固定管板换热器设计书

PAGE固定管板式换热器设计摘要换热器是一种是实现物料之间热量传递节能设备。随着石化工业的不断发展，换热器在石化行业设备中占据着重要的地位。本设计主要针对的是固定管板式换热器，固定管板式换热器属于列管式换热器的一种，是利用间壁使高温流体和低温流体进行对流传热从而实现物料间的热量传递。在设计的整个过程中，严格按照GB150—1998《钢制压力容器》和GB151—1999《管壳式换热器》等标准进行设计和计算。以及对换热器的强度、刚度和稳定性的校核。本设计包括四个部分：说明部分；计算部分；绘图部分和翻译部分。本论文主要是说明部分。阐述了固定管板式换热器的工艺流程及其在炼油化工生产中的地位，换热器设备及其发展现状和国内外换热器的最新发展趋势，同时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。最后对压力容器的制造，检验和验收等问题也作了简单的介绍。计算部分主要对筒体、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、进行了相关的设计计算。关键词：固定管板式换热器；结构设计；校核；

ThedesignofTheFixedtubesheetheatexchangerAbstractTheheatexchangerisarealizationoftheheattransferbetweenthematerialenergy-savingequipment.Withthepetroleumindustrydevelopment,theheatexchangerisoccupyingtheimportantstatusinthepetrochemicalindustryequipment．Thisdesignmainlyaimsatthefixedtubesheetheatexchanger．Thefixedtubesheetheatexchangermakesthehigh-temperatureheattransferfluidthroughthelow-temperaturefluidandconvectiveheatsoastoheatthematerialbetweenthetransmission.Inthedesignofthewholeprocess,strictlyinaccordancewiththeGB150-1998"SteelPressureVessels"andGB151-1999-1999"shelland-tubeheatexchangersystem,"thestandardforthedesignandcalculation.Thentheheatexchangerofstrength,stiffnessandstabilityofthecheck.Thedesignincludesfourparts:thenarrative;Calculation;Mappingandtranslationofpart.Notesomeofthemajorexpoundedthefixedtubesheetheatexchangerprocessofrefiningandchemicalproductionintheposition,exchangerequipmentandthedevelopmentofinternalandexternalheatexchangerandthelatestdevelopmenttrends,meanwhileonthedesign,heatexchangermajorpartsofthedesignandpressurevesselscommonlyusedmaterials.Finally,thepressurevesselmanufacturing,testingandacceptancingoftheproblemalsomadeabriefintroduction.Someofthemajortermsofcylinder,headandtheflangeofthedetailedcalculation,anditshydrostatictestofthecheck;alsoontheTube,themanagementboard,Baffledfortherelevantdesign.Keywords:Fixedtubesheetheatexchanger；Structuraldesign；Check；目录前言 11换热器的分类及工作原理 41.1换热器的工作原理及分类 41.2换热器研究现状及发展趋势 82换热器设备各部分的设计说明 122.1设备制造工艺过程 12筒体 12管箱 12管板 12换热管 13折流板及支撑板 14管束组装 14封头 142.2换热设备中换热管与管板的连接 15胀接 15焊接 16胀焊连接 16换热管与管板连接方式的选择 162.3换热器设备的安装说明 17筒体的制造 17封头的制造 18管箱 182.4压力试验 183结构设计计算 203.1封头厚度计算 20壳程壁厚计算 20管程筒体壁厚计算 20管程封头计算 20水压试验校核 203.2管板设计计算 21结构尺寸及材料选取 21管板计算 233.3开孔补强计算 40结论 42参考文献 43前言换热器在工农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中换热设备也随处可见，是不可缺少的工业设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投入大、人力资源配备足的情况下，一批具有代表性的高效换热器和强化传热单元诞生。