化工设备机械基础14-18

1、化工设备机械基础 化工学院学习向导：学习向导：掌握常用的几种焊接接头形式，坡口形式和焊缝形式。知道开坡口的目的。熟悉常用于碳钢、低合金钢及不锈钢的几种焊条牌号（或型号）。熟悉焊接缺陷及其检验方法。化工设备机械基础 化工学院第一节第一节 焊接接头及其分类焊接接头及其分类一、焊接接头一、焊接接头 指两个零件或一个零件的两个部分在焊接连接部位处的结构总称。包括三项要素：接头形式、坡口形式、焊接形式。 焊接接头形式可分为：、和。化工设备机械基础 化工学院 将两块钢板对在一起焊接，称为对接。对接接头容易焊透，受力情况好，应力分布均匀，连接强度高，因而焊接接头质量容易保证。化工设备机械基础 化工学院 等厚

2、度焊接，避免焊不透或烧穿； 薄板10mm，两板厚度差3mm； 薄板10mm而厚度差大于薄板30，或超过5mm时，削薄厚度边缘。 化工设备机械基础 化工学院将两块钢板互成直角或相交成某一角度连将两块钢板互成直角或相交成某一角度连接在一起的接头称为接在一起的接头称为T形接头和角接接头。形接头和角接接头。化工设备机械基础 化工学院简单承载最差易焊透承载强易装配省时承载强钢厚板厚不合理结构化工设备机械基础 化工学院 两块钢板搭在一起焊接，称为搭接。根据焊缝所在位置，有端焊缝与侧焊缝之分。化工设备机械基础 化工学院 为了保证焊接质量，必须在焊接接头处开适当的坡口。，此外，坡口的存在还可形成足够容积的金属

3、液熔池，以便焊渣浮起，不致造成夹渣。化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院二、压力容器上的焊接接头分类二、压力容器上的焊接接头分类 压力容器的焊接接头分成四类，目的是在设计、压力容器的焊接接头分成四类，目的是在设计、制造、维修、管理时可以分别对待，从而保证质量。制造、维修、管理时可以分别对待，从而保证质量。lBlClDlA化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院 （1 1）压力容器壁厚38mm时，其对接接头应采用射线检测；由于结构等原因，不能采用射线检测时，允许采用可记录的超声检测。 （2 2）压力容器壁厚38mm时，其对接接头如采用射线检测

4、，则每条焊缝应附加局部超声检测；反之亦然。附加局部检测应包括所有的焊缝交叉部位，附加局部检测的比例为原无损检测比例的20。第二节第二节 压力容器中的焊接接头压力容器中的焊接接头容器筒体的纵向、环向对接接头及钢板的拼接接头 见，限制余高限制余高e e 相邻对接接头的最小间距规定，见图 筒体与封头连接的非对接接头 容器法兰与筒体连接的焊接接头 甲型平焊法兰与筒体连接的接头见图 乙型平焊法兰或长颈对焊法兰与筒体连接的接头，等厚时采用表141。若不等厚，乙型平焊法兰应按斜率1：3，长颈法兰按图。管法兰与接管的焊接接头见表化工设备机械基础 化工学院 1.1.不带补强圈的插入式接管见表不带补强圈的插入式接

5、管见表14144 4或表或表14145 5 2.2.带补强圈的插入式接管见表带补强圈的插入式接管见表14146 6 3.3.嵌入式接管与壳体的焊接（整体补强结构）嵌入式接管与壳体的焊接（整体补强结构）五、接管与壳体的焊接接头五、接管与壳体的焊接接头 六、法兰凸缘与壳体的焊接接头六、法兰凸缘与壳体的焊接接头 见图1415（A）和1415（B）化工设备机械基础 化工学院第三节第三节 焊接缺陷与焊接质量检验焊接缺陷与焊接质量检验一、焊接接头缺陷：外部缺陷与内部缺陷两类。一、焊接接头缺陷：外部缺陷与内部缺陷两类。1.1.外部缺陷：外部缺陷：化工设备机械基础 化工学院2.2.焊缝的内部缺陷焊缝的内部缺陷

6、主要指气孔、裂纹、未焊透、夹渣、未熔合等。这些内部缺陷主要采用射线拍片或超声波探伤来发现。二、焊接的检验二、焊接的检验 根据GB 1501998和容规之规定，将压力容器焊接接头检验要点汇编于表147中。化工设备机械基础 化工学院第四节第四节 焊接材料焊接材料熔化焊、压力焊、钎焊。熔化焊中又分为气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊等等。电弧焊又分为手工电弧焊、埋弧自动焊和氩弧焊。 手工电弧焊用的焊接材料为电焊条，它由钢芯和包在钢芯外的药皮组成，而埋弧焊用的焊接材料为焊丝和焊剂。化工设备机械基础 化工学院碳钢焊条GB/T 5117-95低合金钢焊条GB/T 5118-95不锈钢焊条GB/T 983-9

7、5压力容器常用钢材焊接用的焊条。见表148。不同钢号材料相焊接时推荐选用的焊条。见表149。化工设备机械基础 化工学院 和和。 酸性焊条酸性焊条焊接焊接工艺性工艺性好，成形整洁好，成形整洁, ,去渣去渣容易，不易产生气孔和夹渣。容易，不易产生气孔和夹渣。 但药皮氧化性强使合金元素烧损大但药皮氧化性强使合金元素烧损大, ,机械机械性能性能（冲击韧性）比较（冲击韧性）比较低低。 酸性焊条一般均可用交直流电源。酸性焊条一般均可用交直流电源。 典型的酸性焊条是典型的酸性焊条是化工设备机械基础 化工学院 焊接的焊缝焊接的焊缝机械性能良好机械性能良好，特别是冲击韧性比较高，主要用于重要结特别是冲击韧性比较

