毕业设计论文容积式水加热器.doc

20安全工程课程设计说 明 书课题：容积式水加热器学院：质量与安全工程学院专业：安全工程班级： 学号： 姓名： 时间: 年 月目 录前言1. 选材与选型1.1选材分析.41.2选型依据.42.工艺计算2.1热量衡算.52.2传热面积.52.3筒体长度、管子长度及管子数.62.4确定管子排列方式.62.5筒体、封头壁厚 62.6确定封头上接管及法兰尺寸.62.7进出水孔的尺寸及法兰定位.72.8管箱、封头壁厚.72.9管箱筒节计算.72.10隔板计算.72.11管板计算.83.补强计算3.1人孔补强计算.103.2进出水口开孔补强计算113.3排污口开孔补强计算123.4封头上接管开孔补强计算133.5蒸汽进口开孔补强计算133.6冷凝水出口开孔补强计算144.焊接结构4.1筒体对接焊缝.4.2接管与筒体连接焊缝.4.3封头与筒体连接焊缝4.4法兰与接管焊缝.5.容器制造与试验5.1制造过程中检验5.2检验要求.5.3压力试验.6.符号表7.参考书目前 言此次设计的任务为一容积式水加热器，主要利用蒸汽来对水进行加热。改加热器主要原理即换热器的传热，此设计选择管壳式换热器，在工业上的应用有着悠久的历史，目前技术已经比较成熟，且已被作为一种传统标准的换热器设备而广泛使用。管壳式换热器，又称列管式换热器，具有易于制造、生产成本低、选材范围广、对传热面清洗比较方便、适应性强、处理量大、可靠性强等诸多优点，但在传热效率、结构紧凑性以及单位面积的金属消耗量等方面，无法和一些新型换热器相比，不过由于他能承受高温、高压且可靠性强，是目前工业上使用最广泛的一种换热器。管壳式换热器可以进一步划分为固定管板式、浮头式、填料函式和U形管式。此处设计选用U形管式，U形管式换热器管束一般采用三角形排列、管程为偶数程。设计中，材料选择0Cr18Ni10Ti和0Cr18Ni19，使该换热器在强度、耐腐蚀性、抗高温氧化性及结构和经济性方面都满足了要求。设计中各个所涉及到的计算，从各数值的选择及计算方面都不可马虎，且最终设计制造完成后，要进行耐压试验，这是容器安全的保障。通过本次设计，我们能够深入地了解一个压力容器设计的整个过程的选材与选型、设计计算，各种焊缝的选择以及压力容器试验等各环节，进一步地理解了书本上的理论知识。由于压力容器安全设计涉及许多的理论及实际问题，本设计说明书篇幅有限，仅对工艺设计和强度计算作了较为重要的分析和说明，对其他相关方面，如选型与选材、焊接结构、耐压试验、制造工艺等，可查阅相关标准资料。由于设计者水平有限，以及经验不足，对说明书中的不妥及错误之处，欢迎批评指正。 设计者 年 月1.选材与选型 1.1选材分析1.1.1材料分析 换热器属于钢制压力容器，其材料选用均与压力容器选材原材一样。制造压力容器的材料多种多样，有黑色金属、有色金属、非金属材料以及复合性材料等，但使用最广泛的还是钢材。在目前生产情况下，多数场合用热轧厚板，由于压力容器制造中多数场合采用冷加工卷和焊接工艺，因此容器钢板必须具有良好的塑性和可焊性。我国容器用钢基本在符号末尾加一字母R表示容器用钢。我过压力容器用钢基本分为三大类型：碳素钢、低合金钢、高合金钢。1） 碳素钢强度低而延展性与可焊性好，能适应压力容器制造工艺的各种需要，但无法保证钢的化学成分，对某些操作介质的容器不适应，主要牌号有20R，Q235AF,Q235A 等。2） 低合金钢是在低碳钢的基础上加少量合金元素，如Mn , V , Mo等，可以显著提高钢材的强度，而成本增加了不多。其低温韧性和高温强度亦明显优于低碳钢，可扩大温度使用范围，主要牌号有：16MnR、15MnVR、18MnMoNiR等3） 高合金钢化工容器采用合金钢的目的主要是抗腐蚀、抗高温氧化或特别高的温度。我国采用合金钢主要是0Cr18Ni9和0Cr19Ni13M等牌号，其中铬镍不锈钢抗大气腐蚀的性能优良，主要有0Cr18Ni10Ti 、0Cr18Ni9等。