3124平方甲醇合成反应器的设计（全套CAD图+说明书+翻译）
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平方
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摘要：
本设计论文主要介绍了3124平方甲醇合成反应器的主要技术参数选定反应管、管板、壳体材料及焊接材料的选用，主体结构设计，管箱筒体、壳程筒体、球形封头、管板的强度设计及校核，开孔补强计算以及设备制造过程中筒体、封头、管板的成形和设备制造、主要热处理工艺等。
关键词：甲醇合成反应器、结构设计、强度校核、制造工艺流程、无损检测、热处理
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毕业设计 (论文 )任务 书 学 院： 机械工程学院 题 目： 3124 平方 甲醇合成反应器 的 设计 与制造 设计（论文）内容及要求： 一、 已知设计参数： 操作压力 ： 壳程 管程 作温度 ： 255 物料 ： 壳程 水 管程 氮气 氢气 甲烷 甲醇 一氧化碳 二氧化碳 换热面积 ： 3124、 设计内 容及设计工作量要求： （ 1）按所给设计参数 完成 甲醇合成反应器 的 施工图 设计； （ 2）绘制设计图纸总计 3 张零号以上，其中要求手工绘图 1 张壹号以上； （ 3）设计说明书字数不少于 字，并要求统一用 打印； （ 4）翻译 3 千左右汉字量的与毕业设计有关的英文资料； （ 5）撰写相当于 3 百汉字的英文摘要。 三、 主要参考资料： 化工设备设计全书（换热器 ） 管壳式换热器 制压力容器 指导老师： 年 月 日 毕业设计 (论文 ) 题 目 3124 平方 甲醇合成反应器的设计与制造 学院名称 机 械 工 程 学 院 本科生毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目 3124 平方 甲醇合成反应器的设计 与制造 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 一、 设计（论文）依据及研究意义： 甲醇反应器是甲醇生产的重要设备，历经多年发展，其设计制造技术日臻成熟且趋于大型化。国内甲醇合成反应器历经引进、模仿、改进到自主研发取得了较大成就，同时在反应器内件改进与研制方面也得到了较快发展，产生了一批有较强研发实力的科研单位。 国内多选用低压甲醇合成技术，主要以冷管型气气换热为主的低压甲醇塔，由传统塔型改进而 成，具有产能达、阻力小、成本低等优点，因此对该反应器的设计与研究，有着深远的现实意义。 二、 设计（论文）主要研究的内容、预期目标（技术方案、路线）： 根据设计任务书，我本次毕业设计的主要内容是： 3124醇合成反应器的结构设计及强度校核；设备制造过程中所使用的焊接材料和焊接方法的选择；设备制造的流程及注意事项。 设计技术方案及路线： 1、资料收集整理； 2、根据所提供的工作参数完成设备的结构设计及强度设计与校核； 3、设备主题部分的制造工艺的编制。 三、设计（论文）的研究重点及难点： 由于，本次设计的甲醇合成 反应器为三类压力容器，所以，本次设计的研究重点是甲醇合成反应器的结构设计，强度校核及相关制造工艺的编制。难点是甲醇合成反应器塔筒体、封头板料属于中厚板，材料为 13低合金高强度钢；放映管材料为相不锈钢管，管板安装在长为 1000 1300 的管箱筒体内部，设备结构特殊，制造公差要求严，给制造工程的成型、焊接、组装、热处理等带来一定困难，当然结构的设计和 强度校核 肯定是本次设计的重点内容。 四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 1 月 6 日至 2 月 15 日： 网上查询有关设计资料 ； 2 月 16 日至 2 月 28 日： 专门进行 关专项练习 ； 3 月 1 日至 3 月 20 日：查阅资料，找设计依据，理出设计思路； 3 月 21 日至 4 月 10 日： 进行甲醇合成反应器的分析与计算 ； 4 月 11 日至 5 月 10 日： 绘制零件图、装配图 ； 5 月 11 日至 5 月 20 日；整理图纸，进行打印。写出设计明书并校核。 5 月 21 日至 5 月 31 日：准备答辩。 