=換熱器說明書

1、遼寧石油化工大學(xué)順華能源學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）用紙BIU800密封水換熱器設(shè)計(jì)摘 要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝氣器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。本設(shè)計(jì)是關(guān)于U形管換熱器的設(shè)計(jì)。U形管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜承壓能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并適用于高溫、高壓、腐蝕性大的場(chǎng)合。在設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，嚴(yán)格按照GB1502011壓力容器和GB1511999管殼式換熱器等

2、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算以及對(duì)換熱器的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的校核。U形管換熱器的主要結(jié)構(gòu)包括管箱、筒體、封頭、換熱管、接管、折流板、防沖板和導(dǎo)流筒、防短路結(jié)構(gòu)、支座及管殼程的其他附件等。U形管換熱器每根管子均彎成U形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成八室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)，U形管換熱器，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Abstract Thermal fluid heat exchanger is the part of the heat transfer fluid to cool the equipment, also known as heat exchangers

3、.Heat exchanger is widely used in daily life heating radiator heating, steam turbine plant in the Condenser and space rockets on the oil cooler, are heat exchangers. It is also widely used in chemical, petroleum, power and atomic energy and other industrial sectors. Its main function is to ensure th

4、at the required process to the media specific temperature, but also improve the energy efficiency of one of the main equipment.The design is about U-tube heat exchanger which is one structure of shell and U-tube heat exchanger. U-tube heat exchanger has the advantage of simple structure, low cost an

5、d pressurized ability and it applies to hightemperature, high pressure, corrosive occasions. In the whole design process, strictly in accordance with the GB150-2011 Steel Pressure Vessels and GB151-1999 shell and-tube heat exchanger system,” it design and calculate with the standard then strength, s

6、tiffness and stability of the heat exchanger are checked.U-tube heat exchanger main structure includes control box, cylinder, head, heat transfer tube, pipe, baffle, erosion control board and draft tube, anti-short-circuit structure, bearing and tube shell and other accessories . U-tube heat exchang

7、er of each tube are bent U-shaped, fluid inlet and outlet were installed on the same side on both sides, head in with a partition into two-bedroom and each tube is free to stretch, to solve the thermal compensation.Keywords: Design, U-tube heat exchanger, Structure characteristicVI目錄1 說明部分11.1 緒論11.

8、1.1 換熱器的概述11.1.2 換熱器的分類及應(yīng)用21.1.3 U形管換熱器的介紹61.1.4 U形管換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)步驟71.2 換熱器結(jié)構(gòu)形式的選擇81.2.1 封頭101.2.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)101.2.3 法蘭101.3 設(shè)備材料的選擇121.4 設(shè)備之間的連接131.5 設(shè)備的制造131.6 設(shè)備的安裝141.7 設(shè)備的檢測(cè)151.8 設(shè)備的密封162 U形管換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)182.1 筒體182.2 開孔與接管182.3 換熱管192.4 U形管192.5 折流板202.6 拉桿202.7 鞍座202.8 接管213 U形管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核223.1 筒體、封頭的厚度計(jì)算

9、及壓力試驗(yàn)校核223.1.1 筒體厚度計(jì)算223.1.2 前端管箱筒體計(jì)算233.1.3 前端管箱封頭計(jì)算243.1.4 后端殼體封頭計(jì)算253.2 水壓試驗(yàn)校核253.2.1 筒體及后端筒體封頭的水壓試驗(yàn)校核263.2.2 前端管箱及前端管箱封頭的水壓試驗(yàn)校核273.2.3 封頭的最小厚度校核293.3 法蘭和螺栓293.3.1 墊片的選擇和計(jì)算293.3.2 螺栓的選擇及強(qiáng)度校核303.3.3 法蘭的選擇323.3.4 法蘭的校核及應(yīng)力計(jì)算333.4 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算373.5 管板及換熱管的選擇計(jì)算393.5.1 換熱管的選擇計(jì)算393.5.2 管板厚度計(jì)算393.5.3 管子的校核41謝

