换热器机械设计及三维建模毕业设计

目录第一章绪论111何为换热器112换热器的应用113换热器分类1131按材料分类2132按传热种类分类2133按结构分类2134按强化传热元件分类2135按传热原理分类214换热器的结构和使用特点2141浮头式换热器3142固定管板式换热器4143U形管换热器5144填料函式换热器6145釜式重沸器715设计的思想7151首先设计必须满足生产需要7152设计必须安全可靠7153设计必须经济合理816设计的特点8第二章主要设计参数的确定921设计压力922设计温度923焊接接头系数924腐蚀余量10第三章主要构件材质的选择1131材料选用的一般原则11311材料的使用性能原则11312材料的加工工艺性能原则11313材料的经济性原则1132壳体、管箱、封头1233法兰1234换热管1235管板1336接管1337支持板1338拉杆、定距管1339鞍座13第四章换热器各部分零件结构型式的选择1441换热器结构型式的选择1442前端管箱、壳体和后端管箱结构型式的确定14421前端管箱14422壳体15423后端管箱1543管束分程和分程隔板的布置15431管束分程15432分程隔板的布置1544换热管16441换热管的长度16442规格及尺寸偏差1645布管16451换热管中心距17452最大排管圆的确定17453在管板上排管并确定换热管数量1746管子与管板的连接1847管板与壳体的连接1948折流板、支持板的选择2049拉杆、定距管、防冲板、挡板的选择21491拉杆的选择21492定距管的选择21493防冲板的选择21494挡板的选择22410法兰的选择224101接管法兰的选择224102管箱法兰的选择234103外头盖法兰的选择234104外头盖侧法兰的选择244105浮头法兰的选择24411排液口和排气口的选择24412支座的选择25第五章设计计算2751换热面积的校核2752强度计算27521管箱设计27522壳体设计28523外头盖设计28524浮头盖设计29525管板计算29526钩圈设计32527法兰强度校核（管箱法兰）33528接管开孔补强选择与校核36529支座强度校核39第六章制造、检验和验收4361总则4362浮头式换热器的制造43621封头和管箱43622折流板43623管束的组装44624换热器的组装4463浮头式换热器的检验与验收44第七章三维造型设计及装配仿真4671换热器主要构件的三维造型46711管箱的三维造型46712筒体的三维造型48713外头盖的三维造型51714浮头盖的三维造型53715管板的三维造型54716钩圈的三维造型56717管束和拉杆的三维造型56718支持板的三维造型56719防冲板、滑板的三维造型5772换热器的装配仿真57结论59致谢60参考文献61第一章绪论1第一章绪论11何为换热器换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。换热器的分类比较广泛反应釜压力容器冷凝器反应锅螺旋板式换热器波纹管换热器列管换热器板式换热器螺旋板换热器管壳式换热器容积式换热器浮头式换热器管式换热器热管换热器汽水换热器换热机组石墨换热器空气换热器钛换热器换热设备，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。12换热器的应用换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来,各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。据统计，在现代石油化工生产中，换热器的投资约占总投资的3O40，正因如此设计投资省，能耗低，传热系数高，维修方便的换热器是大势所趋，在研究投人大、人力资源配备足的情况下,一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件诞生，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T形翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张状况。其中管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热设备，已作为一种标准换热设备。这种换热器的特点是易于制造，生产成本较低，选用的材料范围广，换热表面的清洗比较方便，适应性强，处理能力大，高温和高压下亦能应用。与各种换热器相比，主要优点是单位体积所具有的传热面积较大以及传热效果较好；此外，结构简单，操作弹性也较大等，因此在高温、高压和大型装置上多采用管壳式换热器。