随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成果，得到了大量的回报，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T型翅板管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都等到国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况。换热器是一种是实现物料之间热量传递节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。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性能回收带来了显著的经济效益。目前，再换热设备中，使用量最大的事管壳式换热器。管壳式换热器按用途分为无项变传热的换热器和有项变传热的换热器和重废器。板壳式换热器的发展，使换热器的效率提高到新的水平，结构更紧凑。这种换热器的采用，满足了飞机发动机中间冷却和内燃机车发动机、汽车发动机冷却的需要。由于具有体积小、重量轻、效率高、可处理两种以上介质的优点，这种换热器迅速在石油化工、乙烯装置中得到推广应用。在低温场合（-185℃的氨气冷却、-177℃液态空气冷却、-130-150℃的乙烯冷却、-165℃的天然气冷却和空气装置的冷却），采用板翅式换热器可减少体积5-15倍，节约重量20-30倍以上。随着铝及铝合金钎焊技术的日趋发展，应用场合及范围将越来越广泛。螺旋板式换热器目前在石油、化工、冶金、电力中的应用较普遍，接受上已开发出了可拆和不可拆两种。作为紧凑式换热器品种之一，它的主要优点是：占地面积小、安装方便。材料主要是碳钢、不锈钢、钛及其合金，主要用于设计小于2.5Mpa，温度小于300℃的中、低温的冷却，化工装置中代用较多，食品、医药重较干净的介质多使用这种换热器。但螺旋板换热器在应有腐蚀的场合应慎重使用。另外，在介质较脏的场合亦应慎重使用不可拆是螺旋板换热器。在低温余热回收系统，热管的应用带来了巨大的社会效率，再烟气余热回收系统，国内普遍采用热管来回收低温热源，达到节能的目的。目前开发的无机热管不仅在工业装置中应用，而且适用于家庭热水系统，既方便又节约能源。热管主要是利用小的表面积来传递较大的热量，是20世纪60年代中发展起来的传热元件。国外50年代进入民用工业，具有效率高、压强低、结构紧凑等优点。由于我国目前油田多进入中、后期开采，原油中盐、硫含量升高，常减压装置常压塔顶及减压塔顶的腐蚀越来越严重。在这些场合，碳钢换热器的寿命仅为4-18个月左右，防腐已从单纯的涂层发展到采用钛材料的防腐，使钛换热器已从原来化工装置的应用发展到炼油装置。目前国内多数炼厂已在此场合应用钛换热器来提高换热器的寿命，一般寿命可达5-10年左右，对长周期运行起到了重大作用。钽和锆换热器近年来发展也较为迅速，在化工工业中得到应用。虽然这些稀有金属价格昂贵，但由于具有特殊的优良性能如耐温、耐腐蚀等而应用较广，现已开始制定钽和锆压力容器的行业标准，在化工深加工装置中将得到进一步的应用。防腐涂层换热器的发展也较为迅速，从20世纪80年代中期投资低，防腐效果好的847防腐涂料开始，发展到90年代的901，不仅在冷却水系统成功防腐，而且还具有抗垢性能，Ni-P非金属化学镀层在60℃以下的海水和氯离子的防腐方面也起到了重要的作用，在110℃以下对流的防腐也发挥了较大的作用，不仅仿佛而且起到了耐冲蚀、耐磨作用。近年来国内在节能、增效等方面改进换热器性能，在提高传热效率，减少传热面积，降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。流程优化软件技术的发展带来了换热器应用的增多。20世纪80年代常减压装置的换热器用量在70台左右，90年代换热器用量达到90-100台，90年代末至今已超过140台。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。1换热器的分类及工作原理1.1换热器的工作原理及分类换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和形式亦不同，换热器种类随新型、高效换热器的开发不断更新。按传热原理分类直接接触式换热器这类换热器又成为混合式换热器。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、气压冷凝器等。为了增加量流体间的接触面积，以充分换热，在设备中常放置塔状结构的填料和栅板。