10、辭45參考文獻(xiàn)461 說明部分1.1 緒論化工廠常需在高溫或低溫下對(duì)介質(zhì)進(jìn)行處理，即需要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行加熱或冷卻的單元操作。將實(shí)施這個(gè)單元操作的設(shè)備，即一般的傳熱裝置稱為廣義的換熱器。U形管換熱器是管殼式換熱器的一種，它是將傳熱管彎成U形，管的兩端固定在同一個(gè)管板上，其優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生熱應(yīng)力，管外壁可以清掃，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。換熱器是以兩種不同溫度的流體進(jìn)行熱量交換的設(shè)備，又稱熱交換器。它即可是一種單獨(dú)的設(shè)備，也可是某一工藝設(shè)備的組成部分。換熱器在工、農(nóng)業(yè)的各領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，在日常生活中傳熱設(shè)備也隨處可見，是不可缺少的工藝設(shè)備之一。換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是在石油、化工、石油化

11、工、冶金電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應(yīng)用的一種工藝設(shè)備。隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑砹孙@著的經(jīng)濟(jì)效益。目前，在換熱設(shè)備中，使用量最大的是管殼式換熱器。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著裝置大型化的發(fā)展要求大型換熱器的使用需求增加。近年來國(guó)內(nèi)在節(jié)能、增效等方面改進(jìn)換熱器性能，在提高傳熱效率，減少傳熱面積，降低壓降，提高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成績(jī)。換熱器是化工,石油,動(dòng)力,食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備,在生產(chǎn)中占有重要地位.在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等,應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多,但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的

12、原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中,間壁式換熱器應(yīng)用最多。 1.1.1 換熱器的概述換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實(shí)踐中有時(shí)也會(huì)存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的區(qū)別。在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，占有十分重要的地位。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用

13、、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 1.1.2 換熱器的分類及應(yīng)用列管式換熱器分類列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。結(jié)構(gòu)：殼體、管束、管板、折流擋板和封頭。 一種流體在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳

14、熱面。列管式換熱器，按材質(zhì)分為碳鋼列管式換熱器，不銹鋼列管式換熱器和碳鋼與不銹鋼混合列管式換熱器三種，按形式分為固定管板式、浮頭式、U形管式換熱器，按結(jié)構(gòu)分為單管程、雙管程和多管程，傳熱面積1500m2，可根據(jù)用戶需要定制。在進(jìn)行換熱時(shí)，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動(dòng)，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下幾種：浮頭式換熱器、固定式換熱器、U形管換熱器、填料函式換熱器等。(1)浮頭式換熱器浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱管束

15、連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。圖1 浮頭式換熱器新型浮頭式換熱器浮頭端結(jié)構(gòu)，（如圖1）它包括圓筒、外頭蓋側(cè)法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面設(shè)凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側(cè)鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關(guān)零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個(gè)以該管板中心為圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通；在凹型和梯型凹槽之間鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺桿均布，設(shè)浮頭法蘭為凸型和梯型凸臺(tái)雙密封，分程隔板與梯型凸臺(tái)相通并位于同一端面的寬面法蘭，且凸型和梯型凸

16、臺(tái)及分程隔板分別與浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相對(duì)應(yīng)匹配，該浮頭法蘭與無折邊球面封頭組配焊接為浮頭蓋，其法蘭螺孔與浮頭管板的絲孔或螺桿相組配，用螺栓或螺帽緊固壓緊浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其墊片，該結(jié)構(gòu)必要時(shí)可適當(dāng)加大浮頭管板的厚度和直徑及圓筒的內(nèi)徑，同時(shí)相應(yīng)變更加大相關(guān)零部件的尺寸；另配置一無外力輔助鋼圈，其圈體內(nèi)徑大于浮頭管板外徑，鋼圈一端設(shè)法蘭與外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面凹型或梯型密封面連接并密封，另一端設(shè)法蘭或其他結(jié)構(gòu)與浮頭管板原凹型槽及其墊片或外圓密封。浮頭換熱器的特點(diǎn)：浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由移動(dòng)，這個(gè)特點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)能看出來。這種換熱器

17、殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高（比固定管板高20%），在運(yùn)行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的條件。(2)固定管板式換熱器固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。如圖2所示，固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接

18、和殼體焊接在一起，殼程的進(jìn)出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長(zhǎng)度設(shè)置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但殼程清洗困難，對(duì)于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫

19、，甚至毀壞換熱器。圖2 固定管板式換熱器為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時(shí)，為安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6Mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。固定管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：旁路滲流較??；造價(jià)低；無內(nèi)漏。固定管板式換熱器的缺點(diǎn)是：殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報(bào)廢，設(shè)備壽命較低，不適用于殼程易結(jié)垢場(chǎng)合。(3)U形管式換熱器 圖3 U形管式換熱器如圖3所示，這類換熱器只有一個(gè)管板，管程至

