废热锅炉设计说明书.doc

南华大学机械工程学院毕业设计毕业设计(论文)题 目 100m2双管板废热锅炉设计 学院名称 机械工程学院 指导教师 段小林 职 称 讲 师 班 级 过控052班 学 号 20054420201 学生姓名 刘亚军 2009年5月29日南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目100m2双管板合成氨废热锅炉设计（论文）题目来源自选设计（论文）题目类型工程设计起止时间2009.1.10 6.5一、 设计（论文）依据及研究意义：1.设计依据：根据老师提供的设计任务书的规定，结合自己所学知识，参照国家标准、行业标准，查阅相关资料，科学合理地完成设计。2.研究意义：（1）巩固学习的内容，是各科知识之间相互贯通。（2）综合运用所学知识。（3）培养动手能力，创新能力，达到理论实践相结合的目的。（4）了解新科技进展，了解自己所学知识的优势，不足，为以后的学习打好基础。（5）促使毕业生做好论文的准备工作保证论文质量。二、 设计（论文）主要研究的内容、预期目标（技术方案、路线）：本次设计的是100 m2合成氨废热锅炉。设计包括的主要内容：废热锅炉的工艺设计（锅炉内径、筒体和封头的设计、法兰设计和开孔补强、进出口接管及支座）等，并对其进行强度计算及校核，绘制图纸等。技术方案及路线：首先进行物料衡算和热量衡算，然后进行锅炉的尺寸计算，最好进行强度计算和校核。三、设计（论文）的研究重点及难点：重点是：双管板废热锅炉的尺寸计算和确定以及强度计算和校核。难点是：（1）由于合成氨过程比较复杂以及现有理论的不完备，其难点突出在对其进行比较准确的计算。（2）由于本次设计的锅炉要求在2.5Mpa的壳程压力和31.4Mpa的管程压力及较高操作温度下的生产，其难点是对废热锅炉内径以及壁厚等进行比较优化的设计。（3）由于本次设计的锅炉考虑了各种因素，其难点是对锅炉以及一些附件的强度计算及校核。四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：1月10日至1月14日：了解我们所要设计的试验装置，为进行设计做准备； 1月15日至1月25日：查阅资料，找设计依据，理出设计思路； 1月25日至3月25日：算数据，求得设计的各种依据； 3月26日至5月10日：设计，画出设计图纸； 5月11日至5月26日；整理图纸，进行打印。写出设计说明书并校核。 5月27日至5月30日：准备答辩。五、进行设计（论文）所需条件：完成本次设计不仅要有基本的设计绘图能力（包括手工绘制与电脑绘制）以及相应的材料力学、理论力学知识；还应会查阅相关的各种机械设计手册，熟悉GB150-1998钢制压力容器、GB151-1999管壳式换热器、压力容器安全技术监察规程、HG2058020585-1998等现行国家法规标准规范。同时需要指导老师的悉心指导，加上自己的努力和一丝不苟的工作态度。六、指导教师意见： 签名： 年 月 日 摘要：本设计为一个换热面积为100m2的合成氨废热锅炉，论文首先介绍了废热锅炉的设计改进，即双管板废热锅炉与其前身联箱式废热锅炉的比较，在联箱式废热锅炉基础上进行优化设计，然后进行双管板废热锅炉的选型，最后重点进行主要受压元件的强度计算和厚度选择，详细论述具体的设计过程，并且对主要受压元件进行强度校核。设计的重点主要包括筒体、封头的设计、汽包、支座、平盖、管板和法兰的设计等等，设计的难点体现在优化设计和强度计算上。关键词：双管板废热锅炉；优化设计；强度计算Abstract:The design for a heat transfer area of 100m2 of ammonia waste heat boiler.The article firstly describes the improvement in waste heat boiler design,that the double-tubesheet waste heat boiler compared with its predecessor box-type waste heat boiler in conjunction. And based on the box-type waste heat boiler to optmize the design.Then was selection for double-tubesheet