汽油改质装置重沸器的机械设计概述

1、57/57第一章 前言用于大于等于两种流体之间、固体和流体之间、固体粒子之间，或有热接触但温度不同的同种流体之间的热量（或焓）传递的装置，叫做换热设备，是实现化工生产过程中热量传递和交换的设备。1.1课题研究背景及目的在工业生产中，热交换器的要紧作用是使热量（或焓）由温度相对较高的流体传到温度相对较低的流体，使流体的温度指标达到工艺过程的规定，以满足工艺过程的需求。石油、化工、制药、能源等工业生产，需要经常加热低温流体或冷却高温流体。这些过程与热量的传递有着特不紧密的联系，都要用热交换设备来完成这些过程。在化工厂的设备里，热交换器的投资占总投资的10%到20%；在炼油厂中，约占设备总投资的35

2、%到40%；海水淡化工艺里需要用到的装置几乎全部是由热交换设备组成的。近20年来，换热设备在能量的转化、储藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有着普遍的应用。随着热交换器节能技术的高速进展，应用领域也扩大了专门多，利用热交换器对多余的热量进行回收利用给公司带来了较为显著的经济效益。热交换器也是国民经济和工业生产中应用极其广泛的热交换设备，随着现代化的新工艺、新材料、新技术的开发和能源危机的来临，世界各国都把石油化工的深度加工和综合高效利用能源放在了首要的位置，由此可见热交换器面临着巨大的挑战。热交换器的性能对能源的利用率、产品的质量以及整套设备或者系统运行的可靠性、经济性起着至关重要的作用

3、，有时候甚至起着决定性作用。随着热交换器的地位和作用的提高，为了适应多种工作环境和工作要求，热交换器也开发出了越来越多的类型，不同类型的热交换器有不同的性能，也具有各自的优缺点。管壳式热交换器是属于表面式换热器的一类，是热交换器中使用最广的一种，尽管在传热效率、结构的紧凑性和单位传热面积金属消耗量等方面不如一些新型的高效紧凑式热交换器，但它结构牢固、可靠性高、易于制造、适应性广、生产成本低、处理能力大、选用的材料范围广、能承受较高的操作压力和温度、换热表面的清洁比较方便。在高温、高压和大型换热器中，管壳式热交换器仍具有绝对优势。管壳式热交换器要紧又分为：固定管板式热交换器、U型管式热交换器、浮

4、头式热交换器等，而固定管板式又是管壳式热交换器是使用最为广泛的一种，具有结构简单，管程清洗方便等特点。因此对固定管板式热交换器的研究和设计具有专门大的意义，也是为了实现以下目的：1、减小设计传热面积的热交换器来减小质量和体积；2、提高现有热交换器的换热效率；3、使热交换器能够工作在温差较低的环境中；4、减小热交换器的流体阻力来减少换热器的动力消耗。换热器相关技术的进展要紧表现在以下几发面：防腐技术，大型化与小型化并重，强化技术，抗振技术，防结垢技术，制造技术，研究手段。随着工业中经济效益与社会环境爱护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益进展，各种新思路的与新结构的涌现，

5、换热器将朝着更高效、经济、环保的方向进展1.2设计要紧流程本设计首先搜集资料，查阅了相关的二十多篇文献，了解了汽油改质装置重沸器详细结以及作用原理，全面考虑设计过程中需要注意的因素，并总结了一些现代化的创新型设计方案，同时详细介绍了本设计的主体固定管板式热交换器的结构，对管程、壳程的各个要紧部件作用做了介绍，最后介绍了本设计要用到的各个标准，完成了第一章的前言。在第二章，通过给定的设计要求，首先确定了设计方案，即初步选定热交换器的容器类型、流体的通道、流速、管束的排布方式以及管径，塔底油的流量、平均传热温度和传热面积等进行结构设计，接下来确定了接管法兰、接管以及支座的尺寸，然后就分不开始了对壳

