毕业论文（设计）浮头换热器的结构设计

目录摘要2ABSTRACT3前言4第一章换热器概述511换热器的应用512换热器的主要分类613管壳式换热器特殊结构1114换热管简介12第二章工艺计算1321设计条件1322核算换热器传热面积1323压力降的计算1824换热器壁温计算21第三章换热器结构设计与强度计算2431壳体与管箱厚度的确定2432开孔补强计算2633水压试验3234换热管3335管板设计3536折流板4137拉杆与定距管4338防冲板4439保温层44310法兰与垫片44311钩圈式浮头48312分程隔板54313鞍座54314接管的最小位置56第四章换热器的腐蚀、制造与检验5841换热器的腐蚀5842换热器的制造与检验58第五章焊接工艺评定6251壳体焊接工艺6252换热管与管板的焊接6253法兰与筒体的焊接63第六章换热器的安装、试车与维护6461安装6462试车6463维护65总结66致谢68参考文献69附录浮头法兰厚度计算程序70附录相关文献74摘要本设计说明书是关于PN25DN600浮头式换热器的设计，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ABSTRACTTHEDESIGNMANUALISABOUTTHEPN25DN600FLOATINGHEADHEATEXCHANGER,WHICHINCLUDEDTECHNOLOGYCALCULATEOFHEATEXCHANGER,THESTRUCTUREANDINTENSITYOFHEATEXCHANGERTHEFIRSTPARTOFDESIGNISTHETECHNOLOGYCALCULATIONPROCESSMAINLY,THEPROCESSOFTECHNOLOGYCALCULATEISACCORDINGTOTHEGIVENDESIGNCONDITIONSTOESTIMATETHEHEATEXCHANGERAREA,ANDTHEN,SELECTASUITABLEHEATEXCHANGERTOCHECKHEATTRANSFERCOEFFICIENT,JUSTFORTHEACTUALHEATTRANSFERAREAMEANWHILETHEPROCESSABOVESTILLINCLUDETHEPRESSUREDROPANDWALLTEMPERATURECALCULATIONTHESECONDHALFOFTHEDESIGNISABOUTTHESTRUCTUREANDINTENSITYOFTHEDESIGNTHISPARTISJUSTONTHESELECTEDTYPEOFHEATEXCHANGERTODESIGNTHEHEATEXCHANGERSCOMPONENTSANDPARTS,SUCHASVESTING,BAFFLEDPLATES,THEDISTANCECONTROLTUBE,CIRCLEHOOK,TUBEBOXESTHISPARTOFDESIGNMAINLYINCLUDETHECHOICEOFMATERIALS，IDENTIFYSPECIFICSIZE,IDENTIFYSPECIFICLOCATION,THETHICKNESSCALCULATIONOFTUBESHEET,THETHICKNESSCALCULATIONOFFLOATINGHEADPLANTINGANDFLOATINGHEADFLANGE,THEOPENINGREINFORCEMENTCALCULATIONETCINTHEEND,THEFINALDESIGNRESULTSTHROUGHSIXMAPSTODISPLAYTHEEACHASPECTSOFTHEFLOATINGHEADHEATEXCHANGERHASDETAILEDINSTRUCTIONSINTHEDESIGNMANUALKEYWORDSHELLTUBEHEATEXCHANGER,FLOATINGHEADHEATEXCHANGER,TUBESHEET,FLOATINGHEADPLANTING,FLOATINGHEADFLANGE前言毕业设计是完成教学计划实现专业培养目标的一个重要的教学环节；是教学计划中综合性最强的实践性教学环节。它对提高学生综合运用专业知识分析和解决实际问题的能力以及培养学生的工作作风、工作态度和处理问题等方面具有很重要的意义。本次毕业设计的题目是浮头式换热器设计。浮头式换热器是长岭炼油厂的典型设备，主要用于原油和油品等的换热，并且设计的原始资料及数据均来源于工厂中正在运行的设备。这次设计中的主要内容为换热器的工艺计算、换热器的结构与强度设计。其中，工艺计算主要是确定换热器的换热面积、换热器的选型、压降计算、壁温计算等；而结构与强度设计则主要包括管板厚度计算、换热管的分布、折流板的选型、浮头盖及浮头法兰的计算、开孔补强计算以及各种零部件的材料选择等。在设计过程中，我尽量采用较新的国家标准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合生产实际需要，适合市场激烈的竞争。