waste heat boiler,finally was the strength calculation and thickness selection of major pressure components,detailed description of design steps.And check strength of the main components of the compression.The focus of the design were mainly cylinder and head of design ,drum,support,top,tube plate and flange design and so on .Difficulties in the design embodied in the optimization of design and strength calculation .Key Words:double-tubesheet waste heat boiler; optimal design; strength calculation目 录引 言11. 废热锅炉的设计改进21.1 联箱式废热锅炉21.1.1联箱式废热锅炉设计参数21.1.2联箱式废热锅炉的基本结构和工作原理21.1.3联箱式废热锅炉的结构特点21.2 双管板废热锅炉31.2.1双管板废热锅炉设计参数31.2.2双管板废热锅炉的基本结构和工作原理31.2.3双管板废热锅炉的结构特点31.2.4双管板废热锅炉的优越性42. 双管板废热锅炉的设计52.1废热锅炉的选型与结构设计52.1.1.废热锅炉的选型52.1.2.废热锅炉的结构设计53. 主要受压元件的强度计算和厚度选择63.1壳程主要受压元件的强度计算和厚度选择73.1.1基本参数的确定及计算73.1.2筒体的强度计算和厚度选择83.1.3椭圆封头的强度计算和厚度选择(大封头)93.1.4椭圆封头的强度计算与厚度选择(小封头)113.1.5偏锥体的强度计算和厚度选择123.1.6接管a和b的强度计算和厚度选择133.1.7汽包主要受压元件的强度计算和厚度选择173.2管程主要受压元件的强度计算和厚度选择233.2.1 U形管b型（管板与管壳程筒体都有焊接）管板的计算233.2.2端部强度计算及校核274 . 总 结40外文文献翻译41参考文献60谢 辞61引 言废热锅炉是利用工业生产中的余热来生产蒸汽的一种换热设备，简称锅炉。目前，废热锅炉在化工、石油、冶金及其他工业部门中得到广泛地应用。在石油、化工工业中，存在大量高温烟气与工艺气余热，采用废热锅炉回收余热，生产压力蒸汽用作工厂动力，可取得重大的经济效益，从而提高热能总利用率，节约一次能源消耗。另外，废热锅炉也是工艺流程中不可缺少的设备，如在合成氨系统中，工艺气在进入下一个工段设备中时需要控制工艺气体温度，就可以利用废热锅炉来完成降温过程。为了适应余热的特点，满足工艺生产的要求，有效地回收余热，出现了各种各样的废热锅炉。按结构形式，废热锅炉可分为管壳式废热锅炉和烟道式废热锅炉。双管板废热锅炉就是现在使用较为广泛的管壳式废热锅炉中的一种。本设计论文按设计顺序共分为三章：第一章，废热锅炉的设计改进；第二章，双管板废热锅炉的设计；第三章，主要受压元件的强度计算和厚度选择；第四章，结论。由于本人水平有限，本论文中难免有错误和不当之处，敬请各位老师、专家批评指正。设计者2008年5月第1章 废热锅炉的设计改进双管板废热锅炉是一种新型高效的废热锅炉，为了设计双管板废热锅炉，我们先对它的前身联箱式废热锅炉作一大致的了解，然后，进行对比设计双管板废热锅炉，并阐述其优越性。1.1 联箱式废热锅炉1.1.1联箱式废热锅炉设计参数表1.1 设计技术参数表容器类别三类壳程管程设计压力 Mpa2.531.4设计温度 225400操作介质脱氧软水 蒸汽H2 N2 NH3 CH4主要受压元件材质16MnR 1Cr18Ni9Ti换热管规格 mm换热面积 m21001.1.2联箱式废热锅炉的基本结构和工作原理联箱式废热锅炉的基本构成：联箱，小封头，设备法兰，偏锥体，汽包，筒体，大封头，支座，管束。