浮头式换热器设计.doc

AOS600 型换热器的机械设计 摘 要 本设计说明书是关于 AOS600 型换热器的设计 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 设计的前半部分是工艺计算部分 主要是根据给定的设 计条件估算换热面积 从而进行换热器的选型 校核传热系数 计算出实际的换热 面积 最后进行压力降和壁温的计算 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 如接管 折流板 定距管 钩圈 管 箱等 的设计 包括 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 最后设计结果可通过 6 张图 表现出来 关于浮头式换热器设计的各个环节 设计说明书中都有详细的说明 关键词 管壳式换热器 浮头式换热器 管板 浮头盖 浮头法兰 I AOS600 Exchanger Design Abstract The design manual is about the AOS600 floating head heat exchanger which included technology calculate of heat exchanger the structure and intensity of heat exchanger The first part of design is the technology calculation process Mainly the process of technology calculate is according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area and then select a suitable heat exchanger to check heat transfer coefficient just for the actual heat transfer area Meanwhile the process above still include the pressure drop and wall temperature calculation The second half of the design is about the structure and intensity of the design This part is just on the selected type of heat exchanger to design the heat exchangers components and parts such as vesting baffled plates the distance control tube circle hook tube boxes This part of design mainly include the choice of materials identify specific size identify specific location the thickness calculation of tube sheet the thickness calculation of floating head planting and floating head large the opening reinforcement calculation etc In the end the final design results through six maps to display The each aspects of the floating head heat exchange has detailed instructions in the design manual Key word Shell Tube heat exchanger floating head heat exchanger tube sheet floating head planting floating head flange 目录 1 1 绪论绪论 1 1 1 换热器介绍 1 1 2 换热器分类 1 1 3 浮头式换热器的构造原理和特点 3 1 4 浮头式换热器的优缺点 3 2 2 说明部分说明部分 4 2 1 浮头式换热器零部件材料的选择要求 4 2 2 换热管与管板的连接方式 4 2 2 1 胀接 4 2 2 2 焊接 4 2 2 3 胀焊并用 4 2 2 4 换热管与管板连接型式的选择 5 2 3 浮头式换热器各零部件的结构及选择 5 2 3 1 折流板和支持板 5 2 3 2 换热管的排列形式 6 2 3 3 壳体与管板连接结构的设计 7 2 3 4 钩圈的选择 7 2 3 5 封头的选择 7 2 3 6 管法兰的选择 8 3 3 计算部分计算部分 9 3 1 筒体厚度计算 9 I 3 1 1 符号说明 9 3 1 2 筒体厚度计算 9 3 2 