五、进行设计（论文）所需条件： 要完成本次设计，不仅要有基本的设计绘图能力（包括 计算机图 与 手工绘图 能力 ） ，更要懂得 单独查阅相关设计手册及相关标准以及明白 相关 的 设计思路与设计准则规范。 当然，还需要指导老师悉 心 地指导。 总之， 要完成好 本次设计需要我们好好复习 大学 里 所学的专业知识， 综合运用我们所学的专业知识 。 六、指导教师意见： 签名： 年 月 日 机械工程学院毕业设计 i 摘要 ： 本设计论文主要介绍了 3124平方甲醇合成反应器的主要技术参数选定反应管、管板、壳体材料及焊接材料的选用，主体结构设计，管箱筒体、壳程筒体、球形封头、管板的强度设计及校核，开孔补强计算以及设备制造过程中筒体、封头、管板的成形和设备制造、主要热处理工艺等。 关键词 ： 甲醇合成反应器、结构设计、强度校核、制造工艺流程、无损检测、热处理 a s 124 it of of of of of 械工程学院毕业设计 械工程学院毕业设计 械工程学院毕业设计 录 前言 . 1 第一章 主体材料选取及相关要求 . 6 . 6 . 8 . 8 . 9 第二章 结构设计及强度计算 . 11 . 11 . 11 . 11 . 11 . 12 结构设计 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 机械工程学院毕业设计 v . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 计温度下管箱筒体的应力计算 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 计温度下壳程筒体的计算应力 . 20 . 20 . 20 . 错误 !未定义书签。 计温度下球形封头的计算应力 . 21 . 22 . 28 ），不计温差应力 . 错误 !未定义书签。 ），计温差应力 . 错误 !未定义书签。 ），不计温差应力 . 31 ），计温差应力 . 32 机械工程学院毕业设计 开孔接管与补强 . 34 . 34 . 36 第三章 设备的制造要求和检验要求 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 . 40 . 40 . 41 . 42 工和组装要求 . 42 . 43 . 44 . 46 谢辞 . 48 参考文献 . 49 参考的设计标准 . 50 外文翻译 . 51 机械工程学院毕业设计 机械工程学院毕业设计 第 1 页 共 63 页 前 言 甲醇 是 结构最为简单的饱和 一元醇 ， 化 学式 又称 “木醇 ”或 “木精 ”， 是无色有 酒精 气味易挥发的液体 ， 有毒，误饮 5 10 毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡 ， 是基本有机原料之一。 它被 广泛应用于精细化工、塑料、医药、林产品加工等领域 。 它与现实中使用的液体燃料具有极为相似的燃烧性能，它既具有燃烧性能好、辛烷值高、抗爆性能好等特点，又具有生产原料非常广泛的优势 ,预期深加工后作为一种新型洁净燃料和加入汽油掺烧 ，其燃烧热的值及燃烧方程式为： 3 2 2 2C H O H l 3 / 2 O g C O g 2 H O l , H 7 2 5 . 7 6 k J / m o l 中国甲醇产量及消费量持续快速增长，甲醇技术发展很 快，主要趋势为： 1. 煤炭是我国甲醇生产最重要的原料，以煤炭为原料生产甲醇的比 例在逐步上升 ； 2. 生产规模大型化，可降低单位产品的投资成本； 3. 充分回收系统的热量。实现了热能的综合利用 ； 4. 采用新型副产中压蒸汽的合成塔，降低能耗； 5. 采用节能技术，如氢回收技术、预转化、工艺冷凝液饱和技术等降低甲醇的消耗 。 甲醇反应器是甲醇生产的重要设备，历经多年发展，其设计制造技术日臻成熟且趋于大型化。国内甲醇合成反应器历经引进、模仿、改进到自主研发取得了较大成就，同时在反应器内件改 进与研制方面也得到了较快发展，产生了一批有较强研发实力的科研单位。在琳琅满目的设备面前，如何选择一种合适的反应器成为甲醇装置投资建设必须面对解决的首要问题。 国外主要反应器 (1)激型甲醇合成塔是针对 51铜基催化剂的时空产率低、催化剂用量大、床层控温困难，催化剂易失活等缺陷而开发的一种绝热型轴向流动的低压合成反应器，由塔体、喷头、菱形分布器等组成。