6、程圆筒、封头、管箱法兰、管板等的选材和强度校核，最后进行是否需要膨胀节和接管补强的推断，完成了热交换器的整个强度计算及校核。第三章进行了对技术条件的编制，第四章进行了总结，第五章感谢，最后列举了所用到的参考文献。本章节要紧对固定管板式换热器进行热工设计的计算，它的设计程序或步骤随着设计任务数和原始数据的不同而不同，要尽可能的使已知数据和要设计计算的项目顺次编排，但由于许多项目之间互相关联，无法排定顺序，故往往先依照经验选定一个数据使计算进行下去，通过计算得到结果后再与初始假定的数据进行比较，明白达到规定的偏差要求，试算才告结束。一般换热器的设计程序如下：（1）依照生产任务和有关要求确定设计方案

7、；（2）确定换热器类型和要紧结构；（3）依照换热量要求，计算换热面积，确定换热管与壳体尺寸；（4）核算换热器的传热能力及流淌阻力；（5）确定换热器的工艺结构，形成工艺简图。1.3热交换器介绍换热设备是用于两种及其以上的流体之间、一种流体和一种固体之间、固体粒子之间或有热接触且具有不同温度的同种流体间的热量（或焓）传递的装置。它是化工、炼油、食品、轻工、能源、机械以及其他许多工业部门被广泛使用的一种通用设备。在化工厂的设备里，热交换器的投资占总投资的10% 到20%；在炼油厂中，约占设备总投资的35% 到40%；海水淡化工艺里需要用到的装置几乎全部是由热交换设备组成的。近20年来，热交换设备在能

8、量的转化、储藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有着普遍的应用。工业生产中，热交换设备的要紧作用是让热量（或焓）由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体的温度达到工艺过程中规定的指标，从而满足工艺过程的需要。热交换设备也是回收余热、废热以及低品位热能的有效装置。工业生产中，由于工作条件、用途、物料特性等不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。在此，要紧研究了管壳式固定管板热交换器。管壳式热交换器属于间壁式热交换器（又称表面式热交换器），它是利用间壁将需要交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量从热流体通过间壁传递给冷流体的一种热交换器。这类热交换器是目前使用最为广泛的一种换热设备。它的

9、差不多结构是在一个或多个圆筒形的壳程（壳体）中放置管束（由多个管子组成），该管子的两端或者一端要固定于管板上面，其中管子上的轴线要和壳体上的轴线相平行。是为了增加流体在壳程的流速并支承管子，改善传热的性能，在筒体内间隔安装多块折流板（也能够是其他新型的折流元件），用拉杆和定距管将折流板和管子组装在一起。换热器的壳体和两侧的端盖上（偶数管程则是一侧）装有流体的进出口，也有依照要求在其上装设检查孔，为安置测量仪表用的接口管、排气孔和排液空等。管壳式热交换器尽管在传热效率、结构的紧凑性和单位传热面积金属消耗量等方面比不上一些新型高效的紧凑式换热器，但它也有明显的优点，如结构牢固、可靠性高、易于制造、

10、适应性广、生产成本低、处理能力大、选用的材料范围广、能承受较高的操作压力和温度、换热表面的清洁比较方便等。在高温、高压和大型热交换器中，管壳式热交换器仍具有绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。依照管壳式换热器的结构特点，分为固定管板式热交换器、浮头式热交换器、U形管式热交换器、填料函式热交换器和釜式重沸器五类。在本设计论文中是对固定管板式热交换器的设计计算，则着重介绍固定管板式热交换器。1.4汽油改质装置重沸器结构简介固定管板式热交换器由管板、管箱、壳程、管子等零部件组成，管束连接在管板上，管板和壳体之间焊接，管束两端用胀接或焊接的方法将管子固定在管板上，壳体进出口管直接焊接在筒体上，管板

11、外圆周和封头法兰直接用螺栓紧固，管程的进出口管直接焊接在管箱上，管束内依照换热管长度设置多块折流板，这类换热器的管程能够用隔板分程多个程数。固定管板式热交换器的优点是结构简单、紧凑，并能够承受较高的压力，造价低，管程的清洗方便，管子损坏的时候易于堵管或者更换；缺点是当管束和壳体的壁温或者材料的线膨胀系数差不较大时，壳体和管束中的热应力较大。这种热交换器适用于壳侧介质比较清洁而且不容易结构并能进行清洗，管、壳程两侧的温差较小或温差较大然而壳侧的压力不高的场合。在管壳式热交换器的差不多设计方法中，要在满足工艺过程要求的前提下，达到安全和经济的目标。热交换器的设计中的要紧任务有参数选择、结构设计、传