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容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。蓄热式换热器这类换热器又称回热式换热器，它是借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。在换热器内，首先通过热流体，将热量积蓄在蓄热体中，然后通过冷流体，由蓄热体把热量释放给冷流体。由于两流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两流体少量混合。若两流体不允许有混合，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、单位面积传热面大，故适合用与气-气热交换的场合。如回转式空气预热器就是一中蓄热式换热器。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。间壁式换热器是目前应用最广泛的换热器，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。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。在上述几类换热器中，间壁式换热器应用最广，而且对他的研究最充分，其他类型换热器的设计和计算也常鉴于间壁式换热器。间壁式换热器的分类间壁式换热器又可分为管式换热器、板面式换热器等多种类型管式换热器这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管结构形式不同大致可分为列管式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕式换热器。管式换热器虽然在换热效率、机构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如一些新型换热器，但它具有机构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温高压和大型换热器中，管式换热器热占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。列管换热器列管换热器又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最为广泛的一种通用标准换热设备。它的主要优点是制造材料广泛、结构简单、坚固耐用、清洗方便、适用性强等，在生产中使用的换热设备中占主导地位。列管换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部件组成。根据结构特点可分为以下几种。固定管板式换热器固定管板式换热器的结构特点是两端管板和壳体连接成一体，管束两端固定在两管板上。其优点是结构简单、紧凑，管内便于清洗；缺点是管程不能进行机械清洗，且当换热管内外两流体的温差较大（大约50℃U型管式换热器U型管式换热器的结构特点是每根管子都弯成U型，只有一个管板，管子两端固定在同一管板上。每根管子都可以自由伸缩，当壳体与管子有温差时，不会产生温差应力。从而解决了热补偿问题。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低；管间清洁比较方便。其缺点是管内清洁比较困难；可排管子数目较少；管束最内层管间距大，管程易短路。U型管式换热器适用于管、壳程温差较大或壳程介质不易结垢的场合。浮头式换热器浮头式换热器结构特点是两端管板之一不与壳体固定连接，可以在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。此种换热器的优点是当换热管与壳体有温差存在，在壳体或换热器膨胀时，管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩，不会产生温差应力；且管束可以从壳内抽出，便于管内和管间的清洗。其缺点是结构复杂，用材量大，造价高。浮头式换热器适用于壳体与管束温差较大或壳程流体容易结构的场合。填料函式换热器填料函式换热器的结构特点是管板只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生温差应力。该换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，造价低；管束可以从壳体内抽出，管、壳程均能进行清洗。其缺点是填料函耐压不高，一般小于4.0MPa；壳程介质可以通过填料函向外泄露。填料函式换热器适用于管、壳程温差较小或介质易结垢需要经常清洗且壳程压力不高的场合。管套换热器管套换热器的优点是结构简单；能耐高压；传热面积可根据需要增减，适当选择内管和外管的直径，可使流体的流速增大，而且冷热流体可作严格逆流，传热效果较好。其缺点是单位传热面积的金属耗量大；管子接头多，易泄露，占地面积大，检修清洗不方便。此类换热器适用于高温、高压及流量较小的场合。