浮头式换热器E-203机械设计

1、浮头式换热器E-203机械设计摘 要本设计说明书是关于浮头式换热器E-203的机械设计，主要是进行了换热器的结构和强度设计。换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备，从而换热器也成为了实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。在工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。为了能够顺利的设计出一款典型的浮头式换热器，我在设计前参阅了许多有

2、关书籍和英文文献，做了一定量的外文翻译工作并且在设计时，我严格按照GB1502021?钢制压力容器?和GB1511999?管壳式换热器?等国家标准。本文综述了换热器的应用方向、种类特点及换热器类型的选择。着重介绍了目前在各种形式的换热器中，应用最为广泛的也是最重要的浮头式换热器。本文包括浮头式换热器中各零部件的结构类型和材料的选择，结构尺寸确实定，零部件间连接方式的选择，以及水压试验等。在设计中发现问题并通过大量的不同设计方案的计算比较，对所选零部件的结构尺寸、材料与传热性能进行反复验证和校核，做了理论分析，最终得出结论。关键词：换热器，压力试验，校核 Floating Head Heat E

3、xchanger Mechanical Design E-203 AbstractThe design manual is about the E-203 floating head heat exchanger, which included the structure and intensity of heat exchanger.Heat exchanger is the chemical, oil refining, power, food, light industry, atomic energy, pharmaceutical, machinery, and other wide

4、ly used in many industrial sectors as a general-purpose device, then heat exchanger is the realization of chemical processes of heat exchange and transmission of essential equipment. Some of the heat exchange often corrosive, oxidizing materials, strong, therefore, require manufacturers of heat exch

5、anger material with high corrosion resistance. In the industrial production, often need to heat or cold to hot fluid flow cooling, the liquid vaporized into steam or the steam condensing into a liquid. These processes are closely linked and heat transfer, which can be done through the heat exchanger

6、.Order to be able tosmoothdesign atypicalfloating head heat exchangerin the designbeforeIseea lotofbooksand Englishliterature,a certain amount offoreign language translationwork andin the design and in strict accordance with GB150 - 1998 Steel Pressure Vessels and GB151 - 1999 shell and tube heat ex

7、changer and other national standards. This paper reviews the application of the direction of the heat exchanger, types and characteristics of the type of heat exchanger options. Focuses on the current heat exchangers in a variety of forms, the most widely used and most important floating head heat e

8、xchanger. Floating head heat exchanger design, including the various parts of the structure type and material selection, structure size determination, the choice of connection between parts, and pressure testing. Identify problems in the design of a large number of different designs through the calc

9、ulation of the program, selected parts of the structure and size, material and heat transfer performance repeatedly verify and check, made a theoretical analysis, the final conclusion.Key words: heat exchangers, pressure test, check目 录1前言11.1 换热器的概述11.1.1 换热设备的应用1 换热器设备的分类11.2 浮头式换热器21.2.1 设计参数确实定31

10、.2.2 材料的选取5 管程结构5 壳程结构91.2.5 支座131.2.6 开孔和开孔补强设计141.2.7 密封装置设计161.2.8 焊接结构设计162 设计计算182.1 筒体的计算18 计算条件18 厚度的计算182.2 管箱短接的计算19 计算条件19 厚度的计算192.3 外头盖短接的计算20 计算条件20 厚度的计算212.4 管箱封头的计算21 计算条件21 厚度的计算222.5 外头盖封头的计算22 计算条件22 厚度的计算232.6 管板设计24 符号说明242.6.2 固定管板厚度计算26 换热管的轴向应力29 换热管与管板连接拉脱力302.6.5 浮动管板厚度的计算3

11、12.6.6 换热管的轴向应力342.6.7换热管与管板连接拉脱力352.7 浮头盖的设计计算36 管程压力作用下浮头盖的计算36 壳程压力作用下浮头盖的计算422.8 开孔补强442.8.1 前端管箱开孔补强计算442.8.2 壳体上开孔补强计算462.9 水压试验校核493 总结53参考文献54谢辞55 1前言1.1 换热器概述1.1.1 换热器设备的应用用于在两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间的热量或焓传递的装置称为换热设备。它是化工、炼油、食品、轻工、能源、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在工业生产中，换热设备