联箱式废热锅炉的工作原理：高温工艺气体自联箱进气口进入管束，在壳体中降温后，由联箱出气口输出；管束泡在壳程里的软水里进行热交换，从而使管程高温工艺气体降温至需要的温度，同时壳程中的软水也被加热成压力蒸汽；偏锥体的作用是保证足够的液体蒸发表面积和气相空间，以使壳程中的水更好地吸收管程工艺气的热量，产生更多的压力蒸汽；壳程压力蒸汽进入汽包，经汽包里的丝网除沫器除沫后，由蒸汽出口输出。1.1.3联箱式废热锅炉的结构特点联箱式废热锅炉的结构特点：设备内直径，进出口集气管为的联箱，材质为1Cr18Ni9Ti的级锻件。壳体育管束部件连接用的设备法兰密封面为凹凸面，垫片为内填石棉缠绕式不锈钢垫片。换热管为 1Cr18Ni9Ti的U型管，数量为192根，换热面积。汽包上的设备法兰组焊在锥形筒体上部的筒体上，高压管与联箱的焊接形式为填角焊接，角焊缝在焊后须进行着色检测。1.2 双管板废热锅炉合成氨生产中，经合成塔触媒筐反应后的反应气由合成塔底部换热器换热后进入废热锅炉，利用反应气热量副产蒸汽。以往的废热锅炉大搜为联箱式，随着市场的需求，设备向着大型化方向发展，联箱式废热锅炉已不能满足生产能力的需要，因此，在联箱式废热锅炉基础上加以改进，设计制造出一种新型高效的废热锅炉双管板废热锅炉，同联箱式废热锅炉相比较，换热面积提高了18，气体流通截面积提高了16。1.2.1双管板废热锅炉设计参数表1.2 设计技术参数表容器类别三类壳程管程设计压力 Mpa2.531.4设计温度 225400操作介质脱氧软水 蒸汽H2 N2 NH3 CH4主要受压元件材质16MnR 10MoWVNb换热管规格 mm换热面积 m21001.2.2双管板废热锅炉的基本结构和工作原理双管板废热锅炉的基本构成：螺纹法兰，顶盖，管板，小封头，设备法兰，偏锥体，汽包，筒体，大封头，支座，管束。双管板废热锅炉的工作原理：与联箱式废热锅炉相同。1.2.3双管板废热锅炉的结构特点设备内直径，本废热回收器主要由管束、管板、顶盖、壳体组成，壳体与管束部件采用无垫片焊环法兰连接。顶盖为1Cr5Mo的IV级锻件，顶盖与管板组成进出口集气室，因废热回收器管束属于高温高压的设备，故平盖与管板采用自紧式双锥密封，用螺栓连接。汽包上的设备法兰组焊在锥形筒体下部的筒体上，换热管为,10MoWVNb的U型管，数量为101根，换热面积100mm2，管孔为正三角形布置，管板为10MoWVNb的IV级锻件，换热管与管板的连接采用先焊后胀的方式，高压管与管板的焊缝须进行磁粉检测。1.2.4双管板废热锅炉的优越性（1）压力降减少：新型废热锅炉与联箱式废热锅炉结构上最大的改进是管端部分的换热管由弯管改成直管，其次在筒体长度与直径大小不变的情况下，换热管根数增加了31根，换热面积增大了34m2，气体流通面积提高了16，在相同气量下气体阻力明显减少，或是在相同压降条件下可通过的气量显著提高。（2）壳体与管束设备法兰密封结构的改进：设备法兰密封面由凹凸面、缠绕式垫片改为无垫片焊环法兰密封。因缠绕式垫片在使用过程中一部分处于气相空间，一部分处于液相空间，介质状态不一，操作中容易产生泄露，由于受操作条件的限制，更换垫片非常困难，现已改成无垫片焊环法兰，解决了设备法兰经常泄露的问题。（3）汽包法兰位置的改进：汽包法兰位置由锥形筒体上部的筒体上移至锥形筒体下部的筒体上，联箱式废热锅炉的汽包法兰位置过高，造成运输困难，现把汽包法兰位置移至锥形筒体下部，运输时可把整个汽包拆下，降低了设备总高，方便运输。（4）材质的改进：联箱式废热锅炉的联箱和换热管都是1Cr18Ci9Ti，虽然不锈钢材质抗氢腐蚀性能较强，但市场价格较高，且不锈钢材质对锅炉水质要求很苛刻，需严格控制水中氯离子含量并彻底脱氧，现改成价格相对较低的10MoWVNb，既可抗氢腐蚀和氯离子腐蚀又降低了设备制造成本。（5）换热管与管板连接可靠：由于换热管与管板的连接处不仅要承受管程和壳程的压力差，同时还要承受管束振动所产生的应力，所以，换热管与管板的连接采用强度焊+贴胀，这种连接方式一方面通过消除换热管与管孔的缝隙，避免缝隙腐蚀；另一方面避免在装运及操作过程中管束的振动对焊缝的影响。（6）由于最内层换热管间隔加大，更加便于安装和清洗。经过设计改进后的双管板废热锅炉，比原来的联箱式废热锅炉更趋完善和合理，经过用户使用后证明，完全满足工艺设计要求和生产能力。第2章 双管板废热锅炉的设计2.1废热锅炉的选型与结构设计2.1.1.废热锅炉的选型废热锅炉必须满足工艺生产的需要，能够最大限度地回收热能，产生蒸气的压力和质量可以满足使用对象的要求，对废热锅炉系统则要求操作稳定、调节方便、结构简单、材料易得、造价便宜、加工制造容易、安装检修方便、使用寿命长、运行安全可靠等。