化工原理课程设计之换热器结构设计

1、摘要本课题研究的目的主要是针对给定的固定管板式换热器设计要求，通过查阅资料、分析设计条件，以及换热器的传热计算、壁厚设计和强度校核等设计，基本确定固定管板式换热器的结构。通过分析固定管板式换热器的设计条件，确定设计步骤。对固定管板式换热器筒体、封头、管板等部件的材料选择、壁厚计算和强度校核。对固定管板式换热器前端管箱、后端管箱、传热管和管板等结构进行设计，对换热器进行开孔补强校核。绘制符合设计要求的固定管板式换热器的图纸，给出相关的技术要求；在固定管板换热器的结构设计过程中，要参考相关的标准进行设计，比如GB-150、GB151，使设计能够符合相关标准。同时要是设计的结构满足生产的需要，达到安

2、全生产的要求。通过设计过程达到熟悉了解换热器各部分结构特点及工作原理的目的。关键词：换热器；固定管板；设计；强度目录摘要I1绪论11.2固定管板换热器介绍21.3本课题的研究目的和意义31.4换热器的发展历史42产品冷却器结构设计的总体计算62.1 产品冷却器设计条件62.2前端管箱计算8前端管箱筒体计算82.2.2前端管箱封头计算102.3后端管箱计算11后端管箱筒体计算11后端管箱封头计算132.4壳程圆筒计算133各部分强度校核153.1开孔补强计算153.2壳程圆筒校核183.3管箱圆筒校核194换热管及法兰的设计204.1换热管设计204.2管板设计214.3管箱法兰设计224.4壳

3、体法兰设计244.5各项系数计算275 产品冷却器制造过程简介345.1 总则345.2零部件的制造34结论43参考文献:44致谢441绪论1.1换热器的作用及分类在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，烟道气、高炉炉气、需要冷却的化学反应工艺气等余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。换热器还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。

4、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,应用甚为广泛。按换热设备热传递原理或换热方式分类，可分为以下几种主要形式。（1）直接接触式换热器这类换热器又称混合式换热器。这类换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。（2）蓄热式换热器这类换热器又称为回热式换热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适用于气-气热交换的场合。如回转式空气预热器就是一种蓄热式换热器。、（3）间壁式换热器这类换热器又称表面式换热器。间壁式换热器式工业生产中应用较为广泛的换热器，其形

5、式多种多样，如常见的管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。（4）中间载热体式换热器这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。按传热表面结构特点分类（1）管式:套管式、壳管式、蛇管式（2）板式（3）扩展表面式：板翅式、翅片管式及管带式（4）蓄热式按流程又可以分为单流程和多流程。1.2固定管板换热器介绍固定管板式换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。换热管可为光管或低翅管。其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管程可分成多

6、样，壳程也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程中广泛应用。固定管板式换热器主要特点 固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构成。在圆形外壳内，装入平行管束，管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两块管板与外管直接焊接，装有进口或出口管的顶盖用螺栓与外壳两端法兰相连。它的特点是结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料

7、膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。1.3本课题的研究目的和意义换热器的基建投资在一般化工、石化企业中约占设备总投资的20%,其中固定管板式换热器约占换热器的70%。固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。固

8、定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，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

9、力。本课题所设计的冷却器属于固定管板换热器，是针对给定的设计参数，按照相关规定的要求，通过壁厚计算和强度校核等，设计固定管板式换热器产品。熟悉压力容器设计的基本要求，掌握固定管板式换热器的常规设计方法，把所学的知识应用到实际的工程设计中去，为以后的工作和学习打下扎实的基础。1.4换热器的发展历史二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期

10、间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。 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

11、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凉水塔中，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

12、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。 换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大

13、顺流最小。 在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。 当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。 在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在

14、壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。 增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。 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.换热器等。2产品冷却器结构设计的总体计算2.1 产品冷却器设计条件图2-1 冷却器见图1前端管箱封头 2前端管箱筒体 3管板