20、少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。(4) 填料函式換熱器：這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。 1.1.3 U形管換熱器的介紹U形管式換熱器是管殼式換熱器的一種，屬石油化工設(shè)備，由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成U形而得名。U 形管式換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上。 此類換熱器的特點(diǎn)是管束可以自由伸縮，不會(huì)因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能較

21、好；承壓能力強(qiáng)；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊凄，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場(chǎng)合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)清潔及不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。 這類換熱器型式與基本參數(shù)已系列化，JB/T4717-92、及中石化浮頭式換熱器、冷凝器 U形管式換熱器系列-型式與參數(shù)（第三版）2006.8 ，設(shè)計(jì)制造應(yīng)遵循GB15

22、1-1999管殼式換熱器等標(biāo)準(zhǔn)。 1.1.4 U形管換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)步驟A、U形管換熱器的目的設(shè)計(jì)（a）確定操作目的（b）確定在整個(gè)工廠設(shè)備中該換熱器的安裝位置和所承擔(dān)的任務(wù)。B、U形管換熱器的材料設(shè)計(jì)一般化工設(shè)備的材料設(shè)計(jì)目的是降低材料費(fèi)、加工費(fèi)、保全費(fèi)等幾方面的總費(fèi)用。同時(shí)還必須考慮耐壓、耐熱、耐腐蝕等方面的因素。C、U形管換熱器的工藝設(shè)計(jì)（1）確定給定條件（2）主要參數(shù)的的確定及說明（3）U形管換熱器結(jié)構(gòu)選擇及論證（a）U形管換熱器整體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（b）前管箱、殼體及后端蓋結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)（c）管束分程和分程隔板的布置及特點(diǎn)（d）管子尺寸及排列、數(shù)量、偏差和總傳熱面積的確定（e）折流板、拉桿

23、、定距管等零件的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（f）管子與管板的連接說明（g）接管、法蘭、管箱法蘭、外頭蓋法蘭及浮頭法蘭的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（h）支耳、支座、排氣管、排液管的結(jié)構(gòu)及作用（i）U形管換熱器密封結(jié)構(gòu)形式及密封點(diǎn)的說明D、U形管換熱器零部件的強(qiáng)度計(jì)算及校核（a）封頭、殼體厚度計(jì)算（b）管板強(qiáng)度計(jì)算與校核（c）開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算（d）法蘭強(qiáng)度計(jì)算與校核（e）鞍座強(qiáng)度校核1.2 換熱器結(jié)構(gòu)形式的選擇 本設(shè)計(jì)采用管殼式換熱器 在換熱器設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的是管殼式換熱器。它具有選材范圍廣，換熱表面清洗比較方便，適用性較強(qiáng)，處理能力大，能承受高溫和底壓等特點(diǎn)。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須考慮諸多因素，如：材料、壓力、溫度、壁溫

24、差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等。管殼式換熱器是一種傳統(tǒng)的、應(yīng)用最廣泛的換熱器設(shè)備。由于它結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，且能選用多種材料制造，故適用性極強(qiáng)，尤其在高溫、高壓和大型裝置中得到普遍應(yīng)用。GB151、JB1154、JB1164等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，比較詳細(xì)的規(guī)定了管殼式換熱器的標(biāo)準(zhǔn)形式、基本參數(shù)、以便各行業(yè)在應(yīng)用設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)形式和主要特點(diǎn)：管殼式換熱器主要有三大組合部分組成：前端管箱、中間殼體、后端管箱。管殼式換熱器包括固定管板式、U形管式、浮頭式、填料函式換熱器和釜使重沸器等。 U形管換熱器的特點(diǎn)：只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與換熱管有

25、溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于受彎管半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易發(fā)生短路，對(duì)傳熱不利。當(dāng)管子泄露損壞時(shí)，只有管束外圍的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根U形管相當(dāng)于兩根管，報(bào)廢率較高。U形管式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，承受壓力能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適于采用浮頭式和固定管板式的場(chǎng)合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不宜結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 1.2.1 封頭壓力容器封頭的種類較多，采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來決定。對(duì)受均勻內(nèi)壓封頭的強(qiáng)度計(jì)算