本设计中，操作温度最高为400，属于低温操作，由于低温工艺气体对金属材料的热胀量小，材料耐热性能要求也不高，故可选管壳式、U形管式，又由于工艺气侧操作压力较水气侧压力高，故选用双管板U形管式废热锅炉。2.1.2.废热锅炉的结构设计所谓废热锅炉，主要是高温反应气（或高温介质）与冷却介质（一般是水）间接换热，使水在设备内沸腾汽化，以回收高温介质中的热能。结构特点：管板与换热管之间采用先焊后胀，小封头与壳体采用法兰连接，其余采用焊接。U形管式结构的特点：受热后，管子可以自由伸长，因为U形管两端都固定在管板上，与壳体无牵连，当管子和壳体之间有温差存在时，管子可在壳体内自由伸缩，这样就从结构上解决了热应力问题。U形管式结构比较简单，管束可抽出清洗，但管内的清洗比较困难。对于高温工艺气体流经管内的U形管式废热锅炉，由于进口端和出口端温差较大，如果把换热管的进、出口端固定在同一管板上，将造成管板本身温差较大，热应力也较大，故采用双管板。第3章 主要受压元件的强度计算和厚度选择本章我们将根据GB150-1998钢制压力容器和GB151-1999管壳式换热器对双管板废热回收器的主要受压元件逐一进行强度计算和厚度选择。1.螺纹法兰 2.顶盖 3.管板 4.封头 5.设备法兰 6.偏锥体 7.汽包 8.筒体 9.封头 10.支座 11.管束图3.1 双管板废热锅炉管子-管板角缝表3.1 设计技术参数表容器类别三类壳程管程设计压力 Mpa2.531.4设计温度 225400操作介质脱氧软水 蒸汽H2 N2 NH3 CH4主要受压元件材质16MnR 10MoWVNb换热管规格 mm换热面积 m21003.1壳程主要受压元件的强度计算和厚度选择3.1.1基本参数的确定及计算 因为壳程直径为，所以最大液柱高度取h=2.2m；因为壳程介质为水，所以液体密度取Kgm3；Mpa； 又已知壳程设计压力P=2.5Mpa，因为液柱静压力5设计压力，故液柱静压力可以忽略不计，故壳程计算压力：Pc=P=2.5Mpa；查GB150表4-1再利用内插法求设计温度下的材料许用应力：A. 板厚为616时：又已知试验温度下的材料许用应力，故液压试验压力：； B. 板厚为1636时：又已知试验温度下的材料许用应力，故液压试验压力：；故最终确定设备的液压试验压力：因为壳体对接缝需要进行100RT，所以取焊接接头系数；因为GB6654-1996压力容器用钢板规定16MnR板的钢板厚度偏差为正，所以钢板厚度负偏差取C1=0mm；因为壳程的介质为脱氧软水、蒸汽，所以壳程的腐蚀裕量C2=2mm；GB150规定碳素钢、低合金钢制容器的最小厚度为3+C2，所以壳体的最小厚度为5mm。3.1.2筒体的强度计算和厚度选择因为计算压力Pc=2.5Mpa,考虑焊接可能引起的强度削弱，应乘以焊接接头系数，如前所述，因为壳体对接焊缝需要进行100%RT，所以取焊接接头系数=1 ，故可用下式求筒体的计算厚度： ； 筒体的设计厚度：筒体的名义厚度：向上圆整至钢材标准规格的厚度22mm，因为22mm5mm（最小厚度），故最终确定筒体的名义厚度；筒体的有效厚度：压力试验前校核筒体应力： 所以筒体液压试验前的应力校核合格；设计温度下筒体的计算应力： 所以筒体的计算应力校核合格；设计温度下圆筒的最大允许工作压力：因为一般要求工作压力设计压力，故筒体名义厚度取可以确保安全。3.1.3椭圆封头的强度计算和厚度选择(大封头) 椭圆封头形状与尺寸如下图： 图 3.2 标准椭圆形封头 公称直径DN=2200时，h1=550，h2=25/40/50, 公称直径DN=1800时，h1=450，h2=25/40/50, 公称直径DN=1000时，h1=250，h2=25/40/50, 当，封头直边段高度h2取25；当 ，封头直边段高度h2取40； 当，封头直边段高度h2取50由于件9椭圆封头是采用的JB/T4746-2002的标准椭圆封头，所以封头内直径Di与2倍封头曲面高度hi之比为2， 故椭圆封头形状系数： 椭圆封头的计算厚度：考虑10的椭圆封头冲压减薄量，故修改C2=2+2.4=4.4mm；椭圆封头的设计厚度：椭圆封头的名义厚度：向上圆整至钢材标准规格的厚度24mm，因为24mm5mm（最小厚度），故初定椭圆封头的名义厚度；椭圆封头的有效厚度：GB150规定“标准椭圆封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15”，因为，所以符合标准要求；压力试验前校核椭圆封头应力： 所以椭圆封头液压试验前的应力校核合格；设计温度下椭圆封头的计算应力： 椭圆封头的计算应力校核合格；设计温度下椭圆封头的最大允许工作压力： 一般要求工作压力设计压力，故椭圆封头名义厚度取 可以确保安全。