合成气预热到 230，进3第 2 页 共 63 页 入反应器，段间用菱形分布器将冷激气喷入床层中间降温。根据规模大小，一般有 3 床层，典型的是 4 个，上面 3 个为分开的轴向流床，最下面 1 个为轴 5230条件下合成甲醇。 压反应器与高压反应器 与高压反应器相比，该类反应器的特点是： 结构简单，塔内未设置电加热器或换热器，催化剂利用效率较高。由于采用菱形分布器，保证了反应气体和冷激气体的均匀混合； 适于大型化甲醇装置，易于安装维修； 高活性、高选择性催化剂选择余地大，国内外生产的催化剂如美国的 79化剂、 5151化剂、西南化工研究院开发 的 兰化院生产的 缺点是： 床层温度随其高度的变化而不同，不同高度的催化剂活性不同，整体活性不能有效发挥，也容易因温度控制不好，导致催化剂局部过热而影响催化剂的使用寿命； 反应器结构松散，出口的甲醇浓度低，导致大部分原料气不能参与合成反应，必须保持 10 倍左右的循环气量，压缩能耗高 (约占总能耗的24%)，同时相同产能的反应器体积比鲁奇反应器大，其一次性投资也较鲁奇的多； 能源利用不合理，不能回收反应热，产品综合能耗较高； 催化剂时空产率不高，用量大。 迄今为止，有 50多套装置 采用该反应器，其中最大的是 1999年在智利投产的 2850t/川维尼纶厂在上世纪 70年代初引进该反应器，经过 10多年的运行，始终难以达到设计生产能力。 1997 年技术改造时，将该反应器改为 (2)鲁奇管壳型甲醇合成塔 该反应器也是一种轴向流动的低压反应器，采用管壳式结构。操作条件是：230，列管内装催化剂，管外为沸腾水。反应热被沸水移走。两种气体分别呈轴向流动，合成塔壳程的锅炉水是自然循环的，通过控制沸腾水的蒸汽压力，可以保持恒定的反应温度。该塔使用高 含量铜催化剂时，可得到较高的单程转化率，其最大生产能力为 1500t/d。根据国内应用的情况来看，大部分催化剂均可使用，对生产影响不大。 与 应器相比，该反应器的优点是： 热量利用合理，每吨甲醇副产4汽 产的蒸汽可用于驱动离心式压缩机，也可用于天然气蒸汽转机械工程学院毕业设计 第 3 页 共 63 页 化，装置正常运行时不需外供蒸汽； 合成反应几乎是在等温条件下进行，副反应少，粗甲醇杂质少，用双塔精馏即可达到国家标准； 催化剂床层温度易控制，床层的温差较小，操作平稳； 出口甲醇浓度较高 (甲醇含量约 7%)，总循环气量比 相同产能下，催化剂用量较少。 缺点是： 壳体和管板、反应管之间用焊接结构，为消除热应力，对塔体的制造、材料的要求均比较高，结构复杂，制造难度大，维护成本高； 列管占用了反应器大量的空间，催化剂的装填量仅占反应器的 30%； 由于管内外传热温差较小，所需传热面积大，比冷面达 125m2/ 因用副产蒸汽从催化剂床层移热，受蒸汽压力限制，在催化剂寿命后期难以提高反应温度； 限于列管长度，扩大生产时，只能增加列管数量，扩大反应器的尺寸，生产操作弹性小。 一般认为该反应器不适用于大型甲醇装置，鲁奇经过改进，将合 成压力提高到 7一套 2000t/2003年以来采用该反应器建成的甲醇装置多达 21 套，产能在 1000d。即将在伊朗建成的5000t/d 甲醇装置则采用两套反应器串联，该反应器可适用于石油和天然气原料。山东齐鲁第二化肥厂及河南安阳甲醇厂 (原料为煤 )、四川维尼纶厂、陕西榆林及河南濮阳三化的天然气甲醇装置均采用该类反应器。国内已能设计，产能可达 30万 t/a，应用效果也不错。 (3)日本东洋公司 应器是日本东洋公司与三井化学公司联合开发的一种多段、间接冷却的径向反应器，由壳体、催化剂床层、催化剂筐、列管及集气盒组成。反应器内装有一直径较小的内胆，以改变物料流向，在其中心轴向安装一个带外壳的集束管，用于收集反应后的气体，外壳开有直径小于催化剂颗粒的小孔，收集的反应气沿径向从外壳上的小孔流入，管束内通过反应后的高温气体。反应器内还有冷却管束和催化剂托架，沿轴心均匀布置。冷却管束为双层同心管，沸水从内管导入内外管间的环隙，吸收反应热后生成高压蒸汽驱动蒸汽透平 。催化剂填装在冷却管束外面，垂直地安装在催化剂床层，与水平径向流动的合成气垂直。锅炉给水从炉底通入冷却管，产生的蒸汽汇集在蒸汽室内。冷却管的排列是 外型为圆筒状，机械工程学院毕业设计 第 4 页 共 63 页 有上下两个端盖，下端盖可以拆卸，便于将中心集气管抽出，以方便催化剂装填和内部设施检修。 