蛇管换热器蛇管换热器根据操作方式不同，分为沉浸式和喷淋式两类。沉浸式蛇管换热器此种换热器通常以金属管自弯绕而成，制成适应容器的形状沉浸在容器内的液体中。管内流体与容器内液体隔着管壁进行换热。此类换热器优点是结构简单、造价低廉、便于防腐、能承受高压。缺点是管外对流传热系数小，常需加搅拌装置，以提高传热系数。喷淋式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器常用作冷却器冷却管内热流体，且常用水作为喷淋冷却剂，故常称为水冷器。它是将若干排蛇管垂直地固定在支架上，蛇管的排数根据所需传热面积的多少而定。热流体自下部总管流入各排蛇管，从上部流入在汇入总管。冷却水由蛇管上方的喷淋装置均匀的喷洒在各排蛇管上并沿着管外表面淋下。该装置通常置于室外通风处，冷却水在空气中汽化时，可以带走部分热量，以提高冷却效果。与沉浸式蛇管换热器相比，喷淋式蛇管换热器具有检修清洁方便、产热效果好等优点。缺点是体积庞大，占地面积多；冷却水耗用量较大，喷淋不均匀等套管式换热器它有两种不同大小直径的管子组装成同心管，两端用U型管将它们连结成排，并根据实际需要，排列组合形成单元。换热时，一种流体走内管，另一种流体走外管之间的环隙，内管得壁面为传热面，安妮流方向进行换热。两种流体都可以在较高的温度、压力、流速下进行换热。1.2换热器研究现状及发展趋势20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，随着市场经济的发展，降低成本已成为企业追求得最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高给换热器济空冷式换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。a研究机构及研究现状美国传热研究公司（HeatTransferResearchInc.）既HTRI，是1962年发起组建的一个国际性、非营利的合作研究机构，会员数百家，遍及全球，取得了大量的研究成果，积累了换热器设计的丰富经验，在传热机理、两相流、振动、无垢、模拟及测试技术方面做出了巨大贡献。近年来，该公司在计算机应用软件开发上发展很快，所开发的网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算精度准确，不仅节省了人力，提高了效率，而且提高了技术经济性能。目前国内近20家成为HTRI会员。国内各研究机构和各类院校研究不断推陈出新，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等；天津大学在流路分析法、振动等方面研究成果显著；清华大学在板片传热方面有深入地研究；西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果；重庆建工学院开发出翅管换热器；在强度软件方面化工设备设计研究中心开发出SW6；在液压胀管方面江苏化工学院开发出液压胀管器；以换热器起家的兰州石油机械研究所率先开发出板式换热器、板式冷凝器、板式蒸发器、螺旋板换热器、板壳式换热器、螺纹管换热器、折流杆换热器、外导流筒换热器、高效重沸器、新机构高校换热器、Ω环高压换热器、表面蒸发空冷器、板式空冷器等一批实用价值的系列高效换热器，近年来又在强度软件上开发LansysPV,在CAD软件上开发出浮头式换热器LansysHF、U形管换热器LansysHU等系列CAD软件，含标准图2000多套；中国石化工程建筑公司与兰州石油化工机械厂联合开发出螺纹锁紧环换热器；西安交大、兰州五院、宁夏化工厂合作开发出螺旋绕管式换热器，这些技术成果为国民经济的快速发展，为中国炼油、化工工业的发展起到了决定作用，也是中国的传热技术水平步入国际先进水平。ｂ．换热器研究及发展动向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，特别是两相流无形的模拟。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，准确性主要体现于实际工况的差别。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。ｃ．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软件技术一直处于国际领先水平，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可将温度场模拟出来，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。在超常规设计强度计算中，可模拟出应力的分布图，是常规无法得到的计算结果能方便、快捷、准确地得到，是换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，见带来技术水平的飞跃。将会逐步取代强度试验，摆脱试验室繁重的劳动强度。ｄ．大型化及能耗研究换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000m2ｅ．