前端短节及封头厚度计算 11 3 2 1 符号说明 11 3 2 2 前端短节厚度计算 11 3 2 3 前端封头厚度计算 13 3 3 后端短节及封头厚度计算 14 3 3 1 符号说明 14 3 3 2 后端短节厚度计算 15 3 3 3 后端封头厚度计算 16 3 4 容器法兰与垫片的选择 18 3 4 1 固定端壳体法兰 垫片管箱法兰 垫片 18 3 4 2 外头盖法兰 垫片 19 3 4 3 外头盖侧法兰 21 3 5 带法兰无折边球形封头及法兰计算 22 3 5 1 符号说明 22 3 5 2 管程压力 内压 Pt 作用下浮头盖的计算 22 3 5 3 管程压力 外压 Pt 作用下浮头盖的计算 27 3 6 管板厚度计算及管子拉脱力和稳定性校核 31 3 6 1 符号说明 31 3 6 2 浮头管板的厚度计算及管子拉脱力和稳定性校核 33 3 6 3 固定管板的厚度计算及管子拉脱力和稳定性校核 39 3 7 钩圈厚度的计算 45 II 3 8 开孔与开孔补强的计算 45 3 8 1 符号说明 45 3 8 2 不另行补强的最大开孔直径 46 3 8 3 筒体开孔补强面积的计算 46 3 8 4 补强范围的计算 47 3 8 5 有效补强面积 47 4结论结论 49 参考文献参考文献 50 谢辞谢辞 51 0 1绪论绪论 1 1 换热器介绍 换热器是化工 石油 制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一 据 统计 在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的 30 在炼油厂中换 热器占全部工艺设备的 40 左右 海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的 上个世纪 70 年代初发生的世界性能源危机 有力地促进了传热强化技术的发展 为 了节能降耗 提高工业生产的经济效益 要求开发适用不同工业过程要求的高效能换 热设备 因此 几十年来 高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题 国内外先 后推出了一系列新型高效换热 各种新型换热器的紧凑性 制冷性能好 运行成本 低等优越性已越来越被人们所认识 随着我国经济的发展 换热器技术的发展 特 别是各种大型的工业制冷装置和空调用制冷装置发展迅速 这为各种换热器的应用 提供了广阔的市场 1 2 换热器分类 换热器按传热原理分类 表面式换热器 表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里 流动 通过壁面的导热和流体在壁表面对流 两种流体之间进行换热 表面式换热 器有管壳式 套管式和其他型式的换热器 蓄热式换热器 蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体 把热量从高温流 体传递给低温流体 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 使之达到热量传递的目的 蓄热式换热器有旋转式 阀门切换式等 流体连接间接式换热器 流体连接间接式换热器 是把两个表面式换热器由 在其中循环的热载体连接起来的换热器 热载体在高温流体换热器和低温流体之间 1 循环 在高温流体接受热量 在低温流体换热器把热量释放给低温流体 直接接触式换热器 直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备 例如 冷水塔 气体冷凝器等 换热器按用途分类 加热器 加热器是把流体加热到必要的温度 但加热流体没有发生相的变化 预热器 预热器预先加热流体 为工序操作提供标准的工艺参数 过热器 过热器用于把流体 工艺气或蒸汽 加热到过热状态 蒸发器 蒸发器用于加热流体 达到沸点以上温度 使其流体蒸发 一般有 相的变化 按换热器的结构分类 可分为 浮头式换热器 固定管板式换热器 U 形管板换热器 板式换热等 1 3 浮头式换热器的构造原理和特点 浮头式换热器两端的管板 一端不与壳体相连 该端称浮头 管子受热时 管 束连同浮头可以沿轴向自由伸缩 完全消除了温差应力浮头式换热器其一端管板与 壳体固定 而另一端的管板可以在壳体内自由浮动 壳体和管束对热膨胀是自由的 故当两种介质的温差较大时 管束与壳体之间不会产生温差应力 浮头端设计成可 拆结构 使管束可以容易地插入或抽出 这样为检修和清洗提供了方便 这种形式 的换热器特别适用于壳体与换热管温差应力较大 而且要求壳程与管程都要进行清 洗的工况 1 4 浮头式换热器的优缺点 优点 管束可以抽出 以方便清洗管 壳程 2 介质间温差不受限制 可在高温 高压下工作 一般温度小于等于 450 度 压力小于等于兆帕 可用于结垢比较严重的场合 可用于管程易腐蚀场合 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 3 2 说明部分 2 1 浮头式换热器零部件材料的选择要求 