再沸器的设计及三维造型

再沸器的设计及三维造型 摘要摘要 再沸器在是使被蒸馏液体气化的加热设备 本次设计的主要工作包括 首先 确定纯苯酐塔再沸器的结构形式 主体结构尺寸 并确定主要零 部件的结构尺寸 及其选型 其次 进行强度和稳定性计算 主要进行了筒体 端盖 管板 膨胀节 在设计压力 水压试验压力下的应力校核 最后 对这些零部件进行结构设计 整 个设计过程中 根据有关规范和设计标准 工程设计结果满足设计要求 关键词关键词 再沸器 换热管 结构设计 应力校核 The Design of the Reboiler and 3D modeling ABSTRACT Reboiler occupies an important position in the number of heat transfer equipment Reboiler also known as the heated kettle reboiler the distilled liquid gasification heating equipment The design of the main tasks are To determine the structure of pure phthalic anhydride reboiler the main structure size and identify key zero parts of the structure and size selection First calculate the strength and stability the main cylinder the end cap wall thickness calculation the hydrostatic test stress check of the shell the tube side of the strength check Secondly the structural design of these components The whole design process is based on norms and standards for design engineering design results meet the design requirements KEY WORDS reboiler heat transfer tube structural design stress check 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设 目 录 1 前言 1 1 1 本次毕业设计课题的目的和意义 1 1 2 再沸器的概述 1 1 2 1 再沸器的工作原理 1 1 2 2 再沸器的优缺点 1 1 2 3 再沸器的发展现状与趋势 2 2 设计任务要求 3 3 结构设计 4 3 1 设计压力与设计温度的确定 4 3 2 换热管的设计 4 3 2 1 加热管性能参数的确定 4 3 2 3 换热管布管方式的选择 5 3 2 4 盘管结构方式的确定 5 3 3 管箱筒节的设计 5 3 3 1 管箱筒节壁厚的确定 5 3 3 2 管箱筒节压力试验及应力校核 6 3 3 3 管箱筒节最大允许工作压力及应力校核 7 3 4 管箱封头的设计 8 3 4 1 确定平盖系数 9 3 4 2 平盖厚度的确定 11 3 5 壳程筒体的设计 12 3 5 1 壳程筒体壁厚的确定 12 3 5 2 壳程筒体压力试验及应力校核 13 3 5 3 壳程筒体最大允许工作压力及应力校核 14 3 6 管板的设计 15 3 6 1 管板厚度的确定 15 3 6 2 管板强度的校核 19 3 6 2 1 管板和换热管仅有壳程压力作用下的危险组合工况 19 3 6 2 2 管板和换热管仅有管程压力作用下的危险组合工况 25 3 7 膨胀节的设计 30 3 7 1 设计条件 30 3 7 2 膨胀节的几何尺寸 31 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设 3 7 3 膨胀节修正系数的计算 32 3 7 4 膨胀节刚度的计算 32 3 7 5 膨胀节应力的计算 33 3 8 折流板的设计 37 3 9 拉杆的设计 37 3 10 设备法兰与管法兰的选择 37 3 10 1 压力容器法兰选择 37 3 10 2 接管法兰的选择 38 3 11 支座的选型 38 4 开孔补强的计算 40 4 1 补强判别 40 4 2 壳体上接管开孔补强计算 40 5 三维造型 45 6 结论 46 符号说明 47 参考文献 48 致谢 49 外文翻译 50 附件 68 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 1 1 1 前言前言 1 1 本次毕业设计课题的目的和意义 毕业设计是培养学生综合运用本学科的基本理论 专业知识和基本技能 提高 分析与解决实际问题的能力 完成工程师的基本训练和初步培养从事科学研究工作 的重要环节 毕业设计也是完成教学计划达到专业培养目标的一个重要的教学环节 通过毕业设计 我们综合性地运用几年内所学知识去分析 解决一个问题 在毕业 设计的过程中 把所学知识得到疏理和运用 它既是一次检阅 又是一次锻炼 使 我们的实践动手 动笔能力得到锻炼 增强了即将跨入社会去竞争 去创造的自信 心 毕业设计具有以下目的 1 通过阅读相关资料掌握浮头式换热器的工作原理和设计方法 2 融汇 贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识 