13换热器分类换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的2领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和型式亦不同，以下列举其中的几种分类131按材料分类主要为金属和非金属两大类。金属又可分为低合金钢、高合金钢、低温钢、稀有金属等。132按传热种类分类1无相变传热一般分为加热器和冷却器。2有相变传热一般分为冷凝器和重沸器。重沸器又分为釜式重沸器、虹吸式重沸器、再沸器、蒸发器、蒸汽发生器、废热锅炉。133按结构分类分为浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函换热器、U形管式换热器、蛇管式换热器、双壳程换热器、单套管换热器、多套管换热器、外导流筒换热器、折流杆式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器。134按强化传热元件分类分为螺纹管换热器、波纹管换热器、异型管换热器、表面多孔管换热器、螺旋扁管换热器、螺旋槽管换热器、环槽管换热器、纵槽管换热器、翅管换热螺旋绕管式换热器、T形翅片管换热器、新结构器、内插物换热器、锯齿管换热器。135按传热原理分类1）直接接触式换热器这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热量。这类换热器的介质通常是一种是气体，另一种为液体，主要是以塔设备为主体的传热设备，但通常又涉及传质，故很难区分与塔器的关系，通常归为塔式设备，电厂用凉水塔为最典型的直接接触式换热器。2）蓄能式换热器（简称蓄能器）这类换热器用量极少，原理是通过一种固体物质，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到传递热量的目的。3）板、管式换热器这类换热器用量非常大，占总量的99以上，原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质的传热设备，这类换热器是我们通常称为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。换热器的种类繁多，每种换热器各自适用于某一种工况。为此，应根据介质、温度、压力的不同选择不同种类的换热器，扬长避短，使之带来更大的经济效益。14换热器的结构和使用特点换热器作为节能设备之一，在国民经济中起到非常重要的作用。换热器的结构决定第一章绪论3了换热器的性能，一种性能能否发挥作用取决于设计者如何选择合理结构，任何一个场合都有适应于这个场合特点的换热结构。在换热设备中应用最为广泛的是管壳式换热器。它具有选材范围广，换热表面清洗比较方便，适用性较强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。管壳式换热器的结构设计，必须考虑诸多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等。管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其它新型的换热设备，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。管壳式换热器在炼油、石油化工、医药、化工以及其它工业中使用广泛，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。管壳式换热器的结构设计，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等，通过各种因素的综合考虑及比较来选择某一种适合的结构形式。对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设计中，按工艺特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要。管壳式换热器把换热管与管板连接，再用壳体固定。它的形式大致分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管壳式换热器、外填料函式换热器、填料函滑动管板式换热器、釜式重沸器等几种。根据介质的种类、压力、温度、污垢和其它条件，管板与壳体的连接方式，换热管的形式与传热条件，造价，维修检查方便等情况，根据各种结构形式的特点来选择设计制造各种管壳式换热器。为了要使传热效率提高、能耗下降，就必须了解管壳式换热器的结构特点。下面着重介绍典型的管壳式换热器的结构及使用特点。