26、，由于封頭和圓筒的連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力，還要考慮與圓筒連接處的不連續(xù)應(yīng)力。連接處總應(yīng)力的大小與封頭的幾何形狀和尺寸，封頭與圓筒厚度的比值大小有關(guān)。封頭設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)優(yōu)先選用封頭標(biāo)準(zhǔn)中推薦的形式與參數(shù)，然后根據(jù)受壓情況進(jìn)行強(qiáng)度或穩(wěn)定性計(jì)算，確定合適的厚度。在本設(shè)計(jì)中，選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。 1.2.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)就是指采取適當(dāng)增加殼體或接管厚度的方法將應(yīng)力集中系數(shù)減小到某一允許數(shù)值。目前通用的、也是最早的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的等面積補(bǔ)強(qiáng)法。等面積補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法主要用于補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，基本原則就是使有效補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積等于或大于開孔所

27、削弱的金屬面積。 1.2.3 法蘭法蘭材料的選取通常與換熱器殼體材料一致，有時(shí)法蘭對(duì)強(qiáng)度的要求比較高，可以選用與殼體不一致的鋼材。通常所用的鋼材有Q235、Q235F、16Mn、15MnV、20、1Cr18Ni9Ti等。因法蘭是主要的受力元件之一，故需有較高的強(qiáng)度。故法蘭材料選用低合金高強(qiáng)度鋼16Mn。16Mn鋼是345Mpa級(jí)的低合金結(jié)構(gòu)鋼。它具有良好的綜合機(jī)械性能、焊接性能、工藝性能及低溫沖擊性韌性，中溫（）和低溫（以上）機(jī)械性能均優(yōu)于Q234-A、12、20等碳鋼，是一種十分成熟的鋼種，質(zhì)量穩(wěn)定。它有如下特點(diǎn)：（1）高的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。（2）高韌度。（3）良好的焊接性能和冷、熱加工性能。（

28、4）有一定的抗腐蝕能力。鍛造工藝性能及其他性能：始鍛溫度，終鍛溫度，鍛后正火再冷卻，無回火脆性。焊接要求：焊接性尚屬良好，鍛件焊前應(yīng)預(yù)熱，焊后，電弧焊需回火，電渣焊焊后需正火，回火消除熱應(yīng)力。焊條：手工焊焊條結(jié)502, 506, 507。自動(dòng)焊焊絲用H10Mn2, H10MnSiA, 焊劑431；電渣焊焊絲用H08MnMoA,焊劑431， 360使用溫度： 。用途舉例：大、中、小型鍛件，如管板、法蘭，化工工業(yè)小型合成氨廠高壓設(shè)備可焊接鍛件，筒體、頂部、底部。A、對(duì)法蘭連接的基本要求法蘭連接從結(jié)構(gòu)功能和一般設(shè)計(jì)準(zhǔn)則出發(fā)，應(yīng)滿足下列基本要求；工作條件下法蘭泄漏量，被控制在允許范圍之內(nèi)；在各種情況中

29、（裝配、開車和操作），能經(jīng)受一定的外載和內(nèi)力，具有足夠的強(qiáng)度，便于多次拆裝而又不致影響其密封性能；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，適合大批量生產(chǎn)；對(duì)于管法蘭，由于被連接的對(duì)象是標(biāo)準(zhǔn)件（管子、管件和閥門），因此還應(yīng)該特別突出互換性的要求。B、法蘭的型式換熱器常采用的法蘭結(jié)構(gòu)型式為：平焊法蘭及對(duì)焊法蘭。法蘭的密封面型式：平面、凹凸面、榫槽面。1.3 設(shè)備材料的選擇壓力材料費(fèi)用占總成本的比例很大，一般超過30%的材料性能對(duì)壓力容器運(yùn)行的安全性有顯著的影響。選才不當(dāng)，不僅會(huì)增加總成本，而且有可能導(dǎo)致壓力容器破壞事故。因此，合理選材是壓力容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。壓力容器材料多種多樣，有鋼、有色金屬、非金屬、復(fù)合材料等。