同时为了使本次设计能够进行顺利，我在设计前参阅了许多有关书籍和英文文献，并做了一定的摘要。因为换热器设计是属于压力容器设计范畴，与我所学的课程有紧密的联系，所以这次设计对我的设计能力有了很大的提高。它不仅使我贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识，还培养和提高我们群体合作、相互配合的工作能力。换热器在设计过程中为技术分析与产品开发可以为设计者提供一个广阔的思维想象空间，还能激发设计者的创新意识。在设计过程中，我们可以很好地将所学的知识加以应用，在自己的脑海中巩固，这是我选择这个课题的初衷，而事实上我也达到了预期的目的。由于水平有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处，恳请各位老师和同学批评指正。特此致谢第一章换热器概述过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是在化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备，而换热设备则是广泛使用的一种通用的过程设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的1020；在炼油厂，约占总投资的3540。11换热器的应用在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。12换热器的主要分类在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。121换热器的分类及特点按照传热方式的不同，换热器可分为三类1直接接触式换热器又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。2蓄热式换热器在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染”。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面比较大，故较适合用于气气热交换的场合。3间壁式换热器这是工业中最为广泛使用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为（1）管式换热器如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等；（2）板面式换热器如板式、螺旋板式、板壳式等；（3）扩展表面式换热器如板翅式、管翅式、强化的传热管等。122管壳式换热器的分类及特点由于设计题目是浮头式换热器的设计，而浮头式又属于管壳式换热器，故特此介绍管壳式换热器的主要类型以及结构特点。管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，其具体结构如下图所示。壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程，而图121所示为最简单的单壳程单管程换热器。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。这种换热器的结构不算复杂，造价不高，可选用多种结构材料，管内清洗方便，适应性强，处理量较大，高温高压条件下也能应用，但传热效率、结构的紧凑性、单位传热面的金属消耗量等方面尚有待改善。由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种主要类型（1）固定管板式换热器其结构如图1所示。换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程，同时制造成本较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。（2）浮头式换热器其结构如图2所示。管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板夹持在用螺柱连接的浮头盖与钩圈之间，形成可在壳体内自由移动的浮头，故当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。由上述特点可知，浮头式换热器多用于温度波动和温差大的场合，尽管与固定管板式换热器相比其结构更复杂、造价更高。（3）U型管式换热器其结构可参见图3。一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束，从而省去了一块管板与一个管箱。因为管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，故消除了温差应力。