12、的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度到达工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低品位热能的有效装置。1.1.2 换热器设备的分类及特点换热器的类型随工业开展而扩大，早期的换热设备由于制造工艺和科学水平有限，多有结构简单、换热面积小和体积较大等特征，如夹套式和蛇管式等。后来，由于制造工艺的开展，提出了一种管壳式或称列管式的换热器。这种换热器的特点是单位体积设备所能提供的换热面积要大的多，传热效果也好。在化工生产中，由于用途、工作条件和载热体的特性等的不同，对换热器提出了不同的要求，出现了各种不同形式和结构的换热器。按照传热

13、方式的不同，换热器可分为三类：1直接接触式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。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容器提供的传热面积大、设备结构简单、价格廉价等优点，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为回热式换热器，它是借助于由固体如固体填料或多孔性格子砖等构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流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，因此不可防止地会使两种流体少量混合。假设两种流体不允许混合，那么不

14、能采用蓄热式换热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格廉价，单位体积传热面比较大，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为外表式换热器。它是利用间壁固体壁面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给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业中最为广泛使用的一类换热器。间壁式换热器又可分为：管式换热器：如蛇管式、套管式、缠绕管式、管壳式；板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式、板翅式、伞板式；其他形式换热器：如石墨换热器等。4中间载热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热体连接起来的换热器。载热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

15、体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中释放热量。1.2 浮头式换热器浮头式换热器：其结构如图1-1所示。管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板夹持在用螺柱连接的浮头盖与钩圈之间，形成可在壳体内自由移动的浮头，故当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。浮头局部是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修，不会产生热应力；但其结构复杂，造价较高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检修，制造时对密封性要求较高。由上述特点可知，浮头式换热器

16、多用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。图1-1 浮头式换热器1.2.1 设计参数确实定容器设计参数主要有压力、温度、厚度及其附加量、焊接接头系数和许用应力等。1.2.1.1 压力设计压力系指设定的容器顶部的最高压力与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。而工作压力系指容器在正常工作过程中顶部可能产生的最高压力，又称操作压力。设计压力应视内压或外压容器分别取值。计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其值包括液注静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力加上液注静压力。当元件所承受的液注静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。在本次设计中，

17、根据换热器内流体介质，选壳程设计压力Ps=2.86MPa，管程设计压力Pt=3.14 MPa；选壳程操作压力Ps=2.0MPa，管程操作压力Pt=2.0 MPa；选壳程水压试验压力Ps=4.73MPa，管程水压试验压力Pt=4.77 MPa；壳程与管程的计算压力等于设计压力。1.2.1.2 温度设计温度也是压力容器的设计载荷条件之一，它是指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度沿元件金属截面的温度平均值。试验温度是指容器进行压力试验时容器壳体的金属温度。使用温度是指容器运行时，用测温仪表测得的工作介质温度。在本次设计中，根据换热器内流体介质，选壳程设计温度为380，管程设计温度为320；壳

18、程试验温度为277，管程试验温度为308。1.2.1.3 厚度及厚度附加量设计时要考虑的厚度附加量C由钢材的厚度负偏差和腐蚀裕量组成，即，不包括加工减薄量。钢板或钢管厚度负偏差应按相应钢材标准的规定选取。当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，可取=0。GB713?锅炉和压力容器用钢板?和GB3531?低温压力容器用低合金钢板?中列举的压力容器专用钢板的厚度负偏差按GB/T709中的B类要求，即Q245R、Q345R等压力容器常用钢板的负偏差均为0.3mm。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

19、元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速度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，不小于1mm；对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取=0。综上所述，在本次设计中，厚度负偏差均取为=0mm，腐蚀裕量均取为=2mm。计算厚度是按有关公式采用计算压力得到的厚度。必须时还应计入其他载荷对厚度的影响。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。成形后厚度指制造厂考虑加工减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。一般情况下，只

20、要成形后厚度大于设计厚度就可满足强度要求。对于压力较低的容器，按强度公式计算出来的厚度很薄，往往会给制造和运输、吊装带来困难，为此对壳体元件规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度。对碳素钢、低合金钢制的容器，不小于3mm；对高合金钢制的容器，不小于2mm。1.2.1.4 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强度的削弱，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。影响焊接接头系数大

21、小的因素很多，但主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求及长度比例有关。在本次设计中，焊接接头形式为双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头，无损检测的比例为局部，因此焊接接头系数值为0.85。1.2.1.5 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的极限值与相应的材料设计系数又称平安系数之比。设计时必须合理地选择材料的许用应力，采用过小的许用应力，会使设计的部件过分笨重而浪费材料，反之那么使部件过于薄弱而容易破坏。1.2.2 材料的选取压力容器本体主要采用板材、管材和锻件，其紧固件采用棒材。钢板是压力容器最常用的材料，如圆筒一般由钢板卷焊而成，封头一般由