强化技术研究各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品。电厂动力效应强化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、微尺度换热器、微通道换热器、硫化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其他领域得到研究和应用。ｆ．材料的研究材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻等方向发展。随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo钢材料将实现不预热和后热的方向发展。ｇ．控制结垢及腐蚀的研究国内污垢数据基本上是20世纪60-70年代从国外照搬而来，污垢研究技术发展缓慢。随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。通过对污垢的形成机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将是中德的突破。保证装置低能耗、常周期运转，超声防垢技术将得到大力发展。腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐涂层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。2换热器设备各部分的设计说明2.1设备制造工艺过程2.1.1筒体换热器的筒体可以用钢板卷制，也可以用无缝钢管制作，通常以400mm为界。筒体直径大于等于400mm，常用钢管作为筒体，公称直径以内径为基准。碳钢和低合金钢作为通体必须是无缝钢管，奥氏体不锈钢管用筒体可以使无缝钢管，也可以是符合要求的有缝钢管。换热器壳程的筒体内一般均设计折流板，设计折流板的主要目的是提高壳程流体流速，从而提高壳程流体的给热系数。另外，也为换热管提供支撑，折流板与壳体之间应该有合理的间隙，既保证流体的传热效率有保证管束与壳体的装配。为了保证合理的间隙，换热器筒体与一般压力容器相比应该具有较高的椭圆度和刚性要求。2.1.2管箱从管箱结构上分析，管箱上有封头，物料进出口接管，分程隔板及板箱侧法兰。各元件之间均用全焊透焊的结构连接，是一个焊缝比较密集的部件，会存在较大的焊接接头的残余应力。本设备运行期间，进出口接管也会受到外管线传来的外载荷。因此，在管箱部件的设计与制造过程中应十分注意保证管箱的刚性和法兰的密封面的平整性。为换热器能常周期安全运行提供前提条件。2.1.3管板管板毛胚可以是板材或锻件，也可以是复合板。若是钢材，该钢材必须符合GB151规定的压力容器用钢。为了控制管板内部表面层的力学性能差距过大，厚度大于60mm的管板最好不采用板材。在管板加工前，应检查钢板表面的不平度，当不平度过大时，应校平后再加工。一般情况下管板均为整板，对于低压用大直径管板，可以允许采用拼接管板，管板的拼接接头需要100%射线检测或无损检测。若采用射线检测，应不低于JB4730《压力容器无损检测》规定的Ⅱ级。若采用超声检测，应不低于JB4730《压力容器无损检测》规定的Ⅰ级。管板拼接后要进行消除热应力处理。拼接接头处允许钻孔。管孔加工是管板制造中很重要的环节。目前国内比较通用的管孔加工是管板下料、校平、平面外圆及密封机加工、管孔位置划线、钻孔、切胀管槽和管孔两端的倒角。如果采用数控钻床划线和钻孔能一步完成。管孔加工过程中应保证孔的位置及尺寸精度，孔壁的表面粗糙度，管孔与管板表面的垂直度。为了尽量减少两块管板上管孔的位置偏差，方便穿热管，应尽量将两块板的管孔同时加工。2.1.4换热管对换热管的尺寸进度要求与一般的液体输送管线用管不同，因为在组装管束时，换热管必须穿过管板及折流板，所以对其外径有一定尺寸精度要求，否则会给装备工作带来困难。在国际上，换热管都采用高精度管。在国内，习惯上一直将碳素钢材质的液体输送管分成普通精度和高精度两种，前者用得比较多。考虑到目前国内的实际情况，GB151规定，对于碳钢和低合金钢的换热管，按其尺寸要求精度要求分成Ⅰ级管束和Ⅱ级管束。Ⅰ级管束采用较高级或高级精度冷拔钢，Ⅱ级管束采用普通级冷拔钢。在换热管材料订货时，应注意精度等级问题。奥氏体不锈钢材质的换热器均采用高精度管，管束均为Ⅰ级。2.1.5折流板及支撑板折流板和支撑板一般都比较薄，为了尽量避免加工偏差，便于管束装配，全部折流板和支撑板应叠在一起钻孔为好，待钻孔工序完成以后再按对称方向根据需要的形状进行边缘加工。2.1.6管束组装灌输的组装过程随换热器形式的不同而变化，在此仅以浮头式换热器为例，简单介绍管束的组装过程。换热器组装过程中，要求两块管板相互平行，换热管与管板表面垂直，拉杆上的螺母应拧紧，定距管两端平齐以保证折流板固定平稳，穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现划伤，除换热管与管板焊接接头外，其他零件都不能与换热管相焊。2.1.7封头（1）为了避免应力集中，封头各种不相交的拼接焊缝中心线间距离至少应为钢板名义厚度的3倍，且不小于100mm。