30、選擇材料應(yīng)考慮使用條件，焊接性能，制造工藝以及經(jīng)濟(jì)合理性符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。化工設(shè)備材料選用的一般規(guī)則：（1）材料的使用性能原則 不同的物件所要求的使用性能是不同的。有的要求高強(qiáng)度，有的要求耐腐蝕高溫或耐低溫。有的要求高硬度耐磨損。因此，選材時(shí)，首先必須準(zhǔn)確的判斷構(gòu)件所需的使用性能。分析構(gòu)件的工作條件。構(gòu)件的受力情況。構(gòu)件的工作環(huán)境。構(gòu)件的特殊要求（如傳熱快、防震、重量輕）等。通過失效分析，確定構(gòu)件的主要使用性能。從構(gòu)件性能要求提出對(duì)材料使用性能的要求。（2）材質(zhì)加工工藝性能原則 選材時(shí)必須考慮加工性能的好壞，好的加工工藝性能不僅要求工藝簡(jiǎn)單，而且容易加工，能源消耗少，材料利用率高，加工質(zhì)量好。（

31、3）材料經(jīng)濟(jì)性能原則 在滿足構(gòu)件使用性能，加工性能要求的前提下，經(jīng)濟(jì)性能業(yè)師必須考慮的主要因素。一般的機(jī)械產(chǎn)品注重“成批”，化工設(shè)備強(qiáng)調(diào)“成套”。考慮到工藝流程的需要，化工設(shè)備設(shè)計(jì)開始前往往統(tǒng)一規(guī)定，在壓力等級(jí)，溫度，材質(zhì)，防腐等方面提出統(tǒng)一的規(guī)定。1.4 設(shè)備之間的連接（1）管子與管板之間的連接管子與管板的固定是管殼式換熱器設(shè)計(jì)、制造中最主要的問題之一，是換熱器事故率最多的部位，所以換熱管與管板連接質(zhì)量的好壞，直接影響換熱器的使用壽命。換熱管與管板的主要連接形式有：強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接、脹焊并用結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)管子與管板采用的是強(qiáng)度焊接，因?yàn)楣芸撞豁氶_槽，換熱管端部無需退火，所以制造加工方便。焊接

32、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉托力強(qiáng)。強(qiáng)度焊適用的壓力和溫度一般不限制，但不適用于有震動(dòng)或間隙、應(yīng)力腐蝕的場(chǎng)合。（2）管板與殼體的連接管板與殼體的連接型式，分為兩類：一是不可拆式的，如固定管板式換熱器，管板與殼體用焊接連接；一是可拆式的，如U形管式、浮頭式及填料函式和滑動(dòng)管板式的換熱器，一般采用管板本身不直接與殼體連接，而通過殼體上的法蘭和管箱法蘭夾持固定?？紤]本設(shè)計(jì)的換熱器的管束要拆卸進(jìn)行清洗，使用可拆式管板，選用a型連接方式。此連接在制造上較為簡(jiǎn)單，裝卸也比較方便，結(jié)構(gòu)省才、質(zhì)量輕，特別適用于臥式換熱器。此形式是管箱法蘭、殼體法蘭將管板夾持固定。1.5 設(shè)備的制造管殼式換熱器是一種傳統(tǒng)的設(shè)備，它在工業(yè)上

33、的應(yīng)用具有悠久的歷史。在長(zhǎng)期的使用中其結(jié)構(gòu)形式得到不斷的改進(jìn)而基本定型。（1）筒體換熱器筒體的橢圓度要求較高，因需保證殼體與折流板之間有合適的間隙。如太大就會(huì)影響到換熱效果，太小就要增加裝配的困難。因此，殼體在下料和輥壓過程中必須大小謹(jǐn)慎，下料正確。（2）封頭和管箱封頭和管箱的厚度一般不小于殼體的最小厚度，且接管管孔往往采用整體加強(qiáng)而不用加強(qiáng)板。管程如為腐蝕性介質(zhì)，則管箱及封頭可采用復(fù)合板或耐腐蝕合金板襯里，在法蘭內(nèi)壁及端面可采用對(duì)焊。 在換熱器制造過程中，管子的加工、管板的加工、管板的制造、管子與管板的連接為換熱器的特有部分，是換熱器制造過程中最重要的一環(huán)。（3）管子直管一律采用整根管子而不

