第二篇-过程装备制造工艺-8典型压力容器

第Ⅱ篇过程装备制造工艺

8典型压力容器

主要内容:8.1管壳式压力容器8.2高压容器的制造8.1管壳式换热器一、换热器的概述

换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。

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10％～40％。为什么呢？换热器台数占工艺设备总台数的25-70%；质量占工艺设备总质量的25-50%；检修工作量占总检修量的60-70%。◎应用广泛——适用于多种目的：

热交换，加热，冷却，冷凝，蒸发……3.可靠性满足操作条件,强度足够,保证使用寿命二、衡量标准2.合理性1.先进性可制造加工，成本可接受传热效率高，流体阻力小，材料省

传热效率，流体阻力，强度，结构可靠度，耗材量，成本，制造，安装，检修……管壳式换热器的结构：三、不同目的的换热器

冷却器（cooler）冷凝器（condenser）蒸发器（发生相变）（evaporator）加热器（一般不发生相变）（heater）再沸器（reboiler）废热锅炉（wasteheatboiler）按传热方式或工作原理分类1、直接接触式传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间图7-1直接接触式换热器

热流体冷流体热流体冷流体四、换热器的基本类型2、蓄热式温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大图7-2蓄热式换热器

冷流体冷流体热流体热流体3、间壁式重点——又称表面式换热器利用间壁（固体壁面）进行热交换。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。应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为(3)管壳式(1)管式(2)紧凑式螺旋板式、板式、板翅、伞板等排管、蛇管、套管重点图7-3

换热器构件名称1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖根据我们前面学习的内容，请同学们说说序号2、3、8、12、21各代表什么零件？列管式换热器的工作原理：列管式换热器

管箱的作用: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，管箱还可通过设置隔板起分隔作用。管箱五、主要零部件、分类及代号

(a)适用于较清洁介质工况。检查换热管内及清洗换热管时，必须将连接管道一起拆下，很不方便。(b)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。目前设计中采用较多。缺点是用材较多。(c)将管箱与盖板焊成一体。可避免在管板密封处的泄漏，但管箱不能单独拆下，检修清洗不方便，很少采用。(d)多程隔板安置的一种形式。其接管安装形有多种。如图。附：换热器型号的表示方法例浮头式换热器平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积54㎡，较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程单壳程的浮头式换热器，其型号为：AES500-1.6-54-6/25-4Ⅰ固定管板式换热器封头管箱，公称直径700mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积200㎡，较高级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的固定管板式换热器，其型号为：BEM700-2.5/1.6-200-9/25-4ⅠU型管式换热器封头管箱，公称直径500mm，管程设计压力4.0MPa，壳程设计压力1.6MPa，公称换热面积75㎡，较高级冷拔换热管外径19mm,管长6m，2管程单壳程的U型管式换热器，其型号为：BIU500-4.0/1.6-75-6/19-2ⅠⅡⅡ釜式重沸器平盖管箱，管箱内直径600mm，圆筒内直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积90㎡，普通级冷拔换热管外径25mm,管长6m，2管程釜式重沸器，其型号为：AKT-600/1200-2.5/1.0-90-6/25-2Ⅱ浮头式冷凝器封头管箱，公称直径1200mm，管程设计压力2.5MPa，壳程设计压力1.0MPa，公称换热面积610㎡，普通级冷拔换热管外径25mm,管长9m，4管程单壳程的浮头式冷凝器，其型号为：BJS1200-2.5/1.0-610-9/25-4ⅡⅡ固定管板式换热器浮头式换热器U形管式换热器填料函式换热器五、管壳式换热器的分类

基本类型（一）固定管板式换热器优点：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。缺点：不易清洗壳程，壳体和管束中可能产生较大的热应力。图7-4固定管板式换热器为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。图7-5带膨胀节的固定管板式换热器适用场合：适用于壳程介质清洁，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。折流板：提高壳程流体的流速和湍动程度。隔板：增加管程数，提高管内流体流速。流速增加，传热效率提高；但流动的阻力也同时增加。膨胀节的作用：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吸收热膨胀差。当壳体和管子之间的温差较大(60~70℃)且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。特点1.一个大管板，一个小管板，小管板在壳体内滑动——无温差应力；2.管束可以抽出，清洗；3.结构复杂，浮头内漏不便检查；4.管束与壳体间隙较大——影响传热。.（二）浮头式换热器（二）浮头式换热器优点：

