毕业设计（论文）-浮头式换热器部件设计及计算（全套图纸）

摘摘 要要 本设计说明书是关于浮头式换热器的设计，主要是进行了换热器的工艺计算、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。近二三十年来，化工、石油、轻工等过程工业得到了 迅猛发展。因此，要求提供尺寸小，重量轻、换热能力大的换热设备。在设计过程中， 我尽量采用较新的国家标准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提 高经济效益为主，力争使产品符合生产实际需要，适合市场激烈的竞争。同时为了使 本次设计能够进行顺利，我在设计前参阅了许多有关书籍和英文文献，并做了一定量 的外文翻译工作。 设计的前半部分主要是对换热器的原理、结构进行的详细的描述，从而进行换热 器的选型，结构设计分析。设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是根据 已经选定的换热器型式进行设备内各零部件的设计，如管板、折流板、定距管、钩圈、 管箱等。包括：设计计算、材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的 计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。 关键词：浮头式换热器关键词：浮头式换热器 设计设计 校核校核 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 ABSTRACT This design manual is about the floating head heat exchanger design, mainly for the heat exchanger process calculation, heat exchanger design of the structure and strength. Heat exchanger is the chemical, oil refining, power, food, light industry, atomic energy, pharmaceutical, machinery, and other widely used in many industrial sectors as a general- purpose device. The past 23 years, chemical, petroleum, light industry and other process industries have been developing rapidly. Therefore, the required small size, light weight, large capacity heat exchanger heat transfer equipment. In the design process, I try to use a relatively new national standard, so not only meet the design requirements, but also to structural optimization, cost reduction, mainly to improve economic efficiency, and strive to make the products meet the actual needs of production for the market competition. Meanwhile, in order to make this design smoothly carried out, I read a lot before in the design of the books and English literature, and to do a certain amount of foreign language translation work The first part of the design is mainly the principle of heat exchanger, a detailed description of the structure, which for heat exchanger selection, structure design. The latter part is about the design of the structure and strength of the special heat exchanger, which is mainly to design the parts, such as tube- sheet, baffle plate, distance control, floating cover, tube boxes and so on , based on the heat exchanger types selected. The paper include: design and calculation, material selection, determining the specific dimensions , determining the exact location, pipe thickness calculation, the floating head cover and floating head flange thickness calculation, the opening reinforcement calculation. Key words: Floating Head Heat Exchanger Design Check I 目目 录录 绪论绪论 1 第一章第一章 换热器的组成换热器的组成 2 1.1 何为换热器 . 