3 综合运用所学专业理论知识和技能提高独立分析问题和解决实际问题的能 力 4 培养和提高与设计群体合作 相互配合的工作能力 1 2 再沸器的概述 1 2 1 再沸器的工作原理 再沸器多与分馏塔合用 再沸器是一个能够交换热量 同时有汽化空间的一种 特殊换热器 在再沸器中的物料液位和分馏塔液位在同一高度 从塔底线提供液相 进入到再沸器中 通常在再沸器中有 25 30 的液相被汽化 被汽化的两相流被送回 到分馏塔中 返回塔中的气相组分向上通过塔盘 而液相组分掉回到塔底 而立式热虹吸再沸器又是再沸器的一种重要类型 立式热虹吸再沸器是利用塔 底单相釜液与换热器热管内汽液混合物的密度差形成循环推动力 构成工艺物流在 精馏塔塔底沸器间的流动循环 由于工业生产中所用再沸器的目的和要求各不相同 再沸器设备的类型也是多 种多样 主要有立式热虹吸式 卧式热虹吸式 强制循环式 釜式 内置式 作用 使塔釜液部分气化 从而实现精馏塔内汽液两相间的热量及质量传递 1 2 2 再沸器的优缺点 在石油 化工 轻工 制药 能源等工业生产中 常常需要把低温流体加热或 者把高温流体冷却 把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体 这些过程都和热量 传递有着密切的联系 因此再沸器在这些行业中起着重要的作用 立式热虹吸再沸器的应用范围广 具有传热系数高 结构紧凑 安装方便 釜 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 2 液在加热段的停留时间短 不易结垢 调节方便 占地面积小 适用于能在较高的 压力下工作场合 这主要是由于它具有以下优点 1 占地面积小 2 连接管线段 3 管程流体不易结垢 4 传热面积较小时 再沸器的金属耗量最低 5 在加热段的停留时间较短 6 出塔产品的缓冲容积较大 流率稳定性较高 立式热虹吸再沸器存在的一些缺点 1 塔的安装高度较高 2 壳程难清扫 因此不宜用于较脏的加热介质 3 汽化率一般不大于 30 4 再沸器的分馏效果小于一块理论塔盘 5 对宽馏分物质 循环时 再沸器出入口温度高于罐式 1 2 3 再沸器的发展现状与趋势 再沸器的选用原则是 工程上对再沸器的基本要求是操作稳定 调节方便 结 构简单 加工制造容易 安装检修方便 使用周期长 运转安全可靠 同时也应考 虑其占地面积和安装空间高度要合适 国 内外再沸器的发展迅速 在最基础的再沸器上逐步发明和改造出了立式热 虹吸 卧式热虹吸 强制循环式 釜式再沸器和内置式再沸器等 不但提高了效率 节省了成本 而且向环保方向发展 随着科学技术的不断发展 人们对再沸器使用 的要求也愈来愈高 就目前国外再沸器技术发展趋势而言 将朝着容量不断增大 高效化 高速化方向发展 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 3 2 2 设计任务要求设计任务要求 现需设计一台再沸器并进行三维造型 1 工作压力 管程 真空 壳程 5 8MPa 盘管 0 9MPa 2 工作温度 管程 228 233 壳程 276 3 工作介质 管程 苯酐 有机酸 壳程 高压蒸汽 冷凝液 盘管 蒸汽 冷凝液 4 程数 管程 1 壳程 1 盘管 1 5 换热面积 70m2 6 容器直径 1000mm 7 管口表已知 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 4 3 3 结构设计结构设计 3 1 设计压力与设计温度的确定 由于设计压力 1 1PcP 所以 管程设计压力 0 1MPa 壳程设计压力 6 38MPa 盘管设计压力 1MPa 管程设计温度 250 壳程设计温度 285 盘管设计温度 200 选择再沸器的形式时 首先应满足工艺要求 由于本设计要求传热面积不是很 大 壳程压力较大 温度要求较高 介质苯酐具有腐蚀性 苯酐会引起支气管炎 眼炎 肺气肿等症状 对皮肤有刺激作用 储区应备有合适的材料收容泄漏物 综 上所述 选用 立式热虹吸再沸器 壳体材质选择 16MnR 管箱筒节 封头材质选 择 0Cr18Ni9 3 2 换热管的设计 3 2 1 加热管性能参数的确定 换热器选 25 2 的无缝钢管做换热管 1 材质选用 00Cr17Ni14Mo2 加热盘管选 25 2 的无缝钢管 材质选用 20 管子外径 d0 0 025m 管子内径 d1 0 025 2 0 002 0 021m 根据总的换热面积及管子规格 可以确定总的管长为 70 3 14 0 025L 总 892m 按百分比将总管长分配为换热管和盘管两部分 892 90 802 8mL 换 892 10 89 2mL 盘 取换热管长度 1 L 3m 换热管总换热面积为 2 p 3 14 0 025 802 863Am 单根换热管的换热面积 3 1 0 Ad L 式中 换热管外径 mm o d L 换热管长度 mm 代入数据 得 0 Ad L 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 5 2 3 14 0 025 3 0 2355m 传热管的总根数 3 2 p T A N A 式中 传热面积 p A 2 m 单根换热管的传热面积 A 2 m 代入数据 得 p T A N A 63 0 2355 267 5 取整 268 T N 根 盘管圈数的确定 89 2 2 3 14 1 05N 13 5圈 3 2 3 换热管布管方式的选择 管板管孔布孔采用正三角形排列 由文献 2 表 3 7 取换热管中心距 32Smm 3 2 4 盘管结构方式的确定 盘管围绕筒体缠绕 3 3 