该反应器于 1988年最初应用在特立尼达 200t/装置采用 激反应器。 该装置合成工序改造时，安装了一个 260t/d 的小型 990年 6月投运，完全达到预期目标。据 ，该装置易于从现在的 2500t/d 放大到 5000 t/d，国内有四川维尼纶厂的两套甲醇装置及四川泸州天然气化工厂的 40 万 t/a 甲醇装置采用该反应器。 国内装置采用 催化剂，目前还没有针对 运行的情况来看，产能未受影响，基本能达到设计能力，但杂质含量较偏高，且有甲胺和石蜡生成。 冷却管是 应器的核心部件，表 2 是 该反应器的优点是： 气体径向流动，流道短，空速小，因此压降小，约为轴向反应器的 1/10； 合成气垂直 流经冷却列管，床层与冷管之间的传热效率较高； 单程转化率较高，循环气量较小； 由于降低了压降和循环气量，循环系统的能耗从冷激反应器 t。 其缺点是：催化剂床层的温度难控制，沿径向位于冷却管远端的催化剂容易出现局部过热而产生石蜡、氨、甲胺等，使粗甲醇的杂质含量增高。 (1)托普索 (壳式反应器 该反应器是一种径向复合式反应器，一组 3个。在反应器之间移去反应热。由于使用了高活性、小粒度催化剂，床层压降为 应器直径和壁厚均比 其他反应器小，反应器的空速和甲醇出口浓度得到提高，造价较低。 1997年在挪威投产的 2400t/d 甲醇装置采用该反应器。 其特点是： 利用平衡曲线限制绝热升温，控制各段出口温度，增大循环比，使各段出口温度控制在催化剂耐热温度以内； 允许使用小颗粒催化剂。 其缺点是：循环气量大，能耗和循环回路的设备费用增加；床层内气体机械工程学院毕业设计 第 5 页 共 63 页 呈轴向流动，压降较大；由于气体分布不均匀，反应气体的线速度与接触时间不断变化，造成床层各部分催化剂的利用程度不同，催化剂性能得不到充分发挥；因采用多个反应器，设计、制造复杂。国内还未有使用 该反应器的报道。 机械工程学院毕业设计 第 6 页 共 63 页 第 一 章 主体材料 选取 及相关要求 甲醇合成反应是甲醇合成气（2H、 催化剂的作用下，反应生成甲醇，其主要反应如下： 2H22H3H+2板顶部装有绝热催化剂层，管内装催化剂， 管 外充满带走反应热 的 中压沸腾水蒸气 。本甲醇合成反应器是近年来国内外使用比较多的先进塔型。其主要性能特点是：该塔反应时触媒层温差小，合成反应几乎在等温条件下进行，反应器能 有效 地 除去 热量，采用低循环气流并限制最高反应温度，使反应 在 等温 的条件下 进 行，单程转化率高， 杂质生成少，循环压缩功能消耗低，而且合成反应 中产生的 热副产 物中 压蒸汽，便于废热综合利用。 甲醇合成反应器为三类压力容器，根据甲醇合成反应器的工艺原理及特点，甲醇合成反应器塔 的 筒体、封头板料 用 中厚板 ， 管程及壳程 圆筒 材料 可选取 低合金高强度钢 13，反应 管材料 可选取 相不锈钢管 ， 管板 材料可选取 20级锻件、 封头材料可选用15材 。 应管 选材 换热管材质采用 相不锈钢管，其制造、检验及验收应按 规定。 制造前应按下列指标按批复验化学成分和力学性能。 (1) 化学成分（ %） 机械工程学院毕业设计 第 7 页 共 63 页 表 C Si n r o N 标准 成分 2) 常温机械性能（保证值） 表 20 450 525 布氏硬度 90 (3) 线膨胀系数（保证值 ） 表 温差 20 100 20 200 203 00 a10-6 mm/ 4) 弹性模量（保证值 ） 表 温差 20 100 200 300 弹性模量 05 05 05 05 (5) 高温强度（保证值） 机械工程学院毕业设计 第 8 页 共 63 页 表 温差 100 200 300 54 334 5617 578 558 对于 反应管 材料 的其他 要求 : (1) 反应管必须采用整根钢管，不允许拼接 ； (2) 反应管应每一批做一根钢管的扩口试验 ； (3) 反应管金相组织：应具有铁素体 奥氏体两相组织，其中铁素体含 量范 围： 40% 55%，组织中不允许有 相出现 ； (4) 反应管的尺寸允许偏差：外径偏差 10%。 板 的选材 管板所用 20件除严格按 级锻件要求 。 对于管板材料的其他要求 : 管板加工后全表面及焊接坡口，经磁粉检测，符合 4730级 ； 进行 300 下的高温拉伸试验且高温屈服强度应符合 726求 。 