2 1.2 换热器的应用 . 2 1.3 换热器分类 . 2 1.3.1 按材料分类 3 1.3.2 按传热种类分类 3 1.3.3 按结构分类 . 3 1.3.4 按强化传热元件分类 . 3 1.3.5 按传热原理分类 . 3 1.4 换热器的结构和使用 . 3 1.4.1 浮头式换热器 . 4 1.4.2 固定管板式换热器 . 5 1.4.3U 形管换热器 6 1.4.4 填料函式换热器 . 7 1.4.5 釜式重沸器 . 7 1.5 设计的思想 . 8 1.5.1 首先设计必须满足生产需要 . 8 1.5.2 设计必须安全可靠 . 8 1.5.3 设计必须经济合理 . 9 1.6 设计的特点 . 9 第二章第二章 主要设计参数的确定主要设计参数的确定 10 2.1 设计压力 . 10 2.2 设计温度 . 10 2.3 焊接接头系数 . 10 2.4 厚度附加量 C . 11 第三章第三章 主要构件材质的选择主要构件材质的选择 12 3.1 材料选用的一般原则 12 3.1.1 材料的使用性能原则 12 3.1.2 材料的加工工艺性能原则 12 3.1.3 材料的经济性原则 13 3.2 壳体、管箱、封头 . 13 3.3 法兰 . 13 3.4 换热管 . 13 3.5 管板 . 14 3.6 接管 . 14 3.7 支持板 . 14 3.8 拉杆、定距管 . 14 3.9 鞍座 . 14 第四章第四章 换热器各部分零件结构型式的选择换热器各部分零件结构型式的选择 15 4.1 换热器结构型式的选择 . 15 4.2 前端管箱、壳体和后端管箱结构型式的确定 . 15 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 II 4.2.1 前端管箱 . 15 4.2.2 壳体 . 16 4.2.3 后端管箱 . 16 4.3 管束分程和分程隔板的布置 . 16 4.3.1 管束分程 . 16 4.3.2 分程隔板的布置 . 16 4.4 换热管 . 17 4.4.1 换热管的长度 . 17 4.4.2 规格及尺寸偏差 . 17 4.5 布管 . 17 4.5.1 换热管中心距 . 18 4.5.2 最大排管圆的确定 . 18 4.5.3 在管板上排管并确定换热管数量 . 18 4.6 管子与管板的连接 . 19 4.7 管板与壳体的连接 . 20 4.8 折流板选择 . 21 4.9 拉杆、定距管、防冲板、挡板的选择 . 21 4.9.1 拉杆的选择 . 21 4.9.2 定距管的选择 . 22 4.9.3 防冲板的选择 . 22 4.9.4 挡板的选择 . 22 4.10 法兰的选择 . 22 4.10.1 接管法兰的选择 . 22 4.10.2 管箱法兰的选择 . 23 4.10.3 外头盖法兰的选择 . 24 4.10.4 外头盖侧法兰的选择 . 24 4.10.5 浮头法兰的选择 . 25 4.11 排液口和排气口的选择 . 25 4.12 支座的选择 . 26 第五章第五章 设计计算设计计算 29 5.1 换热面积的校核 . 29 5.2 强度计算 . 29 5.2.1 管箱设计 . 29 5.2.2 壳体设计 . 30 5.2.3 外头盖设计 . 30 5.2.4 浮头盖设计 . 31 5.2.5 管板计算 . 32 5.2.6 钩圈设计 . 35 5.2.7 法兰强度校核（管箱法兰） . 36 5.2.8 接管开孔补强选择与校核 . 40 5.2.9 支座强度校核 . 42 第六章第六章 制造、检验和验收制造、检验和验收 47 6.1 总则 . 47 6.2 浮头式换热器的制造 . 47 III 6.2.1 封头和管箱 . 47 6.2.2 折流板 . 47 6.2.3 管束的组装 . 48 6.2.4 换热器的组装 . 48 6.3 浮头式换热器的检验与验收 . 48 结结 论论 50 参考文献参考文献 51 致致 谢谢 52 1 绪论绪论 换热器（热交换器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热 方式的不同可分为混合式（混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热 量交换的换热器，又称接触式换热器） 、蓄热式（蓄热式换热器是利用冷、热流体交替 流经蓄热室中的蓄热体（填料）表面，从而进行热量交换的换热器）和间壁式（随间 壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此 又称表面式换热器，这类换热器应用最广）三类。 在我国换热器的制造技术远落后于外国，由于制造工艺和科学水平的限制，早期 的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。 随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热 面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 在我国随着经济快速发展的同时，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结 构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经 建立了标准，形成了系列。