管箱筒节的设计 3 3 1 管箱筒节壁厚的确定 筒节材料选用 4 0Cr18Ni9 试验温度许用应力 3 137 PaM 设计温度下的材料的许用应力 3 122Pa t M 试验温度下屈服点 205Pa s M 由文献 2 表 4 3 取焊接接头系数 0 85 计算压力 0 1 Pa c pM 圆筒厚度计算公式 3 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 6 3 3 2 ci t c p D p 式中 计算厚度 mm 计算压力 MPa c p 焊接接头系数 代入数据 得 2 ci t c p D p 0 1 1000 2 122 0 850 1 0 48mm 腐蚀余量 厚度负偏差 2 0Cmm 1 0 8Cmm 设计厚度 2d C 0 48mm 名义厚度 1nd C 圆整 0 48 0 8 1 28 圆整 由文献 5 规定 取 n 8mm 有效厚度 12en CC 80 80 7 2mm 重量 179 05kg 3 3 2 管箱筒节压力试验及应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 3 4 1 25 Tt pp 式中 试验温度许用应力 MPa 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 7 t 设计温度许用应力 MPa 代入数据 得 1 25 Tt pp 137 1 25 0 1 122 0 14MPa 压力试验允许通过的应力水平 0 90 s T 0 9 205 184 5Mpa 试验压力下圆筒的应力 3 5 2 Tie T e pD 式中 试验压力值 MPa T p 圆筒内径 mm i D 圆筒的有效厚度 mm e 代入数据 得 2 Tie T e pD 0 1410007 2 2 7 2 9 79MPa 校核条件 由于 184 5 T T MPa 校核结果 合格 3 3 3 管箱筒节最大允许工作压力及应力校核 最大允许工作压力 3 6 2 t e w ie p D 式中 圆筒内径 mm i D 圆筒的有效厚度 mm e 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 8 t 设计温度许用应力 MPa 焊接接头系数 代入数据 得 2 t e w ie p D 2 7 2 122 1 10007 2 1 74MPa 设计温度下计算应力 3 7 2 cie t e pD 式中 圆筒的有效厚度 mm e 计算压力 MPa c p 圆筒内径 mm i D 设计温度下圆筒的计算应力 MPa t 代入数据 得 2 cie t e pD 0 110007 2 2 7 2 6 99MPa 则 122 0 85 t 103 7MPa 校核条件 20 98 t t MPa 结论 校核合格 3 4 管箱封头的设计 计算压力 0 1 Pa c pM 设计温度 t 250 管箱筒节内径 1000 i Dmm 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 9 查 GB150 1998 得以下数据 管箱封头采用 螺栓连接平盖型式 13 见图 3 1 0 N 图 3 1 螺栓连接平盖型式 管箱封头材料选 4 0Cr18Ni9 设计温度下的材料的许用应力 90 t MPa 根据管箱筒节公称直径 DN1000 设计压力 0 1MPa 选用压力容器法兰 其参数 材质 0Cr18Ni9 型号 DN1000 PN0 1 甲型平焊法兰 密封面形式 凸面密封 法兰计算直径 1140 c Dmm 法兰螺栓所在中心圆直径 1100mm 压力容器法兰螺栓参数 公称直径 M20 数量 n 36 个 材料名称 40MnB 垫片参数 材料类型 软垫片 不锈钢 外径 1054mmD外 内径 1022mmD内 垫片系数 3 00m 比压力 69yMPa 压紧面形状 1a 1b 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 10 3 4 1 确定平盖系数 确定平盖系数 K 取大值 1 预紧时平盖系数 预紧状态下 需要的最小垫片压紧力 3 8 aG FD by 式中 垫片有效密封厚度 mm b 垫片压紧力作用中心圆计算直径 mm G D 当时 等于垫片接触的平均直径 0 6 4bmm G D 当时 等于垫片接触的外径减去 0 6 4bmm G D2b 垫片比压力 MPa y 由于 所以 0 86 4bmm 0 2 532 5387 2bbmm 10542 7 21039 6 G Dmm 代入数据 得 aG FD by 3 14 1039 6 7 2 69 1621726 1N 即预紧状态下螺栓设计载荷 a WF 结构特征系数 3 9 3 1 78 G cc WL K p D 式中 W 预紧状态时的螺栓设计载荷 N 螺栓中心至垫片压紧力作用中心线的径向距离 mm G L 计算压力 MPa c p 平盖计算直径 mm c D 代入数据 得 3 1 78 G cc WL K p D 3 1 78 1621726 1 41 0 1 1042 1 05 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 11 2 操作时平盖系数 操作时螺栓设计载荷 3 10 2 2 4 GcGc WDpD bmp 式中 Pc 计算压力 MPa 垫片压紧力作用中心圆计算直径 mm G D 垫片有效密封厚度 mm b 垫片系数 m 代入数据 得 2 2 4 GcGc WDpD bmp 2 0 785 1039 