15、4管箱法兰 5壳体法兰 6壳程筒体 7换热管 8壳程筒体开孔法兰 9管箱筒体开孔法兰 10后端管箱筒体 11后端管箱封头 产品冷却器属于固定管板换热器，是利用冷却水将热流体冷却的设备。卧式固定管板式换热器：封头管箱，公称直径500mm，管程设计压力4MPa，壳程设计压力4MPa，公称换热面积78.8，级管束为碳素钢较高冷拔换热管，换热管外径19mm,管长4.5m，两管程，两壳程。压力容器类别为二类容器；管、壳程介质均为烃；介质特性：轻毒、易燃、易爆、易挥发；左管箱需要做焊后热处理，右管箱不需要做焊后热处理；进行100%无损检测；管子与管板连接形式：强度焊+贴胀；壳程工作压力2.21MPa，管程

16、工作压力2.31MPa（冬季）/2.26MPa（夏季）。进/出口工作温度：壳程55.5/40（冬季），55.5/40.4（夏季）；管程-14.1/7.4（冬季），28.2/45（夏季）。设计温度：壳程120/-45；管程120/-45。金属壁温：壳程47.75（冬季），47.95（夏季）；管程28（冬季），44（夏季）。最小设计金属温度：壳程-454.00MPa，管程-454.00MPa。腐蚀裕量：壳程1.5mm，管程1.5mm。焊接接头系数：壳程1.0，管程1.0。水压试验压力：壳程5.0MPa，管程5.0MPa。管板切割率：32.5%根据上述已知条件设计出符合要求的换热器，以满足生产需要。

17、2.2前端管箱计算2.2.1前端管箱筒体计算图2-2-1 前端管箱筒体选用材料：20R（20号压力容器用钢材，这种钢材一方面在国家规范上满足要求，一方面有害元素较少，综合性能好些。设计温度下许用应力：132.6 Mpa（参见过程设备设计399页表D1 钢板许用应力）常温下许用应力：133 MPa（参见过程设备设计399页表D1 钢板许用应力）常温下屈服点：245 MPa（参见过程设备设计399页表D1 钢板许用应力）平均温度下弹性模量：191650 MPa平均温度下线胀系数：111100 1/制定板材负偏差为零（设定值）d =式2.1计算厚度：7.66mm（见式2.1）有效厚度：de =dn

18、- C1- C2= 8.50mm名义厚度：dn = 10.00mm重量：m=62.88密度为7850Kg/m³压力试验：液压试验PT = 1.25P 式2.2试验压力值：5.0000Mpa（见式2.2）压力试验允许通过的应力水平：sT£ 0.90 ss = 220.50MpasT= 式2.3试验压力下圆筒的应力：149.56Mpa（见式2.3）校核条件：sT£sT校核结果：合格压力及应力计算：Pw= 式2.4最大允许工作压力：4.43304Mpa（见式2.4）st = 式2.5设计温度下计算应力：119.65Mpa（见式2.5）stf=132.6Mpa校核条件：s

19、tfst结论：合格2.2.2前端管箱封头计算图2-2-2 前端管箱封头封头材料类型：板材选用材料：20R封头形式：标准椭圆封头选形状系数为K=1封头曲面高度h：125mm封头直边高度c：25mm试验温度许用应力：133Mpa设计温度许用应力：132.6MpaK = 式2.6形状系数：1.0000（见式2.6）d = 式2.7计算厚度：7.60mm（见式2.7）最小厚度：dmin = 0.75mm名义厚度：dn = 10.00mm结论：满足最小厚度要求重量：24.74=KgPw= 式2.8最大允许工作压力：= 4.47040Mpa（见式2.8）结论：合格2.3后端管箱计算2.3.1后端管箱筒体计

20、算图2-3-1 后端管箱筒体选用材料：20R设计温度下许用应力：132.6 MPa常温下许用应力：133 MPa MPa常温下屈服点：245平均温度下弹性模量：191650 MPa平均温度下线胀系数：111100 1/指定板材负偏差为零计算厚度：d= 7.66mm（见式2.1）有效厚度：de =dn - C1- C2= 8.50mm名义厚度：dn = 10.00mm重量：m=62.88密度为7850Kg/m³压力试验：液压试验试验压力值：PT = 5.0000Mpa（见式2.2）压力试验允许通过的应力水平：sT£ 0.90 ss = 220.50Mpa试验压力下圆筒的应力：