善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求： 合理地实现所规定的工艺条件； 结构安全可靠； 便于制造、安装、操作和维修； 经济上合理。 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 2 第一章第一章 换热器的组成换热器的组成 1.1 何为换热器何为换热器 换热器是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。 换热器的分类比较广泛：反应釜 压力容器 冷凝器 反应锅 螺旋板式换热器 波 纹管换热器 列管换热器 板式换热器 螺旋板换热器 管壳式换热器 容积式换热 器 浮头式换热器 管式换热器 热管换热器 汽水换热器 换热机组 石墨换热器 空气换热器 钛换热器 换热设备，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可 以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是 用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等 稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐 蚀。 1.2 换热器的应用换热器的应用 换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见， 是不可缺少的工艺设备之一。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,各国都在下大力量寻找新的能源及在节约 能源上研究新途径。据统计，在现代石油化工生产中，换热器的投资约占总投资的 3O40，正因如此设计投资省，能耗低，传热系数高，维修方便的换热器是大势 所趋，在研究投人大、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 传热元件诞生，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 形 翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了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。 其中管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热设备，已作为一种标准换热设 备。这种换热器的特点是易于制造，生产成本较低，选用的材料范围广，换热表面的 清洗比较方便，适应性强，处理能力大，高温和高压下亦能应用。与各种换热器相比， 主要优点是单位体积所具有的传热面积较大以及传热效果较好；此外，结构简单，操 作弹性也较大等，因此在高温、高压和大型装置上多采用管壳式换热器。 1.3 换热器分类换热器分类 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、 3 不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和型式亦不同，以下列举其中的几种 分类 1.3.1 按材料分类 主要为金属和非金属两大类。金属又可分为低合金钢、高合金钢、低温钢、稀有 金属等。 1.3.2 按传热种类分类 (1)无相变传热 一般分为加热器和冷却器。 (2)有相变传热 一般分为冷凝器和重沸器。重沸器又分为釜式重沸器、虹吸式重 沸器、再沸器、蒸发器、蒸汽发生器、废热锅炉。 1.3.3 按结构分类 分为浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函换热器、U 形管式换热器、蛇管 式换热器、双壳程换热器、单套管换热器、多套管换热器、外导流筒换热器、折流杆 式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器。 1.3.4 按强化传热元件分类 分为螺纹管换热器、波纹管换热器、异型管换热器、表面多孔管换热器、螺旋扁 管换热器、螺旋槽管换热器、环槽管换热器、纵槽管换热器、翅管换热螺旋绕管式换 热器、T 形翅片管换热器、新结构器、内插物换热器、锯齿管换热器。 1.3.5 按传热原理分类 1）直接接触式换热器 这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热 量，实现传热，接触面积直接影响到传热量。这类换热器的介质通常是一种是气体， 另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分 与塔器的关系，通常归为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。 2）蓄能式换热器（简称蓄能器）这类换热器用量极少，原理是通过一种固体物质，热 介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到 传递热量的目的。 3）板、管式换热器 这类换热器用量非常大，占总量的 99%以上，原理是热介质 通过金属或非金属将热量传递给冷介质的传热设备，这类换热器是我们通常称为管壳 式、板式、板翅式或板壳式换热器。 