毕业论文（设计）：管壳式浮头式换热器设计

管壳式换热器摘要换热器是在工厂生产中最常见的过程设备之一，是用于物料之间进行热量传递的过程设备，使热量从热流体传递到冷流体的设备。通过这种设备使物料能达到指定的温度以满足工艺的要求。浮头式换热器是针对固定管板式换热器在热补偿方面的缺陷进行了改进的换热设备。本设计说明书是关于浮头式换热器的设计，主要分为说明和计算两部分。说明部分主要叙述了换热器的特点和分类、换热器的发展现状、国内发展趋势和研究热点，以及浮头式换热器主要零部件结构的设计及压力容器常用材料等。计算部分主要对浮头换热器的筒体、封头和法兰进行了详细地计算，并对其进行了水压试验的校核；其中，换热管、管板、折流板、鞍座和钩圈等各个受压元件按照GB1501998钢制压力容器和GB1511999管壳式换热器的标准进行简单的结构设计，使其屈服应力在许用应力范围之内。除此之外，还参阅相关的设计手册及大量的文献，完成了各个零件图的绘制，还对一篇外文进行了翻译等工作。关键词浮头式换热器；厚度计算；强度校核；水压试验SHELLANDTUBEHEATEXCHANGERABSTRACTHEATEXCHANGERISUSEDINTHEMATERIALSTOCARRYONTHETHERMALTRANSMISSIONTHEPROCESSTHROUGHTHISKINDOFEQUIPMENT，MATERIALSACHIEVEASSIGNMENTTHETEMPERATURETOSATISFYTHECRAFTTHEREQUESTFLOATINGHEADHEATEXCHANGERTUBEAGAINSTAFIXEDPLATEHEATEXCHANGERINTHETHERMALCOMPENSATIONOFTHEDEFECTSANDIMPROVEDHEATTRANSFEREQUIPMENTTHEDESIGNMANUALISABOUTFLOATINGHEADHEATEXCHANGER,WHICHINCLUDEDEXPLANATIONPARTANDCALCULATIONPARTANDTHEEXPLANATIONPARTDESCRIBEDTHECHARACTERISTICSANDCLASSIFICATIONOFHEATEXCHANGER,THEDEVELOPMENTOFTHESTATUSQUO,DEVELOPMENTTRENDOFDOMESTICANDRESEARCHHOTSPOTS,ALSOTHEFLOATINGHEATEXCHANGERSDESIGNOFTHESTRUCTUREOFTHEMAINCOMPONENTSANDPRESSUREVESSELSCOMMONLYUSEDMATERIALSTHEMAINPARTOFTHECALCULATIONOFTHECYLINDER,HEADANDFLANGEOFTHECALCULATIONINDETAIL,ANDITSVERIFICATIONOFHYDRAULICTESTALSOHEATEXCHANGER,TUBESHEET，BAFFLE，CIRCLEHOOKS，SUCHASSADDLESANDALLBYPRESSURECOMPONENTSINACCORDANCEWITHTHEGB1501998“STEELPRESSUREVESSEL“ANDGB1511999“TUBULARHEATEXCHANGERS“STANDARDFORSTRENGTHCALCULATION,CHECKINGWATERPRESSURETESTINTENSITYTOYIELDSTRESSINTHERANGEOFALLOWABLESTRESSINADDITION,SEETHERELATEDDESIGNMANUALSANDALOTOFLITERATURE,COMPLETEDTHEMAPPINGOFVARIOUSPARTS,BUTALSOATRANSLATIONOFAFOREIGNLANGUAGESANDSOONKEYWORDSFLOATINGHEADHEATEXCHANGERTHICKNESSCALCULATIONSTRENGTHCHECKPRESSURETEST目录1换热器概述111换热器的特点112换热器的分类及其优缺点213浮头式换热器的简介214换热器的研究热点42浮头式换热器的设计621设计参数的确定6211设计压力6212设计温度6213厚度及厚度附加量7214焊接接头系数7215许用应力722设备材料选择823结构的选择与论证9231换热管9232管板10233封头11234折流板12235开孔和开孔补强设计12236法兰143计算部分1531壳体圆筒计算15311计算条件15312厚度计算15313压力试验时应力校核16314压力及应力计算1632前端管箱筒体的厚度计算（管箱短节的计算）17321计算条件17322厚度计算17323压力试验时应力校核18324压力及应力计算1833前端管箱封头计算19331计算条件19332厚度计算19333应力试验时应力校核20334压力计算2034后端管箱筒体计算20341计算条件20342厚度计算21343压力试验时应力校核21344应力及应力计算2235外头盖封头的计算22351计算条件22352厚度计算23353压力试验时应力校核23354压力计算2436管板设计24361符号说明24362管板厚度计算26363换热管的轴向应力校核28364换热管与管板连接的拉脱力校核3037浮头盖的设计计算30371球冠形封头厚度计算30372浮头法兰厚度计算3238开孔补强394结论42参考文献43谢辞441换热器概述换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，又称热交换器。