21、sT = 149.56Mpa（见式2.3）校核条件：sT£sT校核结果：合格压力及应力计算：最大允许工作压力：Pw 4.43304Mpa（见式2.4）设计温度下计算应力：st=119.65Mpa（见式2.5）stf=132.6Mpa校核条件：stfst结论：合格2.3.2后端管箱封头计算图2-3-2后端管箱封头封头材料类型：板材选用材料：20R封头形式：椭圆封头选形状系数为K=1封头曲面高度h：125mm封头直边高度：25mm试验温度许用应力：133Mpa设计温度许用应力：132.6Mpa形状系数：K = 1.0000（见式2.6）计算厚度：d= 7.60mm（见式2.7）最小厚度：

22、dmin = 0.75mm名义厚度：dn = 10.00mm结论：满足最小厚度要求重量：24.74=Kg最大允许工作压力：Pw= 4.47040Mpa（见式2.8）结论：合格2.4壳程圆筒计算图2-3 壳程管筒材料类型：板材材料：20R筒体内径：500mm筒体长度：4400mm腐蚀裕量：1.5mm筒体名义厚度：10mm纵向焊缝焊接接系数：1环向焊缝焊接接头系数：1指定板材负偏差为零计算厚度：d= 7.66mm（见式2.1）有效厚度：de =dn - C1- C2= 8.50mm名义厚度：dn =10.00mm重量：553.39Kg压力试验类型：液压试验试验压力值：PT = 5.0000Mpa（

23、见式2.2）压力试验允许通过的应力水平：sT£ 0.90 ss = 220.50Mpa压力试验下圆筒的应力：sT = 149.56Mpa（见式2.3）校核条件：sT£sT校核结果：合格压力及应力计算最大允许工作压力：Pw= 4.43304Mpa（见式2.4）设计温度下计算应力：st =119.65Mpa（见式2.5）stf=132.6Mpa校核条件：stfst结论：筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度6.50mm,合格3各部分强度校核图3-1 设备上的开孔及接管3.1开孔补强计算对筒体上接管为89×10的开孔进行补强补强设计方法：单孔补强开孔处壳体材料

24、类型：板材壳体材料：20R壳体材料在设计温度下的许用应力：132.6Mpa接管腐蚀裕量：1.5mm接管实际外伸高度：150mm接管实际内伸高度：150mm接管材料：管材接管材料：20（GB8163）接管材料在设计温度下的许用应力：130Mpa接管材料在常温下的许用应力：130Mpa接管焊接接头系数：1补强结构：无补强结构接管和壳体连接结构形式：插入式接管焊缝金属截面积：32mm计算方法 : GB150-1998 等面积补强法,单孔 开孔直径d：74.5mm补强区有效宽度B：149mm接管材料强度削弱系数fr ：0.98接管有效外伸长度h1: 27.29. mm接管有效内伸长度h2：27.29m

25、m开孔削弱所需的补强面积A：572.6mm壳体多余金属面积A1：62.57mm接管多余金属面积A2：638mm补强区内的焊接面积A3 :32mmA1+A2+A3=732.6 mm2 ，大于A，不需另加补强。 结论:补强满足要求,不需另加补强。 对筒体上接管为32×8的开孔进行补强补强设计方法：单孔补强开孔处壳体材料类型：板材壳体材料：20R壳体材料在设计温度下的许用应力：132.6Mpa接管腐蚀裕量：1.5mm接管实际外伸高度：150mm接管实际内伸高度：150mm接管材料：管材接管材料：20（GB8163）接管材料在设计温度下的许用应力：130Mpa接管材料在常温下的许用应力：13