141浮头式换热器浮头式换热器（见图11）是由管箱、壳体、管束、浮头盖、外头盖等零部件组成。它的最大的特点是管板一端的管束可以自由浮动，在使用过程中由温差膨胀而不受壳体约束，不会产生温差应力，即其不受温差应力的困扰，但其结构复杂，内浮头密封困难，锻件多，造价高。维修时可只更换管束，适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10MPA的工况。它在相同的壳体直径下，布管数越多，换热面积越大。其优点是管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；介质间温差不受限制；可在高温、高压下工作，一般温度450OC，压力64MPA；可用于结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合。4缺点小浮头易发生内漏；金属材料耗量大，成本高20；结构复杂。防冲板挡板浮头管板钩圈支耳图11浮头式换热器142固定管板式换热器固定管板式换热器（见图12）是由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成。其结构较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大，制造较简单，但最后一道壳体与管板的焊缝无法用无损检测。其两端管板，采用焊接方式与壳体连接固定，管程可分成多程，壳程也可分成双程，规格范围广，故在工程中广泛应用。它适用于管、壳程温差不大或管、壳程温差大，但压力不高，壳程介质干净或虽结垢但通过化学清洗能清除的场合。在热膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。其优点是传热面积比浮头式换热器大2030；旁路漏流较小；锻件使用较少，成本低20以上；没有内漏。缺点壳体和管子壁温差一般易小于等于50，大于50时应在壳体上设置膨胀节；管板与管头之间易产生温差应力而损坏；壳程无法机械清洗；第一章绪论5管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相对较低；不适用于壳程易结垢场合。防冲板拉杆弓形折流板分流割板旁路挡板带法兰管板换热管壳体图12固定管板式换热器143U形管换热器U形管换热器（见图13）是由管箱、壳体、管束等零部件组成。它是将换热管弯成U形，并将换热管两端固定在同一块管板上，因此密封面较少。由于壳体与换热管分开，管束可自由伸缩，可以不考虑热膨胀。因U形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器低。管束可以从壳体内抽出，换热管外壁便于清洗。但换热管内清洗困难，所以换热管内的介质必须是清洁且不易结垢的物料。由于换热管的结构形式关系，换热管的更换除外侧一层外，内部换热管大部分不可能更换。管束中心部分存在空隙，所以流体易短路，影响传热效率。而且管板上排列的换热管较少，结构不紧凑。U形管的弯管部分曲率不同，换热管长度不一致，因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。换热管因渗漏而堵死后，将造成传热面积的损失。U形管式换热器一般用于高温高压的情况下。壳程里需要清洗的管束，则要求采用正方形排列，管程为偶数程。壳程内一般可按工艺要求设置折流板和纵向隔板等。折流板用于提高换热器的传热效率。纵向隔板是安装在平行于换热管方向的矩形平板上，以增加壳侧介质流速。其优点是管束可抽出来机械清洗；壳体与管壁不受温差限制；6可在高温、高压下工作，一般适用于温度，压力（10MPA）；可用于壳程结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合。缺点在管子的U形处易冲蚀，应控制管内流速；管程不适用结垢较重的场合；单管程换热器不适用；不适用于内导流筒，故死区较大。中间挡板U型换热管内导流筒图13U形管换热器144填料函式换热器填料函式换热器（见图14）的管束可自由伸缩，壳程和管程都可以拆开清洗，结构简单，适用管、壳程温差大的工况。耐压、耐温及密封能力差，工作压力不超过40MPA，不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质。图14填料函式换热器第一章绪论7145釜式重沸器釜式重沸器（见图15）的壳体上部作为蒸汽空间，相当于1块理论塔盘，热源由浮头或形管束提供，适用场合为管壳程温差大，压力不受限制，塔底空间较小，汽化率3080，重沸器工艺介质的液相作为产品或用于分离，但要求高，安装空间受限制。用作蒸汽发生器时，对蒸汽品质要求不高。