换热器应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。现在，石油化工装置不断向大型化发展，要求换热器也相应大型化，而新产品的开发、原料的深度加工和精细化工的发展等则要求换热器型式多样化。另外，又对换热器提出了新的节能要求，如炼油工业中,为了提高换热系统有效能的利用，要求降低换热器的平均温差，这就需要开发新型换热器。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。11换热器的特点一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。12换热器的分类及其优缺点换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的冷水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体填料表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称为蓄冷器，多用于空气分离装置中。间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。13浮头式换热器的简介浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管近年来受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中仍占主导地位。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。换热器的管子在管板上的排列不单考虑设备的紧凑性，还要考虑到流体的性质、结构设计以及加工制造方面的情况。管子在管板上的标准排列形式有四种正三角形和转角正三角形排列，适用与壳程介质清洁，且不需要进行机械清洗的场合。正方形和转角正方形排列，能够使管间的小桥形成一条直线通道，便于用机械进行清洗，一般用于管束可抽出管间清洗的场合。浮头式换热器优点是浮头式换热器的管束连同浮头可以自由伸缩，与外壳的膨胀无关，因而不产生温差应力；而且管束可以抽出，便于清洗管程和壳程；结构坚固；可靠性高；适应性广；处理能力大；能承受较高的工作压力。这些优点表明对于管子和壳体间温差大、壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况，浮头式换热器很能适应。浮头式换热器缺点是由于其结构较为复杂，尤其是单管程，锻件多，造价高，造价比固定管板式约高20，而且浮头盖操作时无法检查，所以在安装和制造时应特别注意其密封，以免发生内漏。浮头式换热器适用范围浮头式换热器适用于压力温度范围较大，特别是壳体和换热管壁温相差较大或介质易结垢的场合。一般易结垢介质走管程，两种介质都易结垢时，高压介质走管程，可以降低造价；腐蚀性介质宜走管程，可以减少耐腐蚀材料的用量；制造也比较方便。浮头式换热器简图14换热器的研究热点在工业制冷装置换热器的选择方面需要根据工矿企业自身的自然条件、现场条件、运行经验等因素进行综合考虑，并且坚持高效率、低能耗、运行安全稳定、便于检修维护的原则，进而取得满意的经济效益。随着科学技术的进步及计算机模拟换热数学模型的推广普及，相信会出现更多、更高效的新型换热器，而对于制造厂商来说，材料节省，成本降低，技术含量提升，经济效益也会明显提高。各种新型、高效换热器逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。在这里主要对管壳式换热器的传热强化技术进行简单的介绍。强化传热研究的主要任务是改善热传递速率，以达到用最经济的设备来传递规定的热量，用最经济的冷却方式保护高温元件的安全，即用最佳的热效率实现能源的合理利用。因此，强化传热因其在工业生产与能源利用中的特殊作用而得到不断完善。传热强化技术是一项能显著改善传热性能的节能新技术。其主要内容是采用强化传热元件，改善换热器的结构，提高传热效率，从而使设备投资与运行费用最低，以达到生产的最优化。增大传热系数、妥善布置传热面、增大平均温度差是强化传热的三种途径，其中提高传热系数是当今强化传热的重点。换热设备传热过程的强化就是使换热设备能在单位时间内、单位面积上传递的热量达到最大化。管壳式换热器强化传递通常是对光管进行加工得到各种结构的异型管，如波纹管、螺纹管、螺旋槽纹管、横槽纹管、翅片管、针翅管、多孔表面管等，通过这些异型管进行强化传热，提高工作效率，达到节能减排效果。强化传热一般分为主动强化传热（有源强化）与被动强化传热（无源强化）两种。