换热器的种类繁多，每种换热器各自适用于某一种工况。为此，应根据介质、温 度、压力的不同选择不同种类的换热器，扬长避短，使之带来更大的经济效益。 1.4 换热器的结构和使用换热器的结构和使用 换热器作为节能设备之一，在国民经济中起到非常重要的作用。换热器的结构决 定了换热器的性能，一种性能能否发挥作用取决于设计者如何选择合理结构，任何一 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 4 个场合都有适应于这个场合特点的换热结构。 在换热设备中应用最为广泛的是管壳式换热器。它具有选材范围广，换热表面清 洗比较方便，适用性较强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。管壳式换热器的 结构设计，必须考虑诸多因素，如：材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性 质以及检修与清理等。 管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其它 新型的换热设备，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点， 所以在各工程中仍得到普遍使用。 管壳式换热器在炼油、石油化工、医药、化工以及其它工业中使用广泛，它适用 于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。 管壳式换热器的结构设计，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、 结垢情况、流体性质以及检修与清理等，通过各种因素的综合考虑及比较来选择某一 种适合的结构形式。 对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程 设计中，按工艺特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要。 管壳式换热器把换热管与管板连接，再用壳体固定。它的形式大致分为固定管板 式换热器、浮头式换热器、U 形管壳式换热器、外填料函式换热器、填料函滑动管板 式换热器、釜式重沸器等几种。根据介质的种类、压力、温度、污垢和其它条件，管 板与壳体的连接方式，换热管的形式与传热条件，造价，维修检查方便等情况，根据 各种结构形式的特点来选择设计制造各种管壳式换热器。为了要使传热效率提高、能 耗下降，就必须了解管壳式换热器的结构特点。下面着重介绍典型的管壳式换热器的 结构及使用特点。 1.4.1 浮头式换热器 浮头式换热器（见图 1.1）是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组 成。它的最大的特点是管板一端的管束可以自由浮动，在使用过程中由温差膨胀而不 受壳体约束，不会产生温差应力，即其不受温差应力的困扰，但其结构复杂，内浮头 密封困难，锻件多，造价高。维修时可只更换管束，适用于管、壳程温差大但工作压 力不超过 10MPa 的工况。它在相同的壳体直径下，布管数越多，换热面积越大。 其优点是： 管束可以抽出，以方便清洗管、壳程； 介质间温差不受限制； 可在高温、高压下工作，一般温度 450 oC ，压力 6.4 MPa； 可用于结垢比较严重的场合； 可用于管程易腐蚀场合。 5 缺点： 小浮头易发生内漏； 金属材料耗量大，成本高 20%； 结构复杂。 防冲板 挡板 浮头管板 钩圈 支耳 图 1.1 浮头式换热器 1.4.2 固定管板式换热器固定管板式换热器 固定管板式换热器（见图 1.2）是由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成。其 结构较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大，制造较简单，但最后一道壳体 与管板的焊缝无法用无损检测。其两端管板，采用焊接方式与壳体连接固定，管程可 分成多程，壳程也可分成双程，规格范围广，故在工程中广泛应用。它适用于管、壳 程温差不大或管、壳程温差大，但压力不高，壳程介质干净或虽结垢但通过化学清洗 能清除的场合。在热膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温 差而产生的热应力。 其优点是： 传热面积比浮头式换热器大 20%-30%； 旁路漏流较小； 锻件使用较少，成本低 20以上； 没有内漏。 缺点： 壳体和管子壁温差一般易小于等于 50，大于 50 时应在壳体上设置膨胀节； 管板与管头之间易产生温差应力而损坏； 壳程无法机械清洗； 管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 6 对较低； 不适用于壳程易结垢场合。 防冲板 拉杆 弓形折流板 分流割板 旁路挡板 带法兰管板 换热管 壳体 图 1.2 固定管板式换热器 1.4.3U 形管换热器形管换热器 U 形管换热器（见图 1.3）是由管箱、壳体、管束等零部件组成。它是将换热管弯 成 U 形，并将换热管两端固定在同一块管板上，因此密封面较少。由于壳体与换热管 分开，管束可自由伸缩，可以不考虑热膨胀。因 U 形管式换热器仅有一块管板，且无 浮头，所以结构简单，造价比其它换热器低。管束可以从壳体内抽出，换热管外壁便 于清洗。但换热管内清洗困难，所以换热管内的介质必须是清洁且不易结垢的物料。 由于换热管的结构形式关系，换热管的更换除外侧一层外，内部换热管大部分不可能 更换。