管内和管间清洗方便，不会产生热应力。缺点：

结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。图7-6浮头式换热器特点：1.一端可自由伸缩—不产生热应力；2.管束可以抽出，管内外均易清洗；3.填料将壳程介质与外界隔开，易外漏，介质受限制；（三）U形管式换热器U形管式换热器图7-8

U型管式换热器优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。适用场合：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。U形管式换热器特点：1.只有一个管板，结构简单；2.管子可以抽出，管间易清洗；3.管子可以自由膨胀；4.管内不便清洗，不易更换；5.结构不紧凑。（四）填料函式换热器填料函式换热器优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。

缺点：填料处易泄漏。

适用场合：

4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。填料函式密封图7-9填料函式换热器列管式换热器种类优

点缺

点固定管板式结构较简单，造价较低，相对其它列管式换热器其管板最薄。管外清洗困难；管壳间有温差应力存在；当两种介质温差较大时必须设置膨胀节。浮头式一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动；管壳间不产生温差应力；管束可抽出，便于清洗。结构较复杂，金属耗量较大；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。填料函式管束一端可自由膨胀；造价比浮头式低；检修、清洗容易；填函处泄漏能及时发现。壳程内介质有外漏的可能；壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。U型管式只有一个管板；管程至少为两程；管束可以抽出清洗；管子可自由膨胀。管内不便清洗；管板上布管少，结构不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果；内层管子损坏后不易更换。六、管子与管板的连接

（一）胀接

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。

图7-14胀管前后示意图（a）胀管前（b）胀管后胀管结束後：

管板孔边缘弹性回复，挤压管端并贴紧。胀管过程发生：管子端部——塑性变形；管板孔边缘——弹性变形。优点：工艺简单方便；消除间隙——避免间隙腐蚀。缺点：温度升高时，管端会发生松弛

——泄漏。适用条件：p≤4.0MPa,t≤350℃。注意：管端硬度＜管板硬度。为什麽？如何实现？

保证紧密性的方法：管板孔开槽；胀接周边保证清洁；管子硬度低于管板孔周边硬度。保证管端硬度较低并且低于管板硬度的方法：管端退火处理。选材考虑。胀管率就是管子、管板的变形率；就要控制合理的胀管率，保证胀接质量。胀管率的计算推荐两种计算方法：管子内径增大率K；管子壁厚减薄率W。计算胀管率需要测量的数据测量管板孔径D测量胀接前管子外径dw测量胀接前管子内径d1测量胀接后的管子内径

d2计算胀管率的公式管子内径增大率

K=[(d2－dl)－(D－dw)]／D×100%管子壁厚δ减薄率

W=[(d2－dl)－(D－dw)]／2δ×100%胀管率的合理值它与胀接接头的形式、管子的规格及材质、

管板尺寸、材质等有关，不宜做统一要求。例如：20钢，Φ25×2.5mm钢管胀接取内径增大率K=0.8%~1.6%,相当于壁厚减薄率W=4%~8%。若管子直径大、管壁薄，胀管率取小值;管子直径小,管壁厚，胀管率取大值。

过胀

a胀管率过大,它可能使管子壁厚减薄量过大，硬化现象严重，甚至产生裂纹；

b还可能使管板产生塑性变形，使胀接强度下降。

c过胀后很难修复。注意:欠胀

胀管率过小,不能保证必要的连接强度和密封性。液压胀管器液压胀接

机械胀接

适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力≤4MPa，设计温度≤300℃，且无特殊要求的场合。原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温度≤300℃。要求管板硬度大于管子硬度，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(开槽可以增加连接强度和紧密性)。（二）焊接

优点：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，压力较低时可使用较薄的管板。缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。图7-16焊接间隙示意图管板间隙换热管强度低强度高减小焊接应力焊接形式：（三）胀焊并用胀焊并用连接主要有：强度焊＋贴胀………………先焊后胀强度胀＋密封焊………………先胀后焊概念解释：密封焊—不保证强度，只防漏；强度焊—既防漏，又保证抗拉脱强度；贴胀—只消除间隙，不承担拉脱力；强度胀—既消除间隙，又满足胀接强度。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。

胀焊并用克服了单纯的焊接及胀接的缺点，主要优点是：连接紧密，提高抗疲劳能力；消除间隙腐蚀和应力腐蚀；提高使用寿命。施工方式：先胀後焊；先焊後胀。胀接——贴胀；强度胀。焊接——密封焊，强度焊。根据不同情况具体制定施工工艺。七、管程的分程及管板与隔板的连接