1.1.2选材 本设计中筒体、封头及各接管采用0Cr18Ni10Ti是基于以下考虑1）首先容器是压力容器，需考虑其材料的强度。本设计中设计压力为 1.0MPa (0.1MPaP设1.6MPa，为低压容器)，0Cr18Ni10Ti能满足其强度需求。此外制造时多数采用冷卷及热冲压形成工艺，因此，材料塑性要良好，使容器在冷卷及热冲压时不裂不断，而0Cr18Ni10Ti属低碳钢（高合金钢），其塑性及延展性良好，因此，适合用来制造换热器。2）由于操作介质是水及蒸汽，他们虽不是强腐蚀介质，但是时间久了也会有一定的腐蚀，因此需要控制其化学成分，0Cr18Ni10Ti属不锈钢，只要Cl-浓度能得到控制，就会将腐蚀降到一定限度，所以材料合格。 1.2选型依据 本换热器选U型管式。管子成U形，两端固定在同一管板上，省去一快管板与一个板箱。由于管束与壳体分离，在受热膨胀时，彼此不受约束，故可消除温差应力。其结构简单，造价便宜，管束可以抽出，清洗方便，但是管内清洗较难。由于管内在本次设计中走蒸汽，不产生垢层，所以不需清洗。U型管在弯管处，必须保证一定的曲率 半径，因此在管束的中央部分应有较大的间隙，弯管对传热不利，因此必须控制此间隙，保证传热。U型管换热器主要作为给水加热器，选用此种型式满足设计要求。2工艺计算给定的卧式水加热器设计参数给定的卧式水加热器设计参数设计参数壳程管程设计压力MPa1.00.6设计温度1060164.2操作介质水蒸汽设备材质不锈钢不锈钢公称直径DN（mm）1000公称容积VN（m）2.02.1 热量衡算2.1.1 求进水水口每小时的流量（Q）其中：=0.1m/s，由GB3092-82，公称直径为80时，Di=82mm（）代入得：2.1.2 求每小时换热量（w）其中：, 代入数据得：考虑到热量损失，则：。2.2 换热面积（F），其中：，传热效率取0.7，不锈钢管传热系数k取720 。代入数据得：同样，考虑热量损失：2.3 筒体长度、管子长度及管字数2.3.1 筒体长度（l筒体）选择规格为的不锈钢无缝钢管，查标准得换热管中心距为32mm。对应于公称直径DN=12=1000mm的筒体，其封头公称直径1000mm，封头选标准椭圆封头，K=1，查得：h1=250mm，h2=25mm，v封头=0.151m3则容器总容积VN=V筒体+2V封头得：2.3.2 管子长度及管子数（l管子，n）管子长度l管子取2m，即2000mm。考虑到热量损失及排列方式，取n=18。2.4 管子排列方式由前面计算可知：管字数n=18，管子尺寸：用正三角形排列方式：换热管中心距：32mm，分层隔板槽两侧相邻管中心距：100mm.则管子排列方式如右图所示：考虑到管径外径，则有：106.6+25/2=118.85mm；又因为最外圈管子壁与壳体内壁间距离不小于10mm，故取OR=130mm。2.5 筒体、封头壁厚2.5.1 筒体壁厚计算筒体选不锈钢0Cr18Ni10Ti作为材料，查得；采用双面焊，无损探伤100%，所以焊缝系数=1.0。则：名义厚度，附加余量C1=0.2，腐蚀余量C2=0（材料为不锈钢，其腐蚀余量极弱），则。但参照标准，查得对于Di=1000mm的筒体，其壁厚不得小于8mm，所以筒体的壁厚。2.5.2 封头壁厚计算封头选用标准椭圆封头，椭圆封头是由半椭圆和高度为h的短圆筒两部分构成，直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用，采用不锈钢材0Cr18Ni10Ti，且设计为标准椭圆封头，即K=1，用双面焊，无损探伤100%，焊缝系数，则封头计算壁厚，其中，附加余量C1=0.2，腐蚀余量C2=0（材料为不锈钢，其腐蚀余量极弱），所以封头名义壁厚，考虑到封头壁厚最好与筒体壁厚一致，则取。