图15釜式重沸器（形）15设计的思想设计是为生产服务，要设计出一台能够满足生产需要的换热器，必须做到设计要满足生产需要，满足换热器安全可靠运行，满足经济合理等基本要求。151首先设计必须满足生产需要所设计的产品能够进行稳定可靠得操作，从而满足正常的生产需要，此外，还能够适应生产负荷以及操作参数在一定范围内的波动，所以产品的可操作性和可控制性是设计中应该考虑的重要问题。另外，设备与部件应便于运输与装拆，确保检修和更换零件的便利。152设计必须安全可靠一般来讲,换热器的失事,不仅仅使容器和设备本身遭到破坏,而往往会破坏周围的其他设备及建筑,甚至造成人身伤亡事故,而由于内部介质向外扩散带来的化学爆炸、着火燃烧或恶性中毒等连锁反应更会造成不可估量的灾难性破坏。因此，根据压力容器可能的失效形式，设计上应满足强度、刚度、稳定性、密封性和耐蚀性等基本要求。8153设计必须经济合理在竞争激烈的当代社会中，“经济合理”的消费理念已成为了生产者的共识，一般情况下，生产者都追求所设计的设备总是以较少的投资获取最大的经济利润，要求其经济技术指标具有竞争性，因此，在各种方案的分析对比过程中，其经济技术指标评价往往是最重要的决策因素之一。要想设计一台既满足要求又经济合理的换热器，不仅仅是必须严格按照有关标准和制造条件进行简单的常规设计，同时还必须要综合考虑生产条件、安全要求和技术经济上的合理等因素，这样才能选择一个最佳设计。16设计的特点结构坚固、可靠性高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本较低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便；设备的体积和金属材料的消耗量少；机械加工和制造安装合理方便；检修容易；设备的使用寿命长；有足够的机械强度；操作费用低。第二章主要设计参数的确定9第二章主要设计参数的确定21设计压力设计压力是容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于正常工作情况下容器顶部可能达到的最高压力。除此之外，还需要考虑液柱静压、重量、风载荷、地震、温差及附件重量等载荷。由设计任务书可知，该设计是浮头式换热器，用于导热油和水之间的换热，其中管程和壳程的设计压力都为15MPA。22设计温度设计温度指容器在正常工作情况下，设定元件可能达到的最高或最低温度，它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。当元件金属温度不低于0OC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0OC时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。根据设计任务书，管程的设计温度为145OC，壳程的设计温度为250OC。23焊接接头系数通过焊接制成的容器，其焊缝中由于可能存在夹渣、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用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强度的削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数焊接接头系数应根据受压元件的焊接接头形式及无损检测长度比例来确定，其取值可按如下表21选规定选取表21钢制压力容器的焊接接头系数值焊接接头形式无损检测比例值焊接接头形式无损检测比例值100100100090双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头局部085单面焊对接接头局部08010本设计换热器的焊接接头形式为相当于双面焊的全熔透对接接头，局部无损检测，故值为085。24腐蚀余量腐蚀裕度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削弱减薄。腐蚀裕度内介质对材料的均匀腐蚀速度由容器的设计寿命决定。C2KSB，KS为腐蚀速率（MM/A），查材料腐蚀手册或由试验确定。B为容器的设计寿命，通常为1015年。当材料的腐蚀速率为00501MM/A时，考虑单面腐蚀取C212MM；双面腐蚀取C224MM综上所述，取腐蚀裕度C21MM。第三章主要构件材质的选择11第三章主要构件材质的选择压力容器材料费用占总成本的比例很大，一般超过30材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。选材不当，不仅会增加总成本，而且有可能造成压力容器破坏的事故。