22、钢板通过冲压或旋压制成。压力容器的接管、换热管等通常用无缝钢管制成。高压容器的平盖、端部法兰、中低压设备法兰、接管法兰等常用锻件制造。压力容器用钢可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。1碳素钢 又称碳钢，是含碳量0.02%-2.11%的铁碳合金。碳素钢强度较低，塑性和可焊性较好，价格低廉，故常用于常压或中、低压容器的制造，也用作支座、垫板等零部件的材料。2低合金钢 低合金钢是在碳素钢根底上参加少量合金元素的合金钢。采用低合金钢，不仅可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材，而且还能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中厚度太大所带来的各种困难。3高合金钢 压力容器中采用的低碳或超低碳合金钢大多是

23、耐腐蚀、耐高温钢。高合金钢具有良好的低温性能。综上所述，在本次设计中，壳体材料除要满足一定的强度外，由于制造过程中经过卷板、冲压和焊接，故要求材料有一定的塑性和可焊性，一般采用含碳量较低的低合金钢，现选用Q345R，由于Q345R具有良好的综合力学性能和制造工艺，管箱材料、开孔短接材料、外头盖短接材料、管箱封头、外头盖封头材料均选为Q345R。由于工作压力、温度和介质腐蚀性等因素影响，换热管与接管的材料均选用碳素钢，换热管材料为10号钢，接管材料为20号钢。选择管板材料时，出力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响，当流体无腐蚀性有轻微的腐蚀性时，管

24、板一般采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造，在本设计中，管板的材料选为16Mn。由于16Mn具有良好的性质，法兰的材料也选用16Mn。垫片的材料要具有不污染工作介质、耐腐蚀、具有良好的变形能力和回弹能力，在工作温度下不易变质硬化或软化，所以垫片的材料选用高合金钢，为。螺栓材料的选取根据密封所需压紧力大小与螺栓载荷的大小，所以在本次设计中，螺栓的材料为40Cr。1.2.3 管程结构管程的结构通常是由换热管、管板、管箱等组成。1.2.3.1换热管 换热管是管壳式换热器的传热元件，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、螺旋槽管、螺纹管等。换热管常用的尺寸外径壁厚主要为、和的无

25、缝钢管以及和的不锈钢管。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。据估算，将同直径换热器的换热管由改为，其传热面积可增加40%左右，节约金属20%以上。但小管径流体阻力大，不便清洗，易结垢堵塞。一般大直径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。本次设计中，换热管尺寸选为，换热管根数为260根，换热面积为125m2。换热管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形错列三种排列方式。各种排列方式都有其各自的特点：正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高；正方形排列：易清洗，但给

26、热效果较差；正方形错列：可以提高给热系数。如图1-2所示。为了便于清洗，在本次设计中选择正方形错列，即转角正方形排布。 换热管的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。在本次设计中，换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，即不小于31mm。查GB151-1999表12可知，换热管的中心距S=32mm。对于外径为25mm的换热管，当用转角正方形排列时，其分程隔板槽两侧相邻管的中心距为32mm32mm正方形的对角线，即Sn=32。图1-2 换热管排列方式1.2.3.2 管板 管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换

27、热管，将管程和壳程的流体分隔开来，防止冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用。当换热器承受高温、高压时，高温和高压对管板的要求是矛盾的。增大管板厚度，可以提高承压能力，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；减薄管板的厚度，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，换热管的温度变化快，在换热管和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和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。1.2.3.3 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

28、两端，管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀分布到各换热管和把管内流体聚集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。1.2.3.4管束分程 在管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。在管壳式换热器中，最简单最常用的是单管程的换热器。如果根据换热器工艺设计要求，需要加大换热面积时，可以采用增加管长或者管束的方法。前者受到加工、运输、安装以及维修等的限制，故经常采用后一种方法。增加管束可以增加换热面积，但介质在管束中的流速随着换热管数的增多而下降，结果反而使流体的传热系数降低，故不能采用增加换热管数的方法来到达提高传热系数的目的。为了解决这个问题，使流体在管束中保

29、持较大的流速，可将管束分成假设干程数，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，每一程中的管数应大致相等，且程与程之间的温度相差不宜过大，温差以不超过20左右为宜，否那么在管束与管板中将产生很大的热应力。表1-1列出了1-4程的几种管束分程布置形式。在本次设计中，管程的程数为4程，对于4程的分法，有平行和工字型两种。一般为了接管方便，选用平行分法较适宜，同时平行分法亦可使管箱内残夜放进。工字形排法的优点是比平行法密封线端，且可排列更多的管子。在本次设计中采用平行分法。表1-1 管束分程布置图1.2.3.5换热管与管板连接换热管与管板连接是管壳式换热