主动强化传热以消耗外部能量为代价的，如采用电场、光照射、搅拌、流体振动、机械表面振动等手段，由于受到外加能量限制，因而工程主要采用被动强化传热技术，即通过增加单位体积内的传热面积或者提高传热系数增加产热量。目前，管壳式换热器的传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强化研究。2浮头式换热器的设计21设计参数的确定压力容器设计参数主要有设计压力，设计温度，厚度，厚度附加量，焊接接头系数和许用应力等。211设计压力为压力容器的设计载荷之一，其值不低于最高工作压力。最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。设计压力应视内压和外压容器分别取值。当内压容器上装有安全泄放装置时，其设计压力应根据不同形式的安全泄放装置确定。装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不应低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的105110倍；装设爆破片时，设计压力不得低于爆破片的爆破压力。对于盛装液化气体的容器，由于容器内介质压力为液化气体的饱和蒸汽压，在规定的装量系数范围内，与体积无关，仅取绝于温度的变化，故设计压力与周围的大气环境温度密切相关。此外还要考虑容器外壁有无保冷设施，可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响，即设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。212设计温度设计温度也为压力容器的设计载荷条件之一，它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度。当元件金属温度不低于0时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金属温度低于0时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。GB150规定设计温度等于或低于20的容器属于低温容器。元件的金属温度可以通过传热计算或实测得到，也可按内部介质的最高温度确定，或在基准上增加（或减少）一定数值。设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。213厚度及厚度附加量设计时要考虑厚度附加量C由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2组成，CC1C2,不包括加工减薄量C3。计算厚度（）是按有关公式采用计算压力得到的厚度。设计厚度（D）是计算厚度与腐蚀裕量之和。名义厚度（N）指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。有效厚度（E）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。腐蚀裕量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀，机械磨损而导致厚度的消弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体，封头，接管，等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定。在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，C2不小于1MM；对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取C20。214焊接接头系数通过焊接制成的容器，焊缝中可能存在夹渣，未熔透，裂纹，气孔等焊接缺陷，且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使母材强度或塑性有所降低，因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体的强度削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数。焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。215许用应力许用应力是容器壳体，封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数之比，设计时必须合理的选择材料的许用应力，采用过小的许用应力，会使设计的部分过分笨重而浪费的材料，反之则使部件过于单薄而容易破损。材料强度失效判据的极限值可以用各种不同的方式表示，如屈服点S，抗拉强度B，持久强度D，蠕变极限N等。应根据失效类型来确定极限值。在蠕变温度以下通常取材料常温下最低抗拉强度B，常温或设计温度下的屈服点或TS三者除以各自的材料设计系数后所得到的最小值，作为压力容器受压元件设计时的许用应力，即按下式取值MINSTBN,，也即是说设计受压元件时，以抗拉强度和屈服点同时来控制许用应力。