8、高，主要用于重要结构的焊接。构的焊接。 氟化物粉尘有害，应加强现场的通风氟化物粉尘有害，应加强现场的通风排气，以改善劳动条件。排气，以改善劳动条件。 典型的碱性焊条有典型的碱性焊条有。附：射线检测实例附：射线检测实例射线检测实例射线检测实例焊件中常见的缺陷裂纹主要是在熔焊冷却时因热应力和相变应力而产生的， 也有在校正和疲劳过程中产生的，是危险性最大的一种缺陷。 裂纹影像较难辨认。因为断裂宽度、裂纹取向、断裂深度不同， 使其影像有的较清晰，有的模糊不清。常见的有纵向裂纹、横向裂纹和弧坑裂纹， 分布在焊缝上或热影响区。 化工设备机械基础 化工学院未焊透是熔焊金属与基体材料没有熔合为一体且有一定间隙

9、的一种缺陷。在胶片上的影像特征是连续或断续的黑线， 黑线的位置与两基体材料相对接的位置间隙一致。化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院气孔是在熔焊时部分空气停留在金属内部而形成的缺陷。 气孔在底片上的影像一般呈圆形或椭圆形，也有不规则形状的，以单个、多个密集或链状的形式分布在焊缝上。在底片上的影像轮廓清晰，边缘圆滑，如气孔较大，还可看到其黑度中心部分较边缘要深一些。化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院夹渣是在熔焊时所产生的金属氧化物或非金属夹杂物， 因来不及浮出表面，停留在焊缝内部而形成的缺陷。在底片上其影像是不

10、规则的，呈圆形、块状或链状等，边缘没有气孔圆滑清晰， 有时带棱角。化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院 咬边是指沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷。 咬边减弱了母材的有效承载截面，并且在咬边处形成应力集中。化工设备机械基础 化工学院在焊缝的局部，因热量过大而被熔穿，形成流垂或凹坑。 在底片上的影像呈光亮的圆形(流垂)或呈边缘较清晰的黑块(凹坑)。 化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院压力容器设计：压力容器设计：根据给定的根据给定的 ，遵循遵循 规定，规定，在确保在确保 的前提下，的前提下，经济、正确地经济、正确地 ，并进行并进行、 和和。

11、工艺设计条件工艺设计条件现行的规范标准现行的规范标准安全安全选择材料选择材料化工设备机械基础 化工学院设计文件设计文件设计图样、设计图样、技术条件、技术条件、强度计算书，强度计算书，必要时还应包括设计或安装、使用说明书。必要时还应包括设计或安装、使用说明书。若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。若按分析设计标准设计，还应提供应力分析报告。设计的表现形式，是设计者的劳动体现设计的表现形式，是设计者的劳动体现化工设备机械基础 化工学院 包括包括、所用、所用和和、 、等。等。 装设装设的压力容器，还应计算压力容器安全的压力容器，还应计算压力容器安全 泄放量、安全阀排量和爆破片泄放面积。泄放量、

12、安全阀排量和爆破片泄放面积。 当采用计算机软件进行计算时，软件必须经当采用计算机软件进行计算时，软件必须经“全国全国 锅炉压力容器标准化技术委员会锅炉压力容器标准化技术委员会”评审鉴定，并在评审鉴定，并在 国家质量监督检验检疫总局特种设备局认证备案，国家质量监督检验检疫总局特种设备局认证备案， 打印结果中打印结果中 应有软件程序编号、输入数据和计算结果应有软件程序编号、输入数据和计算结果 等内容。等内容。化工设备机械基础 化工学院设计图样设计图样总图总图零部件图零部件图总图总图化工设备机械基础 化工学院 工艺尺寸：贮罐内径工艺尺寸：贮罐内径D Di i=2600mm=2600mm，贮罐，贮罐(

13、 (不包括封头不包括封头) )长度长度L L4800mm4800mm。使用地点：。使用地点：天津。天津。解：解： 根据选材所作的分析，本贮罐选用根据选材所作的分析，本贮罐选用16MnR16MnR制作罐体和封头。制作罐体和封头。设计壁厚设计壁厚d d 22CppDtid化工设备机械基础 化工学院夏季最高温度可达夏季最高温度可达4040，氨饱和蒸，氨饱和蒸气压气压1.555MPa1.555MPa（绝压（绝压) )故取故取p=1.1x1.455=1.6MPa (p=1.1x1.455=1.6MPa (表压表压) )；D Di i=2600mm=2600mm； t t170MPa(170MPa(附录附

14、录) )； 1.O(1.O(双面对接焊双面对接焊100100探伤）探伤）C C2 2=1mm =1mm 22CppDtid化工设备机械基础 化工学院 取取C Cl l0.8mm0.8mm，圆整取，圆整取d dn n16mm16mm厚的厚的16MnR16MnR钢板制作罐体。钢板制作罐体。3 .130 . 16 . 10 . 1170226006 . 1 d 化工设备机械基础 化工学院采用标准椭圆形封头。采用标准椭圆形封头。设计壁厚设计壁厚 d d： 1.0 (1.0 (钢板最宽钢板最宽3m3m，直径，直径2.6m2.6m，封，封头需焊后冲压头需焊后冲压) )。 考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，考

