基于SW6软件的固定管板式换热器设计

1、题目： 基于SW6软件的固定管板式换热器设计 基于SW6软件的固定管板式换热器设计摘 要在科技日新月异的今天，石化工业也在不断地创新，换热器在其中起到的作用也越来越显著。而本次设计中的固定管板式换热器就属于换热器中较为常见的一种。它是利用间壁式换热达到冷流体与热流体的热量转换从而实现物料间的热量传递。 本次设计：说明部分，计算部分，绘图部分。说明部分简述了固定管板式换热器在生产过程中的工艺流程及在石化工业中起到的重要作用，换热器在国内外的现状和未来的发展前景，同时介绍了换热器的结构设计和主要零部件结构的设计及其容器常用材料等。也介绍了各个部件之间的链接如法兰连接。最后则介绍了换热器主要零件压力

2、容器的检验和验收。计算部分则介绍了因工作要求和物料等因素给出的基本数值，再通过它求出换热面积和1 绪 论12 设计概述22.1热量传递的意义及概念22.2换热器的概念及意义32.3固定管板式换热器简介33. 换热器的分类及其工作原理43.1换热器的分类及其工作原理43.2 换热器的材料73.2.1 换热器常用钢7有色金属8非金属83.3换热器研究现状及发展趋势9换热器的发展历程9发展现状9换热器的研究及发展动向104.换热器设备各部分的设计说明104.1换热器设备各部分的材料选择104.2设备制造工艺过程11筒体11管箱12管板12换热管12折流板及支撑板12管束组装134.3换热设备中换热管

3、与管板的连接13胀接13焊接13胀焊连接14换热管与管板连接方式的选择15无损检测15焊后热处理164.4.3 压力测验16换热管与管板连接接头的密封性能检验164.5换热设备的日常检测与维修17日常检查174.5.2 换热器腐蚀的防护17换热器的检修184.6换热器各部分结构的选择18筒体的选择19封头的选择19管箱的选择19管板的选择195 SW6计算书206结 论43谢 词44参考文献45基于SW6软件的固定管板式换热器设计1 绪 论固定管板式换热器因其结构简单，造价低廉，无内漏，旁路渗流较小等因素，成为现今换热器中主要产品。成为现今许多行业的宠儿。固定式管板式换热器其结构主要由两端管板

4、和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀，同是在本次设计中运用到SW软件。SW6包括有十个设备计算程序（分别为卧式容器、塔器、固定管板换热器、浮头式换热器、填函式换热器、U形管换热器、带夹套立式容器、球形储罐、高压容器及非圆形容器等），以及零部件计算程序和用户材料数据库管理程序的。它便于用户对图纸和计算结果进行校核，并符合压力容器管理制度原始数据存档的要求。允许用户分多次输入同一台设备的原始数据、在同一台设备中对不同零部件原始数据的输入次序不作限制、输入原始数据时还可借

5、助于示意图或帮助按钮给出提示等，极大地方便用户使用。一个设备中各个零部件的计算次序，既可由用户自行决定，也可由程序来决定，十分灵活。固定管板式换热器的换热效率高设计科学，结构紧凑，占地面积小维修方便2 设计概述2.1热量传递的意义及概念2.2换热器的概念及意义2.3固定管板式换热器简介3. 换热器的分类及其工作原理3.1换热器的分类及其工作原理·换热器：用来实现热冷流体相互交换热量的设备·分类：工程上的换热器种类很多，但按工作原理可分为混热式、蓄热式（回热式）和间壁式（表面式）换热器三类。一、按工作原理分类1.蓄热式换热器（1）工作原理：蓄热式换热器又称为再生式换热器或回热

6、式换热器，其工作原理式利用换热面的蓄热作用，热、冷流体交替流过换热面，使其周期性加热和冷却，从而实现热量周期性由热流体传给冷流体，达到换热的目的。（2）特点：·换热面被冷、热流体周期性的加热和冷却；传热过程不是稳定的。·单位容器内布置的换热面积较大结构紧凑，节省金属，传热效率高，通常用于换热系数不大的气体间的换热。·但设备体积大，冷、热流体间存在一定程度的混合。它常用于气体的余热和冷量的回收利用。·由于有转动部件对密封性要求较高2.混热式换热器（1）工作原理：冷、热流体直接接触，彼此混合实现热量交换，在热交换同时存在质量的混合。（2）特点：·两