30、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。所以换热管与管板的连接质量的好坏，直接影响换热器的使用寿命。换热管与管板的连接方式有强度胀接、强度焊以及胀焊并用。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。强度胀接主要适用于设计压力小4.0Mpa；设计温度300；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。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，且对管孔的而粗糙度要求不高，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加工简单。焊接

31、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焊或利用专用工具拆卸后予以更换。除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。胀焊并用 胀接和焊接方法都有各自的优点与缺点，在这种情况下，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，很容易产生破坏，无论单独采用焊接或是胀接都难以解决问题，但采用胀焊并用，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得到广泛的应用。在此，根据设计压力、设计温度及操

32、作状况选择换热管与管板的连接方式为胀焊并用。1.2.4 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。1.2.4.1 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

33、冲挡板的作用，保护管束免受冲击。导流筒一般有内导流筒和外导流筒两种形式。在本次设计中选取外导流筒，并且前导流筒和后导流筒的数量都是2个。1.2.4.2 折流板折流板的作用是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使管程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结构，而且在卧式换热器中还起支撑管束的作用。为方便选材，在本次设计中，折流板的材料选为Q235-A。常用的折流板形式有弓形和圆盘-圆环形两种。其中弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。如图1-3所示。弓形折流板是最为常用的一种形式，因此在本次设计中，折流板的形式选为竖直单弓形。并且在排列时，两边是内折流板3块，往里是

34、异形折流板2块，其余的是22块弓形折流板。弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占壳体内直径的百分比来确定。如单弓形折流板，缺口高度宜取0.20-0.45倍的壳体内直径，最常用的是0.25倍壳体内直径。在本次设计中缺口高度取为0.25倍的圆筒内直径，即为175mm。折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进、出口接管。折流板的最小间距不小于壳体内直径的1/5，且不小于50mm；最大间距应不大于壳体内直径。折流板上管孔与换热管之间的间隙以及折流板与壳体之间的间隙应符合要求，间隙过大，泄露严重，对传热不利，还易引起振动；间隙过小，安装困

35、难。因此在本次设计中，折流板的间距取为200mm。折流板的厚度与壳体的直径及折流板的间距有关，并取决于它所支撑的质量。板厚增大，管束不易激发振动。在本次设计中，查GB151-1999表42知，换热管外直径为25mm的最大无支撑跨距为1850mm，查GB151-1999 表34知，公称直径为700mm，折流板的最小厚度为12mm。1.2.4.3 防短路结构为了防止壳程流体流动在某些区域发生短路，降低传热效率，需要采用防短路结构。常用的防短路结构有旁路挡板、挡管或称假管、中间挡板,如图1-4所示。1旁路挡板 为了防止壳程边缘介质短路而降低传热效率，需要增设旁路挡板，以迫使壳程流体通过管束与管程流体

36、进行换热。旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接。通常当壳体公称直径DN500mm时，增设一对旁路挡板；DN=500mm时，增设两对挡板；DN1000mm时，增设三对旁路挡板。图1-3 折流板形式2挡管 当换热器采用多管程时，为了安排管箱的分程隔板，在管中心或在美程隔板中心的管间不排列换热管，导致管间短路，影响传热效率。为此，在换热器分程隔板槽反面两板之间设置两端堵死的管子，即挡管也称为假管。挡管一般与换热管的规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆带定距管或不带定距管代替。挡管应每隔3-4排换热管设置一根，但不应设置在折流板缺口处。3中间挡

37、板 在U形管换热器中，U形管束中心局部存在较大间隙，流体易走短路而影响传热效率。为此在U形管束的中间通道处设置中间挡板。中间挡板一般与折流板电焊固定，中间挡板的数量不宜多于4块。a中间挡板b旁路挡板 c挡管图1-4 防短路结构在本次设计中，防短路结构选为旁路挡板，因为壳体的公称直径为700mm，所以选取两对旁路挡板。1.2.4.4 防冲挡板由于壳程流体的，管程换热管流体的流速，因此在本台换热器的壳程与管程都不需要设置防冲挡板。1.2.4.5 拉杆和定距管拉杆和定距管一般与折流板和支持板连接在一起。当换热管外径小于或等于14mm时，采用折流板与拉杆点焊在一起而不用定距管。拉杆应尽量均匀布置在管束