管束中心部分存在空隙，所以流体易短路，影响传热效率。而且管板上排列的 换热管较少，结构不紧凑。U 形管的弯管部分曲率不同，换热管长度不一致，因而物 料分布不如固定管板式换热器均匀。换热管因渗漏而堵死后，将造成传热面积的损失。 U 形管式换热器一般用于高温高压的情况下。壳程里需要清洗的管束，则要求采 用正方形排列，管程为偶数程。 壳程内一般可按工艺要求设置折流板和纵向隔板等。折流板用于提高换热器的传 热效率。纵向隔板是安装在平行于换热管方向的矩形平板上，以增加壳侧介质流速。 其优点是： 管束可抽出来机械清洗； 壳体与管壁不受温差限制； 可在高温、高压下工作，一般适用于温度，压力（10MPa） ； 可用于壳程结垢比较严重的场合； 7 可用于管程易腐蚀场合。 缺点： 在管子的 U 形处易冲蚀，应控制管内流速； 管程不适用结垢较重的场合； 单管程换热器不适用； 不适用于内导流筒，故死区较大。 中间挡板 U 型换热管 内导流筒 图 1.3 U 形管换热器 1.4.4 填料函式换热器填料函式换热器 填料函式换热器（见图 1.4）的管束可自由伸缩，壳程和管程都可以拆开清洗， 结构简单，适用管、壳程温差大的工况。耐压、耐温及密封能力差，工作压力不超过 40MPa，不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质。 图 1.4 填料函式换热器 1.4.5 釜式重沸器釜式重沸器 釜式重沸器（见图 1.5）的壳体上部作为蒸汽空间，相当于 1 块理论塔盘，热源 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 8 由浮头或形管束提供，适用场合为管壳程温差大，压力不受限制，塔底空间较小， 汽化率 30%80%，重沸器工艺介质的液相作为产品或用于分离，但要求高，安装空间 受限制。用作蒸汽发生器时，对蒸汽品质要求不高。 图 1.5 釜式重沸器（形） 1.5 设计的思想设计的思想 设计是为生产服务，要设计出一台能够满足生产需要的换热器，必须做到设计要 满足生产需要，满足换热器安全可靠运行，满足经济合理等基本要求。 1.5.1 首先设计必须满足生产需要 所设计的产品能够进行稳定可靠得操作，从而满足正常的生产需要，此外，还能 够适应生产负荷以及操作参数在一定范围内的波动，所以产品的可操作性和可控制性 是设计中应该考虑的重要问题。另外，设备与部件应便于运输与装拆，确保检修和更 换零件的便利。 1.5.2 设计必须安全可靠设计必须安全可靠 一般来讲,换热器的失事,不仅仅使容器和设备本身遭到破坏,而往往会破坏周围 的其他设备及建筑,甚至造成人身伤亡事故,而由于内部介质向外扩散带来的化学爆 炸、着火燃烧或恶性中毒等连锁反应更会造成不可估量的灾难性破坏。因此，根据压 力容器可能的失效形式，设计上应满足强度、刚度、稳定性、密封性和耐蚀性等基本 要求。 9 1.5.3 设计必须经济合理设计必须经济合理 在竞争激烈的当代社会中， “经济合理”的消费理念已成为了生产者的共识，一般 情况下，生产者都追求所设计的设备总是以较少的投资获取最大的经济利润，要求其 经济技术指标具有竞争性，因此，在各种方案的分析对比过程中，其经济技术指标评 价往往是最重要的决策因素之一。 要想设计一台既满足要求又经济合理的换热器，不仅仅是必须严格按照有关标准 和制造条件进行简单的常规设计，同时还必须要综合考虑生产条件、安全要求和技术 经济上的合理等因素，这样才能选择一个最佳设计。 1.6 设计的特点设计的特点 结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本较低、选用 的材料范围广、换热表面的清洗比较方便；设备的体积和金属材料的消耗量少；机械 加工和制造安装合理方便；检修容易；设备的使用寿命长；有足够的机械强度；操作 费用低。 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 10 第二章第二章 主要设计参数的确定主要设计参数的确定 2.1 设计设计压力压力 设计压力是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 值不低于正常工作情况下容器顶部可能达到的最高压力。除此之外，还需要考虑液柱 静压、重量、风载荷、地震、温差及附件重量等载荷。 根据设计任务书可知，该设计是浮头式换热器，用于软化水和汽油之间的换热， 其中管程和壳程的设计压力分别为 1.4MPa 和 1.8 MPa。 2.2 设计设计温度温度 设计温度指容器在正常工作情况下，设定元件可能达到的最高或最低温度，它是 指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值） 。当元件 金属温度不低于 0 oC 时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金 属温度低于 0 oC 时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。 根据设计任务书，管程的设计温度为 250 oC ，壳程的设计温度为 180oC 。 