因为对韧性材料制作的容器，按弹性失效设计准则，容器总体部位的最大应力强度应低于材料的屈服点，故许用应力应以屈服点为基准。目前在压力容器设计中，不少规范同时用抗拉强度作为计算许用应力的基准，其目的是为能在一定程度上防止断裂失效。当碳素钢和低合金钢的设计温度超过420，铬钼合金钢的设计温度高于450，奥氏体不锈钢设计温度高于550时，有可能产生蠕变，因而必须同时考虑基于高温蠕变极限TN或持久强度TD的许用应力。GB150钢制压力容器给出了钢板，钢管，锻件以及螺栓材料在设计温度下的许用应力同时也列出了确定钢材许用应力的依据。螺栓的许用应力应根据材料的不同状态和直径大小而定。为保证螺栓法兰连接结构的密封性，必须严格控制螺栓的弹性变形。一般情况下，螺栓材料的许用应力取值比其他受压元件材料低；同时为防止小直径螺栓在安装时断裂，小直径螺栓的许用应力也比大直径的低。22设备材料选择材料是压力容器的物质基础，正确选用压力容器材料是保证容器长期安全使用的一个基本条件，压力容器所用材料必须要有良好的焊接性能和冷热加工性能，压力容器材料的物理性能也是选材要考虑的。要进行换热的容器要用导热系数较高的材料达到节省材料的目的。压力容器常用的钢材主要有板、管、棒、丝、锻件、铸件等形状。压力容器的本体主要采用板材、管材和锻件，其紧固件采用棒材。压力容器用刚可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。16MNR是一种低合金钢，它是在碳素钢的基础上加入一种或数种合金元素（不超过5）以提高钢材的强度，耐高温、耐低温、耐腐蚀等性能，各种合金元素在低合金钢中起着不同的作用，锰能有效的提高强度，降低冷脆性能。作为联接的螺栓，是法兰密封结构中主要受力元件。要求螺栓材料具有高的强度，好的韧性。为避免螺栓与螺母咬死或胶合，通常选用不同强度级别的材料或选用不同的热处理规范。使用有不同的硬度。螺栓硬度一般应比螺母高30HB以上，考虑到螺母的更换比螺栓容易，螺栓材料强度通常比螺母高。因此，螺栓材料选用A3钢16。垫片材料的选择应根据工作系统的温度、压力以及介质种类、化学性能（如腐蚀性、氧化性是否有毒或污染大气）物理性能（如比重、粘度比）考虑一般要求垫片材料不污染工作介质，耐腐蚀，具有良好的变形性和回弹能力。垫片的耐用温度应大于操作温度，要有一定的机械强度和适当的柔软性。在工作温度200下，不易变质硬化或软化；同时，在考虑介质的放射性，应力以及外力对法兰变形的附加影响因素。检修更换垫片是否容易。垫片现场加工是否可能，经济性以及材料来源等。23结构的选择与论证231换热管除光管外，换热管还可采用各种各样的强化换热管，如翅片管，螺旋槽管，螺纹管等。当管内外两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。换热管尺寸换热管尺寸主要为19MM2MM,25MM25MM,38MM25MM,无缝钢管以及25MM2MM,38MM25MM的不锈钢管。标准管长有15，20,30,45,60,90M等。采用小管径，可使单位体积的传热面积增大，结构紧凑，金属耗量减少，传热系数提高。据估算，将同直径换热器的换热管有25MM改为19MM，其传热面积可增加40左右，节约金属20以上。但小管径流体大，不便清洗，易结垢堵塞。一般大直径管子用于粘性大或污浊的流体，小直径管子用于较清洁的流体。常用材料有碳素钢，低合金钢，不锈钢，铜铜镍合金，铝合金，钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨，陶瓷，聚四氟乙烯等。设计时应根据工作压力，温度和介质腐蚀性等选用合适材料。换热管在管板上的排列形式主要有正三角形，正方形和转角三角形，转角正方形。正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用的最为普遍，但管外不一清洗。为便于管外清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。232管板管板是管壳式换热器最重要的零件之一，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。在选择管板材料时除力学性能外，还应考虑管程和壳程的流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。当流体物腐蚀性或有轻微腐蚀时，管板一般采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造。当流体腐蚀性较强时，管板应采用不锈钢，铜，铝，钛等耐腐蚀材料。但对于较厚的管板，若整体采用价格昂贵的耐腐蚀性，造价很高。例如，高温，高压换热器中，管板厚度达300MM以上，有的甚至达到50MM。为节约耐腐蚀材料，工程上常采用不锈钢和钢，钛和钢，铜和钢等符合板，或堆焊衬里。当换热器承受高温，高压时，高温和高压对管板的要求的矛盾的。增大管板厚度，可以提高承受能力，但当管板两侧流体温差很大时，管板内部沿厚度方向的热应力。当迅速停车或进气温度突然变化时，热应力往往会导致管板和换热管在连接处发生破坏。