7、流体直接接触，换热后最终出口温度相同，而且还有质量交换； ·具有较大的传热速率，它具有设备结构简单、传热效率高和易于防腐等；·但使用范围受限制，只适用于可冷、热流体混合场合；3.间壁式换热器（1）工作原理：间壁式换热器又称为表面式换热器，其工作原理是冷、热流体被固体表面间隔开，冷、热流体分别在固体表面两侧流动，两流体不直接接触，热量由热流体通过固体表面传给冷流体。（2）特点：·热、冷流体不直接接触，对流体适应性强；·无转动机构，使用，维修，密封都较方便，因而应用广泛；·但单位容积内布置的换热面积小，传热效率没前两种的高；二、间壁式换热器分类1、

8、按结构分类：可分为套管式、管壳式、板式换热器。这一类换热器的特点是在冷热两种流体之间用一金属壁（或石墨等导热性好的非金属）隔开，以使两种流体在不相混合的情况下进行热量交换。由于在三类换热器中，间壁式换热器应用最多，因此下面重点讨论间壁式换热器。（1）夹套式换热器结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。优点：结构简单，加工方便。缺点：传热面积A小，传热效率低。用途：广泛用于反应器的加热和冷却。为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。（2）沉浸式蛇管换热器结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。

9、优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小，（3）喷淋式换热器结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。用途：用于冷却或冷凝管内液体。（4）套管式换热器结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热

10、系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方便。缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。（5）列管式换热器（管壳式换热器）根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。（1）固定管板式壳体与传热管壁温度之差大于50°C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。（2）浮头式两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳

11、体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。（3）U型管式把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。3.2 换热器的材料换热器的主要材料有钢、有色金属和非金属。3.2.1 换热器常用钢 (1) 钢材形状钢材的形状包括板、管、棒、丝、锻件、铸件等。换热器用的钢主要形状是板、管和锻件。 钢板钢板是换热器最常用的材料，如圆筒一般由钢板卷焊而成，钢板通过冲压或旋压制成封头等。在制造

12、过程中，钢板要经过各种冷热加工，如下料、卷板、焊接、热处理等，因此，钢板应具有较高的强度以及良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能。 钢管压力容器的接管、换热管等常用无缝钢管制造。它们通过焊接与容器壳体、法兰等连接在一起。一般要求钢管有较高的强度、塑性和良好的焊接性能。 锻件高压容器的平盖、端部法兰与接管法兰等常用锻件制造。根据锻件检验项目和数量的不同，中国压力容器锻件标准中，将锻件分为、四个级别。 (2) 钢材类型按化学成分分类，换热器用钢可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。 碳素钢碳素钢为含碳量小于2.06的铁碳合金。除碳以外，还含有少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。换热器用碳素钢有碳素结构钢，

13、如Q235B和Q235C钢板，10、20钢管，20、35钢锻件。 低合金钢低合金钢是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。采用低合金钢，不仅可以减小容器的厚度，减轻重量，节约钢材，而且能解决换热器在制造、检验、运输、安装中因厚度太大所带来的各种困难。 高合金钢换热器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢，主要有铬钢、铬镍钢和铬镍钼钢。铬钢0Cr13是常用的铁素体不锈钢，有较高的强度、塑性、韧性和良好的切割加工性能，在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性，但不耐硫酸、盐酸

14、、热磷酸等介质的腐蚀。00Cr18Ni5Mo3Si2是奥氏体铁素体双相不锈钢，耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。除上述钢材外，耐腐蚀换热器还采用复合板。复合板由复层和基层组成。复层与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的十分之一到三分之一。基层与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。用复合板制造耐腐蚀换热器，可节省大量昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。有色金属有色金属在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态下使用，选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号。换热器中常用的有色金属有以

15、下几种。 铜及其合金 铝及其合金 镍和镍合金 钛和钛合金3.2.3非金属非金属材料具有耐腐蚀性好，品种多，资源丰富的优点，在容器上也有广阔的应用前景。它既可以单独用作结构材料，也可用作金属材料保护衬里或涂层，还可用用作设备的密封材料、保温材料和耐火材料。非金属材料用于压力容器，除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度，良好的热稳定性，良好的加工制造性能。其缺点一般是：大多数材料耐热性不高，对温度波动比较敏感，与金属相比强度较低（除玻璃钢外）。换热器中常用的非金属材料有以下几种。 涂料 工程塑料 不透性石墨 陶瓷 搪瓷3.3换热器研究现状及发展趋势3.3.1换热器的发展历程二十世纪20年代出现