封头有成形的瓣片和顶圆板拼接制成时，焊缝方向只允许是径向和环向的，径向焊缝接头之间的最小距离也应小于100mm。（2）先拼板成形后的封头拼接焊缝，在成形前应打磨至母材齐平，100%压制成形后进行射线检测。（3）冲压成形后的封头，其最小厚度不应小于钢板名义厚度减去钢板的负偏差。（4）封头直边部分的纵向皱褶深度应小于1.5mm。2.2换热设备中换热管与管板的连接换热管与管板的连接是浮头式换热器制造过程中最重要的环节，这部分也是在使用过程中最容易出现问题的部位，制造厂和有关科研部门对该问题很重视，多年来一直在做研究工作。期望得到一种过程简单、效率高、质量高且经济的方法。换热管与管板的连接方法根据换热器的使用条件不同，加工方法不同而定，基本上可分为胀接、焊接和胀焊连接。2.2.1胀接胀接过程分为两个阶段，第一阶段是通过在管内部加周向力使其膨胀与管板孔壁接触，第二阶段继续加力，使换热管处于塑性变形状态，而管板则基本上处于弹性变形状态，既管板孔壁有局部塑性变形。因此，在被胀接的管端部位由于受到来自管板的残余压缩应力的作用而与管孔壁紧贴在一起。胀接接头的质量主要取决于径向残余压缩应力，其值与换热管及管板的材料和尺寸、管板是否开槽、胀管率、管孔表面粗糙度等因素有关。为了得到良好和稳定的封头质量，应保持管板材料与换热管材料具有适宜的硬度差，严格控制管板的加工精度，选用恰当的胀管器，保证合适的胀管率及采取合适的胀接顺序。胀接形成按胀紧度可分为贴胀与强度胀。贴胀是用于消除换热管与管板之间缝隙的轻度胀接，其作用是可以消除缝隙腐蚀和提高焊缝的抗疲劳性能。一般讲，贴胀后胀接接头的拉脱应力达到1MPa以上，强度胀是为了保证换热管与管板连接的密封性能和抗拉脱强度，强度胀后胀接接头的拉脱应力达到4MPa以上。2.2.2焊接换热管与管板的焊接连接又分为强度焊与密封焊两种，当接头的焊缝直边长度H，等于或大于2/3管壁厚度时，称为强度焊，它可以保证密封性能及抗拉脱强度。当H值小于2/3管壁厚度时称为密封焊，它仅能保证密封性能。换热管与管板的焊接一般采用手工电弧焊，手工亚弧焊和自动旋转氩弧焊。2.2.3胀焊连接如前所述，胀接连接可以提供较高的压力，但当温度高于300℃2.2.4换热管与管板连接方式的选择GB151规定强度胀接适用于设计压力小于或等于4.0MPa,设计温度小于或等于300℃，操作中没有剧烈的震动，没有过大的温度变化，以及介质没有剧烈震动，没有过大的温度变化及介质没有间隙腐蚀的倾向。国外有的工程公司对碳素钢和低合金钢换热器进行了研究，所用胀管接头适用范围见表2.1，奥氏体不锈钢换热器胀管接头的适用范围为设计压力不超过2.5MPa，设计温度不低于250表2.1胀管接头适用范围设计温度/℃<260280300320340360380400设计压力/MPa5.04.784.574.354.143.923.713.5单独的强度焊接头一般不受温度压力的限制，但适用于有较大振动和有间隙腐蚀的场合。胀焊接头良好的密封性能，能承受振动或有疲劳载荷的工况，能避免换热管与管板孔之间产生间隙腐蚀等缺点，但制造过程复杂，费用高，只用在强度胀或强度焊均不能满足要求的工艺。2.3换热器设备的安装说明换热器应用十分广泛，因此，对换热器的制造，尤其对其装配过程极为重视。经过多年的实践基础上将其装备过程实现了机械化和半自动化，并形成了流水装配线。固定管板式换热器的装配工作是在各部件制造加工完了之后进行的装备工作，大致包括以下内容：管束装配、浮头盖及管束装配。管束与壳体的装配及管箱、外头盖与壳体的装配等。从组成的零部件看并无特殊之处。但这些零部件是相互配合的整体，所以制造上也有一些特点。2.3.1筒体的制造筒体的制造过程是：划线——切割——卷圆——纵焊焊接——焊封检验——校圆——环缝组对——环缝检验。切割的方法：机械切割、氧乙炔切割、碳弧气刨。切个后进行边缘加工，消除切割工序产生的边缘缺陷。如硬化，增碳及微裂纹等。卷圆若用三辊板机须借助于弯模预弯，以防浪费直边部分：缝焊接时应在边缘加上一块垫片。这不仅对焊缝有利，而且可以做焊后拉伸检验。每个筒节焊接时应注意纵缝之间错开。2.3.2封头的制造封头的制作一般是采用冲压。首先将胚料加热到1000-1100℃。然后将阳膜、冲环和阴模加热到1002.3.3管箱管箱的制造是：短节制造——焊接隔板——焊接法兰——焊接接管，管箱成形后要进行热处理，然后加工法兰的密封面。2.4压力试验换热器制造完后，应对管程和壳程分别进行水压试验，以检验受压壳体部件的焊缝质量，换热管与管板连接接头和法兰连接接头的致密性。通常情况下，受内压管箱或壳程壳体的水压试验压力按（2-1）计算，受外压管箱或壳程壳体的水压试验按（2-2）计算。(2-1)(2-2)——试验压力，MPa——设计压力，MPa——换热器元件材料在实验温度下的许用应力，MPa——换热器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa在确定试验压力时应注意下列问题：（1）式中/应取构成换热器的各受压元件的该比值的最小值（圆筒、封头、管板、紧固件等）。（2）若以最大允许工作压力确定液压试验压力时，式中P随应力设备的最大允许工作压力。（3）立式换热器卧置液压实验时，试验压力应为立置时的试验压力加液柱静压力。