、管材和锻件，其紧固件采用棒材。压力容器用刚可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。16MnR是一种低合金钢，它是在碳素钢的基础上加入一种或数种合金元素（不超过5%）以提高钢材的强度，耐高温、耐低温、耐腐蚀等性能，各种合金元素在低合金钢中起着不同的作用，锰能有效的提高强度，降低冷脆性能。作为联接的螺栓，是法兰密封结构中主要受力元件。要求螺栓材料具有高的强度，好的韧性。为避免螺栓与螺母咬死或胶合，通常选用不同强度级别的材料或选用不同的热处理规范。使用有不同的硬度。螺栓硬度一般应比螺母高30HB以上，考虑到螺母的更换比螺栓容易，螺栓材料强度通常比螺母高。因此，螺栓材料选用A3钢16。垫片材料的

33、选择应根据工作系统的温度、压力以及介质种类、化学性能（如腐蚀性、氧化性是否有毒或污染大气）物理性能（如比重、粘度比）考虑一般要求垫片材料不污染工作介质，耐腐蚀，具有良好的变形性和回弹能力。垫片的耐用温度应大于操作温度，要有一定的机械强度和适当的柔软性。在工作温度200下，不易变质硬化或软化；同时，在考虑介质的放射性，应力以及外力对法兰变形的附加影响因素。检修更换垫片是否容易。垫片现场加工是否可能，经济性以及材料来源等。2.3设计参数的确定压力容器设计参数主要有设计压力，设计温度，厚度，及其附加量，焊接接头系数和许用应力等。 2.3.1设计压力为压力容器的设计载荷之一，其值不低于最高工作压力。最

34、高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。设计压力应视内压和外压容器分别取值。 2.3.2计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。 2.3.3设计温度设计温度也为压力容器的设计载荷条件之一，它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度。当元件金属温度不低于0时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金属温度低于0时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。GB150规定设计温度等于或低于-20的容器属于低温容器。元件的金

35、属温度可以通过传热计算或实测得到，也可按内部介质的最高温度确定，或在基准上增加（或减少）一定数值。 2.3.4厚度及厚度附加量设计时要考虑厚度附加量C由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2组成，C=C1+C2 ,不包括加工减薄量C3。计算厚度（）是按有关公式采用计算压力得到的厚度。设计厚度（）系计算厚度与腐蚀裕量之和。名义厚度（）指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。有效厚度（）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。腐蚀裕量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀，机械磨损而导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体，封头，接管，等受压元件，均应考虑材料的腐蚀

36、裕量。腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定。在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，C2 不小于1mm；对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取C2=0。 2.3.5焊接接头系数通过焊接制成的容器，焊缝中可能存在夹渣，未熔透，裂纹，气孔等焊接缺陷，且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使母材强度或塑性有所降低，因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体的强度削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数。焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。 2.3.6许用应力许用应力是容器壳体，封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据

37、的极限值与相应的材料设计系数之比，设计时必须合理的选择材料的许用应力，采用过小的许用应力，会使设计的部分过分笨重而浪费的材料，反之则使部件过于单薄而容易破损。材料强度失效判据的极限值可以用各种不同的方式表示，如屈服点，抗拉强度，持久强度，蠕变极限等。应根据失效类型来确定极限值。在蠕变温度以下通常取材料常温下最低抗拉强度，常温或设计温度下的屈服点或三者除以各自的材料设计系数后所得到的最小值，作为压力容器受压元件设计时的许用应力，即按下式取值 =min，也即是说设计受压元件时，以抗拉强度和屈服点同时来控制许用应力。因为对韧性材料制作的容器，按弹性失效设计准则，容器总体部位的最大应力强度应低于材料的