2.3 焊接接焊接接头头系系数数 通过焊接制成的容器，其焊缝中由于可能存在夹渣、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用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 焊接接头系数应根据受压元件的焊接接头形式及无损检测长度比例来确定，其 取值可按如下表 2-1 选规定选取： 表 2-1 钢制压力容器的焊接接头系数值 焊接接头形式 无损检测比 例 值 焊接接头形 式 无损检测比 例 值 双面焊对接接 头和相当于双 面焊的全熔透 对接接头 100% 1.00 单面焊对接 接头 100% 0.90 局部 0.85 局部 0.80 本设计换热器的焊接接头形式为相当于双面焊的全熔透对接接头， 局部无损检测， 11 故值为 0.85。 2.4 厚度附加量厚度附加量 C 容器厚度附加量主要考虑介质的腐蚀裕量 C2和钢板的厚度负偏差 C1。 即： C=C1+C2。 （1）腐蚀裕度 腐蚀裕度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。 对于碳素钢和低合金钢，C2不小于 1mm，由设计任务取腐蚀裕量 C2=3mm。 （2）钢板厚度负偏差 由于 GB6654压力容器用钢板和 GB3531低温压力容器用低合金钢钢板规定 压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于 0.25mm，因此使用该标准中钢板厚度超过 5mm 时 （如 20R、 Q345R 和 16MnD 等） ， 可取 C1=0。 由于本设计材料为 Q345R 且厚度大于 5mm。 故钢板厚度负偏差取 C1=0。 综上厚度附加量 C= C1+ C2=0+3=3mm。 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 12 第三章第三章 主要构件材质的选择主要构件材质的选择 压力容器材料费用占总成本的比例很大，一般超过 30%材料性能对压力容器运行 的安全性有显著的影响。选材不当，不仅会增加总成本，而且有可能造成压力容器破 坏的事故。因此，合理选材是压力容器设计的关键之一。 在进行换热器设计时，对换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、 操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后 还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作温度，即从设备的强度或刚度 的角度来考虑，是比较容易达到的，但对于材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复 杂的问题。如在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也 大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关 系。 换热器的主要构件有壳体、管箱、封头、法兰、换热管、管板、接管、支持板、 拉杆、定距管、鞍座等。 3.1 材料选用的一材料选用的一般原则般原则 3.1.1 材料的使用材料的使用性能原则性能原则 材料的使用性能是指材料在化工设备及其构件（零件）工作过程中所应具备的性 能，包括材料的力学性能、化学性能和物理性能是不同的，有的要求高强度，有的要 求耐腐蚀，有的要求耐高温或耐低温，有的要求高硬度耐磨损，有的要求高弹性等。 即使同一构件，不同的零件要求的性能也不同，有时同一个部件的不同部位所要求的 性能也不同。因此在选材时，首先必须准确地判断构件所要求的使用性能，然后再确 定所选材料的主要性能指标以及具体数值并进行选材。有如下具体方法： （1）分析构件的工作条件，确定构件应具有的使用性能。 （2）通过失效分析，确定构件的主要使用性能。 （3）从构件使用性能要求提出对材料使用性能的要求。 3.1.2 材料的加材料的加工工艺性能原则工工艺性能原则 材料的加工工艺性能是指保证构件质量的前提下，对材料加工的难易程度。选材 时也必须考虑材料的加工工艺性能的好坏，好的加工工艺性能不仅要求工艺简单，容 易加工，能源消耗少，材料利用率高、加工质量好、 （变形小、尺寸精度高、表面光洁、 组织均匀致密等） ，而且包括加工后的构件在使用时有好的使用性能。 13 3.1.3 材料的经济性原则材料的经济性原则 在满足构件使用性能、加工工艺性能要求的前提下，经济性也是必须考虑的主要 因素。选材的经济性不只是选用材料的价格，还要考虑构件生产的总成本，把材料费 用同构件加工制造、安装、操作、检验、维修、更换以及装备寿命结合起来综合考虑， 进行总费用的成本核算，提高性能价比。 另外，选材时还应同时考虑材料来源容易和符合国家的资源政策，这也是很重要 的。 3.2 壳体壳体、管、管箱箱、封封头头 壳体、管箱、封头的材料和一般容器相同，材料要有一定的可塑性和可焊性。常 见的材料有碳钢、低合金钢。 碳钢有一定的强度、良好的塑性、韧性和加工工艺性，特别是焊接性能良好，但 强度较低，不如低合金钢。 低合金钢是在优质碳素钢的基础上加入少量的一种或多种合金元素，以提高钢的 屈服强度和改善综合性能。用低合金高强度钢代替普通碳素钢，能减轻设备自重，节 省钢材，且用低合金钢比用不锈钢经济。 其中低合金钢中的 Q345R，具有良好的综合力学性能和工艺性能，磷、硫含量略 低于 16Mn 钢，除抗拉强度和延伸率要求比普通 16Mn 钢有所提高外，还保证有强的冲 击韧性，再加上切削加工冷冲压性能良好，加工温度较宽，使其成为我国目前用途最 广，用量最大的压力容器专用钢板。 故壳体、封头和管箱的材料选 Q345R。 3.3 法兰法兰 法兰材料的选取通常与换热器壳体材料一致。通常所用的钢材有 Q235、Q235F、 16MnD、15MnV、20 等。 