压力容器选择材料必须考虑容器的具体操作条件 如介质 设计温度 设计压 力 使所选择材料的力学 物理和耐腐蚀性能等相适合 符合有关材料标准的规定 并应在经济上合理 用于制造压力容器的材料 要求有良好的加工工艺 以便制造 成形 更要考虑加工后材料性能要满足操作条件的要求 中国压力容器用钢已形成三大基本类型 碳素钢 低合金钢和高合金钢三大系 列 其中碳素钢中的低碳钢可以用来制造压力容器 其强度低而延伸性与可焊性好 因此允许用于制造低参数的压力容器 低合金钢是在低碳钢中加入少量合金元素 提高了钢的强度和低温韧性 从而扩大了使用的范围 而高合金钢主要是抗腐蚀 抗氧化或耐特高的温度的情况下 本设计要求设计压力为 2 25MPa 壳层温度为 200 C 管层温度为 200 C 故 选用低合金钢 Q345R 2 2 换热管与管板的连接方式 换热管与管板的连接方式有胀接 焊接 胀焊并用等型式 2 2 1 胀接 胀接形成按胀紧度可分为贴胀与强度胀 贴胀是指为消除换热管与管板之间缝 隙的轻度胀接 强度胀是指为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀 接 2 2 2 焊接 4 换热管与管板的焊接连接又分为强度焊与密封焊两种 强度焊是指保证换热管 与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接 密封焊是指保证换热管与管板连接密 封性能的焊接 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 胀焊并用 从胀焊连接的工艺上来讲 又可分为先胀后焊和先焊后胀两种工艺 胀焊并用 适用于密封性能要求高的场合 承受震动或疲劳载荷的场合 有间隙腐蚀的场合 采用复合管板的场合 2 2 4 换热管与管板连接型式的选择 GB150 2011 压力容器 中规定强度胀接的适用范围是 设计压力小于等于 4MPa 设计温度小于等于 300 C 操作中无剧烈的振动 无过大的温度变化及无 明显的应力腐蚀 强度焊的适用范围是 可用于本标准规定的设计压力 但不适用 于有较大振动及有间隙腐蚀的场合 胀焊并用适用于密封性能要求高的场合 承受 震动或疲劳载荷的场合 有间隙腐蚀的场合 采用复合管板的场合 因本次设计的设计压力为 2 25MPa 设计温度为 200 C 故本换热器的换热管与 管板的连接方式为胀接 2 3 浮头式换热器各零部件的结构及选择 2 3 1 折流板和支持板 折流板的类型 5 图 2 1 折流板架构 常用的折流板形式有弓形和圆盘 圆环型两种 其中弓形折流板有单弓形 双弓 形和三弓形三种 各种形式的折流板如图 2 1 所示 根据本设计中的条件和介质的 要求 采用了垂直单弓形折流板 折流板布置 折流板与支持版一般用拉杆和定距管连接在一起 如图 2 4 a 所示 当换热 管外径小于等于 14mm 时 采用折流板与拉杆点焊在一起而不用定距管 如图 2 4 b 所示 图中 dn为拉杆直径 d 为换热管外径 本换热器的换热管外径为 25mm 故采用了拉杆 定距管结构 a 定距管 b 点焊结构 图 2 2 折流板与支持板的连接方式 2 3 2 换热管的排列形式 换热管在管板上的排列有正三角形排列 正方形排列和正方形错列三种排列方 式 各种排列方式都有其各自的特点 正三角形排列 排列紧凑 管外流体湍流 6 程度高 正方形排列 易清洗 但给热效果较差 正方形错列 可以提高给热 系数 图 2 3 换热管排列形式 在此 选择转角正方形排列 主要是这种排列传热系数高 查 GB151 1999 可知 换热管的中心距 S 32mm 分程隔板槽两侧相邻管的中心 距为 44mm 同时 由于换热管管间需要进行机械清洗 故相邻两管间的净空距离 S d 不宜小于 6mm 2 3 3 壳体与管板连接结构的设计 由于浮头式换热器要求管束能够方便地从壳体中抽出进行清洗和维修 因而换 热器固定端的管板采用可拆式连接方式 即把管板利用垫片夹持在壳体法兰与管箱 法兰之间 A 型钩圈 B 型钩圈 图 2 4 钩圈的类型 7 2 3 4 钩圈的选择 在本设计当中选择了 B 型钩圈 2 3 5 封头的选择 凸形封头包括椭圆形封头 蝶形封头 球冠形封头和半球形封头 椭圆形封头 推荐采用长短轴比值为 2 的标准型 本设计两端采用标准椭圆形封头 浮头法兰端 采用无折边球形封头 图 2 5 凸形封头的类型 2 3 6 管法兰的选择 根据 HG 20592 2009 钢制管法兰 PN 2 5MPa 系列 本设计中接管选用直径为 25mm 的接管 表 2 1 PN2 5Mpa 带颈对焊钢制管法兰 公称直径 DN法兰焊端外径 B 法兰外径 D螺栓孔中心圆 直径 K 螺栓孔径 L 8 25321158514 螺栓数量 n螺纹规格法兰理论重量 Kg 法兰厚度 C 4M121 2618 法兰高度 H法兰颈 N法兰颈 S法兰颈 H1法兰颈 R 40922 664 3 计算部分 3 1 筒体厚度计算 3 1 1 符号说明 筒体材料选择 Q345R 设计温度 150 C 设计压力 2 5MPa 筒体内径 i DmmDi600 C 负偏差 C 0 3mm 