34、允許有接縫，U形管可以拼接，其對(duì)焊焊接接頭應(yīng)符合要求且檢查合格。1.6 設(shè)備的安裝換熱器的安裝基礎(chǔ)必須足以使換熱器不發(fā)生下沉，或使管道把過大變形傳到換熱器的接管上?；A(chǔ)一般分為兩種：一種為磚砌的鞍形基礎(chǔ)，換熱器上沒有鞍式支座而直接放在鞍形基礎(chǔ)上，換熱器與基礎(chǔ)不加固定，可以隨著熱膨脹的需要自由移動(dòng)。另一種為混凝土基礎(chǔ)，換熱器通過鞍式支座由地腳螺栓將其與基礎(chǔ)牢固地連接起來。安裝換熱器之前應(yīng)嚴(yán)格地進(jìn)行基礎(chǔ)質(zhì)量的檢查和驗(yàn)收工作。主要項(xiàng)目如下：基礎(chǔ)表面狀況；基礎(chǔ)標(biāo)高、平面位置、形狀和主要尺寸以及預(yù)留孔是否符合設(shè)計(jì)要求；地腳螺栓的位置是否正確；螺紋情況是否良好；螺帽和墊圈是否齊全；放置墊鐵的基礎(chǔ)表面是否平

35、整等。基礎(chǔ)驗(yàn)收完畢后，在安裝換熱器之前應(yīng)在基礎(chǔ)上放置墊鐵，放置墊鐵處的基礎(chǔ)表面必須鏟平，使兩者能很好的接觸。墊鐵厚度可以調(diào)整，使換熱器達(dá)到設(shè)計(jì)的水平和標(biāo)高。墊鐵放置后可增加換熱器在基礎(chǔ)上的穩(wěn)定性，并將其重量通過墊鐵均勻地傳遞到基礎(chǔ)上。墊鐵可分為平墊鐵、斜墊鐵和開口墊鐵。其中斜墊鐵必須成對(duì)使用。地腳螺栓兩側(cè)均應(yīng)有墊鐵，墊鐵的安裝不應(yīng)妨礙換熱器的熱膨脹。換熱器就位后需用水平儀對(duì)換熱器找平，這樣可使各接管都能在不受理的情況下連接管道。找平后，斜墊鐵可與支座焊牢，但不得與下面的平焊板和滑板焊死。當(dāng)兩以上重疊式換熱器安裝時(shí)，應(yīng)在下部換熱器找正完畢，并用地腳螺栓充分固定后，再安裝上部換熱器?？沙楣苁鴵Q熱器

36、安裝前應(yīng)抽芯檢查、清掃，抽束應(yīng)注意保護(hù)密封盒折流板。移動(dòng)和起吊管束時(shí)應(yīng)將管束放置在專用的支承結(jié)構(gòu)上，以免損傷換熱器。根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)在換熱器的兩端留有足夠的空間來滿足操作、清洗、維修的需要。浮頭式換熱器的固定端蓋應(yīng)留出足夠的空間以便能從殼體內(nèi)抽出管束，外頭端蓋必須留出一米以上的位置以便拆裝外頭蓋和浮頭蓋。固定管板式換熱器的兩端應(yīng)留出足夠的空間能抽出和更換管子。并且，用機(jī)械法清洗管內(nèi)時(shí)，兩端都可以對(duì)管子進(jìn)行刷洗操作。U形管束，也可在其相對(duì)的一端留出足夠的空間以便拆卸殼體。1.7 設(shè)備的檢測(cè)換熱器不得在超過銘牌規(guī)定的條件下進(jìn)行。應(yīng)經(jīng)常對(duì)管、殼程的介質(zhì)溫度及壓降進(jìn)行監(jiān)督，分析換熱器的泄漏和結(jié)

37、垢情況。管殼式換熱器就是利用管子使其內(nèi)外的物料進(jìn)行熱交換、冷卻、冷凝、加熱及蒸發(fā)等過程。與其他設(shè)備相比較，其與腐蝕介質(zhì)的接觸面積就顯非常大，發(fā)生腐蝕穿孔及接合處松弛泄漏的危險(xiǎn)性很高。因此，對(duì)換熱器的放腐蝕和防漏的方法也比其他設(shè)備要多加考慮。水壓試驗(yàn):管殼式換熱器由于其殼程和管程壓力不同，因而試驗(yàn)時(shí)具有不同于一般容器的特殊性。試壓時(shí)，應(yīng)在管子外側(cè)加壓力，這樣在管板面處很容易發(fā)現(xiàn)管子泄漏處。如管子內(nèi)部加壓力，管板面封在換熱器內(nèi)部。因而如有泄漏，雖然也能發(fā)現(xiàn)，但卻很難找到泄漏的具體位置。當(dāng)管子在外側(cè)加壓力時(shí)，需注意不能大于殼體能承受的壓力，即水壓時(shí)扣除附加量后，殼體材料在試驗(yàn)溫度下的平均一次應(yīng)力小于