体 选材 管程及壳程壳体所选用的 13 15材须满足第 1， 2 号修改单的要求。 对于壳体材料的 其他要求： (1) 板材逐张超声波检测满足 级要求； (2) 13板测定其线膨胀系数，线膨胀系数要求见表 机械工程学院毕业设计 第 9 页 共 63 页 表 13板线性膨胀系数 温差 线膨胀系数 a10 20 100 0 200 0 300 接材料 的选用 甲醇反应器制造埋弧自动焊 时 ，选用 丝、焊剂，带极堆焊 时选 用 10条、焊丝、焊带和焊剂 ；管子管板焊接 时， 选用 丝。 焊材质量应符合 压力容器用钢焊条订货技术条件等标准的相应规定。各种材料选用的焊接材料见表 表 材料种类或 接头部位 药皮电弧焊 焊条 埋弧焊焊丝 （带） +焊剂 氩弧焊焊丝 备注 13板对接焊 08 筒体 131550710431 / 封头与 筒体 1320507 / 筒体与 接管 20焊 过渡层： 层： 渡层： 剂： 10 管板 堆焊 15307 封头 拼接 机械工程学院毕业设计 第 10 页 共 63 页 1515307 封头与 接管 20 / 子 管板 机械工程学院毕业设计 第 11 页 共 63 页 第 二 章 结构设计及强度计算 艺参数 壳程 管程 工作压力 作温度 240 255 物料名称 沸腾水 蚀余量 2 3 换热面积 2m 3124 计参数 的 确定 c 的确定 根据 4计压力选取表要求，设备无安全泄放装置 的内压容器 ， 其 计算压力 工作压力 甲醇合成反应器的 计算压力 ： 壳程： 取 液柱静压力： 壳程设计压力 P=管程 :柱静压力： 故 管程 设计压力P= 设计 温 度的确定 根据 5计温度选取表要求，当工作温度 T15 ,介质最高（低）工作温度不确定时，其 设计温度 介质 工作温度 T 加 15 30 ，故取壳程设计温度为 260 （ 240+20=260 ） ，管程设计温度为 280（ 255+25=280 ） 机械工程学院毕业设计 第 12 页 共 63 页 3 液压试验压 力 根据 式 3T= / t 计算液压试验压力 。 对于壳程：材料为 13 试 验压力 P设计压力 容器元件材料在试验温度下的许用应力 t 容器元件材料在设计温度下的许用应力 查 利用 内 插法 可以 求 得 13在设计温度下的材料许用应力 为 ： t =190 已知 试 验温度下 13许用应力 =190 故 液压 试 验压力 /t =90/190= 对于 管程： 材料 有 1520件 ； 在 液压 试 验压力 /t 式中： 试验压力 P设计压力 容器元件材料在试验温度下的许用应力 t 容器元件材料在设 计温度下的许用应力 查 4板许用应力 ， 利用 内 插法 可以 求 得 15用状态为正火 加回火， 在设计温度下的材料许用应力： 2 11 121 1 3 1 1 4 1 ( ) 1 4 1 ( 2 8 0 2 5 0 ) 1 3 5 M 0 2 5 0t t t 又已知 在 试验温度下 15许用应力 =150 故液试验压力： /t = 50/136=机械工程学院毕业设计 第 13 页 共 63 页 查 4知 ： 20件在设计温度下的材料许用应力t =177 又已知 20件 在试验温度下的材料许用应力 =177 故液压试验压力： /t =77/177=根据 注 2 规定：容器各元件（圆筒 、封头、法兰及紧固件等）所用材料不同时，应取各元件材料的 /t 比值中最小值。故设备管城的液压管程的液压试验压力： 由于壳设计温度为 260 ，考虑到 13可焊的细晶粒结构钢，热强性能高，抗裂纹扩展敏感性好，故壳程筒体采用 13程球形封头采用 15板采用 20件，过渡层堆 层堆 热管采用 箱筒体采用 13 设备的 A、 B 类焊缝均进行 100%射线检测，故焊缝系数取 结构 设计 型的选择 由于球形封头受力状态好，且根据 球形封头厚度计算公式 ： = 4 p 而筒体厚度计算公式： = 2 p 球形封头厚度可以减薄到 大约 筒体的一半。且考虑本设备结构尺寸，从经济性出发，选用球形封头； 板结构 的 确定 由于固定管板结构简 、紧凑 ， 能够承受较高的压力， 制造成本低， 管程清洗方便，管子损坏时易于堵管 或更换，但是由于其 排管数比浮头式、 U 形管式要多，机械工程学院毕业设计 第 14 页 共 63 页 故 本设备采用管板与壳程圆筒和管箱圆筒形成整体结构的固定管板式结构。 