其结构简单，造价便宜，管束可以在壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，故最好让不易结垢的物料从管内通过。由于弯管的外侧管壁较薄以及管束的中央部分存在较大的空隙，故U型管换热器具有承压能力差、传热能力不佳的缺点。（4）双重管式换热器将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器，其结构可以参看图4。管程流体（B流体）从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底部，然后返回，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热，但管程流体的阻力较大，设备造价较高。（5）填料函式换热器图5为填料函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封，管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰和壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低，但填料处容易泄漏，工作压力与温度受一定限制，直径也不宜过大。13管壳式换热器特殊结构包括有双壳程结构、螺旋折流板、双管板等特殊结构，这些结构将使换热器拥有更高的工作效率。（1）双壳程结构在换热器管束中间设置纵向隔板，隔板与壳体内壁用密封片阻挡物流内漏，形成双壳程结构。适用场合管程流量大壳程流量小时，采用此结构流速可提高一倍，给热系数提高112倍；冷热流体温度交叉时，但壳程换热器需要两台以上才能实现传热，用一台双壳程换热器不仅可以实现传热，而且可以得到较大的传热温差。（2）螺旋折流板式换热器螺旋折流板可以防止死区和返混，压降较小。物流通过这种结构换热器时存在明显的径向变化，故不适用于有高热效率要求的场合。（3）双管板结构在普通结构的管板处增加一个管板，形成的双管板结构用于收集泄漏介质，防止两程介质混合。14换热管简介换热管是管壳式换热器的传热元件，采用高效传热元件是改进换热器传热性能最直接有效的方法。国内已使用的新效的换热管有以下几种（1）螺纹管又称低翅片管，用光管轧制而成，适用于管外热阻为管内热阻15倍以上的单相流及渣油、蜡油等粘度大、腐蚀易结垢物料的换热。（2）T形翅片管用于管外沸腾时，可有效降低物料泡核点，沸腾给热系数提高1633倍，是蒸发器、重沸器的理想用管。（3）表面多孔管该管为光管表面形成一层多孔性金属敷层，该敷层上密布的小孔能形成许多汽化中心，强化沸腾传热。（4）螺旋槽纹管可强化管内物流间的传热，物料在管内靠近管壁部分流体顺槽旋流，另一部分流体呈轴向涡流，前一种流动有利于减薄边界层，后一种流动分离边界层并增强流体扰动，传热系数提高1317倍，但阻力降增加1725倍。（5）波纹管为挤压成型的不锈钢薄壁波纹管，管内、管外都有强化传热的作用，但波纹管换热器承压能力不高，管心距大而排管少，壳程短而不易控制。管壳式换热器的应用已经有悠久的历史，而且管壳式换热器被当作一中传统的标准的换热设备在很多工业部门中大量使用。尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，管壳式换热器仍处于主导地位，因此本次毕业设计特针对这类换热器中的浮头式换热器的工艺设计以及结构设计进行介绍。第二章工艺计算在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积。工艺设计中包括了热力设计以及流动设计，其具体运算如下所述21设计条件表21油品与原油的操作参数原油油品进口温度（C）出口温度（C）流量（KG/S）进口温度（C）出口温度（C）流量（KG/S）设计压力（MPA）69101265030010064425表22油品与原油的物性参数名称平均温度（）比热KJ/KGK导热系数W/（MK）密度KG/M3粘度（103）PAS热阻（103）K/W原油8531650140805810052油品20025870114918092005222核算换热器传热面积221流动空间的确定选择被冷却的油品走壳程，被加热的原油走管程。这是因为被冷却的流体走壳程可便于散热，而传热系数大的流体应走管程，这样可降低管壁的温差，减少热应力，同时对于浮头式换热器，一般是将易结垢流体流经管程。222初算换热器传热面积A2221传热计算（热负荷计算）热负荷CPOCIHPIHOQMTT式中,H冷热流体的质量流量，KG/S；PC冷热流体的定压比热，J/KGK；管程原油壳程油品,CIOT冷流体的进、出口温度，K；HI热流体的进、出口温度，K。理论上，CQ，实际上由于热量损失，CQH，通常热负荷应该取MAX（C，H）。26531069283KWCPCOCIMT4871HHI；故321KQ。