因此，在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。薄管板顾名思义是指相对于采用标准，规范计算所得的管板厚度要薄很多的管板，一般厚度为820MM。当要求严格禁止管程和壳程中的介质互相混合时，可采用双管板结构。在双管板结构中管子分别固定在两块管板上，两块管板保持一定距离，如果管子与管板连接处有少量流体漏出，可让其从连管板之间的空隙泄放之外界，也可利用一薄壁圆筒将此空隙封闭起来，充入惰性气体，使其压力高于管程和壳程的压力，达到避免两种介质混合的目的。233封头压力容器的封头种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等。其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。在这个设计中封头的设计为标准椭圆形封头。受均匀内压作用封头强度计算，由于封头和圆筒相连接。所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还有考虑与圆筒连接处的不连续应力。连接处总应力的大小与封头的几何形状尺寸，封头与圆筒厚度的比值大小有关，但在导出分头厚度计算公式时，主要利用内薄膜应力作为依据，而将因不连续效应产生的应力增强影响以应力增强的系数形式引入厚度计算式中。在本设计中使用标准椭圆形封头和短圆筒组成，有内段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力情况。由于封头的椭圆部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，采用椭圆形封头还易于制造。234折流板设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结构。在卧式换热器中，折流板还起支撑管束的作用。当工艺上无需折流板要求，而换热管有比较细长时，以及浮头式换热器的浮头端重量较重时或U形管换热器的管束较长，则应考虑设置支持板，以起到防止换热管变形的目的。常用的折流板形式有弓形和圆盘圆环形两种，其中弓形折流板有单弓形，双弓形和三弓形三种，根据需要也可采用其他形式的折流板与支持板，如堰形折流板。弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横向流过管束时的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占壳体内直径的百分比来确定。如单弓形折流板，缺口弦高宜取020045倍的壳体内直径，最常用的是025倍壳体内直径。折流板一般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进出口接管。折流板最小间距宜不下于内直径的1/5，且不小于50MM；最大间距应不大于恰提内直径。折流板上管孔与换热管之间的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙应合乎要求，间隙过大，泄漏严重，对传热不利，还易引起振动；间隙过小，安装困难。折流板与支持板一般用拉杆和定距管连接在一起，在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕道折流板背后接近壳体处，会有一部分流体停滞起来，形成了对传热不利的死去。为了消除这个弊病，宜采用多弓形折流板。如双弓形折流板，因流体分为两股流动，在折流板之间的流速相同时，其间距只有单弓形的一半。不仅减少了传热死去，而且提高了传热效率。235开孔和开孔补强设计由于各种工艺和结构要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管，开孔后，除削弱器壁的强度处，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患。因此，压力容器的设计必须充分考虑开孔的补强设计。开孔应力集中的程度与孔的形状有关，圆孔应力集中程度最低。因此，我们所设计的固定管板式换热器选择圆形开孔。为了降低峰值应力需要在开孔边缘补强，即用在开孔边缘附近增加截面的方法，来提高应力。压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构主要有补强圈补强，厚壁接管补强和整锻件补强三种形式。（1）补强圈补强这是中低压容器应用最多的补强结构，补强圈补强贴焊在壳体与接管连接处。它结构简单，制造方便，使用经验丰富，但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热结果差，在中温以上使用时，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强局部区域产生较大的热应力；另外，补强圈去壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。这种补强结构一般使用在静载，常温，中低压，材料的标准抗拉强度低于540MPA，补强圈厚度小于等于15N，壳体名义厚度N不大于38MM的场合。