38、的外边缘。假设对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。 常用的拉杆的形式有两种：1拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束， 按GB151-1999表45规定；2拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束，；3当管板比较薄时，也可采用其他的连接结构。在本次设计中，由于换热管的外径为25mm，因此选用拉杆定距管结构。查GB151-1999 表43知，拉杆直径为d=12mm，查GB151-1999 表44知，拉杆的数量为n=8根，查GB151-1999 表45知，拉杆螺纹公称直径dn=12mm，a=15

39、mm，b50mm，b=2mm，其中拉杆的长度L按需要确定。1.2.5 支座卧式设备一般采用两个鞍座。这是因为根底水平高度有可能不一致，如果使用多个支座，将会造成支座反力分布不均匀，从而引起设备的局部应力增大，因此采用两个支座。采用双支座时，一个鞍座为固定支座，地脚螺栓为圆孔；另一个鞍座为活动支座，地脚螺栓为长圆孔，配合两个螺母，第一个螺母拧紧后，倒退一圈，然后再用第二个螺母锁紧。这样，可以使设备在温度变化是自由伸缩。支座的安放位置也有一定的标准，一般支座与壳体端面的距离A0.2L，L为壳体的长度。表1-2 鞍座尺寸公称直径允许载荷鞍座高度h底板腹板筋板垫板螺栓间距l2鞍座质量kg增加mm高度增

40、加的质量kgl1b1l3b3弧长b4e70017020064015010835012088302406564603051.2.6 开孔和开孔补强设计为满足工艺操作、容器制造、安装、检验及维修等要求，在压力容器上开孔是不可防止的。容器开孔以后，不仅削弱了容器的体强度，而且还会引起应力集中，在接管和容器壁的连接处会造成局部的高应力，接管有时还会受到外加载荷的作用而产生的应力以及温差产生的热应力，使得开孔接管处的局部应力进一步提高。又由于材质和制造缺陷等各种因素的综合作用，开孔接管附近就成为压力容器的破坏源。因此，压力容器设计中必须充分考虑开孔补强问题。开孔所产生的应力集中现象有明显的局限性，应力值

41、随离开孔边缘距离的加大而逐渐衰减。由此可采用在开孔附近局部补强的方法来降低该区域的应力集中。但是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但开孔位置不在焊缝上。这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力，从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。1.2.6.1开孔补强方法常用的开孔补强设计方法有等面积补强法、根据极限分析准那么的设计方法、根据弹塑性失效准那么的设计方法。1等面积补强法 采用此法要求容器开孔后，在容器和接管连接处周围的补强金属量必须等于或大于开孔所削弱的量，希望不降

42、低容器开孔后的平均应力。这种补强方法比较平安可靠，使用简单，即使在接管同时受内压、弯矩、推力等作用也能给足够的平安裕度。等面积补强法是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论根底的，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那么，故对小直径的开孔平安可靠。GB150对开孔最大直径作了如下限制。圆筒 当其内径mm时，开孔最大直径，且d520mm；当其内径mm时，开孔最大直径，且d1000mm。凸形封头或球壳上开孔最大直径。锥壳或锥形节头上开孔最大直径，为开孔中心处锥壳内直径。在椭圆形或蝶形封头过渡局部开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头外表。2根据极限分

43、析准那么的设计方法 极限分析准那么是以塑性失效为根底，它允许产生一定的塑性变形。当容器的应力控制在许用应力=/1.5的范围内，而接管连接处的应力可以到达2.25，说明即使局部的应力强度到达屈服极限时，整个结构并不失效。而只有当整个截面上各点的应力强度都到达屈服极限时，结构才算失效。极限分析法一般适用于设备要求不高、压力容器仅受蠕变范围之外的恒定压力作用的开孔补强场合。3根据弹塑性失效准那么的设计方法 这种补强方法允许补强后的容器在开孔附近出现塑性变形。在一次加载过程中出现的一定量的塑性变形，在第二次以后的重复加载中，除了蠕变效应外，不会再出现新的塑性变形。只要一次应力加上二次应力小于三倍许用应

44、力或两倍的屈服应力，容器就可以认为是安定的。采用这种补强方法，可以使各种不同的接管开孔在补强以后，都具有相同的应力集中系数K=3。1.2.6.2 补强形式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，但补强圈与金属间不能完全贴合，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。这种补强结构一般在静载、常温、中低压、材料的标准