38、90%的材料屈服極限。在殼程壓力低于管程壓力時(shí)的殼體設(shè)計(jì)須考慮次因素，但由于僅處于水壓試驗(yàn)的需要，故不可扣除腐裕度，也有采用先在殼程以相應(yīng)壓力的試驗(yàn)壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)。1.8 設(shè)備的密封流體在密封孔有泄漏有兩條途徑，一是“滲透泄漏”，即通過墊片本體毛細(xì)管的滲透泄漏，除了受介質(zhì)壓力、溫度、粘度、分子結(jié)構(gòu)等流體狀態(tài)性質(zhì)影響外，主要與墊片的結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)有關(guān)，可通過對(duì)滲透性墊片材料添加某些填充劑進(jìn)行改良，或與不滲透性材料組合成型來避免；二是“界面泄漏”，即沿著墊片與壓緊面之間的泄漏，泄漏量大小主要與界面間隙尺寸有關(guān)。根據(jù)獲得密封比壓力方法的不同，壓力容器密封可分為強(qiáng)制式密封和自緊式密封兩種。按被密封介

39、質(zhì)的壓力大小，壓力容器密封又可分為中低壓密封和高壓密封。硬影響密封性能的主要參數(shù)：螺栓預(yù)緊力、墊片性能、壓緊面質(zhì)量、法蘭剛度、操作條件。高壓密封特點(diǎn)：一般采用金屬密封元件、采用窄面或線接觸密封、盡可能采用自緊或半自緊密封。2 U形管換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 筒體常見的筒體材料有20R、16MnR、Q235B、Q345R。Q345R是屈服強(qiáng)度340Mpa級(jí)的壓力容器專用鋼板，它具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，磷、硫含量比較低，除抗拉強(qiáng)度延伸率要求要比普通16Mn鋼有所提高外，還要求保證沖擊韌性。根據(jù)GB150-2011和GB151-1999的規(guī)定，圓筒直徑大于400mm，所以圓筒不用鋼管制造，選

40、用鋼板彎卷成型。Q345R具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，且具有成熟的使用經(jīng)驗(yàn)。主要性能如下：切削加工冷沖壓性能良好，加工溫度較寬。熱沖壓加熱溫度，終壓溫度，熱沖壓后一般不需熱處理。焊接性能良好，焊前一般不預(yù)熱，只有當(dāng)擋板厚度大于38mm時(shí)須預(yù)熱。焊接后當(dāng)擋板厚度大于32mm時(shí)電弧焊焊后回火，電渣焊焊后正火再以回火以消除殘余應(yīng)力。綜上所述，筒體材料選Q345R.2.2 開孔與接管由于工藝要求和檢修的需要，常在壓力容器的筒體或封頭上開設(shè)各種大小的孔或安裝接管，如人孔、物料進(jìn)出口接管等。筒體或封頭開孔后,開孔部位的強(qiáng)度被削弱,并使該處的應(yīng)力增大。這種削弱程度隨開孔直徑的增大而加大，因而容器上應(yīng)盡

41、量減少開孔的數(shù)量，尤其要避免開大孔。對(duì)容器上已開設(shè)的孔，還應(yīng)進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，以確保所需的強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)中的接管，均選用無縫鋼管。2.3 換熱管換熱管屬于壓力管道，壓力管道對(duì)材料性能有以下要求：1）足夠的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性；2）良好的冷加工成型性能；3）與條件環(huán)境相協(xié)調(diào)，有適當(dāng)?shù)哪蜔嵝浴⒛透g性、耐磨性等。換熱器常用的材料：10鋼、20鋼。在本設(shè)計(jì)中，選用20鋼。20鋼為含碳量較低的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、良好的塑性和焊接性能。它的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較低，強(qiáng)度也較低，但塑性和韌性很好，再冷狀態(tài)下，有良好的塑性，容易模壓成型。它的切削性能優(yōu)異，無回火脆性傾向，焊接性能很好，可用來彎曲、