（2）厚壁接管补强即在开孔处焊上一段厚壁接管。由于接管的加厚部分正处于最大应力区域内，故比补强圈更能有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检查，因此补强效果较好。高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。（3）整锻件补强该补强结构是将接管和部分壳体连同补强部分金属集中开孔应力最大部位，能有效地降低应力集中系数；可采用对焊焊缝，并使焊缝极其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低1015。缺点是锻件供应困难，制造成本较高，所以只在重要压力容器中应用，如核容器，材料屈服点在500MPA,以上的开孔及受低温，高温，疲劳载荷容器的大直径开孔等。236法兰由于法兰间表面总是粗糙不平，若在其间放一软软的垫片，用螺栓拧紧，使垫片受压而产生变形（局部表面为塑性变形，整体是弹性变形）填满两密封面的凹凸不平的间隙，就可以阻止介质漏出，达到密封的目的。换热器介质交换需要在密封的条件下进行，所以需要选择一定型式的法兰进行密封。炼厂常用的法兰形式有平焊法兰、对焊法兰及螺纹法兰。综合各自的优缺点，考虑到平焊法兰钢性较差，在温度和压力较高时易发泄露，螺纹法兰又不与介质接触。相比之下，对焊法兰由于其钢度较大，在较大压力下，温度波动是也能保证密封。因此，我们选择对焊法兰。对焊法兰密封选择是否合理，对密封有很大影响。在选用时应全面了解介质的性质，操作条件根据这些性质和条件特点选用合适的静密封结构、材质和规定。3计算部分31壳体圆筒计算311计算条件计算压力MPAC52设计温度CT0材料名称RN16热轧板材内径MDI设计温度许用应力MPAT170试验温度许用应力试验温度下屈服点S345钢板负偏差MC01腐蚀裕量2焊接接头系数85312厚度计算计算厚度MPDCTI60952801722（31）设计厚度CD6392（32）名义厚度MDN1401（33）按GB151表8中规定，取N4有效厚度CNE13021（34）313压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值MPAPTT12537052125（35）压力试验允许通过的应力水平PAST92563485090（36）试验压力下圆筒的应力MDPEIT8157120532（37）校核条件T校核结果合格314压力及应力计算最大允许工作压力MPADPEITW86210572（38）设计温度下的计算应力PAEICT25162052（39）又MPAT5014870（310）校核条件TT校核结果合格32前端管箱筒体的厚度计算（管箱短节的计算）321计算条件计算压力MPAC52设计温度CT0材料名称RN16热轧板材内径MDI设计温度许用应力MPAT170试验温度许用应力试验温度下屈服点S345钢板负偏差MC01腐蚀裕量2焊接接头系数85322厚度计算计算厚度MPDCTI60952801722（311）设计厚度CD6392（312）名义厚度MDN1401（313）按GB151管壳式换热器表8中规定，取N有效厚度MCNE130421（314）323压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值MPAPTT12537052125（315）压力试验允许通过的应力PAST92563485090（316）试验压力下圆筒的应力MDPEIT8157120532（317）校核条件T校核结果合格324压力及应力计算设计温度下圆筒的最大允许工作压力MPADPEITW86210572（318）设计温度下圆筒的计算应力PAEICT25162052（319）又MPAT5014870（320）校核条件TT校核结果合格33前端管箱封头计算331计算条件计算压力MPAC52设计温度CT0。材料名称RN16热轧板材内径MDI设计温度许用应力MPAT170试验温度许用应力试验温度下屈服点S345钢板负偏差MC01腐蚀裕量2焊接接头系数85封头形状标准椭圆形封头，2IIHD332厚度计算形状系数126261IHK（321）计算厚度MPDCTI5692085172502（322）设计厚度MCD5612392（323）名义厚度DN401（324）按GB151管壳式换热器规定，取N1有效厚度MCNE30421（325）333应力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值MPAPTT12537052125（326）压力试验允许通过的应力AST9256348590（327）试验压力下圆筒的应力MPDPEIT01712032（328）校核条件T校核结果合格334压力计算设计温度下圆筒的最大允许工作压力MPAKDPEITEW8762150172502（329）结论合格34后端管箱筒体计算341计算条件计算压力MPAC52设计温度CT0。