15、虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，圆整后取圆整后取 n n16mm16mm厚厚16MnR16MnR钢板制作钢板制作 mmCppDtid2 .136 . 15 . 00 . 1170226006 . 15 . 022 化工设备机械基础 化工学院校核罐体与封头水压试验强度校核罐体与封头水压试验强度 s s=345 MPa =345 MPa （附录表（附录表6 6）水压试验满足强度要求。水压试验满足强度要求。 seeiTTDp9 . 02)( MPappT0 . 26 . 125. 125. 1 mmCne2 .148 . 116 MPaseT5 .3103450 . 19 . 09 . 02 .142

16、)2 .142600(0 . 2 化工设备机械基础 化工学院 先粗略计算鞍座负荷。先粗略计算鞍座负荷。 贮罐总质量：贮罐总质量：m m= =m m1 1+ +m m2 2+ +m m3 3+ +m m4 4 式中式中 : :m m1 1- -罐体质量；罐体质量； m m2 2- -封头质量；封头质量； m m3 3- -液氨质量；液氨质量； m m4 4- -附件质量。附件质量。化工设备机械基础 化工学院DNDN=2600mm=2600mm， n n=16mm=16mm，q q1 1=1030Kg/m=1030Kg/m（附录），（附录）， mm1 1=q q1 1L L=4944(Kg) =4

17、944(Kg) , ,椭圆形封头椭圆形封头DNDN=2600mm=2600mm， n n=16mm=16mm，h h=40mm =40mm q q2 2=1100Kg/m=1100Kg/m（附录）（附录）mm2 2=2=2q q2 2=2200(Kg)=2200(Kg) 化工设备机械基础 化工学院 m m3 3= =V Vg g V V = =V V对对+ +V V筒筒=30.42m=30.42m3 3, , m m3 330420 Kg 30420 Kg 人孔约人孔约200Kg200Kg，其它接管总和按，其它接管总和按300Kg300Kg计计，m m4 4=500Kg =500Kg 化工设备

18、机械基础 化工学院 m=mm=m1 1+m+m2 2+m+m3 3+m+m4 4=4950+2200+30420+500=4950+2200+30420+500 =38070 =38070 =38.1 t =38.1 t 每个鞍座承约受每个鞍座承约受190KN190KN负荷，选用轻型负荷，选用轻型带垫板，包角为带垫板，包角为120120的鞍座。即的鞍座。即 JBJBT4712-92T4712-92鞍座鞍座 A2600A2600一一 F F JBJBT4712-92T4712-92鞍座鞍座 A2600A2600一一 S S 化工设备机械基础 化工学院 常温及最高工作压力常温及最高工作压力1.6M

19、Pa1.6MPa，按公称，按公称压力压力1.6MPa1.6MPa的等级选取。的等级选取。 考虑人孔盖直径较大较重，水平吊盖考虑人孔盖直径较大较重，水平吊盖人孔。人孔。化工设备机械基础 化工学院人孔标记：人孔标记： HG21523-95 HG21523-95 人孔人孔RF RF （A AG G）450-1.6450-1.6 RFRF指突面密封，指突面密封，指接管与法兰的材料为指接管与法兰的材料为20R20R，A AG G是指用普通石棉橡胶板垫片，是指用普通石棉橡胶板垫片，450-1.6450-1.6是指公称直径为是指公称直径为450mm450mm、公称压力为、公称压力为1.6 MPa1.6 MP

20、a。 化工设备机械基础 化工学院 筒节不是无缝钢管不能直接用补强圈筒节不是无缝钢管不能直接用补强圈标准。标准。 人孔筒节内径人孔筒节内径d d450mm450mm， 壁厚壁厚 n n10mm10mm。 补强圈内径补强圈内径D D1 1=484mm=484mm，外径，外径D D2 2=760mm=760mm，化工设备机械基础 化工学院补强金属面积应大于等于开孔减少截面积，补强金属面积应大于等于开孔减少截面积，补强圈的厚度补强圈的厚度故补强圈取故补强圈取24mm24mm厚。厚。 mmDDCdi3 .234847608 . 116)8 . 12450(212 补补化工设备机械基础 化工学院化工设备机

21、械基础 化工学院 用用f f57573.5mm3.5mm无缝钢管无缝钢管( (强度验算略强度验算略) )。一端切成一端切成4545。配用具有突面密封的平焊管法兰，配用具有突面密封的平焊管法兰，法兰标记：法兰标记：HG20592 HG20592 法兰法兰SO50-1.6 RF 16MnRSO50-1.6 RF 16MnR。 壳体名义壁厚壳体名义壁厚 n n16mm12mm16mm12mm，接管公称直，接管公称直径小于径小于80mm80mm，不用补强。，不用补强。 化工设备机械基础 化工学院：可拆压出管可拆压出管f f25253mm3mm，用，用法兰套在接口管法兰套在接口管f38f383.5mm3