26、0Mpa接管焊接接头系数：1补强结构：无补强结构接管和壳体连接结构形式：插入式接管焊缝金属截面积：32mm 计算方法 : GB150-1998 等面积补强法,单孔 开孔直径d：21mm补强区有效宽度B：57mm接管材料强度削弱系数fr ：0.98接管有效外伸长度h1:12.96mm接管有效内伸长度h2：12.96mm开孔削弱所需的补强面积A：162.4mm壳体多余金属面积A1：30.17mm接管多余金属面积A2：235.1mm补强区内的焊接面积A3 :32mmA1+A2+A3=297.3mm²，大于A，不需另加补强。 结论: 补强满足要求,不需另加补强。 对前端管箱筒体上接管为159

27、×15的开孔进行补强补强设计方法：单孔补强开孔处壳体材料类型：板材壳体材料：20R壳体材料在设计温度下的许用应力：132.6Mpa接管腐蚀裕量：1.5mm接管实际外伸高度：150mm接管实际内伸高度：150mm接管材料：管材接管材料：16Mn（热轧）接管材料在设计温度下的许用应力：163Mpa接管材料在常温下的许用应力：163Mpa接管焊接接头系数：1补强结构：无补强结构接管和壳体连接结构形式：插入式接管焊缝金属截面积：32mm 计算方法 : GB150-1998 等面积补强法, 单孔 开孔直径d：135.8mm补强区有效宽度B：271.5mm接管材料强度削弱系数fr ：1接管有效外

28、伸长度h1:45.12mm接管有效内伸长度h2：45.12mm开孔削弱所需的补强面积A：1039mm壳体多余金属面积A1：114.4mm接管多余金属面积A2：1818mm补强区内的焊接面积A3 :32mmA1+A2+A3=1965 mm2大于A，不需另加补强。 结论: 补强满足要求,不需另加补强。对后端管箱筒体上接管为25×8的开孔进行补强补强设计方法：单孔补强开孔处壳体材料类型：板材壳体材料：20R壳体材料在设计温度下的许用应力：132.6Mpa接管腐蚀裕量：1.5mm接管实际外伸高度：150mm接管实际内伸高度：150mm接管材料：管材接管材料：20（GB8163）接管材料在设计

29、温度下的许用应力：130Mpa接管材料在常温下的许用应力：130Mpa接管焊接接头系数：1补强结构：无补强结构接管和壳体连接结构形式：插入式接管焊缝金属截面积：32mm计算方法 : GB150-1998 等面积补强法, 单孔开孔直径d：14mm补强区有效宽度B：50mm接管材料强度削弱系数fr ：0.98接管有效外伸长度h1:10.58mm接管有效内伸长度h2：10.58mm开孔削弱所需的补强面积A：108.8mm壳体多余金属面积A1：30.17mm接管多余金属面积A2：194.2mm补强区内的焊接面积A3 :32mmA1+A2+A3=256.4 mm2，大于A，不需另加补强。 结论: 补强满

30、足要求,不需另加补强。 3.2壳程圆筒校核图3-2 壳程圆筒 平均金属温度ts：48° C装配温度ts：15平均金属温度下弹性模量Es：191600平均金属温度下热膨胀系数as：111100A=0.25pDi2式3.1壳程圆筒内直径横截面积：196300 mm2（见式3.1）As=pds (Di+ds) 式3.2壳程圆筒金属界面积：135800 mm2（见式3.2）3.3管箱圆筒校核设计压力：4Mpa设计温度：120材料名称：20R设计温度下弹性模量：192000Mpa管箱圆筒名义厚度（管箱为高径法兰取法兰颈部大小端平均值）：16mm管箱圆筒有效厚度：8.5mm管箱法兰设计温度下弹性

31、模量：202100Mpa4换热管及法兰的设计4.1换热管设计 图4-1 换热管及其布局换热管与管板连接形式强度焊+贴胀换热管排列方式：三角形排列管间距：25mm换热管长度：4500mm换热管受压失稳当量长度：332mm换热管根数：248换热管外径：19mm换热管壁厚：2换热管材料：20（GB8163）换热管材料在设计温度下的许用应力：130Mpa换热管材料在设计温度下的屈服点：216Mpa换热管材料在设计温度下的弹性模量：190200Mpa换热管材料在平均温度下的弹性模量：191837.5Mpa换热管材料在平均温度下线胀系数：110000管子有效长度（两管板内侧间距）：4400mm管束模数：=