3.1.4椭圆封头的强度计算与厚度选择(小封头)由于件4椭圆封头是采用的JB/T4746-2002的标准椭圆封头，所以封头内直径Di与2倍封头曲面高度hi之比为2，故椭圆封头形状系数：；椭圆封头的计算厚度：；考虑10%的椭圆封头冲压减薄量，故修改C2=2+3.2=5.2mm;椭圆封头的设计厚度：；椭圆封头的名义厚度：，考虑偏锥体的名义厚度为32mm，为了统一两焊环法兰颈部厚度，向上圆整至钢材标准规格的厚度32 mm；因为32 mm5 mm（最小厚度），故初定椭圆封头的名义厚度；椭圆封头的有效厚度：；GB150规定“标准椭圆封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%”，因为，所以符合标准要求；压力试验前校核椭圆封头应力：所以椭圆封头液压试验前的应力校核合格；设计温度下椭圆封头的计算应力：所以椭圆封头的计算应力校核合格；设计温度下椭圆封头的最大允许工作压力：一般要求工作压力设计压力，故椭圆封头名义厚度取可以确保安全。3.1.5偏锥体的强度计算和厚度选择偏锥体的厚度计算和应力校核参照正锥体的计算公式进行，为了确保安全，锥体的半顶角的取值选择偏锥体的两个半顶角（）中较大的一个，即取值。 偏锥体计算厚度： 查GB150图7-11可知偏锥体大端连接处不需要加强，所以偏锥体大端的计算厚度： 查GB150图7-13可知偏锥体小端连接处需要加强，又查GB150图7-14可知偏锥体小端连接处的应力增强系数Q小值为2.01，所以偏锥体小端加强段的计算厚度： 偏锥体小端锥体加强段长度：偏锥体小端圆筒加强段长度：偏锥体小端锥体和圆筒加强段的厚度和长度，我们习惯用与偏锥体相连接的焊环法兰的厚度和长度代替进行加强；考虑到简化偏锥体结构，统一板厚，我们取 三者中较大值作为偏锥体的计算厚度，所以偏锥体的计算厚度：偏锥体的设计厚度：偏锥体的名义厚度：向上圆整至钢材标准规格的厚度32mm，因为32mm5mm（最小厚度），故确定偏锥体的名义厚度偏锥体的有效厚度：。3.1.6接管a和b的强度计算和厚度选择3.1.6.1接管a和b与其中心垂直的截面的单孔补强计算初选换热管规格为，根据设备的总长度，预定换热管的有效换热长度L=6545mm,又已知换热面积，故换热管根数：根；拟定孔心距S=35，放样布管可知布管限定圆，又已知管板管程侧短节内径：,圆整到450mm；管板壳程侧接管内径：，加3mm余量，调整为469mm;考虑开孔补强因素，统一采用主筒体板材厚度，故初定接管的名义厚度；因为计算压力 ，故接管的计算厚度：；接管的有效厚度：；开孔直径：圆形孔等于接管内径加2倍厚度附加量，则开孔直径；所以，最大有效补强范围：最大有效宽度：；内外侧有效高度按下式计算，分别取式中较小值，最大有效外伸或内伸长度：；强度削弱系数：；可作为有效补强的金属面积Ae包括一下几个部分：壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余金属面积：接管有效厚度减去计算厚度之外的多余金属面积：接管与封头焊角高定为8mm，所以补强区的焊缝金属面积为；故可作为补强的截面积：；因为490+473/2=726.580%Di/2=720,所以开孔位于以椭圆封头中心为中心的80%封头内直径的范围内，故；对受内压的圆筒，所需的最小补强面积A用下式计算，则开孔所需补强面积：；因为可作为补强的截面积Ae开孔所需补强面积A，所以单孔补强满足要求。3.1.6.2接管a和b两孔连线的截面的联合补强计算因为管板壳程侧接管中心线偏移封头中心线距离定为490mm，两孔中心距L=980 mm，放样可知开孔直径为：；因为两孔平均直径的1.333倍（698.492）两孔中心距980两孔平均直径的两倍（1048），故采用联合补强；所以，最大有效补强范围：最大有效宽度：最大有效外伸或内伸长度：；强度削弱系数：；总的壳体多余金属面积： 两孔之间的壳体多余金属面积：；其余A2，A3的计算：总的为两孔单孔补强之和，两孔之间的为两孔单孔补强的之和的1半。