2.6 确定封头上的接管及法兰尺寸2.6.1 接管接管材料选择0Cr18Ni10Ti，由管字数及排列方式接管最小半径为105mm，即管直径应为210mm，但又考虑到封头尺寸，按标准取300mm，则计算其壁厚按与凹面法兰及筒体封头的配合，取接管壁厚，伸长量为300mm，直径为300mm。2.6.6 法兰选取可查标准，选取凹面平焊法兰，公称直径为300mm，使其与接管相配。2.7 进出水孔的尺寸及法兰定位 水进出口接管直径为Dg=80，法兰选与接管尺寸相配的平焊法兰；进出水孔定位于离筒体边缘150mm处，进口在下，出口在上。2.8 管箱封头壁厚 设计压力取壳程设计压力Pt=0.6MPa，直径D=300mm，焊缝系数，选取标准椭圆封头，材料为OCr18Ni9，计算壁厚，查标准得此尺寸封头最少壁厚为8mm，因此取管箱封头壁厚为8mm。2.9 管箱筒节计算 短筒节的直径与前面所选法兰相配，为300mm，筒节材料选0Cr18Ni10Ti，则，擦汗标准，最终选取，节筒长度详见图纸。2.10 隔板计算隔板材料选：0Cr18Ni9隔板与封头及短接由焊接相连，与管板间靠压紧力压住管板，从而形成密封。隔板具体尺寸，取决于安装条件，详见管箱部件图。2.11 管板计算 管板材料选0Cr18Ni9， 管板强度的削弱系数 管板设计压力：， 热片压紧力作用中心圆直径DG 则管板计算厚度：，管板与管子采用胀焊结合的连接方式，查得管板厚度不得小于20mm，因此，为了安全起见管板厚取。2.11.1 管板形状如图3所示，具体结构尺寸见管板部件图。2.11.2 管板拉脱力校核：换热管尺寸，即外径d=25mm，壁厚；一根换热管横截面积，且，按下拉三种情况分别计算换热管轴向应力：I）只有壳程设计压力Ps=1.0MPa，管程Pt=0， II）只有管程设计压力Pt=0.6MPa，壳程Ps=0， III）Ps=1.0MPa，Pt=0.6MPa，管子与管板连接是强度胀辅以焊接：其中：p设计压力，取； f相邻四根管子之间面积，mm2； L管子胀接部位长度，mm；do管子外径，mm； di管子内经，mm； 管子上温差应力，取4.4MPa；a两管子之间间距，mm。胀接长度l的选择原则：两倍外径，即225=50mm，50mm；管板厚度减去3mm，即20-3=17mm。取三者中最小值，故L=17mm。代入数据得：， ， ，管板开孔槽，取所以q ，即实际补强面积开孔所需补强面积，所以人孔开口无需补强。3.2 水进出口开孔补强计算（a、b）3.2.1 补强方法判断 取开孔内径：，满足允许开孔局部补强范围，采用等面积法计算。3.2.2 开孔所需补强面积（用单面焊，无损探伤100%，以下接管也一样，） 筒体计算壁厚：，筒体实际壁厚：，接管计算壁厚：，接管实际厚度：，开孔所需补强面积：3.2.3 有效补强面积有效高度： 外伸高度： 实际外伸高度h1=150mm， 取两者中较小者，则取圆整后h1=19mm。 内伸高度：h2=0 实际补强面积，取， ， ， ， A即：实际补强面积开孔所需补强面积，所以水进出口开孔无需补强。3.3 排污口开孔补强计算（C）排污口 Dg25 同样的选用不锈钢材料3.3.1 补强计算方法判断开孔直径：满足允许开孔局部补强范围，采用等面积法进行开孔补强计算。3.3.2 开孔所需补强面积有效高度 外伸有效高度： 实际外伸高度：，取两者中较小的值，取圆整后。 内伸有效高度：。 开孔所需补强面积：实际补强面积（）接管计算壁厚：，A，即：实际补强面积开孔所需补强面积，所以排污口开孔无需补强。3.4 封头上接管开孔补强（h）3.4.1 补强方法判断 开孔直径：，满足允许开孔局部补强范围，采用等面积法进行开孔补强计算。3.4.2 开孔所需补强面积 封头计算厚度：， 封头实际壁厚：， 接管计算壁厚：接管实际厚度：，开孔所需补强面积：3.4.3 有效补强面积 有效高度：外伸有效高度：， 实际外伸高度：，取两者中较小的值，取圆整后； 内伸有效高度：。 接管计算壁厚：实际补强面积（）， ， ， ，A，即：实际补强面积开孔所需补强面积，所以封头上接管开孔无需补强。