因此，合理选材是压力容器设计的关键之一。在进行换热器设计时，对换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但对于材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。如在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。换热器的主要构件有壳体、管箱、封头、法兰、换热管、管板、接管、支持板、拉杆、定距管、鞍座等。31材料选用的一般原则311材料的使用性能原则材料的使用性能是指材料在化工设备及其构件（零件）工作过程中所应具备的性能，包括材料的力学性能、化学性能和物理性能是不同的，有的要求高强度，有的要求耐腐蚀，有的要求耐高温或耐低温，有的要求高硬度耐磨损，有的要求高弹性等。即使同一构件，不同的零件要求的性能也不同，有时同一个部件的不同部位所要求的性能也不同。因此在选材时，首先必须准确地判断构件所要求的使用性能，然后再确定所选材料的主要性能指标以及具体数值并进行选材。有如下具体方法（1）分析构件的工作条件，确定构件应具有的使用性能。（2）通过失效分析，确定构件的主要使用性能。（3）从构件使用性能要求提出对材料使用性能的要求。312材料的加工工艺性能原则材料的加工工艺性能是指保证构件质量的前提下，对材料加工的难易程度。选材时也必须考虑材料的加工工艺性能的好坏，好的加工工艺性能不仅要求工艺简单，容易加工，能源消耗少，材料利用率高、加工质量好、（变形小、尺寸精度高、表面光洁、组织均匀致密等），而且包括加工后的构件在使用时有好的使用性能。313材料的经济性原则在满足构件使用性能、加工工艺性能要求的前提下，经济性也是必须考虑的主要因素。选材的经济性不只是选用材料的价格，还要考虑构件生产的总成本，把材料费用同12构件加工制造、安装、操作、检验、维修、更换以及装备寿命结合起来综合考虑，进行总费用的成本核算，提高性能价比。另外，选材时还应同时考虑材料来源容易和符合国家的资源政策，这也是很重要的。32壳体、管箱、封头壳体、管箱、封头的材料和一般容器相同，材料要有一定的可塑性和可焊性。常见的材料有碳钢、低合金钢。碳钢有一定的强度、良好的塑性、韧性和加工工艺性，特别是焊接性能良好，但强度较低，不如低合金钢。低合金钢是在优质碳素钢的基础上加入少量的一种或多种合金元素，以提高钢的屈服强度和改善综合性能。用低合金高强度钢代替普通碳素钢，能减轻设备自重，节省钢材，且用低合金钢比用不锈钢经济。其中低合金钢中的16MNR，具有良好的综合力学性能和工艺性能，磷、硫含量略低于16MN钢，除抗拉强度和延伸率要求比普通16MN钢有所提高外，还保证有强的冲击韧性，再加上切削加工冷冲压性能良好，加工温度较宽，使其成为我国目前用途最广，用量最大的压力容器专用钢板。故壳体、封头和管箱的材料选16MNR。33法兰法兰材料的选取通常与换热器壳体材料一致。通常所用的钢材有Q235、Q235F、16MNII、15MNV、20等。因法兰是主要的受力元件之一，故需有较高的强度，故选择低合金钢16MNII锻件，它有如下特点高的强度和屈强比，高韧度，良好的焊接性能和冷、热加工性能，一定的抗腐蚀能力。34换热管换热管属于压力管道，压力管道对材料性能有以下要求足够的强度，良好的塑性和韧性。良好的冷热加工成形性能。与环境条件协调，有适应的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等。一般对于无腐蚀性或腐蚀性不大的流体可采用10号钢或20号钢无缝钢管；对于有腐蚀性的流体可采用不锈钢、钢、铝等无缝钢管。其中，10号钢的强度和硬度较低，有良好的塑性和韧性，易模压或挤压成形，而第三章主要构件材质的选择1320号钢的强度较10号钢高，其塑性、韧性和焊接等工艺性能都很好，在化工设备和压力容器中应用很广泛。由设计任务书可知，管层走水，属于无腐蚀性介质，可从10号和20号钢中选取，但设计压力是15MPA，考虑到20号钢的强度和硬度都比10号钢高，故换热管选取20号钢管。35管板管板锻件的常用材料是25号钢、16MNII等。由于管板和壳程物料接触，同样要考虑到物料本身介质的腐蚀性，作为低合金钢，16MNII锻件可耐一定的腐蚀，而且其具有良好的综合机械性能、焊接性能、工艺性能，故选用16MNII锻件。36接管20号钢的焊接性能好，强度高，选用20号钢就可满足要求。37支持板支持板要求有足够的力学性能和良好的焊接性能，又因壳程介质腐蚀性不大，故选取Q235A满足要求。38拉杆、定距管拉杆要求有足够的强度和良好的焊接性，选择Q235A可满足要求。定距管要求有足够的强度和良好的焊接性，选择20号钢满足要求。