由于本甲醇合成反应器要求的换热面积为 3124 热管 选用 常见型号（ l d）： 6m 结构设计可得 :换热管的有效长度（两管板内侧的间距）L=5820 由换热面积的计算公式 ： 可得： n=4513(根 ) 体结构尺寸 F=n 械工程学院毕业设计 第 15 页 共 63 页 不锈钢堆焊16图 醇合成反应器结构简图 机械工程学院毕业设计 第 16 页 共 63 页 醇合成反应器的 厚度计算 和强度校核 首先，将 甲醇合成反应器设计技术参数 罗列入 表 计技术参数 壳程 管程 容器类别 三类 设计压力 作压力 计温度 260 280 工作温度 240 255 物料名称 沸腾水 合成气（中度危害） 主要受压元件材 壳 程圆筒 ：13形封头 ： 15热管 ： 板 ： 13程圆筒 ：13缝系数 1 1 液压 试 验压力 热 面积 2m 3124 度 计算 和 强度 校核 算 由于本甲醇合成反应器的换热面积为 3124热管选取的类型为： 6ml d） ，暂取两换热管中心距 s=热管按照正三角形排列，经计算，当 n=4513 时， 整可取 3400 3400 P设计压力（ 设计参数取管程： P=械工程学院毕业设计 第 17 页 共 63 页 计算压力（ 管程： T液压实验压力（ 管程： P 设计温度下圆筒或封头的最大允许工作压力（ 圆筒或封头 的最大允许工作压力（ d 圆筒或封头的设计厚度 (圆筒的计算厚度 (e圆筒的有效厚度 (n圆筒的名义厚度 ( 常温下圆筒计算应力（ t 设计温度下 许用 应力 （ 焊接接头系数： 取 根据 计算压力 t ，设计温度下管箱筒体的计算厚度可由 （ 5 =2 i 求得。 由于 计算压力 t =351=54 故 设计温度下管箱 筒体的计算厚度 = =厚度附加量（ 管程： C=2=0+3=31钢材厚度负偏差（ 准 ： 管箱筒体 2腐蚀裕量（ 设计参数取管程： 体的设计厚度： d=+ =体的名义厚度： n=d + =向上圆整至钢材标准规格的厚度 60 筒体的有效厚度： e=2） =60-（ 0+3） =57 根据 式 （ 3()2T i eT 校核压力试验前管箱筒体的应力： 6 3 4 0 02 2 1 9 0 1 6 机械工程学院毕业设计 第 18 页 共 63 页 ()2T i eT = = 1390=351 所以筒体液压试验前的应力校核合格； 计温度下 管箱 筒体的应力 计算 根据 式 （ 5： c D 计算应力 c D = 6 3 4 0 0 5 72 5 7=t =1901=190以筒体的计算应力校核合格 ; 根据 式 （ 5： 2 ， 设计温度下圆筒的最大允许工作压 2 = 216 . 33 4 0 0 5 7 5 7 1 9 0 为一般 情况下 要求 ： 工作压力 0 时，1大值； 当 ，1m/k (24) 系数1当 m0 时，按 k 和 m 查 壳式换热器图 31（ a）实线；当 i=91 ， 故 /122ts /122ts =77) 设计温度时，换热管材料的屈服点 21 78) 设计温度时，管板材料的许用应力 77 79) 设计温度时，换热管材料的许用应力 80) 系数 ： = =81) 管板布管区周边剪切应力， p= P 82) 管板布管区周边剪切应力系数 ： = (83) 壳程圆筒的装配环向焊缝 系数 ： =114 pt械工程学院毕业设计 第 28 页 共 63 页 (84) 系数 ： (85) 系数 ： 查 26， = (86) 系数 ： 查 26， =危险工况的组合 不计温差应力 根据 上面 的已知条件， 可 计算得： (1) 换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差， 0t t t st t t t =0 (2) 当量压力组合， s=3) 有效压力组合， Pa=s4) 边界效应压力组合， C 5) 边界效应压力组合系数， bM= =6) 管板边缘力矩系数， M =7) 管板边缘剪切系数， M =8) 管板总弯矩系数， m= =数，仅用于 m0 时， m/k=数，当 m0 时，按 K 和 m 查 31（ a）实线得， 数，当 m0 时， 两者中的比较大值， 9) 管板径向引力系数， =10) 管板布管区周边处的径向应力系数， r 23 m 14 K Q G =114 1mK 121+r 21 (1 )4 第 29 页 共 63 页 (11) 