2222有效平均温差MT的计算选取逆流流向，这是因为逆流比并流的传热效率高。其中1T为较小的温度差，2T为较大的温度差。206931OCT因为12T，故采用对数平均温度差，则129314LNLMT2223按经验值初选总传热系数K估查表选得K估180W/（）；2224初算出所需的传热面积A322105894MQAMT估；考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素，应使所选用的换热器具有换热面积0A留有裕度1025，故有212543AM，根据查26839KC1HQ1239OTC914MTK估180W/（）205AM243AM选型手册，可选换热器的型式为BES2586/4，且为达到所需换热面积，应采用三台同类换热器串联。所选浮头式换热器的规格参数以及其工艺计算常用参数可参考表23与表24（附第二章后）。223总传热系数K的校验管壳式换热换热器面积是以传热管外表面为基准，则在利用关联式计算总传热系数也应以管外表面积为基准，因此总传热系数K的计算公式如下1OOSOSIWMIBDDRO式中K总传热系数，W/（K）；I、分别为管程和壳程流体的传热膜系数，W/（K）；SIR、O分别为管程和壳程的污垢热阻，K/W；ID、O、M分别是传热管内径、外径及平均直径，M；W传热管壁材料导热系数，W/（K）；B传热管壁厚，M。2231管程流体传热膜系数I其计算过程如下24652/8014CIIUMSD；3REI，可知流体处于过渡流状态；2/IUMSRE413PR4PIC；当流体在管内流动为过渡流的时候，对流传热系数可先按湍流的公式计算，然后把计算结果乘以校正系数，即可得到过渡流下的对流传热膜系数。先计算校正系数5518186003RE4；而湍流情况下的I计算如下由于2IA，故原油为高黏度的流体，故应用SIEDERTATE关联式081/30147REPRIIIWD工程上，当液体被加热时，取014/5I，当液体被冷却时，取014/95IW，而管程流体原油是被加热的，则有081/31402728IW/（K）；故管内流体传热膜系数I为0835927IIW/（K）；2232壳程流体传热膜系数O其计算过程如下换热器内需装弓形折流板，根据GB1511999可知，折流板最小的间距一般不小于圆筒内直径的1/5，且不小于50M，故根据浮头式换热器折流板间距的系列标准，可取折流板间距30BLM。0835928IW/（K）75IW/（K）30BLM6ID因为壳体选择为卷制圆筒，根据GB1501999可知壳体内径60IDNM。管间流速OU是根据流体流过管间最大截面积SA计算1SBITDALP其中O管外径，即25，T为换热管中心距，此时选择换热管在管板上的排列方式为正方形排列，因为这样便于机械清洗，查GB1511999得32TPM。20506139SA；4178/98HOSUS；当换热管呈正方形排列时，其当量直径ED为221717035027TEOPDD；同时389R42EOU；5710PR20POC；故可用KERN法求O，即051/3014/336REPR40829527W/MKOIWD；I与O都已经算出，而02IODM，25B，32051/SIORW，同时查钢管25ODM3TP2039SAM178/OUS027ER48PR209OW/（K）25MDB301SIRM2K/W35SOM2K/W469WW/MK1KW/MK壁热导率为469/WWMK，则有03311125025052484690702196/OSSIOWMIKBDDRWK故1估，合适。224校核平均温差与平均温差有关参数的计算如下3016259HIOCITR热流体的温降冷流体的温升3OCIHIP冷流体的温升两流体最初温差；根据R、P值，查温度校正系数图可得温度校正系数086，因此有效平均温度差为0869147MTT。225校核换热面积实际传热面积203216978MQAMKT；校核08532101526A；为了保证换热器的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于或等于1525，由上可知所选换热器面积满足要求。23压力降的计算106K估65R0139P0867MT2016A08流体流经换热器因流动引起的压力降，可按管程压降和壳程压降分别计算。231管程压力降IP管程压力降有三部分组成，可按下式进行计算ILRTPSNSFN其中LP流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，PA；R流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，PA；NP流体流经管箱进出口的压力降，PA；TF结构校正因数，无因次，对25M的管子，取为14；对192M的管子，取为15；PN管程数；S串联的壳程数。其中，L、R、NP的计算式如下2IILUPD；23IRU；215INUP；式中I管内流速，/MS；ID管内径，M；L管长，；I摩擦系数，无量纲，可由下式求取；I管内流体密度，3/KG。