60 12 3 14 1039 6 7 2 3 225860N 结构特征系数 3 11 3 1 78 0 3 G Cc WL K p D 式中 W 操作时的螺栓设计载荷 N 螺栓中心至垫片压紧力作用中心线的径向距离 mm G L 计算压力 MPa c p 平盖计算直径 mm c D 代入数据 得 3 1 78 0 3 G Cc WL K p D 3 1 78 225860 41 0 3 0 1 1042 0 45 取大值 即 1 05K 3 4 2 平盖厚度的确定 确定平盖厚度 1 3 12 c pct K p D 式中 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 12 K 结构特征系数 计算压力 MPa c p 平盖计算直径 mm c D 焊接接头系数 1 0 代入数据 得 c pct K p D 1 05 0 1 1042 90 1 35 5mm 则取名义厚度 40mm 质量 242kg 3 5 壳程筒体的设计 筒体材料选用 4 16MnR 设计温度 285t 试验温度许用应力 3 163 PaM 设计温度下的材料的许用应力 3 137 9 t MPa 试验温度下屈服点 325 s MPa 由文献 2 表 4 3 取焊接接头系数 1 0 计算压力 设计压力 6 38 c PMPa 3 5 1 壳程筒体壁厚的确定 圆筒厚度计算公式 3 3 13 2 ci t c P D P 式中 计算厚度 mm 计算压力 MPa c p 焊接接头系数 代入数据 得 2 ci t c P D P 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 13 6 38 1000 2 137 9 1 6 38 23 68mm 腐蚀余量 厚度负偏差 2 2 0Cmm 1 0 0Cmm 设计厚度 2d C 25 68mm 名义厚度 1nd C 圆整 25 68 圆整 由文献 5 规定 取 n 26mm 有效厚度 12en CC 2602 24mm 重量 1400 62kg 3 5 2 壳程筒体压力试验及应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 3 14 1 25 Tt pp 式中 试验温度许用应力 MPa t 设计温度许用应力 MPa 代入数据 得 1 25 Tt pp 163 1 25 6 38 137 9 9 42MPa 压力试验允许通过的应力水平 0 90 s T 0 9 325 292 5MPa 试验压力下圆筒的应力 3 15 2 Tie T e pD 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 14 式中 试验压力值 MPa T p 圆筒内径 mm i D 圆筒的有效厚度 mm e 代入数据 得 2 Tie T e pD 9 42100024 2 24 200 96MPa 校核条件 由于 292 5 T T MPa 校核结果 合格 3 5 3 壳程筒体最大允许工作压力及应力校核 最大允许工作压力 3 16 2 t e w ie p D 式中 圆筒内径 mm i D 圆筒的有效厚度 mm e t 设计温度许用应力 MPa 焊接接头系数 代入数据 得 2 t e w ie p D 2 24 137 9 1 100024 6 46MPa 设计温度下计算应力 3 17 2 cie t e pD 式中 圆筒的有效厚度 mm e 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 15 计算压力 MPa c p 圆筒内径 mm i D t 设计温度下圆筒的计算应力 MPa 代入数据 得 2 cie t e pD 6 38100024 2 24 136 1MPa 则 137 9 1 t 137 9MPa 校核条件 136 1 t t MPa 结论 校核合格 3 6 管板的设计 3 6 1 管板厚度的确定 换热管外径 0 25dmm 由文献 1 表 4 24 知管板最小厚度 min0 0 750 75 25d 18 75mm 换热管材料选用 00Cr17Ni14Mo2 管板材料选用 0Cr18Ni9 单根换热管横截面积 3 18 tt ad 式中 换热管壁厚 mm t 换热管外径 mm d 代入数据 得 tt ad 2 3 14 2252 144 4mm 管板与换热管采用焊接的连接型式 管板的最小厚度应满足结构设计和制造的 要求 且不小于 12mm 管板和管子胀接 焊接 高度为 4 5mm 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 16 壳程圆筒内直径横截面积 3 19 2 0 25 i AD 式中 圆筒内径 mm i D 代入数据 得 2 0 25 i AD 2 52 0 25 3 14 1000 7 85 10 mm 管板开孔后面积 3 20 2 1 0 25AAn d 式中 换热管外径 mm d 壳程圆筒内直径横截面积 A 2 mm 换热管的总根数 n 代入数据 得 2 1 0 25AAn d 52 52 7 85 100 25 268 3 14 25 6 39 10 mm 管板布管区面积 3 21 2 0 866 td AnSA 式中 换热管的总根数 n 换热管中心距 mm S 代入数据 得 2 0 866 td AnSA 2 52 0 866 268 320 2 63 10 mm 管板布管区当量直径 3 22 4 t t A D 式中 管板布管区面积 t A 2 mm 代入数据 得 