22、.5mm内。内。罐体接口管法兰：罐体接口管法兰：HG20592 HG20592 法兰法兰SO32-1.6 RF 16MnRSO32-1.6 RF 16MnR。连接尺寸和厚度与连接尺寸和厚度与HG20592 HG20592 法兰法兰SO32-SO32-1.6 RF 16MnR1.6 RF 16MnR相同，但内径相同，但内径25mm25mm。 化工设备机械基础 化工学院 液氨压出管端部法兰液氨压出管端部法兰( (与氨输送管相与氨输送管相连连) )用用HG20592 HG20592 法兰法兰SO20-1.6 RF 16MnRSO20-1.6 RF 16MnR。都不必补强。压出管伸入贮罐都不必补强。压

23、出管伸入贮罐2.5m2.5m。化工设备机械基础 化工学院贮罐右端最底部安设排污管，贮罐右端最底部安设排污管，f f57573.5mm3.5mm，管端焊有一与截止阀，管端焊有一与截止阀J41W-16J41W-16相配的管法兰：相配的管法兰：HG20592 HG20592 法兰法兰SO50-1.6 RF 16MnRSO50-1.6 RF 16MnR。排污管与罐体联接处焊有一厚度为排污管与罐体联接处焊有一厚度为10mm10mm的补强圈。的补强圈。 化工设备机械基础 化工学院本贮罐采用本贮罐采用2 2支玻璃管支玻璃管液面计液面计BIW PN1.6BIW PN1.6，L L1000mm1000mm，HG

24、5-227-80 HG5-227-80 与液面计相配的接管与液面计相配的接管f f1 18 83mm3mm，管法兰为管法兰为HG20592 HG20592 法兰法兰SO15-1.6 RF 16MnRSO15-1.6 RF 16MnR。化工设备机械基础 化工学院用用f f32323.5mm3.5mm无缝钢管，无缝钢管，法兰法兰HG20592 HG20592 法兰法兰SO25-1.6 RF 16MnRSO25-1.6 RF 16MnR。化工设备机械基础 化工学院 安全阀接管尺寸由安全阀泄放量决定。安全阀接管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用本贮罐选用f f32322.5mm2.5mm的无缝钢管，的

25、无缝钢管，法兰为法兰为HG20592 HG20592 法兰法兰 SO25-1.6 RF 16MnRSO25-1.6 RF 16MnR。化工设备机械基础 化工学院 附有附有贮罐的总装配图贮罐的总装配图，技术特性表技术特性表，接管表接管表，各零部件的名称、规格、尺寸、，各零部件的名称、规格、尺寸、材料等见材料等见明细表明细表。 化工设备机械基础 化工学院1 1本设备按本设备按GBl50-1998GBl50-1998钢制压力容器钢制压力容器进行制造、试验和验收进行制造、试验和验收 2 2焊接材料，对接焊接接头型式及尺寸可焊接材料，对接焊接接头型式及尺寸可按按GB985-80GB985-80中规定中规

26、定( (设计焊接接头系数设计焊接接头系数1.0) 1.0) 3 3焊接采用电弧焊，焊条型号为焊接采用电弧焊，焊条型号为E4303 E4303 化工设备机械基础 化工学院4 4壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为度为100100 5 5设备制造完毕后，以设备制造完毕后，以2MPa2MPa表压进行水压表压进行水压试验试验 6 6管口方位按管口方位按接管表接管表化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院技技 术术 特特 性性 表表名名 称称指指 标标设计压力设计压力1.6MPa工作温度工作温度40物料名称物料名称液氨液氨容积容积30.52m3 化工设备机

27、械基础 化工学院接接 管管 表表符号符号连接法兰标准连接法兰标准密封面形式密封面形式 用途用途a1-2HG20592 SO15-1.6 RF突面突面液面计接口管液面计接口管b1-2HG20592 SO15-1.6 RF突面突面液面计接口管液面计接口管cHG20592 SO450-1.6 RF突面突面人孔人孔dHG20592 SO32-1.6 RF突面突面出料口出料口eHG20592 SO50-1.6 RF突面突面进料口进料口fHG20592 SO25-1.6 RF突面突面安全阀接口管安全阀接口管gHG20592 SO25-1.6 RF突面突面放空口放空口hHG20592 SO50-1.6 RF

28、突面突面排污口排污口化工设备机械基础 化工学院第一节第一节 管壳式换热器的总体结构管壳式换热器的总体结构第二节第二节 管壳式换热器的主要零部件管壳式换热器的主要零部件第三节第三节 管壳式换热器的选用及设计流程管壳式换热器的选用及设计流程第四节第四节 其它形式换热器简介其它形式换热器简介化工设备机械基础 化工学院（1 1）换热器是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11 40 。它的先进性、合理性和运转可靠性将直接影响产品的质量、数量和成本。（2 2）根据不同的目的，换热器可以是、等。（3 3）衡量一台换热器好坏的标准是衡量一台换热器好坏的标准是，流体流

29、体，、。第一节第一节 管壳式换热器的总体结构管壳式换热器的总体结构一、概述一、概述化工设备机械基础 化工学院（4 4）任何一种换热器不可能十全十美。传热效率高、金属消耗量低，但流体阻力大、强度和刚度差，制造、维修困难。虽在传热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但其结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广，因而目前仍是石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构型式。第一节第一节 管壳式换热器的总体结构管壳式换热器的总体结构一、概述一、概述化工设备机械基础 化工学院 管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间：管内通道及与其相贯通的