由于RE413，在6E10范围内，故可采用下面公式求取03803875754022EI所以64LPMPA；043I258MPAL9R0AN28053059RPMPA；218NMPA；058914302942MPAI；经查，可知每台换热器合理的压力降为50318PA，由此可知上述压力降符合要求。232壳程的压力降当壳程装上折流板后，流体在管外流动为平行流和错流的耦合。尽管管束为直管，但流动却变得复杂化。由于制造安装公差不可避免地存在间隙，因而会产生泄漏和旁流，而流体横向冲刷换热管引起的旋涡，也使流动变得更加复杂。由于流动的复杂性，要准确地分析影响这种复杂流动的各种因素，精确地计算压力降是相当的困难。下面通过埃索法来计算12OSPFN式中1P流体横过管束的压力降，PA；2流体通过折流板缺口的压力降，PA；SF壳程压力降的结垢修正系数，无因次，对液体可取115；对气体可取10。其中2101OCBUPFNN；235BOBILUPND；式中F管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形排列5。对正方形排列0F，对转置正方形排列04；OF壳程流体摩擦系数，当RE5时，0285REF；0542MPAI15SF03FCN横过管束中心线的管子数，对三角形排列1CTN；对正方形排列19CTNN；OU按壳程流通截面OA计算的流速，/MS；B折流板的数量。其中21903619802557OBICOBITOALDNDLNDM；因此641/7HOUMSA；0285OF；19163CTNN；068BL，取整为19。则有21910372434758PPA，22091838563846PPA；4750MPAO；可知此时的压力降在合理范围之类。24换热器壁温计算241换热管壁温T计算符号说明以换热管外表面积为基准计算的总传热系数，W/（M）；20578OAM012/OUS74F63CN19BN4758PPA26308MPAOPDR污垢热阻，/W；,MTT分别为热、冷流体的的平均温度，；IO分别为热流体的进、出口温度，；,IT分别为冷流体的进、出口温度，；M流体的有效平均温差，；以换热管外表面积为基准计算的给热系数，W/（M）。热流体侧的壁温31209605217864815THMDHMOTRTC；冷流体侧的壁温3185960527867123TCMDCMORTC；所以414THTC。242圆筒壁温ST的计算由于圆筒外部有良好的保温层，故壳体壁温取壳程流体的平均温度20ST。1564OTHC123OTCC134OT20ST到此换热器的工艺计算告一段落，其中工艺计算的主要目的是计算出其换热面积，选出相应的换热器型式，因此，接下来应该是进行换热器的结构设计以及强度计算。表23与表24附于下面表23所选浮头式换热器规格DNPN管长设备净重充水水重MMMPAM管程数换热管规格计算传热面积规格型号管程出入口公称直径，壳程出入口公称直径，600256486915015043271980表24工艺计算常用参数公称直径（MM）管程中心排管数换热管数管程平均通道面积（C）弓形折流板缺口弓高（）60041018814815025BES2586/4第三章换热器结构设计与强度计算在确定换热器的换热面积后，应进行换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算，主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、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，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接等），具体计算如下。31壳体与管箱厚度的确定根据给定的流体的进出口温度，选择设计温度为400；设计压力为25MPA。311壳体和管箱材料的选择由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择16MNR为壳体与管箱的材料。16MNR是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。312圆筒壳体厚度的计算焊接方式选为双面焊对接接头，100无损探伤，故焊接系数1；根据GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定可知对16MNR钢板其120CM。假设材料的许用应力125TMPA（厚度为616MM时），壳体计算厚度按下式计算为012152CITDM；设计厚度2618DCM；1120CM618D名义厚度1801NDCM（其中为向上圆整量）；查其最小厚度为8MM，则此时厚度满足要求，且经检查，T没有变化，故合适。