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 17 4 t t A D 5 4 2 63 10 3 14 579mm 系数 804 176 625 0 4331 327893 73 T i N a A 3 23 1 T N a A 式中 换热管总根数 T N 单根换热管横截面积 a 2 mm 管板开孔后面积 1 A 2 mm 代入数据 得 1 T N a A 5 268 144 4 6 39 10 0 07 由文献 8 表 F5 查得 计温度下换热管材料弹性模量 5 1 782 10 t t EMPa 平均金属温度下换热管材料弹性模量 5 1 822 10 t EMPa 设计温度下管板材料的弹性模量 5 1 78 10 p EMPa 由文献 3 表 1 查得 计温度下管板的许用应力 116 4 t t MPa 由文献 3 表 2 得 设计温度下换热管的许用应力 96 5 t t MPa 设计温度下换热管的屈服强度极限 106 8 t s MPa 换热管长度 3000Lmm 管板模数 3 24 tT t i E N a K LD 式中 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 18 换热管总根数 T N 单根换热管横截面积 a 2 mm 换热管长度 mm L 代入数据 得 tT t i E N a K LD 5 1 822 10268 144 4 3000 1000 2604 7MPa 管束无量纲度 3 25 t f p K k E 式中 管板刚度削弱系数 0 4 代入数据 得 t f p K k E 5 2604 7 0 4 1 78 10 0 03658 无量纲压力 壳程压力 管程压力6 38 s PMPa 0 1 t PMPa 对于再沸器 6 38 dst Pmas PPMPa 无量纲压力 3 26 0 5 d at P P 式中 管板刚度削弱系数 0 4 代入数据 得 0 5 d at P P 6 38 0 5 0 4 116 4 0 274 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 19 系数 960 0 85 1135 t t G D D 3 27 t t G D D 式中 垫片压紧力作用中心圆直径 mm G D 代入数据 得 t t G D D 579 1038 0 56 11 1 78 0 56 t 由 文献 9 图 19 34 得 1 1 78 t 0 03658 f k 0 273 c C 2 8 ws G 管板计算厚度 3 28 cta C DP 式中 管板布管区当量直径 mm t D 无量纲压力 aP 代入数据 得 cta C DP 0 273 5790 274 82 7mm 取名义厚度为 84mm 3 6 2 管板强度的校核 3 6 2 1 管板和换热管仅有壳程压力作用下的危险组合工况 壳程设计压力 6 38 sc PPMPa 管程压力 1MPa 0 t P 设计温度 t285 00 由文献 1 得壳程圆筒相关数据 壳体平均金属温度 276 s t 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 20 装配温度 0 15t 设计温度下管板许用应力 116 4 t r MPa 设计温度下许用应力 137 9 t MPa 平均金属温度下弹性模量 5 1 879 10 s EMPa 平均金属温度下热膨胀系数 5 1 274 10 s mmmm 平均金属温度下管子材料热膨胀系数 5 1 735 10 t mmmm 1 不计温差应力下管板和换热管的应力计算 换热管与壳程圆筒热膨胀变形差 0r 当量压力组合 6 38 sc pPMPa 有效压力组合 3 29 asst PpE 式中 壳程设计压力 MPa s p 系数 s 代入数据 得 asst PpE 2 615 6 380 17 26MPa 边界效应压力组合 b PC P 0 0164 6 38 0 1029MPa 边界效应压力组合系数 b b a P M P 0 1029 17 26 0 81 0 0074 管板边缘力矩系数 0 0074 b MM 管板边缘剪力系数 15 43 0 00740 114VM 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 21 管板总弯矩系数 3 30 12 1 mm V m V 式中 管板第一弯矩系数 查图 27 1 1 m 管板第二弯矩系数 查图 28 a 或 b 1 2 m 管板边缘剪力系数 1 V 代入数据 得 12 1 mm V m V 0 53474 885 0 114 1 0 114 0 981 系数 m 0 时 1 G 1 0 305G 管板径向应力系数 3 31 A 1 2 11 4 r v G QG 式中 管板边缘剪力系数 v 代入数据 得 A 1 2 11 4 r v G QG 1 0 1140 3051 40 9011 3 759 0 005104 管板布管区周边处径向应力系数 3 32 A 2 13 4 r mv K QG 式中 管板总弯矩系数 m 代入数据 得 A 2 13 4 r mv K QG 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 22 0 9811 0 1143 47 9530 9011 3 759 0 007662 管板布管区周边处剪切应力系数 3 33 A 2 1 1 4 p v QG 式中 管板边缘剪力系数 v 代入数据 得 A 2 1 1 4 