16、板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件

17、下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。 换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。3.3.2发展现状3.3.3换热器的研

18、究及发展动向1.物性模拟研究 换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在实验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。2.分析设计的研究 分析设计是近代发展的一门新兴学科，美国ANSYS软件技术

19、一直处于国际领先技术，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能更方便、快捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。4.换热器设备各部分的设计说明4.1换热器设备各部分的材料选择换热器材料费用占总成本的比例很大，一般超过30%。材料性能对换热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，而且有可能导致换热器破坏事故。因此，

20、合理选材是换热器设计的关键之一。换热器用材料多种多样，有钢、有色金属、非金属、复合材料等，使用最多的是钢，这里主要讨论钢材的基本要求和选用。常压容器用钢的基本要求根据工作环境和操作条件，压力容器用钢应具有较高的强度，同时应有良好的塑性和优良的焊接性能，；另外还要满足耐腐蚀要求。1、压力容器需要承受压力或其他载荷，钢材应具有足够的强度。压力容的强度指标是确定壁厚的依据，但钢材的各项力学性能既相互联系又相互制约，因此，选材时不能单看强度，而要全面分析。材料强度过低，势必要增加容器元件的厚度；但无原则的选用高强度的材料，将会带来材料和造成成本的提高以及 抗脆断能力的降低。2、在考虑强度要求的同时，钢

21、材应具有良好的韧性。在压力容器的结构上不可避免的会有小圆角或缺口结构；在焊接制造中也不能没有如气孔、夹渣、未焊透、未熔合等缺陷，甚至裂纹。这些都会在容器的局部位置形成应力集中，这是就要求材料应具有良好的韧性，以防止因载荷波动、冲击、过载或低温而造成压力容器的裂纹。3、从制造工艺考虑，钢材还要有良好的焊接性能和较好的冷（热）加工性能。除铸造和锻造容器未，压力容器多数情况下是用钢板采用冷（热）卷、热冲压成型以及焊接等加工工艺制造出来的，这就要求材料应具有良好的塑性和焊接性能，以保证冷卷和热冲压是不断裂，而且能的到质量可靠的焊接结构。4、为了满足工艺条件需要，钢材应具有较好的耐腐蚀能力。在许多生产过

22、程中介质是具有腐蚀性的，如果一般碳钢难以达到在容器使用寿命内的抗腐蚀要求，必要时可以针对介质的具体性质选用高合金钢、有色金属或耐蚀衬里。4.2设备制造工艺过程筒体筒体可分为单层式和组合式两大类。单层式筒体结构优点是结构简单，但厚壁单层式圆筒也存在一些问题，主要表现在： 除整体锻造式厚壁圆筒外，还不能完全避免较薄弱的深环焊缝和纵焊缝，焊接缺陷的检测和消除均较困难；且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的能力； 大型锻件及厚钢板的性能不及薄钢板，不同方向力学性能差异较大，韧脆转变温度较高，发生低应力脆性破坏的可能性也较大； 加工设备要求高。常见的组合式筒体有多层包扎式、热套式、绕板式、整体多层包扎式、绕带

23、式。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，管箱的作用式把从管道输送来的流体均匀地分布到各换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管换热器中，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因素来决定。管板管板由机械加工完成，其孔径和孔间距根据不同的管束有公差要求。钻孔可用划线钻孔、钻模钻孔，先进一点可以采用数控机床。但采用划线钻孔时，由于精度较差，在钻折流板管孔时，必须将管板和折流板重叠起来配钻，钻后再把折流板依次编号和方位图，便于装配。换热管(1) 换热管形式除光管外，换热管还可采用各种各样的强化传热管，如翅片管、螺旋

24、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。(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。设计时应根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用合适的材料。(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，故用得最为普遍，但管外不易清洗。为便于清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。折流板及支撑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