10NM313管箱厚度计算管箱由两部分组成短节与封头；且由于前端管箱与后端管箱的形式不同，故此时将前端管箱和后端管箱的厚度计算分开计算。3131前端管箱厚度计算前端管箱为椭圆形管箱，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀，且其深度较半球形封头小得多，易于冲压成型。此时选用标准椭圆形封头，故1，且同上120CM，则封头计算厚度为25603105CIHTCDM；设计厚度238DHC；名义厚度101N（为向上圆整量）；经检查，T没有变化，故合适120CM63H80D1NHM查JB/T47462002钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下表31DN600标准椭圆形封头参数DNMM总深度HMM内表面积A容积M3封头质量（）6001750437400353346短节部分的厚度同封头处厚度，为10MM。3132后端管箱厚度计算由于是浮头式换热器设计，因此其后端管箱是浮头管箱，又可称外头盖。外头盖的内直径为700MM，这可在“浮头盖计算”部分看到。选用标准椭圆形封头，故1，且同上120CM，则计算厚度为120CM125704205CIHTCDM；设计厚度249DHC；名义厚度101N（为向上圆整量）；经检查，T没有变化，故合适。704HM9D1NH查JB/T47462002钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下表32DN700标准椭圆形封头参数DNMM总深度HMM内表面积A容积M3封头质量（）7002000586100545413短节部分的厚度同封头处厚度，为10MM。32开孔补强计算在该台浮头式换热器上，壳程流体的进出管口在壳体上，管程流体则从前端管箱进入，而后端管箱上则有排污口和排气口，因此不可避免地要在换热器上开孔。开孔之后，出削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连接性被破坏，会产生很高的局部应力，会给换热器的安全操作带来隐患。因此此时应进行开孔补强的计算。由于管程与壳程出入口公称直径均为150MM，按照厚度系列，可选接管的规格为1598，接管的材料选为20号钢。321壳体上开孔补强计算3211补强及补强方法判别补强判别根据GB150表81，允许不另行补强的最大接管外径是89M，本开孔外径为159MM，因此需要另行考虑其补强。开孔直径215024302IIDDCM，满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。3212开孔所需补强面积计算154DM强度削弱系数860125TNRFM；接管有效厚度ETNTC；开孔所需补强面积按下式计算2115460689ETRADFM；3213有效补强范围有效宽度B2154208MAX3081289NTDM有效高度（A）外侧有效高度1H为154831MIN520NTDMH实际外伸长度；（B）内侧有效高度2H为215431IN00NTDHM实际内伸长度；3214有效补强面积壳体多余金属面积壳体有效厚度1028ENC则多余的金属面积1A为13085462861082EETRBDFM；接管多余金属面积接管计算厚度25102862CITTNDM；068RFMET296A308B135H20HM8E1285AM接管多余金属面积2A212223560878HETRETRFHCFM；接管区焊缝面积（焊脚取为6MM）31632A；有效补强面积123851723650EM；3215另需补强面积241239604AA；拟采用补强圈补强根据接管公称直径DN150，参照JB/T47362002补强圈标准选取补强圈的外径230DM，内径164DM（选用E型坡口）。因为8B，则补强圈在有效补强范围内。补强圈的厚度为42162340AMD；考虑钢板负偏差并经圆整，取壳体和管箱上补强圈的名义厚度为6MM，即6N。2TM22178A36M50EA246M230D164M36NM322前端管箱开孔补强计算3221补强及补强方法判别补强判别根据GB150表81，允许不另行补强的最大接管外径是89M，本开孔外径为159MM，因此需要另行考虑其补强。开孔直径215024302IHIDDCM，满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进154HDM行开孔补强计算。