30、管箱，称为管程管程空间；换热管外的通道及与其贯通的部分，称为壳程壳程空间。二、管壳式换热器的种类及其结构二、管壳式换热器的种类及其结构化工设备机械基础 化工学院1 1 列管式换热器的主要结构：列管式换热器的主要结构：化工设备机械基础 化工学院2 2 列管式换热器的工作原理：列管式换热器的工作原理： T1 t0（环境） Tw T t1 t2 T2 列管式 t tw 列管式换热器列管式换热器化工设备机械基础 化工学院 列管式换热器的主要类型列管式换热器的主要类型从结构上分从结构上分固定管板式换热器固定管板式换热器浮头式换热器浮头式换热器U U形管式换热器形管式换热器填料函式换热器填料函式换热器化工

31、设备机械基础 化工学院 (1)(1)固定管板式换热器固定管板式换热器1 1）、结构特点：）、结构特点：两块管板均与壳体相焊接，并加入了热补偿两块管板均与壳体相焊接，并加入了热补偿原件原件膨胀节。膨胀节。2 2 ）、优点：）、优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。3 3）、缺点：）、缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。应力。4 4）、适用场合：）、适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清适用于壳程介

32、质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。化工设备机械基础 化工学院图7-2 固定管板式换热器图7-3 带补偿器的固定管板式换热器 固定管板式换热器固定管板式换热器带膨胀节的固定管板式换热器带膨胀节的固定管板式换热器由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换由于两块管板都与壳体固定，当壳体、换热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来热管受热、受压都会发生变形，加入膨胀节减少热应力来吸收热膨胀差。吸收热膨胀差。化工设备机械基础 化工学院换热器两端管板和壳体是连为一体的。换热器两端管板和壳体是连为一体的。其特点是结构

33、简单、制造成本低，适用于壳体和管束温其特点是结构简单、制造成本低，适用于壳体和管束温差小、管外物料比较清洁、不易结垢的场合。差小、管外物料比较清洁、不易结垢的场合。当壳体和管子之间的温差较大当壳体和管子之间的温差较大(6070 )(6070 )且壳体承受压且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。化工设备机械基础 化工学院(2)(2)浮头式换热器浮头式换热器浮头结构图浮头结构图1 1 浮动管板浮动管板 2 2 浮头钩圈法兰相连浮头钩圈法兰相连 3 3 浮头盖浮头盖化工设备机械基础 化工学院图7-4 浮头式换热器浮头式换热器浮头式换热器1）结构复

34、杂，制造成本高；结构复杂，制造成本高；2）在壳体直径相同时，排管数量少，换热面积小；在壳体直径相同时，排管数量少，换热面积小；3）浮头处发生内漏不易发现；浮头处发生内漏不易发现；4）换热管束与壳体之间的环隙大，传热效率低；换热管束与壳体之间的环隙大，传热效率低；5）管束可以抽出，便于清洗；管束可以抽出，便于清洗；6）管壳间不产生温差应力，可适用于高温差、粘度大介质管壳间不产生温差应力，可适用于高温差、粘度大介质换热场合。换热场合。化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院 (3)U (3)U形管式换热器形管式换热器 a. a.只有只有一块管板一块管板，结构简单换热，结构简单换热管呈管

35、呈U U形；形； b. b.管子可以抽出，管间易清洗；管子可以抽出，管间易清洗； c. c.管子可自由膨胀。管子可自由膨胀。 d. d.管内不便清洗，不易更换；管内不便清洗，不易更换； e. e.结构不紧凑。结构不紧凑。图7-6 U形管式换热器U U型管式换热器结构图型管式换热器结构图化工设备机械基础 化工学院2 2） 、适用场合：、适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。高压、腐蚀性大的物料。U U型管式换热管箱器型管式换热管箱器 结构图结构图U U型换热管结构图型换热管结构图化工设备机械基础 化工学院 (4) (4)填料函

36、式换热器填料函式换热器1 1）、结构特点：）、结构特点：该换热器的结构与浮头式换热器的结构相似，该换热器的结构与浮头式换热器的结构相似，只是浮头伸到了壳体外，斧头与壳体之间采取填料函式密封。只是浮头伸到了壳体外，斧头与壳体之间采取填料函式密封。填料函式密封填料函式密封填料函式换热器填料函式换热器化工设备机械基础 化工学院2 2）、优点：）、优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。和管间清洗方便。3 3）、缺点：）、缺点：填料处易泄漏。填料处易泄漏。4 4）、适用场合：）、适用场合： 4MPa 4MPa 以下，且不适用于易挥以下，且不适用于易

37、挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。受填料的物性限制。化工设备机械基础 化工学院列管式换热器列管式换热器种类种类优优 点点缺缺 点点固定管板式固定管板式结构较简单，造价较低，相对结构较简单，造价较低，相对其它列管式换热器其管板最薄。其它列管式换热器其管板最薄。管外清洗困难管外清洗困难；管壳间管壳间有温差应力存在有温差应力存在；当两种介质温差较大时必须当两种介质温差较大时必须设置膨胀节。设置膨胀节。浮头式浮头式一端管板固定，另一端管板可一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动；管壳间不产生在壳体内移动；管壳间不产生温差应力；管束可抽出