39鞍座鞍座是换热器受载元件之一，要求有足够的强度和良好的焊接性能。故选取低合金钢16MNR或碳素结构钢Q235B都能满足要求。14第四章换热器各部分零件结构型式的选择41换热器结构型式的选择换热器有多种多样的形式，每种结构形式都有其本身的结构特点和工作特性，有些结构形式，在某种情况下使用是好的，但是，在另外的情况下，却不太合适，或根本不能使用。在选型时只有仔细分析所有的要求和条件，并根据生产工艺的具体情况，才能确定最佳的换热器型式。在换热器选型时，考虑的因素是很多的，如材料、压力、温度差、压力降、结垢的情况、流体的状态、应用方式、检修和清理等。由于本设计管层走水，壳程走导热油，难免产生污垢，这就要求管程和壳程可以抽出来清洗，故选取浮头式换热器，而且其管束和壳体可以自由膨胀，适用于管、壳壁温差较大的场合。42前端管箱、壳体和后端管箱结构型式的确定421前端管箱管箱结构有A型和B型，结构形式如图41所示（1）A型（平盖管箱）这种管箱如图41前端管箱形式中A，装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大时得用锻件，耗费大量机加工工时，提高制造成本，增加一道密封的泄漏可能。一般多用于DN64MM垫片有效密封宽度B2530B716MM垫片压紧力作用中心圆直径GGODD2B604271658968MML换热管与管板焊脚高度；I换热管回转半径，MM；CRL换热管受压失稳当量长度，MM；CR换热管稳定许用压应力，MPA；TS设计温度时，换热管材料的屈服点，MPA；TT设计温度时，换热管材料的许用应力，MPA；由于换热管材料为20号钢材，故TT130MPA；WETC,G,系数。A）管板布管区面积对于两（多）管程换热器22TDNANSANSNSSS212432103245325122131136MMB）管板布管区当量直径第五章设计计算31TT4A413113640872MM314D513C）管束模数，MPA5TTTENA200101241766K367728MPALD291440872514D）管束无量纲刚度TT5PK367728K00478MPAE0419210515E）无量纲压力APDATRP15P00170MPA151504147516F）管板开孔后的面积2221TD31425AAN131136124702985MM44517G）系数WETC,G,1/31/3T1/21/2AK0047827800170P518由1NAA得，1A1702985321NA124X1766519由TTGDD得，GTTD158968144D40872520系数C与管板同边支撑方式有关的系数用T1和1/3T1/2AKP查图得C0625，WEG53H）管板厚度TACDP06254087200170333MM，实际选用40MM521I）换热器轴向应力有管程设计压力TP15MPA,壳程设计压力SP15MPA同时作用TTCSTWE1A1PPPGA522式中CPSTPP132151510310465MPA且TP和SP相等，故TC1P3210465149MPA由于TTCR0,所以开孔后不需要进行补强。529支座强度校核本设计采用120包角重型带垫板的BI型鞍式支座，其内半径为IR500MM筒体长度L3636MM，为了使筒体受力较合理，减小跨中截面的弯矩。取A（LC）2L，根据整体布局，滑动支座处A1080MM，固定支座处A856MM，取A1080M，此时，A05RI05500250MM，端盖对筒体无加强作用。符号说明A外伸端长度，MM；L筒体长度，MM；RI筒体半径；MMM本设计换热器的总质量，KG；F鞍座支反力，N；MA鞍座处截面的轴向弯矩,NMM；MB筒体跨中截面的轴向弯矩；H端盖内壁曲面高度，MM；1筒体最高点处最大压应力，MPA；2筒体最低点处最大拉应力，MPA；3操作状态下，筒体最高点处最大拉应力，MPA；4筒体鞍座截面最低点处最大应力，MPA；5鞍座处筒体在截面最低点处周向压应力，MPA；6鞍座边角处最大合成周向压缩应力，MPA；腹板应力，MPA；SE壳体有效厚度，MM；P壳体设计压力，MPA；1K、2K筒体抗弯截面模量削弱系数；3K、4K、5K、6K、9K系数；T材料的许用应力，MPA；CR材料的轴向许用压缩应力，MPA；筒体切向剪应力，MPA；4B垫板宽度，MM；4垫板厚度，MM；401B鞍座宽度,MM；2B筒体有效宽度，MM；H鞍座高度，MM；2腹板厚度，MM；HS计算高度，即承受水平推力的有效高度，取I1R3和鞍座实际高度两者中的较小值，MM。A）支反力计算综合各换热器各零件的重量，算得该换热器最大重量M229939KG，换热器所受重力为GMG2F2299399822534N,故每个支座反力为F11267N。