p v QG 11 0 114 40 9011 3 759 0 01673 管板径向应力 3 34 2 i rra D P 式中 管板径向应力系数 r 管板计算厚度 mm 有效压力组合 MPa a P 代入数据 得 2 i rra D P 2 0 811000 0 005104 17 26 0 482 7 109 2MPa 许用值 1 51 5 116 4174 6 t r MPa 管板布管区周边剪切应力 3 35 A ai pp PD 式中 管板布管区周边处剪切应力系数 A p 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 23 管板计算厚度 mm 有效压力组合 a PMPa 代入数据 得 A ai pp PD 17 26 0 811000 0 01673 0 482 7 10 69MPa 许用值 0 50 5 116 458 2 t r MPa 换热管轴向应力 3 36 2 t 2 1 v ca GQ pP QG 式中 管量压力组合 c pMPa 有效压力组合 a PMPa 代入数据 得 2 t 2 1 v ca GQ pP QG 13 7590 9011 0 00682 6 3817 26 0 070 9011 3 759 79 6MPa 许用值 96 5 t t MPa 结果 此工况下 管板强度校核合格 2 计温差应力下管板和换热管的应力计算 换热管与壳程圆筒热膨胀量形差 3 37 00ttss tttt 式中 平均金属温度下管子材料热膨胀系数 t mm mm 设计温度 t t 平均金属温度 s t 装配温度 0 t 代入数据 得 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 24 00 22 ttss rtttt 55 1 735 10250 151 274 10276 15 0 0004154 当量应力组合 6 38 cs ppMPa 有效应力组合 asst PpE 2 615 6 380 32 22MPa 边界效应压力组合 b PC P 0 0164 6 38 0 1029MPa 边界效应压力组合系数 b b a P M P 0 1029 32 22 0 81 0 00039 管板边缘力矩系数 0 00039 b MM 管板边缘剪力系数 15 43 0 000390 06084VM 管板总弯矩系数 12 1 mm V m V 0 53474 885 0 06084 1 0 06084 0 784 系数 1 0 1399G 管板应力系数由式 3 31 确立 A 1 2 11 4 r v G QG 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 25 0 7841 0 060843 47 9530 9011 3 759 0 005427 管板布管区周边处径向应力系数由 3 32 确立 A 2 13 4 r mv K QG 11 0 06084 40 9011 3 759 0 01552 管板径向应力由 3 34 确立 2 i rra D P 2 0 811000 0 002171 32 22 0 482 7 86 71MPa 许用值 33 116 4349 2 t r MPa 管板布管区周边剪切应力由 3 35 确立 A ai pp PD 32 22 0 811000 0 01552 0 482 7 18 51MPa 许用值 1 51 5 116 4174 6 t r MPa 换热管轴向应力由 3 36 确立 2 t 2 1 v ca GQ pP QG 13 7590 9011 0 00682 6 38 0 070 9011 3 759 56 8MPa 许用值 33 96 5289 5 t r MPa 结果 此工况下 管板强度校核合格 3 6 2 2 管板和换热管仅有管程压力作用下的危险组合工况 壳程设计压力 0 sc PP 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 26 管程压力 0 1 t PMPa 设计温度 t285 00 由 GB151 1999 得壳程圆筒一些数据 平均金属温度 276 s t 装配温度 0 15t 设计温度下管板许用应力 116 4 t r MPa 设计温度下许用应力 137 9 t MPa 平均金属温度下弹性模量 5 1 879 10 s EMPa 平均金属温度下热膨胀系数 5 1 274 10 s mmmm 平均金属温度下管子材料热膨胀系数 5 1 735 10 t mmmm 1 不计温差应力下管板和换热管的应力计算 换热管与壳程圆筒热膨胀变形差 0r 当量压力组合 1 ct Pp 0 11 0 07 0 107MPa 有效压力组合 3 attt PpE 38 式中 系数 t 平均金属温度下管子材料弹性模量 t EMPa 代入数据 得 attt PpE 28 72 0 1 0 2 872MPa 边界效应压力组合 3 39 0 150 85 btt PC pC p 式中 系数 查图 25 1 C 代入数据 得 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 27 0 150 85 btt PC pC p 0 15 0 01614 0 1 0 85 0 004842 0 001961 边界效应压力组合系数 b b a P M P 0 001961 0 00044 8 617 0 81 管板边缘力矩系数 0 00044 b MM 管板边缘剪力系数 VM 15 43 0 00044 0 00682 