38、，便于温差应力；管束可抽出，便于清洗。清洗。结构较复杂，结构较复杂，；浮头处发生内漏时不便检查；浮头处发生内漏时不便检查；管束与管体间隙较大，影响传热。管束与管体间隙较大，影响传热。填料函式填料函式管束一端可自由膨胀；造价比管束一端可自由膨胀；造价比浮头式低；检修、清洗容易；浮头式低；检修、清洗容易；填函处泄漏能及时发现。填函处泄漏能及时发现。壳程内壳程内介质有外漏的可能介质有外漏的可能；壳程中不宜处理易挥发、易燃、壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。易爆、有毒的介质。U U型管式型管式只有一个管板；管程至少为两只有一个管板；管程至少为两程；程；管束可以抽出清洗；管子可自管束可以抽出

39、清洗；管子可自由膨胀。由膨胀。管内不便清洗管内不便清洗；管板上布管少，管板上布管少，结构不紧凑结构不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果；管外介质易短路，影响传热效果；内层管子损坏后不易更换。内层管子损坏后不易更换。化工设备机械基础 化工学院一、壳体一、壳体（一）固定管板式换热器中轴向内力分析与计算（一）固定管板式换热器中轴向内力分析与计算（二）壳体壁厚的确定（二）壳体壁厚的确定提示：提示：本节将介绍管壳式换热器壳体设计、换热本节将介绍管壳式换热器壳体设计、换热管选择、管板、管箱、折流板及其相关联接形式管选择、管板、管箱、折流板及其相关联接形式等主要零部件的结构设计等。等主要零部件的结构设计等。

40、化工设备机械基础 化工学院 壳体与管束通过管板刚性连接在一起，它与一般容器壳体不同之处是，在确定其厚度时要验算其轴向应力。确定其厚度时要验算其轴向应力。截面法：力平衡截面法：力平衡变形协调方程变形协调方程 (EsEb)1.1.由介质内压引起的轴向力由介质内压引起的轴向力化工设备机械基础 化工学院 从计算结果可以看出，固定管板式换热器的壳体，在承受介质内压时，由于有管束的帮助，其轴向应力比一般容器还要小，所以由内压引起由内压引起的轴向应力在总的轴向应力中占的比例很小的轴向应力在总的轴向应力中占的比例很小，主要需要考虑的是下面要讨论的热应力热应力。P398例题例题161壳体与管壁内轴向应力的计算壳

41、体与管壁内轴向应力的计算化工设备机械基础 化工学院2.2.由管束与壳体温差引起的热应力由管束与壳体温差引起的热应力(a)(b)(c)L t= t(tt一一t0)L s= s(ts一一t0)L 化工设备机械基础 化工学院 温差应力有时是非常可观的。温差应力有时是非常可观的。虽然由于管板的挠曲变形和管子的弯曲，会使实际应力减小，但降低得有限。严重时会引起壳体破坏或造成管子弯曲甚至被拉脱。为避免这种情况的发生，当温差较大时可选用浮头式、U形管式或填料函式换热器。这几种换热器的造价较高，如果壳程不需清洗时，可在固定管板式换热器上装设膨胀节来消除或降低热应力。化工设备机械基础 化工学院当壳体受轴向拉伸时

42、，其强度条件：当壳体受轴向拉伸时，其强度条件：1.1.设计按压力容器壁厚计算公式计算设计按压力容器壁厚计算公式计算2.2.校核轴向应力（介质应力与热应力）校核轴向应力（介质应力与热应力）注注：s为壳体应力，并非屈服极限为壳体应力，并非屈服极限化工设备机械基础 化工学院 换热器壳体的公称直径以400mm为基数，以100mm为进级挡。和卷制容器筒体稍有不同的是，必要时也可采用50mm为进级挡。 DN不大于400mm的壳体，可以用钢管制作。 换热器壳体最小壁厚远大于一般容器，其规定见表162。化工设备机械基础 化工学院二、管束二、管束1 1、换热管的尺寸、规格及材料、换热管的尺寸、规格及材料化工设备

43、机械基础 化工学院换热管换热管换热换热管是管壳式换热器的传热元件，主要通过管壁的内外管是管壳式换热器的传热元件，主要通过管壁的内外面进行传热，所以换热管的形状、尺寸和材料，对传热有很大面进行传热，所以换热管的形状、尺寸和材料，对传热有很大的影响。的影响。 且且在相同的壳径内可以排列较多的在相同的壳径内可以排列较多的管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结构紧凑，单位传管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结构紧凑，单位传热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但制造麻烦，且易热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但制造麻烦，且易结垢，不易清洗。结垢，不易清洗。化工设备机械基础 化工学院 一般一般

44、对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用大直径管子。大直径管子。 我国我国管壳式换热器常用换热管为：管壳式换热器常用换热管为：碳钢、低合金钢碳钢、低合金钢管：管： 19192 2、 25252.52.5、 38383 3、 57573.5 3.5 ；不锈钢管不锈钢管 25252 2、 38382.52.5。长度规格：长度规格：1 1、1.51.5、2.02.0、2.52.5、3.03.0、4.54.5、6.06.0、7.57.5、9.09.0、12.0m12.0m，在炼油厂所用的换热器中最常用的是，在炼油厂所用的换热器中最常用的是6m

45、6m管长。换热管管长。换热管一般都用光管一般都用光管，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅，为了强化传热，也可用螺纹管、带钉管及翅片管。换热器的片管。换热器的长度与公称直径之比，一般为长度与公称直径之比，一般为425，常用的，常用的为为610，立式换热器多为，立式换热器多为46。化工设备机械基础 化工学院2 2、换热管在管板上的排列方式、换热管在管板上的排列方式 有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形、同有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形、同心圆等。如图所示。心圆等。如图所示。流流体体流流动动方方向向流流体体流流动动方方向向化工设备机械基础 化工学院正三角形排列的管束正三角形