（4）压力试验前，应对圆筒和封头进行应力校核计算，圆筒应力按式（2-3）计算，椭圆形封头应力按式（2-4）计算。（为焊接接头系数）(2-3)(2-4)式中，——试验压力下圆筒或椭圆形风头的应力,MPa；——圆筒或椭圆封头的内径，mm；——试验压力，MPa；——圆筒或椭圆形封头的有效厚度，mm；为合格——实验温度下圆筒或椭圆形封头的屈服点，MPa。3结构设计计算3.1封头厚度计算壳程壁厚计算计算厚度：GB151对于碳素钢圆筒规定1000<<1500时，最小厚度为10mm。即：名义厚度：=10mm有效厚度：==7.0mm管程筒体壁厚计算根据国标规定，名义厚度取=10mm。管程封头计算故名义厚度取=10mm。水压试验校核试验压力值压力试验允许通过的应力水平≤0.90=211.50MPa试验压力下圆筒的应力==37.69MPa校核条件≤校核结果：合格。设计温度下计算应力：,<结论：合格。3.2管板设计计算结构尺寸及材料选取管束252.5，材料为20号钢，共1460根。换热管长6000mm。本设计中固定管板形式为e型。换热管与管板连接为胀、焊并用。换热管与管板连接焊缝高度为2.5mm，l为2.5mm，如下图所示。图3.1换热管与管板连接焊缝管箱法兰选用JB47703-2000-FM1400-0.6。其中DN=1400，D=1560，=1515,=1476,=1456,H=135,h=40，=62。见下图。图3.2管箱法兰垫片用JB/T4705-2000中的A51-1400-1.0型号。连接螺栓按JB/T4707-2000选用，选用的材料为40MnB。管板计算1材料选择及参数查GB150-1998，圆筒材料选为Q235A。60℃下材料许用应力=113MPa。135℃下材料屈服应力=179.5Mpa。材料弹性模量=203000Mpa。=11.3。换热管材料选用20号钢，0℃下材料许用应力=130MPa，=245MPa,=11.2。材料弹性模量=205000Mpa。管板材料名称Q235A。60℃下材料许用应力=113MPa。60℃下弹性模量=1.92e+05Mpa=2.045MPa。135℃下弹性模量=1.92e+05Mpa=2.01MPa。腐蚀裕量=2mm管板和管子的连接形式：焊接。螺栓材料为40MnB,常温下螺栓许用应力=212MPa，设计温度下螺栓许用应力=185MPa。2换热器稳定许用压应力查GB151-1997附录得：i=0.8004cm。查表4-2取25换热管允许最大无支撑跨距为=1850mm。/i=1850/8.004=231.34因/i大于，故=18.88Mpa故计算合理。3壳程圆筒内直径横截面积=1.54管板布管区面积=0.866管板开孔后面积：=1.54-1460=8.24=0.5351圆筒壳壁金属横截面积：=3.1410（1400+10）=44274管板布管面积：=0.86614603232=1.295一根换热器管管壁金属的横截面积查GB151-1999附录得，a=176.71na=1460176.71=2.58系数mm需要的螺栓面积：取其最小值13006.96查表9-1得>6.4mm时，b=2.53=8.855mm；<6.4mm时，mm垫片压紧力=13006.9638.855212=1.0714=62/1400=0.044查表得：=16.38MPa壳体不带波形膨胀节时，换热器与壳程圆筒的热膨胀变形差为0，换热器管束与圆筒刚度比为：=8.1853=12.75管板强度削弱系数；管板刚度削弱系数；假定管板厚度；管程、壳程腐蚀余量3mm；管板有效厚度；管板延长部分兼法兰厚度；换热管有效长度=6000-=5795mm换热管加强系数：K=4.6441管板周边不布管区无量纲宽度：k=K（1-）=4.6441（1-0.9174）=0.3836K小于1.0，符合GB151-1999的规定=0.007，=0.064查GB151图26得，壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数=7.0718==7.0718MPa管束模数=6516.8MPa旋转刚度无量纲参数Y按GN150-1998查取k=1.1143，Y=17.97管板第一弯矩系数查GB151-1999图27得，=0.07按K和Q查图28得：=4.0查图得=3.25，同理得=0.009系数Ψ=/K=17.6933系数=0.8198法兰力矩折减系数ξ=/（+）=0.0865管板边缘力矩变化系数Δ=1.9296法兰力矩变化系数ΔΔ本题目只有壳程设计压力，而管程设计压力为0，不计入膨胀变形差。γ=0，=0.3MPaMPa有效压力组合=8.1853×0.3-12.75+0=2.4556MPa基本法兰力矩系数=0.0379管板边缘力矩系数（ΔM）=0.03948管板边缘剪力系数v=Ψ=17.6933×0.03948=0.6986管板总弯矩系数当m大于0时，查GB151-1999图31知：小于，故管板径向应力系数管板布管区周边处径向应力系数管板布管区周边处剪切应力系数管板径向应力故径向力管板布管区周边处径向应力故用169.5MPa管板布管区周边剪切应力壳体法兰应力换热管轴向应力，故合格。壳层圆筒轴向应力故合格换热管与管板连接拉脱应