32、2329Mpa式4.1管子回转半径：6.052mm（见式4.1）管子受压失稳当量长度：332mm系数Cr =131.8比值=54.86() = 式4.2管子稳定许用压应力：85.53Mpa（见式4.2）4.2管板设计管板与壳体、管箱的连接方式：e型 图4-2 管板与壳体、管箱连接方式隔板槽面积：7766mm壳程侧结构开槽深度：6mm管程侧分程隔板槽深度：6mm管板名义厚度：50mm介质性质：清毒、易燃、易爆、易挥发壳程侧管板腐蚀裕量：1.5mm管程侧管板腐蚀裕量：1.5mm管板材料类型：板材管板材料：16Mn（热轧）管板材料在设计温度下的许用应力：157Mpa管板材料在设计温度下的弹性模量：2

33、02100管箱法兰设计材料在设计温度下弹性模量：202100材料名称：16MnR(热轧)设计温度： 120设计温度下许用应力：157MPa设计温度下弹性模量：202100MPa管板腐蚀裕量 C2 ：3mm管板输入厚度n：50mm管板计算厚度 ：38mm隔板槽面积 (包括拉杆和假管区面积)Ad：7766mm2管板强度削弱系数： 0.4管板刚度削弱系数： 0.4式4.3管子加强系数 K：3.251（见式4.3）管板和管子连接型式：焊接管板和管子胀接(焊接)高度：l3mm焊接许用拉脱应力 q：65MPa 4.3管箱法兰设计图4-3-1管箱法兰一图4-3-2管箱法兰二法兰为标准法兰：JB/T 4702

34、 2000法兰材料类型：板材法兰材料：16MnR（热轧）法兰材料在设计温度下的许用应力：151.8Mpa法兰材料在常温下的许用应力：153Mpa法兰外径：660mm法兰内径：500mm法兰有效厚度：68锥颈高度：10颈部大端有效厚度：26mm颈部小端有效厚度：16mm剪切面高度：78mm图4-3-3密封面及螺栓布局螺栓及垫片的结构参数：螺栓圆直径：615mm密封面形式：平面垫片与密封面接触内径：530mm垫片与密封面接触外径：645mm垫片材料：石棉橡胶板（厚度1.5mm）垫片比压力：25.5Mpa垫片系数：2.75螺栓个数：24螺栓公称直径：24mm螺栓根径：20.7mm螺栓材料：40MnB

35、螺栓材料在常温下的许用应力：212Mpa螺栓材料在设计温度下的许用应力：186.6Mpa材料名称16MnR(热轧)管箱法兰厚度： 68mm法兰外径 ：660mm式4.4法兰宽度： 80mm（见式4.4）比值：0.017比值：0.136系数(按h/Di ,f”/Di , 查<<GB151-1999>>图25)：0.00系数w”(按h/Di ,f”/Di ,查<<GB151-1999>>图 26) ：0.002827式4.5旋转刚度：138.6MPa（见式4.5）4.4壳体法兰设计图4-4-1壳体法兰一图4-4-2壳体法兰二法兰为标准法兰：JB/T

36、4702 2000法兰材料类型：板材法兰材料：16MnR（热轧）法兰材料在设计温度下的许用应力：151.8Mpa法兰材料在常温下的许用应力：153Mpa法兰外径：660mm法兰内径：500mm法兰有效厚度：68锥颈高度：10颈部大端有效厚度：26mm颈部小端有效厚度：16mm剪切面高度：78mm图4-4-3密封面及螺栓布局螺栓及垫片的结构参数：螺栓圆直径：615mm密封面形式：平面垫片与密封面接触内径：530mm垫片与密封面接触外径：645mm垫片材料：石棉橡胶板（厚度1.5mm）垫片比压力：25.5Mpa垫片系数：2.75螺栓个数：24螺栓公称直径：24mm螺栓根径：20.7mm螺栓材料：4