25、改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。在卧式换热器中，折流板还起支承管束的作用。当工艺上无需折流板要求，而换热管又比较细长，以及浮头式换热器的浮头端重量较重或U行管换热器的管束较长时，则应考虑设置支持板，以起到防止换热管变形的目的。常用的折流板形式有弓形和圆盘圆环两种。其中弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。根据需要也可采用其他形式的折流板与支持板，如堰形折流板。管束组装将管束分成若干程数，使流体依次流过各程管子，以增加流体速度，提高传热系数。管束分程可采用多种不同的组合方式，对于每一程中的管数应大致相等，且程与程之间温度相差不宜过大，温差以不超过20左右为宜，否则在管束与管板中

26、将产生很大的热应力。封头压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。对受均匀内压封头的强度计算，由于封头和圆筒相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还要考虑与圆筒连接处的不连续应力。连接处总应力的大小与封头的几何形状和尺寸，封头与圆筒厚度的比值大小有关。但在导出封头厚度设计公式时，只要利用内压薄膜应力作为依据，而将因不连续效应产生的应力增强影响以应力增强系数的形式引入厚度计算式中。应力增强系数由有力矩理论解析到处，并

27、辅以实验修正。4.3换热设备中换热管与管板的连接胀接(1)  先胀后焊换热管与管板胀接后，在管端应留有15ram长的未胀管腔，以避免胀接应力与焊接应力的迭加，减少焊接应力对胀接的影响，15ram的未胀管段与管板孔之间存在一个间隙。在焊接时，由于高温熔化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀。据国外资料介绍，间隙腔内压力在焊接收口时可达到200300MPa的超高压状态。间隙腔的高温高压气体在外泄时对强度胀的密封性能造成致命的损伤，且焊缝收口处亦将留下肉眼难以觉察的针孔。目前通常采用的机械胀接，由于对焊接裂纹、气孔等敏感性很强的润滑油渗透进入了这些间隙，焊接时产生缺陷的现象就更加严重。这

28、些渗透进入间隙的油污很难清除干净，所以采用先胀后焊工艺，不宜采用机械胀的方式。由于贴胀是不耐压的，但可以消除管子与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼管束振动到管口的焊接部位。但是采用常规手工或机械控制的机械胀接无法达到均匀的贴胀要求，而采用由电脑控制胀接压力的液袋式胀管机胀接时可方便、均匀地实现贴胀要求。采用液袋式胀管机胀接时，为了使胀接结果达到理想效果，胀接前管子与管板孔的尺寸配合在设计制造上必须符合较为严格的要求。(2) 先焊后胀度及其配合为首要的问题。当管子与管板腔的间隙小到一定值后，胀接过程将不至于损伤到焊接接头的质量。有关资料显示，管口的焊接接头承受轴向力的能力是相当大的，即使是密封焊

29、，焊接接头在做静态拉脱试验时，管子拉断了，焊口将不会拉脱。然而焊口承受切向剪力的能力相对较差，所以强度焊后，由于控制达不到要求，可能造成过胀失效或胀接对焊接接头的损伤。换热管与管板连接方式的选择(1) 强度胀接系指为保证换热器与管板连接的密封性能及抗拉强度的胀接适用范围： 设计压力小于等于4Mpa； 设计温度小于等于300； 操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀。 换热管的硬度值一般要求低于管板的硬度值； 有应力腐蚀时，不应采用管端局部退火的方式来降低换热管的硬度；(1) 拆开时的外观检查为了判明各部分的全面腐蚀、劣化情况，所以拆开后要立即检查污染的程度，水锈的附着情况，并根

30、据需要进行取样分析实验。(2) 壳体、通道和管板的检查按照一般结构，拆开后的内外侧检查肉眼检查为主。对腐蚀部分，可用深度计或超声波测厚仪进行壁厚测定，判明是否超出允许范围。其次是通道、隔板往往由于使用中水垢堵塞和压力变化等情况而弯曲，或因垫圈装配不良流体从内隔板前端漏出引起腐蚀。另外管板由于扩管时的应力、管子堵塞和压力变化等影响容易弯曲，所以必须进行抗拉等项目的测定。(3) 传热管的检查 管子内侧缺陷，在距管板l00mm范围内(从管板算起)，可用侧径表测定，如超过以上范围要用带放大镜的管内检查器进行肉眼检查。缺陷的大小，可由检查器上的刻度测得，但其深度，用目测就很难正确掌握，管子材质如系非磁性