3.5 蒸汽进口补强计算规格 Dg50 3.5.1补强方法判断开孔直径：，满足允许开孔局部补强范围，采用等面积法进行开孔补强计算。3.5.2开孔所需补强面积 管箱h封头计算壁厚：， 管箱封头实际壁厚：， 蒸汽进口计算壁厚： 实际壁厚：， 开孔所需补强面积：3.5.3 有效不清面积 有效高度：外伸有效高度：实际外伸高度：，取两者中较小的值，取圆整后； 内伸有效高度：。 管箱接管计算壁厚：实际补强面积（）， ， ， ，A，即：实际补强面积开孔所需补强面积，所以蒸汽进口开孔无需补强。3.6 冷凝水出口开孔补强计算因为冷凝水出口与蒸汽进口焊在同一管箱封头上，所受压力相等，且公称直径为Dg32，小于蒸汽进口，又2.5中计算可知蒸汽进口无需进行开孔补强，因此冷凝水进口也无需进行开孔补强。其他焊接按JB/T470992钢制压力容器焊接规定。保证焊接接头质量要点：选用焊接材料必须慎重，应注意与结构材料的匹配，既考虑焊接性又要确保接头质量。做好焊接工艺评定工作，以选择适当的焊接工艺方法和工艺参数。尽可能选择使操作者最易发挥水平的焊接位置。严格控制装配质量，选择合适的焊接坡口，做好焊前油污、锈蚀等清理工作。根据钢种和产品要求，进行必要的焊前预热和焊后热处理，以防止出现焊接缺陷。4容器制造与试验4.1 制造过程中检验容器各部件在组焊之前需通过各种检验，如外观质量及尺寸公差的检验等。容器焊缝检验方法主要是以射线探伤与超声波探伤为主，辅以磁粉探伤或着色探伤表面裂纹。探伤中若发现缺陷应予以消除，发现裂纹应全部消除，消除方法以补焊为主。容器整体组装结束后发现按规格进行水压试验。本设计中水压试验的压力为设计压力的1.25倍。即1.25MPa，以及考虑压力容器的整体强度并检查有无泄漏。4.2 检验要求容器的检验主要是对容器焊缝进行质量检验。主要采用射线探伤和超声波探伤，这关系到焊缝系数的选取。焊缝系数适用于焊缝连接的受压元件计算，其值按下列规格选取：双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头 100%无损探伤 ；局部无损探伤 ；单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的焊接） 100%无损探伤 ；局部无损探伤 ；单面焊的环向对接焊缝，无垫板 无法进行探伤时 此系数适用于厚度不超过10mm，直径不超过600mm的壳体环向焊缝只有一类压力容器和设计压力小于5MPa的非易燃和有毒的二类容器才允许对焊缝作局部无损探伤。焊缝抽验长度不应小于每条焊缝长度的20%，且不小于250mm。4.3 压力试验按强度、刚度计算确定的容器壁厚，由于材质、钢板弯卷、焊接及安装等制造加工过程不完善，有可能导致容器不完全，会在规定的工作压力下发生过大变形或焊缝有泄漏现象等，故必须进行压力试验予以校核。压力试验指超工作压力下进行液压（气压）试验。本设计采用水压试验，目的是检查在超过工作压力下的宏观强度，包括检查材料的缺陷，各部分的变形情况，焊接接管的强度和容器法兰连接的泄漏检查等。内压容器试验压力取两者较大者，其中：P设计压力，MPa； 试验温度下材料许用应力，MPa； 设计温度下材料许用应力，MPa；当的比值大于1.8时，按1.8计算。外压容器和真空容器试验压力。夹套容器在图样分别注明内筒和夹套的试验压力，当内筒压力为正值时，PT应按下式选取：取两者较大者，当内筒压力为负值时，。 压力试验时，由于容器承受的压力PT高于设计压力P，故必要时需要进行强度校核，液压试验时要求满足的强度条件是： 液压试验时，设备顶部开口，使设备充满液体（水），水温不能过低，外壳应保持干燥。设备充水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30min，然后将压力降到试验压力的80%，保持30min以检查有无损