37、0MnB螺栓材料在常温下的许用应力：212Mpa螺栓材料在设计温度下的许用应力：186.6Mpa材料名称：16MnR(热轧)壳体法兰厚度：50mm法兰外径： 660mm法兰宽度 ：80mm（见式4.4）比值 ：0.017比值 ：0.1系数, 按h/Di ,f”/Di , 查<<GB151-1999>>图25 ：0.00系数, 按h/Di ,f”/Di , 查<<GB151-1999>>图26： 0.002027旋转刚度：69.49MPa（见式4.5）4.5各项系数计算管板第一弯矩系数(按,查<<GB151-1999>>图

38、27) ：0.363式4.6系数：4.764（见式4.6）系数(按查<<GB15198>>图 29) ：1.883式4.7换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比：1.968（见式4.7）管板第二弯矩系数(按K,Q或查<<GB151-1999>>图28(a)或(b)：2.70式4.8系数（带膨胀节时代替Q）：0.0145（见式4.8）系数 (按K,Q或Qex 查图30) ：0.02487式4.9法兰力矩折减系数：0.4851（见式4.9）管板边缘力矩变化系数：1.014法兰力矩变化系数：0.5082管板开孔后面积A - 0.25 npd 2：125500

39、mm2管板布管区面积 (三角形布管) =142100mm2管板布管区当量直径：426.8mm系数：0.639系数：0.2128系数：3.187系数(带膨胀节时代替Q) ：4.505管板布管区当量直径与壳体内径之比：0.8536管板周边不布管区无量纲宽度 k = K ：0.4758仅有壳程压力Ps作用下的危险组合工况 (Pt = 0)不计温差应力计温差应力 换热管与壳程圆筒热膨胀变形差 =(t-t)-(t-t)0.0-0.0001685 当量压力组合 4MPa4Mpa 有效压力组合 12.755.868MPa基本法兰力矩系数 00管板边缘力矩系数0.014690.01469管板边缘剪力系数 0.

40、070.07管板总弯矩系数 0.51620.5162系数仅用于 时0.19060.1906系数 当 时,按K和m 查图31(a)实线当 时,按K和m 查图31（b）0.29410.2941系数 > 0 ,=, < 0 , =0.28950.2895管板径向应力系数带膨胀节Q为Q= 0.020210.02021管板布管区周边处径向应力系数 =0.033090.03309管板布管区周边处剪切应力系数 =0.069460.06946壳体法兰力矩系数-0.007368-0.007368表4-5-1计算值许用值 计算值许用值管板径向应力 70.911.5 235.532.64MPa3 471

41、 管板布管区周边处径向应力32.111.5 235.514.78MPa3 471 管板布管区周边剪切应力15.890.5 78.57.314MPa1.5 235.5壳体法兰应力 -33.681.5 235.5-15.5MPa3 471 换热管轴向应力 -8.34613085.536.302MPa3 39085.53壳程圆筒轴向应力 32.73132.615.07MPa397.8换热管与管板连接拉脱应力 q =4.978q653.759MPa3q焊接 q胀接195不计温差应力 计温差应力 换热管与壳程圆筒热膨胀变形差 =(t-t)-(t-t)0.0-0.0001685 当量压力组合 -4.851

42、MPa-4.851MPa 有效压力组合 -18.02MPa-24.9MPa操作情况下法兰力矩系数-0-0管板边缘力矩系数 -0-0管板边缘剪力系数 -0-0管板总弯矩系数 0.3630.363系数仅用于 时0.1340.134系数 当 时,按K和m 查图31（a）实线当 时,按K和m 查31（b)0.31970.3197系数 >0, =; <0 ,=0.31590.3159管板径向应力系数带膨胀节Q为Q =0.02050.0205管板布管区周边处径向应力系数=0.021740.02174管板布管区周边处剪切应力系数= 0.064920.06492壳体法兰力矩系数 -0.0145-0