45、抗拉强度低于540、补强圈厚度小于或等于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。由于接管的加厚局部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高，一般采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。3整段件补强 该补强结构是将接管和局部壳体连同补强局部做成整体锻件，再与壳体和接管连接。其优点是：补强金属集中于开孔应力最大部位，能量有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及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%

46、。缺点是锻件供给困难，制造本钱高，所以只在重要压力容器中应用。由上述介绍可知，在本次设计中，前端管箱和壳体上均需要开孔补强，都采用补强圈补强，等面积补强法。1.2.7 密封装置设计压力容器的可拆密封装置形式很多，其中以结构简单、装配比较方便的螺栓法兰连接用的总舵。压力容器和管道法兰联接中，常用的密封面型式有以下三种。1平面型密封面密封外表是一个突出的光滑平面又称突平面。这种密封面结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。但螺栓上紧后，垫圈材料容易往两侧伸展，不易压紧，用于所需压紧力不高且介质无毒的场合。2凹凸型密封面它是由一个凸面和一个凹面所组成，在凹面上放置垫圈，压紧时，由于凹面的外侧有挡台，垫

47、圈不会挤出来。3榫槽型密封面密封面是由一个榫和一个槽所组成，在垫圈放在槽内。这种密封面规定不用非金属软垫圈，可采用缠绕式金属包垫圈，易获得良好的密封效果。它适用于密封易燃、易爆、有毒介质。密封面的凸面局部容易破坏，运输与装拆时都应注意。在本次设计中，在选取密封面时综合考虑介质因素和装拆的因素，壳体法兰均采用凹凸面型密封面，管箱接管法兰采用平面型密封面，壳体接管法兰采用凹凸型密封面。1.2.8焊接结构设计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设计直接影响到焊接的质量与容器的平安，因而必须对容器焊接接头的结构进行合理设计。焊缝系指焊件经焊接所形成的结合局部，而焊接接头

48、是焊缝、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见面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行接头 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形接头都形成角焊缝。角接接头和T形接头，在接头处构件结构不是连续的，承载后受力状态不如对接接头，应力集中比较严重，且焊接质量

49、也不易得到保证。但是在容器的某些特殊部位，由于结构的限制，不得不采用这种焊接结构，如接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊接，多为角接接头或T形接头。3搭接接头 系两个相互连接零件在接头处有局部重合在一起，中间相互平行，进行焊接的接头。搭接接头的焊缝属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受力情况较差。在压力容器中，搭接接头主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸缘与容器的焊接。为了保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般需将焊件连接处预先加工成各种形状，称为焊接坡口。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。根本的坡口形式有5种，即I形、V形、单边V形、U

50、形和J形。根本坡口可以单独使用，也可两种或两种以上组合使用。压力容器用对接接头、角接接头和T形接头，施焊前，一般应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。压力容器焊接结构的设计还应遵循一些根本原那么，如：尽量采用对接接头；尽量采用全熔透的结构；尽量减少焊缝处的应力集中。而破口的选择也应考虑一些因素，如：尽量减少填充金属量，这样既可节省焊接材料，又可减少焊接工作量；保证熔透，防止产生各种焊接缺陷；便于施焊，改善劳动条件；减少焊接变形和剩余变形量。 2设计计算2.1 筒体的计算2.1.1 计算条件计算压力 设计温度 t=380圆筒的内直径 选用的材料 Q345R钢板负偏差 钢板的腐蚀余量 操作温度

51、下的许用应力 设计温度下的许用应力 试验温度下的屈服点 焊接系数 =0.852.1.2 厚度的计算设计温度下的计算厚度 2-1设计厚度 2-2 名义厚度 2-3因为Di圆筒是卷制的,那么公称直径就是圆筒内径即Di=DN=700mm由GB151-1999表8可知：min=8mm包括C2=1mm这里取C2=2mm。有钢材标准规格，可取 有效厚度 2-42.2 管箱短接的计算2.2.1 计算条件计算压力 设计温度 t=320圆筒的内直径 选用的材料 Q345R钢板负偏差 钢板的腐蚀余量 操作温度下的许用应力 设计温度下的许用应力 试验温度下的屈服点 焊接系数 =0.852.2.2 厚度的计算设计温度下的计算厚度 设计厚度 名义厚度 由GB151-1999表8可知：min=8mm包括C2=1mm这里取C2=2mm。有钢材标准规格，可取有效厚度 2.3 外头盖短接的计算2.3.1 计算条件计算压力 设计温度 t=380圆筒的内直径 选用的材料 Q345