31、的，可用涡流探伤器测定其腐蚀量。固定管板式换热器的管子缺陷也可用超声波探伤器以水深法来测定。(4) 装配、复位、测试清扫检查或保养修理后的换热器按照装配顺序、要领，一边进行耐压试验以检查其是否异常，一边即进行装配、复位。4.6换热器各部分结构的选择筒体的选择筒体的作用是提供工艺所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往由工艺计算确定。圆柱形筒体和球形筒体是工程中最常见的筒体结构。筒体直径较小时时，圆筒可用无缝钢管制作，此时筒体上并没有焊缝；直径较大时，可用钢板在卷板机卷成圆筒或用钢板在水压机压制成两个半圆筒，在用焊缝将两者焊接在一起，形成整圆筒。长度较短容器可直接在一个

32、圆筒的两端连接封头，构成一个封闭的压力空间，也就制成了一台压力容器外壳。但当容器较长时，由于钢板幅面尺寸的限制，就需要先用钢板卷焊成若干端筒体再由两个或两个以上筒节组焊成所需长度的筒体。封头的选择压力容器封头的种类较多，分为凸形封头，锥壳，变径段，平盖及紧缩口等其中凸形封头包括半球形封头，椭圆形封头，碟形封头和冠形封头。采用扫描样的封头要根据工艺条件的要求，制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。对受均匀内压封头的强度计算，由于封头和圆筒相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还要考虑与圆筒连接处的不连续应力。连接处纵应力的大小与封头分几何形状和尺寸，封头与圆筒厚度的比值大小有关

33、。管箱的选择壳体直径较大的换热器大多采用管箱的结构。管箱位于管壳式换热器的两端，管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀地分布到各个换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起了改变流体流向的作用。管板的选择管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，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。在选择管板材料时，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀形，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性时，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。5 SW6计算书固定管板换热器设计计算 计算单

34、位辽宁石油化工大学高科技开发中心设 计 计 算 条 件 壳 程管 程设计压力 1.49MPa设计压力 1.37MPa设计温度 505设计温度 545壳程圆筒内径 600 mm管箱圆筒内径600mm材料名称0Cr18Ni10Ti材料名称0Cr18Ni10Ti 简 图 计 算 内 容壳程圆筒校核计算前端管箱圆筒校核计算前端管箱封头(平盖)校核计算后端管箱圆筒校核计算后端管箱封头(平盖)校核计算膨胀节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前端管箱筒体计算计算单位辽宁石油化工大学计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.37MPa设计温度 t 545.00° C内径 Di 600.0

35、0mm材料 0Cr18Ni10Ti ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 st 86.60MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.80mm腐蚀裕量 C2 1.50mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 5.64mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 9.70mm名义厚度 dn = 12.00mm重量 36.22Kg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 = 2.7092 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT£ 0.90 ss = 184

36、.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 100.17 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= = 2.34219MPa设计温度下计算应力 st = = 43.06MPastf 73.61MPa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6.00mm,合格前端管箱封头计算计算单位 辽宁石油化工大学计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.37MPa设计温度 t 545.00° C内径 Di 600.00mm曲面高度 hi 150.00mm材料 0Cr18Ni10Ti (板材)设计温度许用应力 st

37、137.00MPa试验温度许用应力 s 86.60MPa钢板负偏差 C1 0.80mm腐蚀裕量 C2 1.50mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 d = = 5.61mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 9.70mm最小厚度 dmin = 2.20mm名义厚度 dn = 12.00mm结论 满足最小厚度要求重量 41.84 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.36097MPa结论 合格后端管箱筒体计算计算单位辽宁石油化工大学计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.37MPa设计温度 t 545.00° C内径

38、Di 600.00mm材料 0Cr18Ni10Ti ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 st 86.60MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.80mm腐蚀裕量 C2 1.50mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 5.64mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 9.70mm名义厚度 dn = 12.00mm重量 36.22Kg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 = 2.7092 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT£ 0.90

39、ss = 184.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 100.17 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= = 2.34219MPa设计温度下计算应力 st = = 43.06MPastf 73.61MPa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6.00mm,合格后端管箱封头计算计算单位 辽宁石油化工大学计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.37MPa设计温度 t 545.00° C内径 Di 600.00mm曲面高度 hi 150.00mm材料 0Cr18Ni10Ti (板材)设计温度

40、许用应力 st 137.00MPa试验温度许用应力 s 86.60MPa钢板负偏差 C1 0.80mm腐蚀裕量 C2 1.50mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 d = = 5.61mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 9.70mm最小厚度 dmin = 2.20mm名义厚度 dn = 12.00mm结论 满足最小厚度要求重量 41.84 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.36097MPa结论 合格壳程圆筒计算计算单位辽宁石油化工大学计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.49MPa设计温度 t 505.00°