总的接管多余金属面积：；两孔之间的接管多余金属面积：；总的补强区的焊缝金属面积：；两孔之间的补强区的焊缝金属面积：；总的可作为补强的截面积：；两孔之间的可作为补强的截面积：；因为，所以开孔位于以椭圆封头中心为中心80%封头内直径的范围外，故；总的开孔所需补强面积： 两孔之间的开孔所需补强面积：A=50%总的开孔所需补强面积的50%=7737.489；因为：总的可作为补强的截面积总的开孔所需补强面积A，且两孔之间的可作为步强的截面积两孔之间的开孔所需补强面积A，所以联合补强满足要求。3.1.6.3接管a和b的应力校核压力试验前校核接管应力： 所以接管液压试验前的应力校核合格；设计温度下接管的计算应力：所以接管的计算应力校核合格；设计温度下接管的最大允许工作压力：因为一般要求工作压力设计压力，故接管名义厚度取可以确保安全。又因为225（最小厚度），故最终确定接管的名义厚度。3.1.7汽包主要受压元件的强度计算和厚度选择3.1.7.1设备法兰的选择因为汽包，所以选择JB/T4703-2000的高一个压力等级的标准法兰：下法兰-FM 1000-4.0，上法兰-M 1000-4.0，法兰颈部厚度，标准要求其对接筒体的最小厚度。3.1.7.2筒体的强度计算和厚度选择因为计算压力，故可用下式求筒体的计算厚度：；筒体的设计厚度：；筒体的名义厚度：，考虑法兰标准要求其对接筒体的最小厚度，故向上圆整至钢材标准规格的厚度18，因为185（最小厚度），故最终确定筒体的名义厚度；筒体的有效厚度：；压力试验前校核筒体应力： 所以筒体液压试验前的应力校核合格；设计温度下筒体的计算应力： 所以筒体的计算应力校核合格；设计温度下圆筒的最大允许工作压力：因为一般要求工作压力设计压力，故筒体名义厚度取可以确保安全。3.1.7.3椭圆封头的强度计算和厚度选择椭圆封头是采用的JB/T4746-2002的标准椭圆封头，所以封头内直径Di与2倍封头曲面高度hi之比为2，故椭圆封头形状系数：；椭圆封头的计算厚度：；考虑10%的椭圆封头冲压减薄量，故修改C2=2+3.8=5.8mm;椭圆封头的设计厚度：；椭圆封头的名义厚度：，考虑与其对接的筒体统一厚度，向上圆整至钢材标准规格的厚度18 mm；因为18 mm5 mm（最小厚度），故初定椭圆封头的名义厚度；椭圆封头的有效厚度：；GB150规定“标准椭圆封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%”，因为，所以符合标准要求；压力试验前校核椭圆封头应力：所以椭圆封头液压试验前的应力校核合格；设计温度下椭圆封头的计算应力：所以椭圆封头的计算应力校核合格；设计温度下椭圆封头的最大允许工作压力：一般要求工作压力设计压力，故椭圆封头名义厚度取可以确保安全。3.1.7.4接管与其中心线垂直的截面的单孔补强计算接管内径，考虑开孔补强因素，考虑汽包统一板材厚度，故初定接管的名义厚度；因为计算压力，故接管的计算厚度：；压力试验前校核接管应力：所以接管液压试验前的应力校核合格；设计温度下接管的计算应力：；所以筒体的计算应力校核合格；设计温度下圆筒的最大允许工作压力：因为一般要求工作压力设计压力，故接管名义厚度取可以确保安全。开孔直径：圆形孔等于接管内径加2倍厚度附加量，则开孔直径；所以，最大有效补强范围：最大有效宽度：；内外侧有效高度按下式计算，分别取式中较小值， 最大有效外伸或内伸长度：；接管实际内伸0，则有效外伸；强度削弱系数：；可作为有效补强的金属面积Ae包括一下几个部分：壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余金属面积：接管有效厚度减去计算厚度之外的多余金属面积：；接管与封头焊角高定为8mm，所以有效补强区的焊缝金属面积为；故可作为有效补强的截面积：；筒体的计算厚度；对受内压的圆筒，所需的最小补强面积A可由下式求得，则开孔所需补强面积：；因为可作为补强的截面积Ae开孔所需补强面积A，所以需要另加补强，因为AND（P6.4Mpa,t350, ,）=1,所以采用补强圈补强，根据经验，所给补强面积=1.2倍所需补强面积，所以，补强圈面积：；为了与壳体统一板厚和材质，故定补强圈厚度；考虑接管与壳体的相贯线，放样调整；补强圈外径：；所以，通过另加补强之后，该接管开孔补强满足要求。3.1.7.5正锥体的强度计算和厚度选择正锥体半顶角取值。