材料名称RN16热轧板材内径MDI2设计温度许用应力MPAT170试验温度许用应力试验温度下屈服点S345钢板负偏差MC01腐蚀裕量2焊接接头系数85342厚度计算计算厚度MPDCTI471052801722（330）设计厚度CD432（331）名义厚度MDN1071（332）按GB151管壳式换热器表8中规定，取N4有效厚度CNE130421333343压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值MPAPTT12537052125334压力试验允许通过的应力AST9256348590335试验压力下圆筒的应力MPDPEIT01720132（336）校核条件T校核结果合格344应力及应力计算设计温度下圆筒的最大允许工作压力MPADPEITW625120872（337）设计温度下圆筒的计算应力AEICT61371252（338）又MPAT50147850（339）校核条件TT校核结果合格35外头盖封头的计算351计算条件计算压力MPAC52设计温度CT0材料名称RN16热轧板材内径MDI2设计温度许用应力MPAT170试验温度许用应力试验温度下屈服点S345钢板负偏差MC01腐蚀裕量2焊接接头系数85封头形状标准椭圆形封头，2IIHD352厚度计算形状系数126261IHK（340）计算厚度MPDCTI43105280172502（341）设计厚度MCD432（342）名义厚度DN101（343）有效厚度MCNE130421（344）353压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值MPAPTT12537052125（345）压力试验允许通过的应力PAST92563485090（346）试验压力下圆筒的应力MDPEIT41712032（347）校核条件T校核结果合格354压力计算设计温度下圆筒的最大允许工作压力MPAKDPEITEW6421502187502（348）结论合格36管板设计361符号说明AD未能被换热管支撑的面积，MM2；A1管板布管区内开孔后的面积，2；AT管板布管区面积，2；A一根换热管管壁金属的横截面积，2；C系数，按213ATPK和T查图23；DG固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，；DT布管区当量直径，；D换热管外径，；EP设计温度时，管板材料的弹性模量，MPA；ET设计温度时，换热管材料的弹性模量，MPA；GWE系数，按213ATPK和T查图24；KT管束模数，MPA；T管束无量纲度；L换热管有效长度（两管板内侧间距），；L换热管与管板胀接长度或焊脚高度，；N换热管跟数；AP无量纲压力，TRDAPP51；PC当量压力组合，MPA；PD管板设计压力，MPA；PS壳程设计压力，MPA；PT管程设计压力，MPA；Q换热管与管板连接拉脱力，MPA；Q许用拉脱力，MPA；S换热管中心距，；系数，1NAA；管板计算厚度，；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，一般可取04；T系数，GTTD；T换热管轴向应力，MPA；CR换热管稳定许用压力，MPA；T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。362管板厚度计算换热管材料10换热管外径MD25壁厚T换热管根数716N沿隔板槽一侧的排管根数N20换热管总长度ML0总换热管中心距S32排列方式转角正方形隔板槽两侧相邻管中心距N4528302320MSAD（349）27415716DT（350）MADTT972143504（351）垫片外径1177垫片内径1137（查JB471992）管板外圆直径取1175（按JB470392，A100025中D4选取）MN1937152（352）密封基本宽度B0（353）垫片密封有效宽度M4687593250354BDG191355830459TT35625164325176MDNATT357229043450ATL35839216LNA359设管板名义厚度MN84设计温度时，换热管材料的弹性模量MPAET31086MLN582942251总36097854063TTDAEK3614362设计温度时，管板材料的弹性模量MPAEP310960531964023PTTEK363设计温度时，换热管材料的屈服应力MPATSCTSR51062814323364换热管的回转半径MDIT8550225022365换热管受压失稳当量长度MLCR39RCRCI48366MPAILRCTSCR68510249162367MPAAPTS55，取TDSD或中较大值所以，2，0391540251TRDAP368632123ATK369980T370查GB151管壳式换热器图23得到450C查GB151管壳式换热器图24得到1VEG管板计算厚度MPCDAT897503972450371管板规定的最小厚度MD75182075MIN372壳程腐蚀裕量3或结构开槽深度0，所以取32管程腐蚀裕量3或分程隔板槽深度5，所以取N895897632373所以假设符合要求，取管板名义厚度MN4363换热管的轴向应力校核一般按下列三种情况校核A只有管程设计压力，壳程设计压力为零此时，052STPMA，MPATSC3124151374VELTSCTGA14539026731240MPA9375当0T时，TT10，符合要求B只有壳程设计压力，管程设计压力为零此时，PAPST52，MPATC5234011376VELTSCTGA145390267523401MPA67377当0T时，MPACRT68，符合要求C管、壳程同时作用的工况此时，APST5252，052TSDP378MATSC813240113795405TRDA380VELTSCTGAP1145390267528034MPA52381当T0时，ACRT68，符合要求364换热管与管板连接的拉脱力校核设计温度时，换热管材料的许用应力MPAT10QT505382T取365中换热管轴向应力三种工况的绝对值最大值故取MPAT67L换热管与管板连接的焊缝尺寸，一般取与换热管轴向应力平行处换热管与焊缝交汇点的长度，ML53MPADLLAQTTT1435214367383校核条件校核结果合格所以，在上述散种情况下，换热管与连接的拉脱力均满足要求。37浮头盖的设计计算371球冠形封头厚度计算A按内压设计MPATC52设计温度C0球冠形封头半径MRI9（根据GB151管壳式换热器表46选取）球冠形封头取双面腐蚀裕量M632钢板负偏差01封头材料16MNR设计温度下的许用应力MPAT159焊接接头系数80计算厚度MRPTIC8713509625384设计厚度CD87132385名义厚度MDN2091386有效厚度CNE1621387球冠形封头压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值MPAPTT34159702125388试验压力下圆筒的应力AREIT7310916234215389MPAS958090390校核条件ST校核结果合格B按外压设计假设厚度，取内压计算值MEN162，RNI92090039116250EA392查GB1501998钢制压力容器65得，MPAB0此时，许用外压力RPE78216900393MAP52，满足要求。372浮头法兰厚度计算A按内压设计计算压力PATC52设计温度C0法兰外直径MDIFO18008394法兰内直径MBDNIIFI105672102395按GB151管壳式换热器取BMNI3,5螺栓中心圆直径B13螺柱M27N52材料40CR直径D82法兰材料16MN（锻件）垫片选用铁皮包石棉垫片，按JB/T471892选用型号F331000252垫片外径M109，垫片内径M1056，垫片厚度M3N729396B4820397所以，M3875530398BDIG1021399查GB150钢制压力容器表92得垫片系数753，比压力MPAY162NMPFCGP849280562863100101775023101YBDWGA56374313102NFP9278923103设计温度下螺柱材料的许用应力MPATB10试验温度下螺柱材料的许用应力215489273MFATBPM3104226156WBA31051MA或2M，取两者中较大值，则2154AM22231481354MDNAB3106NWBM40895654003107封头边缘处球壳中面切线与法兰环的夹角36871509ARCSIN50ARCSIN1FIRD3108操作情况下法兰的受力NPFCFID24167878223109NPG493110DCTGCTGFR3249618543112力臂MLFIBD70223113GG5218313114DT73115设法兰厚度MF20LN24MLLFR46723COS810COS213116力矩NFMD80978453117LG5162713118MT33119MNLFMRR6203184673012493120操作情况下法兰总力矩TGDRPM3650107892620314MN73121预紧螺栓时法兰的受力WFG4089563122力臂MDLGBG5210832213123力矩NFMA9765408963124设计温度下法兰材料许用应力MPATF13试验温度下法兰材料许用应力F0MDRPLFIFTFIIFIC29156813509462842023125操作状态21305618056137MJFIFOFITPP3126预紧状态247105681056927MDJFIFOFIAA3127操作状态LJPFP4923293128预紧状态MAF10473129法兰厚度取FP与FA之中较大者，所以取MF149。B按外压设计计算压力MPTC52设计温度C0法兰外直径MDIFO180083130法兰内直径BNIIFI1567223131按GB151管壳式换热器取MBMNI3,5螺栓中心圆直径DB130螺柱M27N52材料40CR直径D82法兰材料16MN（锻件）垫片选用铁皮包石棉垫片，按JB/T471892选用型号F331000252垫片外径M109，垫片内径M1056，垫片厚度M3N7293132B48203133所以，M38755303134BDIG10213135查GB150钢制压力容器表92得垫片系数753，比压力MPAY162NMPFCGP849280562863136101775023137YBDWGA563743