43、.0145表4-5-2计算值许用值计算值许用值管板径向应力 102.2 MPa1.5 235.5141.2MPa3 471 管板布管区周边处径向应力 -1.834 MPa1.5235.5-2.535MPa3471 管板布管区周边剪切应力-20.99 MPa0.5 78.5-29 MPa1.5 235.5壳体法兰应力93.66 MPa1.5 235.5129.4MPa3 471 换热管轴向应力 18.59 MPa13085.5334.4 MPa3 39085.53壳 程圆筒轴向应力 14.61 MPa132.6-1.903397.8换热管与管板连接拉脱应力 q =11.09 MPaq6520.5

44、2MPa3q焊接q胀接195计算结果管板名义厚度 50mm表4-5-3管板通过校核5 产品冷却器制造过程简介5.1 总则依据GB150-98钢制压力容器和GB151-1999管壳式换热器等标准规定了用于一、二类压力容器中换热器制造的工艺要求，并遵守压力容器安全技术监察规程的规定进行制造。5.2零部件的制造1. 壳体（1）库房备有材质证明书、检验合格的10mm，16MnR钢板，要求材料表面不得有裂纹、结疤、夹渣、分层等缺陷；核对材料标记，实测钢板厚度。（2）按实测封头外圆周长计算展开尺寸，按排板要求划线，库管员作好材料标记移植，检验员检查确认后，按线下料。筒体理论下料尺寸为：5000mm。（3）

45、按工艺规程要求滚卷钢板，筒体A类焊缝组对错边量b1.2mm，棱角度E2.5。筒体纵缝延长部位点固试板、引熄弧板，定位焊长度2050mm，间距150200mm。（4）按焊接工艺要求加工坡口，坡口两侧30mm范围内清理污物，然后按焊接工艺施焊；填写施焊记录；检验员检查外观质量。（5）按探伤工艺对纵焊缝进行20%RT检测，按JB/T4730.24730.3-2005标准级合格。（6）筒体校圆，要求最大最小直径差e7mm，棱角度E3m。（7）焊接试板进行机械性能试验，拉伸1件，弯曲4件，冲击6件8。（8）按筒体布板图要求组对各筒节，定位焊要求同4；筒体B类环缝组对错边量b2.2 mm，棱角度E3.2

46、mm；筒体直线度H/1000即0.012mm。（9） 按探伤工艺对B类环焊缝进行20%RT检测，按JB/T4730.24730.3标准级合格。2. 换热管（1） 库房备有材质证明书、检验合格的25mm，L=6000mm钢管，要求材料表面不得裂纹、结疤、分层等缺陷；核对材料规格和尺，实测钢管厚度。（2）对管子总数的5%且不少于2根作拉力、硬度、弯曲、扩口压扁等抽样检验(或按图样要求，作其中一项或几项检验)。其结果应符合有关相应的标准要求。（3） 根据图样或工艺长度要求，在砂轮切割机上定尺切割下料。（4） 换热管直线度不大于1.5/1000，管换热管切口端面不应有毛刺其端面与中心线、垂直度f不大于

47、0.5 mm。（5） 换热管管端外表面应除锈。管端除锈长度应不小于管径，且不小于25 mm。3.管板（见图5-1）图5-1管板（1） 库房备有材质证明书、检验合格的50mm，16MnII 钢板，要求材料表面无可见缺陷；经超声波检测无分层缺陷；核对材料标记，实测钢板厚度。（2） 按图纸尺寸1030mm及排板要求划线，内外径预留4.55.0 mm机加余量；库管员作好材料标记移植，检验员检查确认后，按线下料。（3） 管板毛坯气割下料时，厚度方向的倾斜量应小于5°。毛坯气割后禁止水激冷却。（4） 凹凸密封面凹面和凸面的外径，榫槽密封面榫面和槽面的外径公差按GB/T1801的规定，孔为H12，