11 C 腐蚀裕量 C 2mm 22 焊接系数 双面焊对接接头 100 无损探伤 故焊接系数 0 1 Pc 计算压力 Pc 2 5MPa 计算厚度 mm 水压试验温度下材料的许用应力查 GB150 2010 表 4 1 189MPa 设计温度下材料的许用应力 查 GB150 2010 表 4 t 9 1 189MPa t d 壳体设计厚度 mm n 壳体名义厚度 mm e 壳体有效厚度 mm 最大允许压力 MPa wP 壳体承受压力 MPa TP 水压试验系数 1 25 设计温度下屈服点 由 GB150 2010 附录 B 1 内插法求得 s 345MPa s 壳体材料水压试验时屈服强度 MPa t 3 1 2 筒体厚度计算 1 厚度计算 计算厚度 c t ic P Dp 2 mm98 3 5 21 189 2 600 5 2 设计厚度 d 2 C d mm98 5298 3 名义厚度 n 根据管壳是换热器对于低合金钢板的最小厚度要求 当时 最小厚mmDi600 度 不包括腐蚀裕量的 不应小于 8mm 所以 1 C dn mm103 098 5 有效厚度 e 12100 327 7enCCmm 2 压力试验应力校核 10 最大允许压力 wP 2 ei t e w D P Mpa79 4 7 7600 1 189 7 7 2 水压试验校核 t T PP 25 1 Mpa125 3 5 2 25 1 屈服强度校核 e eiT t DP 2 Mpa 7 7 2 7 7600 2 0 90 9 345310 5 S MPa 结论 由于 所以该筒体的厚度满足使用要求 TP wP 满足要求 st 9 0 3 2 前端短节及封头厚度计算 3 2 1 符号说明 前端管箱短节和封头材料选择 Q345R 设计温度 100 C 设计压力 2 5MP mmDi600 前端管箱短节计算厚度 mm 1 前端管箱短节设计厚度 mm 1d 前端管箱短节名义厚度 mm 1n 前端管箱短节有效厚度 mm 1e 前端管箱短节承受压力 MPa 1T P 11 前端管箱短节最大允许压力 MPa 1 wP 前端管箱短节材料水压试验时屈服强度 MPa 1t K 封头系数 由于选用标准椭圆封头 所以 K 1 前端管箱封头计算厚度 mm 2 前端管箱封头设计厚度 mm 2d 前端管箱封头名义厚度 mm 2n 前端管箱封头有效厚度 mm 2e 前端管箱封头承受压力 MPa 2T P 前端管箱封头最大允许压力 MPa 2 wP 前端管箱封头材料水压试验时屈服强度 MPa 2t 未注明符号与 3 1 1 中符号相同 3 2 2 前端短节厚度计算 1 厚度计算 计算厚度 c t ic P DP 2 1 mm4 5 21 189 2 600 5 2 设计厚度 1d 4 2 6mm 2 C d 名义厚度 1n 根据管壳是换热器对于低合金钢板的最小厚度要求 当时 最小厚mmDi600 度 不包括腐蚀裕量的 不应小于 8mm 所以 1113 700 3610ndCmm 有效厚度 1e 12 1112100 327 7enCCmm 2 压力试验应力校核 最大允许压力 1 wP 2 1 ei t e w D P Mpa07 4 7 7600 1 189 7 7 2 水压试验校核 1 25 2 5 1 3 125Mpa t T PP 25 1 1 屈服强度校核 e eiT t DP 2 1 1 Mpa 9 78 7 7 2 7 7600 2 0 90 9 345310 5 S MPa 结论 由于 所以该筒体的厚度满足使用要求 1TP1 wP 1 0 9 ts 满足要求 3 2 3 前端封头厚度计算 1 厚度计算 计算厚度 c t ic P DP 5 0 2 2 mm98 3 5 0 5 21 189 2 600 5 2 设计厚度 2d 13 mmC d 98 5 298 3 222 名义厚度 2n 根据管壳是换热器对于低合金钢板的最小厚度要求 当时 最小厚mmDi600 度 不包括腐蚀裕量的 不应小于 8mm 所以 mmC n 103 098 5 122 5 有效厚度 2e mmCC ne 7 723 010 212 2 压力试验应力校核 最大允许压力 2 wP 4 07Mpa ei t e w D P 2 水压试验校核 t T PP 25 1 2 Mpa125 3 189 189 5 2 25 1 屈服强度校核 2 22 2 2 e eiT t DP Mpa32 123 7 7 2 7 7600 125 3 0 90 9 345310 5 S MPa 结论 由于 所以该筒体的厚度满足使用要求 2TP2 wP 14 2 0 9 ts 满足要求 3 前端管箱封头的选择 查阅 JB T4746 2002 钢制压力容器用封头 可得封头的型号参数如下 表 3 1 DN400 标准椭圆形封头参数 DN mm 总深度 H mm 内表面积 A 容积 m3 封头质量 6001750 43740 035323 3351 3 3 后端短节及封头厚度计算 3 3 1 符号说明 后端管箱短节和封头材料选择 Q345R 设计温度 100 C 设计压力 2 5MPa mmDN700100600 