B）筒体轴向弯矩计算筒体最大弯矩位于容器支座截面或筒体跨中截面。鞍座截面处22IARHA1L2ALMFA14H13L5572261080250150136362108036361126710801415013363641210NMM筒体跨中截面处22I2B2RH1FL4ALM4H4L13L55822262250150111267363641080363641504363613363624010NMM可知最大弯矩在筒体跨中处，但由于鞍座截面上端盖对筒体无加强作用，故应校核鞍座截面与跨中截面的轴向弯曲应力。C）筒体轴向弯曲应力校核42O120，查得5K0760，故55E42KF076011267SB8621977564T278MPA鞍座边角处筒体的最大合成周向压缩应力为O120，A05RI，查得6K00528。22E42E664F4SBS3KF256522301102674528862197782672611T984MPA125125156195MPA筒体周向应力满足强度及稳定性要求。F）鞍座腹板强度校核所选鞍座高度H200MM，腹板厚度28MM，材料为Q235B，鞍座材料的许用应力T94MPA。已知IR2508333MMH200MM33所以计算高度SH8333MM，O120，9K0204腹板应力为9I2KF02041126711R250833566T22345MPA946267MPA33鞍座腹板满足强度条件。以上计算均满足要求，所选鞍座合理。第六章制造、检验和验收43第六章制造、检验和验收61总则1容器的制造、检验与验收除应符合GB15098第10章规定外，还应符合图样要求。2容器制造单位应具有符合国家压力容器安全监察机构有关法规要求的质量体系或质量保证体系。3容器的焊接应由持有相应类别的“锅炉压力容器焊工合格证书”的人员担任。4容器的无损检测应由持有相应方法的“锅炉压力容器无损检测人员资格证”的人员担任。5容器主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，图参照GB15098118P页。6凡制造受压元件的材料应有确认的标记。在制造过程中，如原有的确认标记被裁掉或材料分成几块，应在材料切割前完成标记的移植。确认标记和表达方式由制造单位规定。7对于有防腐要求的不锈钢以及复合钢制容器，不得在防腐蚀面采用硬印作为材料的确认标记。62浮头式换热器的制造621封头和管箱封头和管箱的厚度一般不小于壳体的最小壁厚，且接管开孔往往采用整体加强而不用加强板。分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大，故管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工。622折流板由于折流板一般都很薄，钻孔时钻头的推力将使管板中心变形，故可将下料成整圆的折流板去掉毛刺并校平、重叠、压紧后沿周边点焊，然后一起钻孔。须注意折流板叠合后的厚度不能超过钻头工作部分的4/5。为防止折流板钻孔时产生挠曲而影响孔距精度，必须在折流板下面垫上整块木板以承受钻头的推力。为保证顺利穿管，必须使折流板的管孔与管板的管孔中心在同一直线上。可以将管板当作钻模放在折流板上压紧后进行引孔，即以管板为基础先在折流板上钻出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，将折流板压紧，并换上适合折流板孔的钻头，以引出的定位孔为准进行加工。但须注意为防止产生积累误差故当作钻模的管板必须是第一块管板。这种加工方法的优点是44节省划线的工序。可保证每块板的孔距同管板孔距一致，免得组装时穿管困难。节省加工时间，提高生产效率。钻完孔后以钻出的孔为基准，再划线钻拉杆用孔及加工外圆，再按对称方向根据需要的折流板形状加工并依次作好记号，这样可保证今后的顺利装配。623管束的组装换热器组装要求两管板相互平行，允许误差不得大于1MM；两管板间长度误差为2MM；管子与管板应垂直；拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管；定距管两端面要整齐；穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现划伤；除换热管与管板间以焊接连接外，其他任何零件均不准与换热管相焊。浮头管束的组装是将活动管板、固定管板和折流板的中心线一致，然后一根一根插入传热管。624换热器的组装换热器零、部件在组装前应认真检查和清扫，不应留有焊疤、焊接飞溅物、浮锈及其他杂物等；吊装管束时，应防止管束变形和损伤换热管；螺栓的紧固至少应分三遍进行，每遍的起点应相互错开120。