48、轴为h12。（5） 螺柱孔中心圆直径和相邻两螺栓孔弦长的极限偏差为±0.6mm9，任意两螺柱孔弦长极限偏差按表5-2的规定： 表5-2公称直径Dg600600-12001200极限偏差±1.0±1.5±2.0（6） 以上规定外的加工面未注公差尺寸的公差等级按GB/T1804中m级的规定。（7） 管板钻孔时，尽量采用钻模孔。管板孔两端按图样要求倒角，去掉管板孔周围毛刺。（8） 管板孔直径及允许偏差按表3-4规定。钻孔后应抽查不小于6°管板中心角区域内的管孔，在这一区域允许4%的管孔上偏差比表2.7中的数值大0.15毫米。表5-3换热管外径1416

49、192532384557管孔直径14.2516.2519.2525.2532.3538.4045.4057.55允许偏差（9） 钻孔后应抽查不小于60°管板中心角区域内的孔桥宽度，其值的合格率应不小于96%，最小孔桥宽度Bmin的数量应控制在4%以内，超过上述合格率时，则应全管板检查。（10） 管孔表面粗糙度Ra值不大于25um,管孔表面不得有影响胀接密性的缺陷，如贯通的纵向或螺旋状刻痕等。（11） 隔板槽密封应与环形密封槽齐平，或略低于环形密封面(控制在0.5mm以内)。4.折流板、支持板（见图5-2）图5-2 折流板（1） 折流板、支持板下料时，除应留有车削加工外圆的余量外，还需

50、将一组管束的折流板完全压实对齐，在边缘，相互点固成整体。用对应的管板作钻模钻出折流板的中心位置锥坑孔，拿掉管板，按图纸要求加工所需的折流板孔。（2）在折流板对应的数个管孔分别穿入尺寸相近的螺栓，再用螺母拧紧后，方可车削外圆，其直径及允许偏差见表5-4，外圆表面粗糙度Ra值不大于25um，外圆面两侧尖角需倒钝。表5-4注：用DN426mm无缝钢管做圆筒时，折流板名义外径为无缝钢管实际内径减2mm。对传热影响不大时，允许偏差可比上表中偏差值大一倍。换热器采用内导流结构时，支持板与圆筒内径的间隙应比表中值小。（3）折流板、支持板加工按Q/J.J04.03.63规定，加工后按要求打标记。（4）外圆车削

51、后，各流板须依图样要求依次对应剪切(或刨削)成弓形,并去除折流板上的所有毛刺。5. 组装管束在专用的组装胎具上安装，将各个折流板以各个间距L=450mm固定结实,依次穿入定距管，拉杆。拉杆装入后，用螺栓适当固定。然后组装管板和换热管，在组装时要注意以下几点：（1）穿管前应将换热管及管板孔清理干净，管孔不得有油污和锈蚀；（2）要保证管板与管束轴线垂直；（3）保证折流板组装方向有钻孔方向一致，且管孔同心；（4）严格按图纸要求控制管束的尺寸和折流板的方向。6. 管板与管束的连接（1）根据实际情况和经验的总结，本方案采用强度焊+贴胀，即先焊后胀。焊前管板坡口容易清洗干净，焊接时管子与管板间隙处的空气可

52、以从正、反两侧排除，对于防止焊缝产生气孔及保证焊接接头的质量十分有益。同时，后胀可以使胀口胀后的残余应力不会松驰，避免了因焊接高温的影响而发生松驰。（2）管与管板的接头形式和坡口换热管与管板连接部位的换热管与管表面，应清理干净，不应留有影响焊接连接质量的毛刺、铁屑、锈斑、油污等,接头形式及结构如图5-3。 （a）上管板与管子的连接 （b）下管板与管子的连接图5-3管板与管子连接（3）焊接工艺 焊接方法：常用并推荐的为钨极气体保护焊（GTAW）,用手工焊和机械焊均可,管与管板焊道应至少二道或二道以上。 焊接位置：采用立向上焊接。 焊接材料：牌号J427,规格4 接头形式：按设计要求的有效焊缝厚度应不小于 1的管壁厚度即大于等于0