46、排列的管束 正三角形最普遍，因为在相同的管板面积上正三角形最普遍，因为在相同的管板面积上排管最多排管最多，结构紧凑结构紧凑，但管外，但管外；化工设备机械基础 化工学院管板管板焊接管口焊接管口化工设备机械基础 化工学院流流体体流流动动方方向向流流体体流流动动方方向向正方形正方形转角正方形转角正方形 正方形排管少，结构不够紧凑正方形排管少，结构不够紧凑, ,但管外清洗较方便。一般但管外清洗较方便。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列，在固定管板式换热器中多用三角形排列，换热管排列图换热管排列图化工设备机械基础 化工学院 正三角形与转角正方形排列时，流体在垂直流向拆流板正三角形与转角正方形排列时，

47、流体在垂直流向拆流板缺口时，正对换热管，缺口时，正对换热管，冲刷换热管外表面冲刷换热管外表面，可提高换热效果。，可提高换热效果。同时，此二种排列方式较转角正三角形和正方形排列的同时，此二种排列方式较转角正三角形和正方形排列的流体流体通道截面小通道截面小，有利于提高流速，提高换热效率。，有利于提高流速，提高换热效率。流流体体流流动动方方向向转角正方形转角正方形流流体体流流动动方方向向正三角形正三角形化工设备机械基础 化工学院 在在多程换热器中多程换热器中多采用多采用组合排列方法。组合排列方法。即每一程中都采用三即每一程中都采用三角形排列法，而在各角形排列法，而在各程之间，程之间，为了便于安为了便

48、于安装隔板装隔板，则采用正方，则采用正方形排列法。形排列法。化工设备机械基础 化工学院 同心圆排列同心圆排列结构紧凑结构紧凑，在换热直径较小时，排管，在换热直径较小时，排管数比三角形排列法的管数多，数比三角形排列法的管数多，换热面积最大换热面积最大。优点是优点是靠近壳体的地方布管均匀靠近壳体的地方布管均匀，介质不易走短路。，介质不易走短路。可用于制氧设备中或大型蒸发装置中。可用于制氧设备中或大型蒸发装置中。同心圆排列由于管间距不等使得同心圆排列由于管间距不等使得壳程各处压力不等壳程各处压力不等，流体容易从阻力小的地方漏流，较少采用。流体容易从阻力小的地方漏流，较少采用。 无论何种排列方式，最外

49、圈换热管外壁与壳体无论何种排列方式，最外圈换热管外壁与壳体壁间的距离均不应小于换热管外径的壁间的距离均不应小于换热管外径的1/41/4，且不小于且不小于8 810mm10mm。化工设备机械基础 化工学院3 3、管间距（换热管中心距）管间距（换热管中心距）管间距：管间距：管板上两换热管中心的距离管板上两换热管中心的距离。管间距用s s表示，多程换热器分程隔板两侧管间距应加大，用s sn n表示。管间距影响管板强度与壳程阻力、换热器外形尺寸等。化工设备机械基础 化工学院4 4、最大布管限定圆直径最大布管限定圆直径D DL L（1 1）固定管板式、固定管板式、U U管式管式DLDi2b3， b30.

50、25d0且不小于且不小于8mm（2 2）浮头式浮头式DLDi2(b1+b2+b) b2bG+1.5mm化工设备机械基础 化工学院5 5、管子与管板的连接管子与管板的连接管子与管板的连接方法有：管子与管板的连接方法有：、等。等。1 1）、胀接（）、胀接（ strength expanded joint） 利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封

51、紧固连接的目的。（a a）胀管前）胀管前（b b）胀管后）胀管后胀管前后示意图胀管前后示意图化工设备机械基础 化工学院适用范围：适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力计压力4MPa4MPa，设计温度，设计温度300300，管外径，管外径14mm14mm且无特殊要且无特殊要求的场合。求的场合。要求：要求：管板硬度管板硬度 管子硬度管子硬度，否则将管端退火后再胀接。胀接，否则将管端退火后再胀接。胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽时管板上的孔可以是光孔，也可开槽( (开槽可以增加连接强开槽可以增加连接强度和紧密性度和紧密性) )。液压胀

52、管器液压胀管器化工设备机械基础 化工学院液压胀接液压胀接化工设备机械基础 化工学院机械胀接机械胀接化工设备机械基础 化工学院 管板厚度较大时，为提高管子抗拉脱能力及增管板厚度较大时，为提高管子抗拉脱能力及增密封性能，需要在管孔中开环形槽。密封性能，需要在管孔中开环形槽。化工设备机械基础 化工学院strength welded joint 强度焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起。强度焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起。优点：优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，管板加工要求可

53、降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。压力较低时可使用较薄的管板。缺点：缺点：在焊接接头处产生的热在焊接接头处产生的热 应力可能造成应力腐蚀开裂和应力可能造成应力腐蚀开裂和 疲劳破裂，同时管子、管板间疲劳破裂，同时管子、管板间 存在间隙，易出现存在间隙，易出现“缝隙腐蚀缝隙腐蚀”。管板管板换热管换热管间隙间隙换热管焊接示意图换热管焊接示意图化工设备机械基础 化工学院3 3）、焊胀结合）、焊胀结合胀焊结合连接主要有：胀焊结合连接主要有： 强度焊密封胀强度焊密封胀先焊后胀。先焊后胀。 强度胀密封焊强度胀密封焊先胀后焊。先胀后焊。 概念解释：密封焊概念解释：密封焊不保证