正锥体计算厚度： 查GB150图7-11可知正锥体大端连接处不需要加强，所以正锥体大端的计算厚度：查GB150图7-13可知正锥体小端连接处需要加强，又查GB150图7-14可知正锥体小端连接处的应力增强系数Q小值为2.01，所以正锥体小端加强段的计算厚度：正锥体小端锥体加强段长度：正锥体小端圆筒加强段长度：正锥体小端锥体和圆筒加强段的厚度和长度，我们习惯用与正锥体相连接的焊环法兰的厚度和长度代替进行加强；考虑到简化正锥体结构，统一板厚，我们取 三者中较大值作为正锥体的计算厚度，所以偏锥体的计算厚度：正锥体的设计厚度：正锥体的名义厚度：，考虑与其对接的筒体统一厚度，向上圆整至钢材标准规格的厚度18mm，因为18mm5mm（最小厚度），故确定正锥体的名义厚度正锥体的有效厚度：。 3.2管程主要受压元件的强度计算和厚度选择3.2.1 U形管b型（管板与管壳程筒体都有焊接）管板的计算3.2.1.1假设管板的计算厚度，校核管板的径向应力因无隔板，故沿隔板槽一侧的排管根数根，隔板槽相邻两侧中心距；换热管中心距，因为管孔数量为101，所以当量U形管根数根；因为是三角形布管，管板布管区内未被换热管支撑的面积：管板布管区面积：假设管板的计算厚度：；因为管板材料为10MoWVNb，所以管板材料的弹性模量，管板材料泊松比；管板开孔前的抗弯刚度：；壳程圆筒厚度，壳程圆筒直径，；因为是b型连接方式，所以壳体法兰厚度；查GB151图26得系数：;因为是b型连接方式，所以管板延长部分的宽度；因为壳程圆筒材料为16MnR，壳程圆筒材料的弹性模量；壳程圆筒与法兰的旋转刚度参数： 管箱圆筒厚度，壳程圆筒直径， ，调整为0.1；因为是b型连接方式，所以管箱法兰厚度；查GB151图26得系数：；因为是b型连接方式，所以管板延长部分的宽度；因为管箱材料为10MoWVNb，管箱圆筒材料的弹性模量；管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数： 管板边缘旋转刚度参数：；管板边缘处直径：旋转刚度无量纲参数：； 管板边缘处半径：；查GB151图19得管板中心处应力系数：查GB151图20得布管区周边处系数：查GB151图21得管板边缘处应力系数：管板设计压力：管板强度削弱系数：；管板中心处的径向应力： 布管区周边处的径向应力： 管板边缘处的径向应力：因为管板材料为10MoWVNb，设计温度下管板材料的许用应力，因为、和三者都，所以管板的径向力校核合格；3.2.1.2校核换热管轴向应力换热管材料为10MoWVNb，所以；一根换热管管壁金属的横截面积：；换热管轴向应力：故合格；只有壳程设计压力，而=0Mpa时，换热管轴向应力：，故合格；只有管程设计压力，而=0Mpa时，换热管轴向应力：，故合格；3.2.1.3校核换热管与管板连接的拉脱力确定焊角高l=6.5mm；换热管与管板连接的拉脱力：；因为，所以换热管与管板连接的拉脱力校核合格。结论：假设的管板计算厚度合格。如果采用强度焊，可以保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度。其结构型式按下图： 图3.2.1用于整体管板 考虑到此废热回收器管束属于高温高压的设备，所以换热管与管板采用先焊后胀的方式，高压管与管板的焊缝进行磁粉检测。3.2.1.4确定管板的名义厚度强度焊管板的最小厚度：；管板的名义厚度： 圆整到3.2.2端部强度计算及校核3.2.2.1符号：a主螺母高度，mm, mm;C2腐蚀裕量（mm）按设计参数取C2=2 mm；Pc计算压力，Mpa;根据设计条件取Pc=31.4 Mpa；E弹性模量，Mpa；查GB150-1998表F5得；Aa 预紧状态下，需要的最小螺栓总截面积，；以螺纹小径计算或问螺纹部分的最小直径计算，取最小者, 。Ab 实际使用的螺栓总截面积，；以螺纹小径计算或问螺纹部分的最小直径计算，取最小者，。Am 需要的螺栓总截面积，；取Ap与Aa之最大者。Ap操作状态下，需要的螺栓总截面积，；以螺纹小径计算或问螺纹部分的最小直径计算，取最小者，。