后端管箱短节计算厚度 mm 1 后端管箱短节设计厚度 mm 1d 后端管箱短节名义厚度 mm 1n 后端管箱短节有效厚度 mm 1e 后端管箱短节承受压力 MPa 1T P 后端管箱短节最大允许压力 MPa 1 wP 后端管箱短节材料水压试验时屈服强度 MPa 1t K 封头系数 由于选用标准椭圆封头 所以 K 1 后端管箱封头计算厚度 mm 2 后端管箱封头设计厚度 mm 2d 后端管箱封头名义厚度 mm 2n 后端管箱封头有效厚度 mm 2e 15 后端管箱封头承受压力 MPa 2T P 后端管箱封头最大允许压力 MPa 2 wP 后端管箱封头材料水压试验时屈服强度 MPa 2t 未注明符号与 3 1 1 中符号相同 3 3 2 后端短节厚度计算 1 厚度计算 计算厚度 c t ic P DP 2 1 mm66 4 5 21 189 2 700 5 2 设计厚度 1d mmC d 66 6 266 4 211 名义厚度 1n 根据管壳是换热器对于低合金钢板的最小厚度要求 当时 最小mmDi700 厚度 不包括腐蚀裕量的 不应小于 8mm 所以 mmC dn 103 066 6 111 有效厚度 1e 1112100 327 7enCCmm 压力试验应力校核 最大允许压力 1 wP ei t e w D P 2 Mpa11 4 7 7700 1 189 7 7 2 水压试验校核 t T PP 25 1 1 Mpa125 3 5 2 25 1 16 屈服强度校核 2 22 2 2 e eiT t DP Mpa 9 91 7 7 2 7 7700 2 0 90 9 345310 5 S MPa 结论 由于 所以该筒体的厚度满足使用要求 1TP1 wP 1 0 9 ts 满足要求 3 3 3 后端封头厚度计算 厚度计算 计算厚度 c t ic P DP 5 0 2 2 mm6 4 5 2 5 01 189 2 700 5 2 设计厚度 2d mmC d 6 626 4 222 名义厚度 2n 根据管壳是换热器对于低合金钢板的最小厚度要求 当时 最小厚mmDi700 度 不包括腐蚀裕量的 不应小于 8mm 所以 122 C dn mm103 06 6 有效厚度 2e 17 2212100 327 7enCCmm 压力试验应力校核 最大允许压力 2 wP 5 0 2 2 2 2 ei t e w DK P mm13 4 7 7 5 0700 1 1 189 7 7 2 水压试验校核 t T PP 25 1 2 Mpa125 3 189 189 5 2 25 1 屈服强度校核 2 22 2 2 e eiT t DP Mpa61 143 7 7 2 7 7700 125 3 0 90 9 345310 5 S MPa 结论 由于2 5MPa 故符合要求 n 10mm 2 螺栓的强度校核 垫片接触宽度 10 2 oidd Nmm 垫片基本密封宽度 当时 06 4bmm 垫片有效密封宽度 0 5bbmm 垫片压紧力作用中心圆直径 0 10 5 22 N bmm 28 2 10 dd DGmm582 2 572592 预紧状态下需要的最小螺栓载荷 byDW Ga 14 3 mmN 6 63048069 5 582 14 3 操作状态下需要的最小螺栓载荷 2 0 7856 28 pGcGc WDPD bmP 22 5 2 5 582 28 6 5 2 582 785 0 778963 35MPa 预紧状态下所需螺栓面积 2 74 3612196 6 630480 mmWA baa 操作状态下所需螺栓面积 t bpp WA 2 3 3974196 35 778963mm 所需螺栓面积取和的最大值 取 16 个 M27 的螺栓 m A a A p A 2 41 6589mmAm 螺栓有效面积 A 2 4 o dA 22 4 502 3 25 4 14 3 mm 实际螺栓面积总面积 b A 2 234 94 163759 08 mb AAnmmA AnAb 2 4 803816 4 502mm 29 故选取的螺栓满足强度要求 3 浮头法兰的厚度计算 假设法兰的计算厚度 mm L 6mm f f 44 fi 1 n 0 50 5 374 arcsinarcsin37 82 0 53000 5 10 o D R n fi R D 5 0 5 0 arcsin 1 o 1 34 10 5 0500 574 5 0 arcsin 操作情况下法兰的受力情况 bmpDFF GPG 28 6 N 5 1142175 2 5 582 28 6 cGP DF 2 785 0 N85 6647455 2 582 785 0 2 cfiD PDF 2 785 0 N65 6465965 2 574 785 0 2 18149 2N DT FFF 955019 26N 1 ctgFF Dy o ctg1 34 65 646596 操作状态情况下力臂 2 fib D DD Lmm5 31 2 574637 2 Gb G DD Lmm 5 27 2 582637 11 27 531 5 29 5 22 TDG LLLmm lL