当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。（一）分程原因

（二）分程原则

（三）分程隔板

图7-21双层隔板与管板的密封①各程换热管数应大致相等；②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；③各程间的密封长度应最短；④分程隔板的形状应简单。图7-22单层隔板与管板的密封隔板管板封头隔板管板（四）分程方式

表7－2管程布置表（一）工艺计算

八、管壳式换热器设计内容

选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数

。（二）机械设计

1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；2）换热器封头选择，压力容器法兰选择；3）管板尺寸确定；4）折流板的选择与计算；5）管子拉脱力的计算；6）温差应力计算。1.壳体直径及壁厚；2.封头法兰、管件及补强；

3.管板结构及强度；4.细部连接结构；

5.附件结构；6.管子拉脱力验算；

7.壳体热应力校核；8.支座设计。管壳式换热器机械设计内容总结说出换热器类型固定管板式换热器浮头式换热器U形管式换热器填料函式换热器8.2高压容器的制造1、结构细长

2、采用平盖或球形封头

3、密封结构特殊多样

4、高压筒体（身）限制开孔

高压容器的结构特点

(长径比可达28)(多种自紧式密封)高压容器的结构型式筒体结构单层式组合式整体锻造式锻焊式卷焊式单层瓦片式无缝钢管式层板包扎式热套式绕板式等等……单层容器和多层容器制造工艺比较①◆单层容器制造工艺过程简单、生产效率较高。◆多层容器工艺过程较复杂,工序较多,生产周期长。②◆单层容器使用钢板相对较厚,而厚钢板的轧制比较困难,抗脆裂性能比薄板差,质量不易保证,价格昂贵。◆多层容器所用钢板相对较薄,质量均匀易保证,抗脆裂性好。③多层容器的安全性高即使个别层板存在缺陷,也不容易延展至其他层板，不会产生瞬时的脆性破坏,。另外,多层容器钻有透气孔,可以排出层间气体,若内筒发生腐蚀破坏,介质由透气孔泄出易于发现。④由于层间间隙,导热性小得多,高温工作时热应力大。⑤层板间隙的存在,环焊缝处必然存在缺口的应力集中⑥没有深的纵焊缝,但它的深环焊缝难于进行热处理。

为提高厚壁筒的承载能力,在内壁面产生预压缩应力,达到均化应力沿壁厚分布的目的。多层也采用内层预紧，改善受力。⑦单层厚壁容器在内压作用下,筒体沿壁厚方向的应力分布很不均匀,筒体内壁面应力大、外壁面应力小,随着简体外直径和内直径之比的增大,这种不均匀性更为突出。2、组合式厚壁容器（即多层式）

2、制造：用装置将层板逐层、同心地包扎在内筒上；借纵焊缝的焊接收缩力使层板和内筒、层板与层板之间互相贴紧，产生一定的预紧力；筒节上均开有安全孔

——报警。筒体深环焊缝筒节内层——12～25mm外层——4～12mm为避免裂纹沿壁厚方向扩展，各层板之间的纵焊缝应相互错开75°。筒节的长度视钢板的宽度而定，层数则随所需的厚度而定。（1）多层包扎式1、结构：多层包扎筒节多层包扎筒节3、优点：制造工艺简单，不需大型复杂加工设备；安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力；

减少了脆性破坏的可能性；包扎预应力改善筒体的应力分布；对介质适应性强，可选择合适的内筒材料。4、缺点：筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利用率低（仅60%左右）；深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。①无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射线检测；

②焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降；

③环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。5、应用情况：目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式筒体结构。1、结构，制造：内筒（厚度>30mm）卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。热套筒节（2）热套式2、优点：工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数优点。3、缺点：筒体要有较准确的过盈量，卷筒的精度要求很高，且套合时需选配套合；套合时贴紧程度不很均匀；套合后，需热处理以除套合预应力及深环焊缝的焊接残余应力。（3）绕板式1、结构：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式筒体的基础上发展起来的。2、制造：内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续缠绕若干层3～5mm厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道纵焊缝，需要2个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆或三块“瓦片”制成。3、优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达90%以上）。4、缺点：中间厚两边薄，累积间隙。绕板式（4）整体多层包扎式1、结构：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