3222开孔所需补强面积计算强度削弱系数860125TNRHFM；接管有效厚度ETNTC；开孔所需补强面积按下式计算211546036089HHETRADFM；3223有效补强范围有效宽度2154208AX3081289HHNTDBM有效高度（A）外侧有效高度1H为154831MIN520NTHDM实际外伸长度；（B）内侧有效高度2为215483IN00HNTHDM实际内伸长度；3224有效补强面积管箱多余金属面积管箱有效厚度1028HENC则多余的金属面积1A为1308546032860318296HHEHETHRHABDFM；接管多余金属面积接管计算厚度068RHFMET2951HA308HB135HM20H8HEM1296HA25102862CITTNDM；接管多余金属面积2A212223560878HETRHETRHFCFM；接管区焊缝面积（焊脚取为6MM）31632HA；有效补强面积1238517236510HEHM；3225另需补强面积2412394HHHAA拟采用补强圈补强根据接管公称直径DN150，参照JB/T47362002补强圈标准选取补强圈的外径230DM，内径164DM（选用E型坡口）。因为8B，则补强圈在有效补强范围内。补强圈的厚度为42132406HAMD；考虑钢板负偏差并经圆整，取壳体和管箱上补强圈的名义厚度为6MM，即6HNM。2TM22178HA36HM5102HEA24HM230DM1643H6HNM323外头盖开孔补强计算外头盖上的排污口与排气口接管材料也为20号钢，选用规格为328，主要是通过采用厚壁接管进行补强。3231开孔所需补强面积其开孔直径21620HIDCM；20HDM强度削弱系数860125TNRHFM；接管有效厚度ETNTC；开孔所需补强面积21074068139HHETRHADFM；3232有效补强范围有效宽度204AX562108HNHTDBM有效高度（A）外侧有效高度1为120816MIN27HNTDM实际外伸长度；（B）内侧有效高度2为208126IN0HNTDHM实际内伸长度；3233有效补强面积外头盖多余金属面积外头盖有效厚度826HENC则多余的金属面积1A为115620874268704683HHEHETHRHABDFM；接管多余金属面积接管计算厚度2516023582CITTNDM；068RHFMET2139HA56B126H20HM6HEM13HA0235TM接管多余金属面积2A21222603568045HETTRHETRHFCFM；接管区焊缝面积（焊脚取为4MM）316HA；有效补强面积12345173HEHMA由此可知已经达到了补强的目的。221453HAM316H7HEM33水压试验设试验温度为常温，则有170125254TTPMPA；则校核水压试验时圆筒的薄膜压力T42560816509135TIESD425TPMPA16509TS34换热管换热管的规格为25，材料选为20号钢。341换热管的排列方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。在此，选择正方形排列，主要是考虑这种排列便于进行机械清洗。查GB1511999可知，换热管的中心距S32MM，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（SD）不宜小于6MM。342布管限定圆LD布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，其由下式确定12LIB查GB1511999可知，B5，B13，BN12，故B2BN15135，则6035785LDM。343排管排管时须注意拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，在靠近折流板缺边位置处布置拉杆，其间距小于或等于700MM。拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距的（0515）3范围内。多管程换热器其各程管数应尽量相等，其相对误差应控制在10以内，最大不能超过20。相对误差计算MINAX10CPN；其中CP各程的平均管数；INAX各程中最小或最大的管数。实际排管如下所示由上图可知，经过实际排管后发现，每个管程的布管数目分别是38，56，56，38，而各管程的平均管数为47，因此可知各程管数的相对误差是MINAX47385247101010920CPN344换热管束的分程在这里首先要先提到管箱。管箱作用是把从管道输送来的流体均匀地分布到换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器，在多管程换热器中管箱还起改变流体流向的作用。由于所选择的换热器是4管程，故管箱选择为多程隔板的安置形式。而对于换热管束的分程，为了接管方便，采用平行分法较合适，且平行分法亦可使管箱内残液放尽。345换热管与管板的连接换热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。强度胀接主要适用于设计压力小40MPA；设计温度300；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。在此，根据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊。这是因为强度焊加工简单、焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。35管板设计管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用。由于流体只具有轻微的腐蚀性，故采用工程上常用的16MNR整体管板。351管板与壳体的连接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。352管板计算符号说明DA在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，2M，对正方形排列，DNAS；N隔板槽一侧的排管根数；S换热管中心距；N隔板槽两侧邻管的中心距；TA管板布管区面积，2M；对多管程正方形排列换热器，2TDANS；L管板布管区内开孔后的面积，2；24LTDAN；A一根换热管管壁金属的横截面积，2；GD固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，M；根据所选的垫片的尺寸，且选择其压紧面型式为GB150表91的1A，可知密封面宽度06521064NBM；则02531864BM，故89G；TD管板布管区当量直径，4TTAD；D换热管外径，M；PE设计温度时，管板材料的弹性模量，MPA；F设计温度时，换热管材料的弹性模量，MPA；WEG系数，按123AKP和T查GB151图24；TK管束模数，MPA；TTENLD；T管束无量纲刚度，MPA；TTPK；L换热管有效长度（两管板内侧间距），M；L换热管与管板胀接长度或焊脚高度，；N换热管根数；AP无量纲压力，15DATRP；C当量压力组合；MPA；DP管板设计压力，MPA；S壳程设计压力，MPA；T管程设计压力，MPA；Q换热管与管板连接拉脱力，MPA；许用拉脱力，查GB151，MPA；系数，1NAA；管板计算厚度，M；T换热管管壁厚度，；管板刚度削弱系数，一般可取值；管板强度削弱系数，一般取04；T系数，TTGD；T换热管轴向应力，MPA；CR换热管稳定许用压应力，MPA；TR设计温度时，管板材料的许用应力，MPA；T设计温度时，换热管材料的许用应力，MPA；管板厚度计算过程如下3521管板名义厚度计算2134103248DDAM；86T；23145206098LA；22217654OIADM；1876530N；3091；4257TDM；517096T；126T；查GB150可知50TEMPA，5180PEPA；则5621317832TKPA；式中L应为换热管的有效长度，但由于管板厚度尚未计算出，暂估算管板厚度为50MM进行试算，待管板厚21384DAM06T14985LA276AM30N91527TD0T126T1783TKMPA0281TK度算出再用有效长度核算，02NL管端伸出长度。5178302814TK；30TK当中的CR的计算如下526311422TRSEC；22220505580TID；查GB1511999可知6CRBL，则687CRRLIC，同时由于前面换热管的材料选为20号钢，故TMPA，245711242886TSCRCRTLIPA；由于此时不能保证SP与T在任何时候都同时作用，则取25DPMA；故2504186AP，故10AP；根据3K136和12T查GB151图可知,9WECG，则管板计算厚度为51270486TADM；管板的名义厚度应不小于下列三部分之和，即MIN12,6182504NSTMAXCHMAXH圆整圆整4圆整式中CS和CT分别是指壳程、管程的腐蚀裕量；而H1是指壳程侧管板结构槽深，为0；H2是指管程隔板槽深，为4MM。此时应根据得到的管板名义厚度，重复以上步骤，使得管130TK42RC80I6CRL75RI82CRMPA04AP123AK136618MN685861LM7902TKMPA83T子有效长度对应于管板厚度。0268156NLM管端伸出长度51307922TKMPA；5798048T；故123AP139，查图可知054C，192WEG，则12768TCDM，60848N圆整；123AKP139608MN3522换热管的轴向应力换热管的轴向应力在一般情况下，应按下列三种工况分别计算壳程设计压力25SPMA，管程设计压力0TP125CSTSPA；12063519029485TTCSWELAGMPA；明显地，TCR；管程设计压力25T，壳程设计压力0SP101293CSTPMA；1206335190294884TTCSWELAPGMA；明显地，TTPA；25CPMA21TPATCR32CPMA184T6TTPA壳程设计压力SP与管程设计压力TP同时作用125102973CSTPMPA；1073295TTCSWELAPGMA；明显地，TCR。由以上三种情况可知，换热管的轴向应力符合要求。073CMPA25TT