n f f 1 cos22 mm o 96 96 1 34cos2 10 2 44 30 操作状态情况下力矩 DDD LFMmmN 48 20367794 5 31 65 646596 mmNLFM GGG 25 3140981 5 27 5 114217 mmNLFM TTT 4 535401 5 29 5 11849 mmNLFM fff 95 951196196 9 26 955019 操作状态情况下法兰总力矩 14532215 18 fGTDp MMMMMmmN 预紧状态下法兰的力矩 b 0 5 aGmbG MWLAAL 5 27 196 53 803941 6589 5 0 39424993 3mmN 7 33mm 8 4 22 fifo t f fiific DD DRDP L 574680 189 8 574500 4574 5 2 22 1584 71 fifo fifo fi t f p p DD DD D M J 574680 574680 574 189 14532215 mmN 4299 22 ftfo ftfo ft t f a a DD DD D M J 574680 574680 574 189 3 39424993 mmN 预紧状态下 afa J mm57 6522 4299 7 33 47 81mm 2 LJL pfp 2 33 7 71 1584 法兰厚度取与的最大值 65 57 mm 且大于 2 20 则假设的厚度为 f fp fa n 44mm 是可取的 65 57 42 46 2 0 3 1 24 68mm fn 12CC 31 3 6 管板厚度计算及管子拉脱力和稳定性校核 3 6 1 符号说明 在布管区范围内 因设置隔板槽和拉杆结构的需要 而未能被换热管支 d A 承的面积 对正方形排列 2 mm 隔板槽一侧的排管根数 n 换热管中心距 S 隔板槽两侧邻管的中心距 n S 管板布管区面积 对多管程正方形排列换热器 t A 2 mm 管板布管区内开孔后的面积 l A 2 mm 一根换热管管壁金属的横截面积 a 2 mm 固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径 G Dmm 管板布管区当量直径 t Dmm 4 t t A D 换热管外径 dmm 设计温度时 管板材料的弹性模量 Mpa p E 设计温度时 换热管材料的弹性模量 Mpa f E 系数 按 和查 GB151 图 24 we G A 1 1 2 3 a KP1 t 管束模数 Mpa t K t t t E na K LD 管束无量纲刚度 Mpa t K t t p K K E 32 换热管有效长度 两管板内侧间距 Lmm 换热管与管板胀接长度或焊脚高度 lmm 换热管根数 n 无量纲压力 a P 1 5 a at r P P 当量压力组合 Mpa c P 管板设计压力 Mpa d p 壳程设计压力 Mpa s p 管程设计压力 Mpa t p 换热管与管板连接拉脱力 Mpa q 许用拉脱力 查 GB151 Mpa q 系数 1 na A 管板计算厚度 mm 换热管管壁厚度 t mm 管板刚度削弱系数 一般可取值 管板强度削弱系数 一般取 0 4 系数 t t t G D D 换热管轴向应力 Mpa t 换热管稳定许用压应力 Mpa cr 设计温度时 管板材料的许用应力 Mpa t r 设计温度时 换热管材料的许用应力 Mpa t t 33 3 6 2 浮头管板的厚度计算及管子拉脱力和稳定性校核 设计条件 换热面积 A 118 8m2 管壳程设计压力 MpaP5 2 设计温度 150 腐蚀裕量 2 2Cmm 管程数 2 查文献 1 表 F5 得管板设计温度下的弹性模量 3 200 10 P EMPa 管板刚度削弱系数 0 4 管板强度削弱系数 0 4 管子与管板胀接长度系数 l 3 5mm 管板设计温度下许用应力 135 t r MPa 许用拉脱力 0 50 5 150 7575 375 t t qMPa 壳体公称直径 mmDN600 换热管外径 19 0 mmd 换热管壁厚 2mm t 换热管长度 mml6000 受压失稳长度 1200mmLcr 管间距 mms25 管板上管程分程隔板槽深 1 5Hmm 壳程结构槽深 2 0H 换热管材料 20 钢 管板材料 16MnR 34 换热管与管板采用胀接 厚度的计算及拉托力和稳定性校核 厚度计算 假设浮头管板名义厚度 26mm 沿隔板槽一侧的排管根数 12n 隔板曹两侧相邻管中心距 44 n smm 布管区内未被换热管支撑的面 12 25 32 25 2100 sssnA nd 2 mm 管子金属总截面积 36084 88 4 2 0 2 1 ddn na 4 1519 14 3 338 22 2 mm 开孔面积 22 13 957844 mmdn 管子有效长度 5 1 22 n LL 6000 2 26 2 1 5 5945mm 查文献 1 表 F5 得管子设计温度下弹性模量 3 200 10 t EMPa 查文献 1 表 F5 得管板设计温度下的弹性模量 3 199 5 