管板总弯矩系数 12 1 mm V m V 0 53474 885 0 00682 1 0 00682 0 5641 系数 1 0 08512G 管板径向应力系数由式 3 31 确立 A 1 2 11 4 r v G QG 1 0 006820 085121 40 9011 3 759 0 00121 管板布管区周边处径向应力系数由式 3 32 确立 A 2 13 4 r mv K QG 0 5641 1 0 006823 47 9530 9011 3 759 0 003026 管板布管区周边处剪切应力系数由式 3 33 确立 A 2 1 1 4 p v QG 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 28 11 0 00682 40 9011 3 759 0 01422 管板径向应力由式 3 34 确立 2 i rra D P 2 0 811000 0 0030262 872 0 482 7 12 93MPa 许用值 1 51 5 116 4174 6 t r Mpa 管板布管区周边剪切应力由式 3 35 确立 A ai pp PD 2 872 0 811000 0 01422 0 482 7 4 534MPa 许用值 0 50 5 116 458 2 t r MPa 换热管轴向应力由式 3 36 确立 2 t 2 1 v ca GQ pP QG 13 7590 9011 0 00682 0 12 872 0 070 9011 3 759 7 204MPa 许用值 96 5 t r MPa 结果 此工况下 管板强度校核合格 2 计温差应力下管板和换热管的应力计算 换热管与壳程圆筒热膨胀量形差 利用式 3 37 得 00ttss tttt 55 1 735 10250 151 274 10276 15 0 0004154 当量应力组合 0 3593 c pMPa 有效压力组合由式 6 38 确立 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 29 attt PpE 5 28 72 0 11 0 07 0 0004154 1 822 10 6 341MPa 边界效应压力组合由式 3 39 确立 0 150 85 btt PC pC p 0 001961MPa 边界效应压力组合系数 0 001961 6 341 0 004154 b M 0 0006005 管板边缘力矩系数 0 006005 b MM 管板边缘剪力系数 15 430 0060050 009268VM 管板总弯矩系数 12 1 mm V m V 0 53474 8850 009268 1 0 009268 0 494 系数 1 0 07654G 管板径面应力系数由式 3 31 确立 A 1 2 11 4 r v G QG 1 0 0092680 085121 40 9011 3 759 0 001071 管板布管区周边处径向应力系数由式 3 32 确立 A 2 13 4 r mv K QG 0 494 1 0 0092683 47 9530 9011 3 759 0 002607 管板布管区周边处剪切应力系数由式 3 33 确立 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 30 A 2 1 1 4 p v QG 11 0 009268 40 9011 3 759 0 01399 管板径向应力由式 3 34 确立 2 i rra D P 2 0 811000 0 001071 6 341 0 482 7 8 42MPa 许用值 33 116 4349 2 t r MPa 管板布管区周边剪切应力由 3 35 确立 A ai pp PD 6 341 0 00041541000 0 01399 0 482 7 3 283MPa 许用值 1 51 5 116 4174 6 t r MPa 换热管轴向应力由 3 36 确立 2 t 2 1 v ca GQ pP QG 3 7590 90110 0092681 0 16 341 0 070 9011 3 759 8 864MPa 许用值 33 96 5289 5 t r MPa 结果 此工况下 管板强度校核合格 计算结果 管板名义厚度符合强度要求 84 n Smm 3 7 膨胀节的设计 3 7 1 设计条件 膨胀节形式 U 型膨胀节 设计内压力 6 38PapM 设计温度 t285 00 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 31 设计要求的循环次数 0 次 a N 波纹管的设计条件 材料 热轧 16MnR 腐蚀裕量 2 1 00mmC 许用应力 137 9Pa t M 常温下弹性模量 5 b 2 058 10 PaEM 设计温度下弹性模量 5 1 872 10 t b EMPa 设计温度下屈服点 221 00 t s MPa 3 7 2 膨胀节的几何尺寸 直边段与波纹内径 b 1000mm D 直边段长度 4 27 00 Lmm 波高 h150 00mm 成型前一层名义厚度 18 00Smm 波纹管直边段平均直径 0 1000 1 181018 b DDmsmm 波长 236 00Wmm 波纹管层数 1m 波数 1n 成型前一层有效厚度 17 00 e Smm 波纹管平均直径 3 40 0m DDh 式中 容器圆筒外直径 0 Dmm 波高 hmm 代入数据 得 0m DDh 10002 18150 1186mm 成型后波纹管一层最小有效厚度 P S 3 41 1 2 b p m D SS D 