管板布管区周边剪切应力系数， = =12) 管板径向应力， 2ir r =， m/k=数，当 m0 时，按 K 和 m 查 31（ a）实线得， 数，当 m0 时， 两者中的比较大值， 9) 管板径向引力系数， =10) 管板布管区周边处的径向应力系数， r 23 m 14 K Q G =11) 管板布管区周边剪切应力系数， = =12) 管板径向应力， 2ir r =， m/k=数，当 m0 时，按 K 和 m 查 31（ a）实线得， 数，当 m0 时， 两者中的比较大值， 9) 管板径向引力系数， =21+r 21 (1 )4 机械工程学院毕业设计 第 32 页 共 63 页 (10) 管板布管区周边处的径向应力系数， r 23 m 14 K Q G =11) 管板布管区周边剪切应力系数， = =12) 管板径向应力， 2ir r =， m/k=数，当 m0 时，按 K 和 m 查 31（ a）实线得， 数，当 m0 时， 两者中的比较大值， 9) 管板径向引力系数， =10) 管板布管区周边处的径向应力系数， r 23 m 14 K Q G =11) 管板布管区周边剪切应力系数， = =12) 管板径向应力， 2ir r =,所以单孔补强满足要机械工程学院毕业设计 第 36 页 共 63 页 求 ，不需另加补强 。 接管内径：接管内径为 500定接管的名义厚度2 接管材料为 20件，在 260 设计温度下的许 用应力 207 因为计算压 力： 0.4 =071=接管的计算厚度： 2 1 4 . 32 t 4 . 3 500 2 0 7 管的有效厚度： 12e t n t =62-（ 0+2） =60孔直径： d=500+22C=500+22=504以，最大有效补强范围： 最大有效宽度 : B=d,d+2n 2)=504,504+242+262)=1008大有效外伸或内伸长度： h= 5 0 4 62=度削弱系数： 207, 1 , 1190 I N M I N =1 壳体 有 效 厚 度 减 去 计 算 厚 度 之 外 的 多 余 金 属 面 积 ： 1 21e n t e d f （ 1008（ 2（ （ 1= 接管实际外伸 有效外伸1h=管实际内伸 0，则有效内伸2 0h 接管 有效厚度减去计算厚度之外的 多余金属面积：)C(2)(2 2212 =2 1+20（ 6019357 2 机械工程学院毕业设计 第 37 页 共 63 页 接管与筒体焊角高定位 8以补强区的焊缝金属面积为 23 64A 可作为补强的截面积：1 2 3 A A 9357+64=19969 2 开孔所需补强面积： 21e t rA d f 5040（ 1 因为可作为补强的截面积孔所需补强面积 A,所以单孔补强满足要求 ，不需另加补强 。 机械工程学院毕业设计 第 38 页 共 63 页 第三章 设备 的 制造 要求 和 检验 要求 体 的 制造 要求 和检验要求 (1) 筒节按划线下料，下料尺寸应 准确，以保证筒节卷制焊接后内径偏差和不圆度最小，以达到对筒节组 要求的偏差。 (2) 焊接坡口进行机加工，除进行形状和尺寸检查外，对坡口邻近区域和坡口表面进行磁粉或渗透检测。不得有裂纹、分层、夹杂及其他影响焊接质量的缺陷。 (3) 在滚圆是应保证做到筒体两边与滾板机轧滚平行，用不大于 400度、错边、 错口，保证焊接接头的棱角度 5接接头的错边量 3体最大最小直径差（包括管箱壳体）2滚圆的筒体为理想的几何状态。 (4) 焊接结构为全焊透结构，焊接前焊接工艺按 4708接采用埋弧自动焊，电焊焊条为 丝为 剂为热温度及层间温度 200 ，焊后立即进行消氢处理。焊接前的焊接过程中，检验人员和焊接工程师用测温仪在现场进行监督。根据不同的厚度带相应的产品焊接试板，试板在筒体纵焊缝的延长线上与纵缝一起焊接，焊接完毕与筒体一道 进行消氢处理，消氢工作结束后，再进行校圆和无损检测。为防止棱角度、圆度在焊接时的变化，严格按焊接工艺规定在焊接规范和焊接顺序进行施焊，焊接工程师在施焊现场进行指导。 (5) 筒 体 纵 缝 的 无 损 检 测 ： 焊 接 接 头 按 4730行100%00%测，分为 级、 级合格；热处理后进行100%00%测。分别为 、 级合格；水压试验后进行 100% 级合格。 (6) 筒体制造的工艺路线 筒体备料 化学成份、力学性能复验 打砂 划线（根据封头尺寸） 标志移植 下料（带试板） 刨 边并加工坡口 坡口表面 查 滚圆 焊接纵缝，预热温度 200 (带焊接试板 ) 消氢处理 校机械工程学院毕业设计 第 39 页 共 63 页 圆 纵缝 伤 射线探伤、超声波探伤 加工环缝坡口 坡口伤 筒体与筒体组对 焊接环焊缝，预热温度 200 消氢处理 伤 划出人孔开孔位置线 加工人孔焊缝坡口 坡口伤 组对人孔筒节 焊接人孔筒节与壳体焊缝，预热温度 200伤 所有焊缝内表面打磨与母材平齐 待组装。 (7) 人孔筒节与封头角焊缝焊接时，采用专用工装，防止封头焊接变形。 头的 制造 要求和检验要求 球形封头利用 2200 吨水压机采用专门设计制作的冲压模具分片压制球片和顶圆后拼接成型，顶圆尺寸约 片数量为 7 片。 封头平板拼接时采用埋弧自动焊，点焊用焊条为 丝为热温度及层间温度 150 ，焊后立即进行消氢处理，并100%间检测，冲压后进行 100% 100%查，合格后机加工环焊缝坡口。 封头成型后采用机加工方法开接管孔、焊接管等，焊接接头按4730行 100%验 级合格，再对封头组件进行炉内整体消除应 力热处理，热处理温度为 600 650 。 板的 制造 要求和检验要求 管板备料 化学成份、力学性能复验 超程伯探伤复验 粗车内、外圆和待堆焊表面 上下管板叠合在一起，待堆焊 304L 的表面朝外，周边焊牢 待堆焊表面 100%预热 200 （置于带极堆焊变位机上） 带极堆焊第一层（ 着色探伤 测厚 整体消除应力热处理（ 600 650 ） 堆焊第二层（ 着色探伤、超声波探伤 测厚 根据变形情况，在决定是否局部补充堆焊切除外周焊缝 校平 车 划 线 采用数控机床钻孔 加工管子焊接坡口 车管板坡口 坡口着色检查 检验。 机械工程学院毕业设计 第 40 页 共 63 页 上下管板管程表面采用极堆焊，堆焊加工后的总厚度 7焊的过渡层厚度不少于 3超声检测，合格后作憨厚消除应力的热处理。管板堆焊前的基层表面，过渡层堆焊表面，面层堆焊表面应分别按4730行 100%渗透探伤，合格等级为 级。堆焊层及其结合面应按 4730行 100%超声波探伤，合格等级为 级。 备制造与组装顺序： 球形封头组件制造 壳体筒节制造、加强段筒节制造、管板加工并堆焊 管板与加强段短节组对焊接 管板与加强段的组件与壳体筒节组对焊接 组装换热管 管子管板焊接 组对壳体与球形封头。 管板与加强筒体的组焊 管板与筒体的连接结构为全焊透结构，容易出现管板与筒体焊后管板的不平度产生变化，影响管板的管孔圆度和管孔轴线与管板平面的垂直度，导致穿管时管外壁与管孔摩擦拉上管子外表面，影响产品质量 因此，在组对管板与加强筒体时，应仔细检查管板与加强筒体的外部尺寸，用专用胎具将筒体撑圆，焊接防变形工装与管板谅解固定后放入筒体定位处，调整管板与筒体的间隙，调整挂板与筒体的同心度，保证管板 与筒体的同心，电焊固定，焊接时预热（温度 200 ），对称进行焊接，注意观察管板与加强筒体的变形程度及时进行控制，逐层进行着色探伤，焊接完后进行着色和超声波探伤，消除应力热处理后拆除工装。 板与加强筒体的组件与筒体组焊 上下管板与加强段组焊合格后，线将下部加强段与管板的组件与课程筒体组对，控制组对错边量和直线度在图样及 求范围内，点固焊缝采用手工电弧焊焊接，采用 条，点焊部位点焊前预热至200 以上，组对后采用埋弧自动焊焊接环缝，焊丝 焊应连续 进行，层间温度控制在 200 250 ，焊后立即进行消机械工程学院毕业设计 第 41 页 共 63 页 氢处理，然后进行 100%0%测。 壳体主要焊接件（筒体、封头）组对时应保证相邻两筒节和筒节与封头表面平齐，以使焊接完成后纵向的错边量小于 向的错边量小于 3 组对换热器内件，将已组焊合格的管板 +加强筒体 +壳程筒体组件与下管板 +加强筒体及壳体筒体组件按上述要求组对，焊接环焊缝，内口采用药皮电弧焊，采用 条，外口采用埋弧自动焊，焊接工艺同上，消氢处理后天对该环缝进行 100%00%测， 级和 级 合格。 划筒体接管孔位置线，在检验确定无误后进行预开孔，接管空的焊接坡口全部采用机加工成形，在机加工焊接坡口确实有难度的地方，用机床进行粗加工，最后用角向磨光机按图纸修磨出合格的坡口，坡口表面进行磁粉检测，合格后进行接管及吊耳点半组对焊接，控制组对精度，焊前预
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