10 P EMPa 查文献 1 表 4 3 得管子设计温度下许用应力 Mpa t b 133 查文献 1 表 F2 得管子设计温度下屈服点 235 625 t s MPa 管子回转半径 6 05mm 4 2 22 t dd i 4 2 219 19 22 35 换热管根数 8 663 ld A n 换热管根数再根据换热管排布和取整最后 n 663 受压失稳长度 mmlcr800 系数 223 22 3 14200 10 129 37 235 625 t r t s E C 当时 管子稳定许用应力 cr r l C i 600 75129 37 8 r C 72 2 1 2 r cr t s cr C il 37 129 2 8 800 1 2 625 235 Mpa 垫片接触面积 mmN10 2 572592 垫片基本密封宽度 0 5 2 N bmm 当时 0 6 4bmm 05bbmm mm dd DG582 2 10 36 管板补管区面积 338 213507 2AdnsAt 2 2 2257252 2 mm 布管区内开孔后面积 213507 2 338 3 14 19 19 4 117723 074 2 dnAA tl 2 mm 管板布管当量直径 mmAD tt 5 52114 3 2 213507 4 4 管束模数 2327 82 t t t DL naE K 5 521 5945 88 36084 10 200 3 管束无量纲 0 029 p t t E K K 3 10 5 199 4 0 82 2327 系数 l Ana 31 0 07 117723 88 36084 90 0 582 5 521 Gtt DD 无量纲压力 t r a a P P 5 1 022 0 189 4 0 5 1 5 2 按 查图 23 得 1 31 2 ta kP 1 t 14 0 C 按 查图 24 得 1 31 2 ta kP 1 t 1 4 we C 管板计算厚度 at PCD 83 10022 0 14 0 5 521 管板的名义厚度 37 211 CCH n mm203 02583 10 符合条件 管子的应力校核 当 时Mpaps5 2 0 t P 1 tsc PPPMpa5 2 1 we l t tsct G A A PPP 189MpaMPa9 51 1 4 7 117723 2 213507 5 25 2 31 0 1 管板合格 当 时 0 s P MpaPt5 2 1 tsc PPPMpa275 3 31 0 1 5 20 t we l 1 tcst A PPPG A Mpa40 49 1 4 7 117723 2 213507 5 2 275 3 31 0 1 t 135 cr MPa 管板合格 当 时MpaPMpaP ts 5 2 5 2 38 1 tsc PPP Mpa775 0 31 0 1 5 25 2 t we l 1 tcst A PPPG A Mpa 5 2 1 4 7 117723 2 213507 5 2 775 0 31 0 1 管板合格 t cr 拉脱力校核 dl a q t Mpa25 25 5 3 19 14 3 76 106 40 49 1 75 375aqqMP 管子与管板的连接结构合格 3 6 3 固定管板的厚度计算及管子拉脱力和稳定性校核 设计条件 换热面积 A 118 8m2 管壳程设计压力 MpaP5 2 设计温度 150 腐蚀裕量 2 2Cmm 管程数 2 查文献 1 表 F5 得管板设计温度下的弹性模量 3 200 10 P EMPa 查文献 1 表 F5 得管板设计温度下的弹性模量 3 199 5 10 P EMPa 管板刚度削弱系数 0 4 管板强度削弱系数 0 4 39 管子与管板胀接长度系数 l 3 5mm 管板设计温度下许用应力 135 t r MPa 许用拉脱力 0 50 5 150 7575 375 t t qMPa 壳体公称直径 600mmDN 换热管外径 mmd19 0 换热管壁厚 2mm t 换热管长度 mml6000 受压失稳长度 800 cr l 管间距 mms25 管板上管程分程隔板槽深 1 5Hmm 壳程结构槽深 2 0H 换热管材料 20 钢 管板材料 16MnR 换热管与管板采用胀接 厚度的计算及拉托力和稳定性校核 厚度计算 假设浮头管板名义厚度 26mm 沿隔板槽一侧的排管根数 12n 隔板曹两侧相邻管中心距 44 n smm 管子金属总截面积 36084 88 4 2 0 2 1 ddn na 4 1519 14 3 338 22 2 mm 40 开孔面积 22 13 957844 mmdn 管子有效长度 5 1 22 n LL 6000 2 26 2 1 5 5945mm 查文献 1 表 F5 得管子设计温度下弹性模量 3 200 10 t EMPa 查文献 1 表 F5 得管板设计温度下的弹性模量 3 199 5 10 P EMPa 查文献 1 表 4 3 得管子设计温度下许用应力 Mpa t b 133 查文献 1 表 F2 得管子设计温度下屈服点 235 625 t s MPa 管子回转半径 