63浮头式换热器的检验与验收与壳体、封头或其它受压部件对接焊的焊接部位等厚的管板不得采用轧制钢板，应由锻件加工面成，且应保证等厚部位轴向的最小抗拉强度、延伸率和设计温度下的冲击值达到钢制管壳式换热器中“材料”的规定值。焊后消除应力热处理，应在液压试验以前及任何焊接修补之后进行，但允许在焊后热处理之前为发现泄漏面进行附加液压试验。A换热器的壳体外观检查应符合下列要求1应将一切有害的壳体表面缺陷修磨成光滑曲面，修磨后面积不得超过壳体总表面积的30，修磨后壳体实际厚度不得小于计算厚度与腐蚀裕度之和；壳体的实际厚度如小于计算厚度与腐蚀裕度之和时，则应得用户的同意后进行补焊。任何单块补焊面积不得超过2001MM，总面积不稈发过2003MM，且不超过壳体总面积的2；2需补焊的部位，焊前应进行磁粉探伤或渗透探伤，补焊应由考试合格的焊工进行。补焊部位的加强高度应大于16MM，然后磨平至母材表面；3所有的补焊的部位，均应进行磁粉探伤或渗透探伤；4补焊的钢板如系进行过热处理者，则所有修补焊缝也应在进行相同的热处理；B制造换热管的管子及加工后的管件、锻件，其外观检查应符合下列要求1管子、管件和锻件上出现有结疤、重皮、撕裂等缺陷时，如其深度不超过公称第六章制造、检验和验收45壁厚的5，且缺陷又不呈切口状时，可不予清除。如果深度超过公称壁厚的5或缺陷呈切口状时，则应加以清除。2任何形式的裂纹均应清除。3深度不超过公称壁厚的125，且长度不超过16MM的机械伤痕、磨损和麻点，当缺陷不呈切口状时，可不予清除。4必须清除的缺陷，可采用砂轮或机械加工方法修磨成光滑曲面。46第七章三维造型设计及装配仿真71换热器主要构件的三维造型711管箱的三维造型管箱由管箱封头、短节及法兰三部分焊接而成，由于本设计是两管层，所以还焊有一块隔板，这四部分的造型如下A）封头造型图通过旋转即可完成图71旋转效果图B）短节造型图通过多次旋转、拉伸以及去除材料和阵列来完成第一步旋转图72旋转效果图一图73旋转效果图二第二步去除材料第七章三维造型设计及装配仿真47图74去除材料第三步拉伸穿孔阵列图75穿孔后最终造型C）管箱法兰造型图通过旋转穿孔阵列完成第一步旋转图76旋转效果第二步穿孔阵列48图77穿孔阵列效果D）隔板只需拉伸即可完成其造型图78拉伸效果管箱的三维造型图79管箱三维效果图712筒体的三维造型筒体由壳体、鞍座以及两端的法兰组合而成，这四部分造型如下A）壳体造型通过多次旋转、拉伸以及去除材料、阵列和镜像来完成第一步旋转第七章三维造型设计及装配仿真49图710旋转效果第二步拉伸，去除材料以及阵列图711多步骤后的效果第三步镜像图712镜像效果B）鞍座造型图只需通过拉伸和去除材料就可完成50图713鞍座三维造型鞍座镜像之后的整体造型图714镜像效果C）管箱侧法兰与管箱法兰造型一样，需要旋转穿孔阵列图715管箱侧法兰三维造型第七章三维造型设计及装配仿真51D）外头盖侧法兰也是通过旋转穿孔阵列图716旋转效果图717穿孔阵列效果筒体的三维造型图718筒体三维效果图713外头盖的三维造型外头盖与管箱一样，都是由封头、短节、法兰焊接而成，这三部分造型如下A）封头通过旋转完成图719旋转效果52B）短节的造型通过多次旋转、拉伸以及去除材料来完成多次旋转拉伸之后的形状图720旋转拉伸效果去除材料图721去除材料加上吊耳后的总体造型图722短节三维效果C）外头盖法兰需要旋转、拉伸和阵列第七章三维造型设计及装配仿真53图723旋转效果图724拉伸阵列效果外头盖的三维造型图725外头盖三维效果图714浮头盖的三维造型浮头盖由球冠形封头和浮头法兰构成，其造型如下A）球冠形封头造型图726旋转效果54加上吊耳后的造型图727拉伸去材B）浮头法兰的造型跟其它法兰一样的方法去实现图728旋转效果图729拉伸阵列效果浮头盖的三维造型图730浮头盖三维效果图715管板的三维造型固定管板和浮动管板的造型都通过一系列的旋转、拉伸、穿孔和阵列指令后完成，其最终效果如下第七章三维造型设计及装配仿真55图731固定管板效果图一图732固定管板效果图二图733浮动管板效果图56716钩圈的三维造型方法是旋转拉伸阵列，最终效果图如下图734效果图一图735效果图二717管束和拉杆的三维造型通过拉伸得到，最终效果如下图736管束三维效果图图737拉杆三维效果图718支持板的三维造型由多次拉伸和去除材料得出最终造型图738支持板三维效果图第七章三维造型设计及装配仿真57719防冲板、滑板的三维造型通过拉伸之后的得出最终造型图739防冲板三维效果图图740滑板三维效果图72换热器的装配仿真换热器装配之后的三维效果图如下58图741换热器装配三维造型整个装配仿真过程可于光盘中浏览装配仿真动画结论59结论毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的浮头式