42、鍛粗、熱沖、冷沖或拉絲等方法制造各種零件。為提高表面強(qiáng)度可進(jìn)行滲碳和氰化處理。用這種鋼軋制的無縫鋼管可用于壓力容器和鍋爐中。2.4 U形管常用換熱器一般用下列標(biāo)準(zhǔn)選用：(1)GB/T1527銅及銅合金拉制管，(2)GB/T3625換熱器及冷凝器用鐵及鐵合金管，(3)GB/T6893工業(yè)用鋁及鋁合金拉（軋）制管l）(4)GB/T8163(輸送流體用無縫鋼管）；(5)GB/T8890熱交換器用銅合金管；(6)GB9948石m裂化用無縫鋼管；(7)GB13296(鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管；(8)GB/T14976流體輸送用不銹鋼無縫鋼管在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)選用奧氏體不銹鋼焊接鋼管可用作換熱

43、管，適用于：（1）不得用于極度危害介質(zhì)的工況。（2）設(shè) 計(jì) 壓力不大于6.4Mpa。（3）使 用 溫度與相應(yīng)鋼號(hào)的無縫管相同。當(dāng)有成熟使用經(jīng)驗(yàn)時(shí)，也可選用其他牌號(hào)或其他材料的換熱管。2.5 折流板折流板及旁路擋板材料選用Q235B。折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要根據(jù)工藝設(shè)計(jì)及要求來確定，它主要為了增加管間流速，增加湍動(dòng)程度，并使殼程流體垂直沖刷管束改善傳熱增大殼程流體的傳熱系數(shù)以提高傳熱效果，同時(shí)減少結(jié)垢。在臥式換熱器中，還可以起到支撐管束的作用。常用的折流板形式有弓形和圓盤環(huán)形兩種。其中弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形的折流板，現(xiàn)在根據(jù)需要初步選定單弓形，豎直缺口。2.6 拉桿拉桿要求有足夠的強(qiáng)度和

44、良好的焊接性，選擇Q235B可滿足要求。定距管則選用20鋼。拉桿常用形式有兩種：一種為拉桿和折流板焊接形式，一般用于換熱管的外徑小于或等于14mm的管束；另一種拉桿定距管的形式，用于換熱管的外徑大于或等于18mm的管束。本設(shè)計(jì)換熱管的外徑為19mm，所以采用拉桿定距管的結(jié)構(gòu)形式。拉桿的一端用螺紋擰入管板，中間用定距管將折流板固定，最后一塊折流板（或支持板）用兩螺母鎖緊固定。2.7 鞍座鞍座是換熱器受載元件之一，要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性能。故取低合金強(qiáng)度鋼16MnR或碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-B都能滿足要求。2.8 接管接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB 150-2011第8章和附錄J的有關(guān)規(guī)定。接管（或

45、接口）的一般要求（a） 接管宜與殼體內(nèi)表面平齊；（b） 接管應(yīng)盡量沿?fù)Q熱器的徑向或軸向設(shè)置；（c） 設(shè)計(jì)溫度高于或等于300時(shí)，應(yīng)采用對(duì)焊法蘭；（d) 必要時(shí)應(yīng)設(shè)置溫度計(jì)接口，壓力表接口及液面計(jì)接口；（e） 對(duì)于不能利用接管（或接口）進(jìn)行放氣和排液的換熱器，應(yīng)在管程和殼程 的最高點(diǎn)設(shè)置放氣口，最低點(diǎn)設(shè)置排液口，其最小公稱直徑為20mm ;（f) 立式換熱器可設(shè)置溢流口。 3 U形管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)參數(shù)： 管程 殼程設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)壓力 介 質(zhì)密封水循環(huán)冷卻水程 數(shù)8 1內(nèi) 徑 3.1 筒體、封頭的厚度計(jì)算及壓力試驗(yàn)校核 3.1.1 筒體厚度計(jì)算根據(jù)操作介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度選取筒體材料為Q345R。設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、內(nèi)徑、鋼板負(fù)偏差、腐蝕裕量、設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 、焊接系數(shù)計(jì)算厚度： = =設(shè)計(jì)厚度： = =名義厚度： = = 有效厚度： =12-3-0.3 3.1.2 前端管箱筒體計(jì)算 設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、內(nèi)徑、鋼板負(fù)偏差、腐蝕裕量、焊接系數(shù)，設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。 計(jì)算厚度： = = 設(shè)計(jì)厚度： = = 名義厚度： = = 有效厚度： = = 3.1.3 前端管箱封頭計(jì)算 設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、材料Q345R、內(nèi)徑、鋼板