式中 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 32 考虑成形过程中厚度减薄时 波纹管一层材料的有效厚度 p Smm 波纹管直边段平均直径 b Dmm 波纹管平均直径 m Dmm 代入数据 得 1 2 b p m D SS D 0 5 1000 18 1186 16 53mm 3 7 3 膨胀节修正系数的计算 系数的确定 k 3 42 4 1 5 b L k DS 式中 波纹管直边段长度 4 Lmm 波纹管直边段与波纹内径 b Dmm 代入数据 得 4 1 5 b L K DS 27 1 5 1000 18 0 13 当时 取 1k 1k 疲劳寿命的温度修正系数 室温条件下 f T1 f T 修正系数 横坐标值 236 0 79 22 150 W h 右端纵坐标曲线值 236 0 8 2 22 21186 16 53 m W D Sp 查图 6 2 得 0 56 p C 查图 6 3 得 1 68 f C 查图 6 4 得 2 28 d C 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 33 3 7 4 膨胀节刚度的计算 一个波轴向刚度 3 43 3 2 1 7 t p mb f SC mD E K Ch 式中 波纹管的层数 单层波纹管 m1m 考虑成形过程中厚度减薄时 波纹管一层材料的有效厚度 p Smm 波纹管平均直径 m Dmm 代入数据 得 3 2 1 7 t p mb f SC mD E K Ch 3 1 1186 1 87216 53 1 1 7 1 68150 320222 93 N mm 总体轴向刚度 n KK n 320222 93 1 320222 93 N mm 3 7 5 膨胀节应力的计算 1 内压应力的计算 直边段周向薄膜应力 z 3 44 2 04 400 2 t b z tt bccc pD L E k mSE L DS kE L D 式中 内衬套有效厚度 z mm 波纹管直边段平均直径 0 Dmm 波纹管直边段长度 4 Lmm 设计压力 pMPa 设计温度下波纹管材料的弹性模量 t b EMPa 膨胀节一个波的轴向弹性刚度 k N mm 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 34 直边段加强圈平均直径 c Dmm 直边段加强圈长度 c Lmm 直边段加强圈的有效厚度 c Smm 代入数据 得 2 04 400 2 t b e tt bccc pD L E K mSE L DS KE L D 2 6 38 101827 1 872 0 13 2 1 18 1 872 27 1018 18 0 13 1 872 25 1054 23 8MPa 许用值 10 137 9 t MPa 波纹管周向薄膜应力 1 3 45 1 1 20 5712 m P pD mSh W 式中 内压引起波纹管周向薄膜应力 1 MPa 波纹管平均直径 m Dmm 考虑成形过程中厚度减薄时 波纹管一层材料的有效厚度 P Smm 波纹管的层数 单层波纹管 m1m 代入数据 得 1 1 20 5712 m P pD mSh W 6 38 11861 2 16 530 5712 150 236 118 72MPa 许用值 137 9 t MPa 波纹管经向薄膜应力 2 3 46 2 2 p ph mS 式中 内压引起波纹管经向薄膜应力 2 MPa 考虑成形过程中厚度减薄时 波纹管一层材料的有效厚度 p Smm 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 35 波纹管的层数 单层波纹管 m1m 代入数据 得 2 2 p ph mS 6 38 150 2 1 16 53 30 21MPa 许用值 137 9 t MPa 波纹管经向弯曲应力 3 3 47 2 3 2 p p ph C m S 式中 内压引起波纹管经向弯曲应力 3 MPa 系数 由图 6 2 查得 p C 考虑成形过程中厚度减薄时 波纹管一层材料的有效厚度 p Smm 波纹管的层数 单层波纹管 m1m 代入数据 得 2 3 2 p p ph C m S 2 6 38150 0 56 2 1 16 53 153 73MPa 2 轴向位移的计算 波纹管经向薄膜应力 4 3 48 2 2 4 3 2 bp f ESCe h C 式中 轴向位移引起的波纹管经向薄膜应力 4 MPa 室温下波纹管材料的弹性模量 b EMPa 考虑成形过程中厚度减薄时 波纹管一层材料的有效厚度 p Smm 腐蚀裕量 2 Cmm 宁夏大学机械工程学院 2012 届毕业设计 36 系数 由图 6 3 查得 f C 代入数据 得 2 2 4 3 2 bp f ESCe h C 2 3 2 05816 53 12 05 2 1501 68 11 22MPa 波纹管经向弯曲应力 5 3 49 2 5 2 5 3 bp d ESCe h C 式中 轴向位移引起的波纹管经向弯曲应力 5 MPa 考虑成形过程中厚度减薄时 波纹管一层材料的有效厚度 p Smm 腐蚀裕量 2 Cmm 系数 由图 6 4 查得 d C 波纹管波高 hmm 代入数据 得 2 5 2 5 3 bp d ESCe h C 2 5 2 05816 53 12 05 3 1502 28 238 35MPa 3 组合应力的计算 将式 3 46 3 47 的值代入下式得 23p 30 21 153 73 183 94MPa 许用值 1 51 5 221331 5 t s MPa 同理可得 45d 11 22238 35