常温下主螺栓许用应力，Mpa；;设计温度下主螺栓许用应力，Mpa；;端部法兰外径，；螺栓中心圆直径，；端部法兰计算内直径，；主螺栓公称直径，；主螺栓光杆部分直径，；主螺栓数量，个；筒体端部总高度，；筒体端部外缘长度，；,取；螺孔深度，；,取；筒体端部直边长度，；过渡圆角半径，；端部法兰倾角，；端部法兰与筒体处的名义厚度双锥环高度，；查GB150-1998表G6 , ；双锥环厚度，；查GB150-1998表G6 ，；双锥环外侧面高度，；查GB150-1998表G6 , ；双锥环的有效高度，；按GB150 ；双锥环内圆柱面直径，；查GB150-1998表G6 ；双锥环密封面锥角，；摩檫角，按GB150钢-铝； ； 3.2.2.2主螺栓计算螺栓受力：操作状态下螺栓受力，N；按GB150-1998公式G5计算：预紧状态下螺栓受力，N；按GB150-1998公式G5计算： 操作状态下所需螺栓总截面积，；按GB150-1998公式（9-6）；预紧状态下所需螺栓总截面积，；按GB150-1998公式（9-7）；需要的螺栓面积取与之大值；故实际螺栓总截面积，； 主螺栓合格。预紧状态下螺栓设计载荷：;操作状态下螺栓设计载荷：螺栓设计载荷：3.2.2.3端部法兰的强度计算和校核端部法兰与筒体处的名义厚度计算：根据GB150-1998规定：端部法兰与筒体处的名义厚度，不得小于按内压确定的名义厚度。故；端部结构如下图： 图3.2.2 筒体端部结构考虑堆焊；端部法兰是锻件,焊缝系数，因而；查GB150表4-3端部法兰设计温度下许用应力。取。应力校核符号：符号意义见下图： 图3.2.3筒体端部计算图作用于端部法兰纵向截面的弯矩，按GB150-1998式（9-32）计算：端部法兰纵向截面的抗弯截面系数按GB150-1998式（9-33）计算：端部法兰纵向截面的弯曲应力校核按GB150-1998式（9-34）：；合格3.2.2.4顶盖的强度计算和校核符号： 预紧时的结构特征系数； 操作时的结构特征系数； 螺栓中心至垫片压紧力作用中心线的径向距离，mm； ； 开孔削弱系数，按GB150-1998式（8-6）计算； 平盖计算直径，mm，查GB150-1998表7-7螺栓连接的圆形平盖（13）； 顶盖危险径向截面上开孔宽度之总和，其值不得超过，任意相邻两孔中心距不得小于两孔平均直径的1.5倍，mm。 设计温度下顶盖许用应力，Mpa；表3.2.1螺栓连接的圆形平盖（13）的计算： 该顶盖属于GB150-1998表7-7中13#螺栓连接的圆形平盖： ; ;平盖危险径向截面上各开孔宽度之和：；平盖开孔强度削弱系数： ;考虑开孔后K系数：预紧时的结构特征系数：操作时的结构特征系数：预紧状态下计算厚度：；操作状态下顶盖计算厚度：顶盖计算厚度：顶盖设计厚度：顶盖名义厚度：作用于平盖a-a环向截面的当量应力校核： 图3.2.4 平盖h1见图 h1=143mm；弯曲应力，Mpa；剪应力，Mpa；作用于顶盖a-a环向截面的当量应力校核：按GB150-1998式（G6）:结论：顶盖a-a环向截面的当量应力合格。3.2.2.5管板与平盖的连接 由于管程压力比较高，故管板与平盖间需要采用高压密封形式，即采用具有径向自紧作用的半自紧式密封结构，如下图所示：a） 双锥环用托环、螺栓固定在平盖上，双锥环的内圆柱面与平盖的圆柱支承面之间的径向间隙应控制在双锥环内圆柱面直径的（0.1%0.15%）范围内；b） 平盖的圆柱支承面上开有几条纵向的半圆形沟槽。c） 密封面之间的软金属垫片厚度约为1mm，非金属垫片厚度约0.5mm，软金属直径为25mm；d） 图 （a）所示双锥环的两个密封面上各开有两条半径为11.5mm，深1mm左右的半圆形沟槽或深1mm左右的三角形沟槽，沟槽槽口圆角半径约0.5mm；e） 双锥环密封面锥角及公差，粗糙度为3.21.6.平盖及筒体端部密封面锥角及公差，粗糙度为3.21.6。 （a） 图3.2.5 双锥密封结构3.2.2.6焊环法兰的选择 根据压力容器法兰标准JB/T4703-2000长颈对焊法兰，适用于公称压力为0.66.4Mpa、工作温度为-70450的钢制压力容器，腐蚀裕量3mm。查JB/4703-2000选法兰如下： 图3.2.6长颈对焊法兰表3.2.2 查JB/ T4703-2000表1续所得焊环法兰结构尺寸如下： ， ， 3.2.2.7鞍座设计鞍座包角为120，JB/T4712规定钢制鞍座的宽度b一般可取大于或等于，即，取b=300mm。 双鞍座容器简图如下： 图3.2.7 双鞍座简图 =，且 查JB/T4712-1992 DN21004000,120包角重型带垫板鞍式支座尺寸如下：鞍座高度h=206mm，底板长，底板宽，底板厚度mm，腹板mm，垫板，地脚螺栓间距，孔径规格M24 包角，肋板数为4，带垫板。第4章 总 结 本次毕业设计的主要任务是设计废热锅炉以及解决其设计制造的优化问题。 与双管板废