38、屈服点，故许用应力应以屈服点为基准。目前在压力容器设计中，不少规范同时用抗拉强度作为计算许用应力的基准，其目的是为能在一定程度上防止断裂失效。当碳素钢和低合金钢的设计温度超过420，铬钼合金钢的设计温度高于450，奥氏体不锈钢设计温度高于550时，有可能产生蠕变，因而必须同时考虑基于高温蠕变极限或持久强度的许用应力。材料设计系数的一个强度保险系数，主要是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量，其大小与应力计算的精确性，材料性能的均匀性，载荷的确切程度，制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系。材料设计系数数值的确定，不仅需要一定的理论分析更需要长期实践经验积累。2. 4管程结构

39、流体流经换热管内的通道及与其相通部分称为管程。 2.4.1换热管（1）换热管形式换热管尺寸换热管尺寸（外径×壁厚）主要为 19mm×2mm, 25mm×2.5mm, 38mm×2.5mm,无缝钢管以及25mm×2mm, 38mm×2.5mm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。（2） 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

40、压力，温度和介质腐蚀性等选用合适材料。（3） 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。换热管中心距要保证管子与管板连接时，管桥（相邻两管间的净空距离）有足够的强度和宽度。管间需要清洗时还要留有进行清洗的通道。换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径。 2.4.2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，避免冷热流体混合，并同时受管程，壳程压力和温度的作用。（1

41、） 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。当流体无腐蚀性或有轻微腐蚀时，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。 （2） 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增大；减薄管板厚度，可以降低热应力，但承压能力降低。此外，在开车、停车时，由于厚管板的温度变化慢，换热管的稳固变化快，

42、在换热管与管板连接处会产生较大的热应力。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与换热管在连接处发生破坏。因此，在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。 2.4.3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，直接影响换热器的使用寿命。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。（1） 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（机械滚珠胀接）和均匀胀接（液压胀接、液袋胀接、橡胶胀接和爆炸胀接等）两大类。机械滚珠胀接为最早的胀接方法，目前仍在大

43、量使用。它利用滚胀管伸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压力而贴合在一起，从而达到紧固与密封的目的。 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。（2） 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。由于管孔不需要开槽，且对管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加工简单。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

44、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外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。（3） 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。如果采用胀焊并用的方法

45、，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。因此目前胀焊并用方法已得到比较广泛的应用。胀焊并用的方法，从加工工艺过程来看，主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等几种形式。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。2.5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、防短路结构等元件组成。 2.5.1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，或称缓冲板。当壳体法兰采用高

46、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。 2.5.2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承结构折流杆支承结构。该支撑结构由折流圈和焊在折流圈上的支承杆（杆可以水平、垂直或其他角

47、度）所组成。折流圈可由棒材或板材加工而成，支承杆可由圆钢或扁钢制成。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。2.6开孔和开孔补强设计 2.6.1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。（1） 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，传热效果差，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，补强圈与壳

48、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。（2） 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，焊接质量容易检验，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。（3） 整锻件补强该补强结构是将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接。其优点是：补强金属集中于开孔应力最大部位

49、，能最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，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。 2.6.2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。（1） 等面积补强认为壳体因开孔被削弱的承载面积，须有补强材料在

50、离孔边一定距离范围内予以等面积补偿。该方法时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，即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。由于该补强法未计及开孔处的应力集中的影响，也没有计入容器直径变化的影响，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。 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，只要对其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，如ASME-1和GB150等。（2） 压

51、力面积补强法要求壳体的承压投影面积对压力的乘积和壳壁的承载截面积对许用应力的乘积相平衡。该法仅考虑开孔边缘一次总体及局部薄膜应力的静力要求，在本质上与等面积补强法相同，没有考虑弯曲应力的影响。（3） 极限载荷补强法要求带补强接管的壳体极限压力与无接管时的壳体极限压力基本相同。 2.6.3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，可以不予补强。GB150规定，当在

52、设计压力小于或等于2.5MPa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。2.7焊接接头结构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。 2.7.1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，通常分为对接接头、角接接头及T字接头、搭接接头。（1） 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。（2） 角接接头和T形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形接头。角接接头和T形接头