因法兰是主要的受力元件之一，故需有较高的强度，故选择低合金钢 16MnD 锻件， 它有如下特点：高的强度和屈强比，高韧度，良好的焊接性能和冷、热加工性能，一 定的抗腐蚀能力。 3.4 换热管换热管 换热管属于压力管道，压力管道对材料性能有以下要求：足够的强度，良好的 塑性和韧性。良好的冷热加工成形性能。与环境条件协调，有适应的耐热性、耐 腐蚀性、耐磨性等。 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 14 一般对于无腐蚀性或腐蚀性不大的流体可采用 10 号钢或 20 号钢无缝钢管；对于 有腐蚀性的流体可采用不锈钢、钢、铝等无缝钢管。 其中，10 号钢的强度和硬度较低，有良好的塑性和韧性，易模压或挤压成形，而 20 号钢的强度较 10 号钢高，其塑性、韧性和焊接等工艺性能都很好，在化工设备和 压力容器中应用很广泛。 由设计任务书可知，管层走软化水，属于无腐蚀性介质，可从 10 号和 20 号钢中 选取，而设计压力是 0.25MPa，考虑到 20 号钢的强度和硬度都比 10 号钢高，故换热 管选取 20 号钢管。 3.5 管板管板 管板锻件的常用材料是 25 号钢、16MnD 等。 由于管板和壳程物料接触，同样要考虑到物料本身介质的腐蚀性，作为低合金钢， 16MnD 锻件可耐一定的腐蚀，而且其具有良好的综合机械性能、焊接性能、工艺性能， 故选用 16MnD 锻件。 3.6 接接管管 20 号钢的焊接性能好，强度高，选用 20 号钢就可满足要求。 3.7 支持支持板板 支持板要求有足够的力学性能和良好的焊接性能，又因壳程介质腐蚀性不大，故 选取 Q235A 满足要求。 3.8 拉杆拉杆、定、定距距管管 拉杆要求有足够的强度和良好的焊接性，选择 Q235A 可满足要求。定距管要求有 足够的强度和良好的焊接性，选择 20 号钢满足要求。 3.9 鞍座鞍座 鞍座是换热器受载元件之一，要求有足够的强度和良好的焊接性能。故选取低合金钢 16MnR 或碳素结构钢 Q235B 都能满足要求。 15 第四章第四章 换热器各部分零件结构型式的选择换热器各部分零件结构型式的选择 4.1 换热器结构型式的选择换热器结构型式的选择 换热器有多种多样的形式，每种结构形式都有其本身的结构特点和工作特性，有 些结构形式，在某种情况下使用是好的，但是，在另外的情况下，却不太合适，或根 本不能使用。在选型时只有仔细分析所有的要求和条件，并根据生产工艺的具体情况， 才能确定最佳的换热器型式。 在换热器选型时，考虑的因素是很多的，如材料、压力、温度差、压力降、结垢 的情况、流体的状态、应用方式、检修和清理等。 由于本设计管层走汽油，壳程走软化水，温差很大，而且难免产生污垢，这就要 求管程和壳程可以抽出来清洗，故选取浮头式换热器，而且其管束和壳体可以自由膨 胀，适用于管、壳壁温差较大的场合。 4.2 前端前端管管箱箱、壳体壳体和和后端后端管管箱箱结构型式的确定结构型式的确定 4.2.1 前端前端管管箱箱 管箱结构有 A 型和 B 型，结构形式如图 4.1 所示： （1）A 型（平盖管箱）这种管箱如图 4.1 前端管箱形式中 A，装有管箱平盖（或 称盲板） ，清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路， 缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大时得用锻件，耗费大量机加工工时，提高制造成 本，增加一道密封的泄漏可能。一般多用于 DN 所以开孔后不需要进行补强。 3、放净口接管、液位计口接管 因壳体上的放净口接管、液位计口接管开口较小，它们的直径都小于 89 mm，根据规 定，它们无需另行补强。 5.2.9 支座强度校核 本设计采用 120包角重型带垫板的 BI 型鞍式支座，其内半径为 Ri=800mm，筒体 长度 L=6650mm，为了使筒体受力较合理，减小跨中截面的弯矩。根据整体布局，滑动 支座处 A=1350 mm，固定支座处 A=1300 mm， 取 A=1300m，此时，A0.5Ri=mm4008005 . 0=，端盖对筒体无加强作用。 符号说明： A 外伸端长度，mm； L 筒体长度，mm； Ri 筒体半径；mm 43 m 本设计换热器的总质量，kg； F 鞍座支反力，N； Ma 鞍座处截面的轴向弯矩,N.mm； Mb 筒体跨中截面的轴向弯矩； H 端盖内壁曲面高度，mm； 1 筒体最高点处最大压应力，MPa； 2 筒体最低点处最大拉应力，MPa； 3 操作状态下，筒体最高点处最大拉应力，MPa； 4 筒体鞍座截面最低点处最大应力，MPa； 5 鞍座处筒体在截面最低点处周向压应力，MPa； 6 鞍座边角处最大合成周向压缩应力，MPa； 腹板应力，MPa； Se 壳体有效厚度，mm； P 壳体设计压力，MPa； 1 K 、 2 K 筒体抗弯截面模量削弱系数； 3 K 、 4 K 、 5 K 、 6 K 、 9 K 系数； t 材料的许用应力，MPa； cr 材料的轴向许用压缩应力，MPa； 筒体切向剪应力，MPa； 4 b 垫板宽度，mm； 4 垫板厚度，mm； 1 b 鞍座宽度,mm； 2 b 筒体有效宽度，mm； h 鞍座高度，mm； 2 腹板厚度，mm； hs 计算高度，即承受水平推力的有效高度，取 i 1 R 3 和鞍座实际高度两者中 的较小值，mm。 a）支反力计算 综合各换热器各零件的重量，算得该换热器最大重量 m=5800kg，换热器所受重 力 为 Gmg2F2299.39 9.822534N=5800*9.8=56840N, 故 每 个 支 座 反力 为 F11267N=28420N。 b）筒体轴向弯矩计算 筒体最大弯矩位于容器支座截面或筒体跨中截面。 