54、强度，只防漏；不保证强度，只防漏； 强度焊强度焊既防漏，又保证抗拉脱强度；既防漏，又保证抗拉脱强度； 密封胀密封胀只消除间隙，不承担拉脱力；只消除间隙，不承担拉脱力； 强度胀强度胀既消除间隙，又满足胀接强度。既消除间隙，又满足胀接强度。化工设备机械基础 化工学院胀焊结合连接方式的适用性胀焊结合连接方式的适用性 胀焊结合的连接方式适用于胀焊结合的连接方式适用于密封要求较高、承密封要求较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板的受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板的场合。场合。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。化工设备机械

55、基础 化工学院将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还可通过通过设置隔板设置隔板起起分隔分隔作用。作用。三、三、管箱管箱化工设备机械基础 化工学院(a)(a)适用于较清洁介质工况。检查换热管内及清洗换热管时，必适用于较清洁介质工况。检查换热管内及清洗换热管时，必须将连接管道一起拆下，很不方便。须将连接管道一起拆下，很不方便。(b)(b)在清洗换热管内时，仅将平盖拆下，不及拆除连接管道，易在清洗换热管内时，仅将平盖拆下，不及拆除连接管道，易清洗和检查。

56、目前设计中采用较多。缺点是用材较多。清洗和检查。目前设计中采用较多。缺点是用材较多。化工设备机械基础 化工学院(c)(c)将管箱与盖板焊成一体。可避免在管板密封处的泄漏，但管将管箱与盖板焊成一体。可避免在管板密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修清洗不方便，很少采用。箱不能单独拆下，检修清洗不方便，很少采用。(d)(d)多程隔板安置的一种形式。其接管安装形有多种。如图。多程隔板安置的一种形式。其接管安装形有多种。如图。化工设备机械基础 化工学院化工设备机械基础 化工学院四、管板及管程的分程四、管板及管程的分程 列管式换热器的管板所受裁荷除管程与壳程压力之外，列管式换热器的管板所受裁荷除管程与壳

57、程压力之外，还承受管壁与壳壁的温差引起的变形不协调作用。固定式还承受管壁与壳壁的温差引起的变形不协调作用。固定式管板受力情况较复杂，影响管板应力大小有如下因素：管板受力情况较复杂，影响管板应力大小有如下因素：管板自身的管板自身的DiDi、材料强度、使用温度等对管板应力、材料强度、使用温度等对管板应力有显著的影响；有显著的影响；管板与许多换热管刚性地固定管板与许多换热管刚性地固定在一起，因此，管束起着支承的作用，阻碍管板的变形。在一起，因此，管束起着支承的作用，阻碍管板的变形。在进行受力分析时，常把管板看成是放在弹性基础上的平在进行受力分析时，常把管板看成是放在弹性基础上的平板，列管就起着弹性基

58、础的作用。板，列管就起着弹性基础的作用。1 1、管板受力特点、管板受力特点化工设备机械基础 化工学院管孔的存在，削弱了管板管孔的存在，削弱了管板的强度和刚度，同时管孔边缘产生峰值应力。当管子与管板的强度和刚度，同时管孔边缘产生峰值应力。当管子与管板连接之后，管板孔内的管子又能增加管扳的强度和刚度，而连接之后，管板孔内的管子又能增加管扳的强度和刚度，而且也抵消了一部分峰值应力。且也抵消了一部分峰值应力。管板边界条件不同，管板应力管板边界条件不同，管板应力状态也是不一样的。管板外边缘有不同的固定形式，如夹持、状态也是不一样的。管板外边缘有不同的固定形式，如夹持、简支、半夹持等。这些不同的固定形式对

59、管板应力产生不同简支、半夹持等。这些不同的固定形式对管板应力产生不同程度的影响。程度的影响。由于管壁与壳壁温度的差异，各自的由于管壁与壳壁温度的差异，各自的变形量也不同，这不仅使管子和壳体的应力有显著增加，而变形量也不同，这不仅使管子和壳体的应力有显著增加，而且使管板应力有很大的增加，同时，由于管板的上下表面接且使管板应力有很大的增加，同时，由于管板的上下表面接触不同温度的介质，使上下表面温度不同，亦会在管板内产触不同温度的介质，使上下表面温度不同，亦会在管板内产生温差应力。生温差应力。化工设备机械基础 化工学院四、管板及管程的分程四、管板及管程的分程化工设备机械基础 化工学院2 2、管板厚度

60、的设计方法、管板厚度的设计方法管板厚度设计方法有如下几种管板厚度设计方法有如下几种: :将管板当作受均布载荷的实心圆板，以按弹性理论得到将管板当作受均布载荷的实心圆板，以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据，加入适当的修正系数的圆平板最大弯曲应力为主要依据，加入适当的修正系数来考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用。来考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用。这种设计方这种设计方法对管板作了很大简化，因而是一种半经验公式。但由于法对管板作了很大简化，因而是一种半经验公式。但由于公式计算简便，同时又有长期使用经验，结果比较安全，公式计算简便，同时又有长期使用经验，结果比较安全，因而不少国家的管