41、; C内径 Di 600.00mm材料 0Cr18Ni10Ti ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 st 102.60MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.80mm腐蚀裕量 C2 1.50mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 5.17mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 9.70mm名义厚度 dn = 12.00mm重量 1063.65Kg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 = 2.4870 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT

42、63; 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 91.95 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= = 2.77493MPa设计温度下计算应力 st = = 46.83MPastf 87.21MPa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6.00mm,合格开孔补强计算计算单位辽宁石油化工大学接 管: 1, 108×11计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc1.37MPa设计温度545壳体型式椭圆形

43、封头壳体材料名称及类型0Cr18Ni10Ti板材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n12mm壳体厚度负偏差 C10.8mm壳体腐蚀裕量 C21.5mm壳体材料许用应力t86.6MPa椭圆形封头长短轴之比 2接管实际外伸长度200mm接管实际内伸长度0mm接管材料0Cr18Ni10Ti接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量1.5mm补强圈材料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 1.375mm补强圈厚度负偏差 C1r mm接管材料许用应力t86.6MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算壳体

44、计算厚度 5.049mm接管计算厚度t0.686 mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr1开孔直径 d91.75mm补强区有效宽度 B183.5 mm接管有效外伸长度 h131.77mm接管有效内伸长度 h20 mm开孔削弱所需的补强面积A 463.2mm2壳体多余金属面积 A1426.8 mm2接管多余金属面积 A2472.7mm2补强区内的焊缝面积 A364 mm2A1+A2+A3=963.4 mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。开孔补强计算计算单位辽宁石油化工大学接 管: 2, 89&

45、#215;7计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc1.49MPa设计温度505壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型0Cr18Ni10Ti板材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n12mm壳体厚度负偏差 C10.8mm壳体腐蚀裕量 C21.5mm壳体材料许用应力t102.6MPa 接管实际外伸长度200mm接管实际内伸长度0mm接管材料0Cr18Ni10Ti接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量1.5mm补强圈材料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

46、负偏差 C1t 0.875mm补强圈厚度负偏差 C1r mm接管材料许用应力t102.6MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度 5.17mm接管计算厚度t0.549 mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr1开孔直径 d79.75mm补强区有效宽度 B159.5 mm接管有效外伸长度 h123.63mm接管有效内伸长度 h20 mm开孔削弱所需的补强面积A 412.3mm2壳体多余金属面积 A1361.3 mm2接管多余金属面积 A2192.6mm2补强区内的焊缝面积 A349 mm2A1+A2+A3=602.9 mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈

47、面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。U型膨胀节设计计算辽宁石油化工大学计 算 条 件简 图设计内压力1.49MPa设计外压力MPa设计温度 t505.00设 计 要 求 的 循 环 次 数1500次波材料0Cr17Ni12Mo2纹腐蚀裕量1.50管许用应力106.80直常温下弹性模量1.948e+05边设计温度下弹性模量1.595e+05段设计温度下屈服点118.80下限操作温度下弹性模量Ebc 1.950e+05MPa1.590e+05MPa几 何 尺 寸直边段与波纹内径 Db = 600.00mm波长 W = 162.00mm直边段长度 L4

48、= 10.00mm波纹管层数 m = 1波高 h = 105.00mm波数 n = 2成型前一层名义厚度 =11.00mm成型前一层有效厚度=8.70mm波纹管直边段平均直径Db +mS =611.00mm加强圈有效厚度 =mm加强圈平均直径 DC =Db +2mS +SC = mm加强圈弹性模量 Ec =MPa加强圈材料加强圈长度LC = mm波纹管平均直径DmDm = Do +h =727.00mm成型后波纹管一层最小有效厚度SP7.90mm系 数 计 算系数 0.08（当时，取）疲劳寿命的温度修正系数Tf 室温条件下=11.23修正系数横坐标值0.77右端纵坐标曲线值0.86 系数按查图6-2得：0.56 系数按查图6-3得： 1.57 系数按查图6-4得：2.36刚 度 及 位 移 计 算一个波轴向钢度90025.02N/mm总体轴向刚度45012.51N/mm轴向力 FF = 233368.29