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 44 鞍座截面处： 22 i a RHA 1 L2AL MFA 1 4H 1 3L + = + (5-57) ) 66503 2004 1 665013502 200800 6650 1350 1 1 (135028420 22 + + = mmN1074 . 7 - 6 = 筒体跨中截面处： () 22 i 2 b 2 RH 1 FL4A L M 4H 4L 1 3L + = + (5-58) 6650 13504 66503 2004 1 6650 )200800(2 1 4 665028420 2 22 + + = mmN1030 . 8 6 = 可知最大弯矩在筒体跨中处，但由于鞍座截面上端盖对筒体无加强作用，故应校 核鞍座截面与跨中截面的轴向弯曲应力。 c）筒体轴向弯曲应力校核 跨中截面处轴向弯曲应力： 45 正压操作时轴向薄膜应力为正， 故轴向弯曲应力最大值在容器充满物料但无压 力时，此时最高点处有最大压应力为： MPa59 . 0 780014 . 3 1030 . 8 2 6 2 1 = = = ei b SR M (5-59) 操作状态下，筒体最低点处有最大拉应力为： MPa88.14 780014 . 3 1030 . 8 72 80025 . 0 2 2 6 2 2 = + =+= ei b e i SR M S pR (5-60) 鞍座截面处轴向弯曲应力： 操作状态下，筒体最高点处有最大拉应力，由于 A0.5Ri，且鞍座上无加强 圈，查得 1 K =0.107， 2 K =0.192。 故MPa43.19 7800107 . 0 14 . 3 1074 . 7 72 80025 . 0 2 2 6 2 1 3 = + = += ei a e i SRK M S pR (5-61) 装满液体来加压时，筒体鞍座截面最低点处有最大压应力： MPa87 . 2 7800192 . 0 14 . 3 1074 . 7 2 6 2 2 4 = = ei a SRK M (5-62) 因此筒体上最大轴向拉应力为MPa43.19 3 =，最大轴向压应力为MPa87.2 4 =。 已知，筒体材料为16MnR，MPa170= t ，材料的轴向许用压缩应力 cr140MPa=。 故MPa170MPa43.19 3 = t ，MPa140MPa87 . 2 | 4 = cr 。筒体轴 向弯曲应力满足强度条件及稳定性条件。 d）鞍座处筒体切向剪应力校核 由于 A0.5Ri，且鞍座上无加强圈，查得 3 K =1.171，故 MPa40 . 3 ) 200 3 4 6650 135026650 ( 7800 28420171 . 1 ) 3 4 2 ( 3 = + = + = HL AL SR FK ei (5-63) MPa1361708 . 0 8 . 0MPa40 . 3 = t 筒体切向剪应力满足强度条件。 e）鞍座处筒体周向应力校核 所选鞍座具有垫板，垫板宽度 4 b =260mm，垫板厚度 4 =6mm， 已知： mm74.226780056 . 1 15056 . 1 12 =+=+= eiS Rbb 在截面最低点处： 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 46 o 120 =，查得 5 K =0.760， 故 t e bS FK MPa33 . 7 74.226)67( 28420760 . 0 )( 24 5 5 = + = + = (5-64) 鞍座边角处筒体的最大合成周向压缩应力为： o 120 =，A0.5Ri，查得 6 K =0.0528。 )(2 3 )(4 2 4 2 6 24 6 + + = ee S FK bS F (5-65) )67(2 284200528 . 0 3 74.226)67(4 28420 22 + + = MPa 5 . 21217025 . 1 25 . 1 MPa08.24=h Ri 所以计算高度 h=200mm， o 120 =， 9 K0.204= 腹板应力为： MPa67.6294 3 2 3 2 MPa63 . 3 8200 28420204 . 0 2 9 9 = = t h FK (5-66) 鞍座腹板满足强度条件。 以上计算均满足要求，所选鞍座合理。 47 第六章第六章 制造、检验和验收制造、检验和验收 6.1 总则总则 1.容器的制造、检验与验收除应符合 GB150-98 第 10 章规定外，还应符合图样要 求。 2.容器制造单位应具有符合国家压力容器安全监察机构有关法规要求的质量体系 或质量保证体系。 3.容器的焊接应由持有相应类别的“锅炉压力容器焊工合格证书”的人员担任。 4.容器的无损检测应由持有相应方法的“锅炉压力容器无损检测人员资格证”的 人员担任。 5.容器主要受压部分的焊接接头分为 A、B、C、D 四类，图参照 GB150-98 118 P页。 6.凡制造受压元件的材料应有确认的标记。在制造过程中，如原有的确认标记被 裁掉或材料分成几块，应在材料切割前完成标记的移植。确认标记和表达方式由制造 单位规定。 7.对于有防腐要求的不锈钢以及复合钢制容器，不得在防腐蚀面采用硬印作为材 料的确认标记。 6.2 浮头式换热器的制造浮头式换热器的制造 6.2.1 封封头和管头和管箱箱 封头和管箱的厚度一般不小于壳体的最小壁厚，且接管开孔往往采用整体加强而 不用加强板。分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