6 05mm 4 2 22 t dd i 4 2 219 19 22 换热管根数 8 663 ld A n 换热管根数再根据换热管排布和取整最后 n 663 受压失稳长度 mmlcr800 系数 223 22 3 14200 10 129 37 235 625 t r t s E C 当时 管子稳定许用应力 cr r l C i 600 75129 37 8 r C 72 2 1 2 r cr t s cr C il 37 129 2 8 800 1 2 625 235 Mpa 41 垫片接触面积 mmN10 2 572592 垫片基本密封宽度 0 5 2 N bmm 当时 0 6 4bmm 05bbmm mm dd DG582 2 10 管板补管区面积 338 213507 2AdnsAt 2 2 2257252 2 mm 布管区内开孔后面积 213507 2 338 3 14 19 19 4 117723 074 2 dnAA tl 2 mm 管板布管当量直径 mmAD tt 5 52114 3 2 213507 4 4 管束模数 2327 82 t t t DL naE K 5 521 5945 88 36084 10 200 3 管束无量纲 0 029 p t t E K K 3 10 5 199 4 0 82 2327 42 系数 l Ana 31 0 07 117723 88 36084 90 0 582 5 521 Gtt DD 无量纲压力 t r a a P P 5 1 022 0 189 4 0 5 1 5 2 按 查图 23 得 1 31 2 ta kP 1 t 14 0 C 按 查图 24 得 1 31 2 ta kP 1 t 1 4 we C 管板计算厚度 at PCD 83 10022 0 14 0 5 521 管板的名义厚度 211 CCH n mm203 02583 10 符合条件 管子的应力校核 a 当 时Mpaps5 2 0 t P 1 tsc PPPMpa5 2 1 we l t tsct G A A PPP 189MpaMPa9 51 1 4 7 117723 2 213507 5 25 2 31 0 1 管板合格 43 b 当 时0 s P MpaPt5 2 1 tsc PPPMpa275 3 31 0 1 5 20 t we l 1 tcst A PPPG A Mpa40 49 1 4 7 117723 2 213507 5 2 275 3 31 0 1 t 135 cr MPa 管板合格 c 当 时MpaPMpaP ts 5 2 5 2 1 tsc PPP Mpa775 0 31 0 1 5 25 2 t we l 1 tcst A PPPG A Mpa 5 2 1 4 7 117723 2 213507 5 2 775 0 31 0 1 t cr 管板合格 拉脱力校核 dl a q t Mpa25 25 5 3 19 14 3 76 106 40 49 1 75 375aqqMP 管子与管板的连接结构合格 44 3 7 钩圈厚度的计算 1 计算条件 材料 16MnR 设计温度 150 2 钩圈计算厚度 1626 1642 n mm 注 浮头管板的计算厚度 n 3 8 开孔与开孔补强的计算 3 8 1 符号说明 A 开孔削弱所需要的补强截面积 mm2 A1 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 mm2 B 补强有效宽度 mm Di 壳体内直径 mm d 开孔直径 mm do 接管外径 mm fr 强度削弱系数 h1 接管外侧有效补强高度 mm h2 接管内侧有效补强高度 mm pc 计算压力 MPa S1 管孔的轴向节距 mm S2 孔带的单位长度 mm S3 管孔的对角向节距 mm 壳体开孔处的计算厚度 mm 45 壳体开孔处的有效厚度 mm e 接管有效厚度 mm et 壳体开孔处的名义厚度 mm n 接管名义厚度 mm nt 接管计算厚度 mm t 设计温度下壳体材料的许用应力 MPa t 钢材标准抗拉强度下限值 MPa b 钢材标准屈服点 MPa s 焊接接头系数 3 8 2 不另行补强的最大开孔直径 壳体开孔满足下述全部要求时 可不另行补强 1 设计压力小于或等于 2 5MPa 2 两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和的两倍 3 接管公称外径小于或等于 89mm 4 接管最小壁厚满足文献 1 表 8 1 的要求 因本设计的接管外径为 150mm 故需要另行补强 3 8 3 筒体开孔补强面积的计算 本圆筒开孔直径 d do 2C 150 2 2 154mm 圆筒和补强圈的材料 16MnR 查文献 1 表 4 3 得在 150 时 16MnR 的许用应力 t 189MPa 接管材料 20 号钢 查文献 1 表 4 3 得在 200 时 20 号钢的许用应力 nt 150 75MPa 强度削弱系数 46 腐蚀裕量 C 2mm 2 接管有效厚度为 et 826etntCmm 开孔所需补强面积 3