12、热计算和压降计算等。设计要紧包括了管子排列、管子支承结构、管程数、管长、壳体形式、热交换器类型、冷热流体流淌通道等工艺计算和壳体、封头、管板等零部件的结构、强度设计计算。热交换器的工艺设计计算依据设计任务的不同能够分为设计计算和校核计算，包括换热面积的计算与选型两方面。一般情况下已知冷流体和热流体的物性和处理量。进出口压力和温度由工艺方面的要求来确定。在设计中需要选择或确定的有三大类数据：结构数据、物性数据和工艺数据。设计计确实是依照已知的数据来计算热交换器的换热面积，从而来决定那个热交换器所需要的结构，能够来选定已有的标准热交换器；而校核计算则是对差不多有的热交换器进行一些运行参数的核定，校

13、核它是否满足预定的要求。热交换器的各零部件的设计和选择依据的标准是GB151-2014热交换器。热交换器分为管程和壳程，流经换热管的内通道以及其相贯穿的部分称之为管程，流经换热管外通道以及与其相贯穿的部分称为壳程。整个热交换器的设计过程中，由于热交换器是压力容器的一种，则GB150-2011钢制压力容器也是一个运用较多的标准，其他对法兰、垫片的标准则选用新的能源部公布的HG/T20615-2009钢制管法兰，螺纹的选择用到了GB/T196-2003螺纹规格标准，而在制作过程中的选用则用到的是JBT4712.1JBT4712.4-2007容器支座，在整体的设计中，熟练运用标准是一项特不重要的技能

14、。在管程结构当中，换热管占了整个热交换器的大部分重量，换热管除了光管之外还能采纳各式各样的强化传热管，比如翅片管、螺纹管、螺旋槽管等。当管内外两侧的给热系数较大的时候，翅片管的翅片布置应在给热系数较低的一侧。换热管是具有标准的尺寸（外径壁厚）的钢管，要紧分为无缝钢管和不锈钢管。在设计热交换器的时候，采纳小管径的换热管时，可使传热系数提高、单位面积的传热面积增大、金属耗量减少、结构紧凑。据简单的估算，将同直径热交换器的换热管尺寸由25mm改为19mm，传热面积便能够增加40% 左右，同时节约20% 以上的金属。但小管径的流体有较大阻力，且不方便清洗，容易结垢堵塞。通常情况下，大直径的管子用于黏性

15、较大或污浊的流体，小管径的管子则用于相对较清洁的流体。换热管常用的材料通常有碳素钢、铜、铜镍合金、铝合金、低合金钢、不锈钢、钛等。除此之外，也能够用一些非金属材料，如陶瓷、石墨、聚四氟乙烯等。换热管的排列方式要紧有正方形、转角正三角形、正三角形、转角正方形等。正三角形的排列方式能够在相同的管板上排列最多的管数，因此用的最普遍，然而管外不便于清洗。为便于管外清洗，可采纳正方形或转角正方形排列的管束。管板是管壳式热交换器里面最重要的零部件之一，其作用是排布换热管。将管程和壳程的流体分开，幸免冷热流体的混合，同时受到管程、壳程的压力和温度的作用。管板在选材的时候不仅要考虑力学性能，还要考虑管程和壳程

16、流体的腐蚀性，以及管板和换热器之间存在的电位差对腐蚀的阻碍。当流体腐蚀较低或者差不多没有腐蚀性的时候，管板一般采纳压力容器用的碳素钢或者锻件或低合金钢板来制造。当流体的腐蚀性较强时，管板应采纳耐腐蚀材料，如不锈钢钛、铝、铜、等。关于厚度较大的管板，为达到降低造价，工程上常采纳钛+钢、不锈钢+钢、钛+钢等复合板，或堆焊衬里。在热交换器承受高温、高压时，高温、高压对管板的要求是具有矛盾的。增大管板的厚度，管板便能够承受更大的压力，然而当管板两侧的温差较大的时候，沿管板内部厚度方向的热应力会增大；若减小管板的厚度，能够适当的降低它的热应力，然而承压能力会下降一些。而且，在开车和停车的时候，由于厚管板

17、的温度变化较慢，换热管壁厚薄，温度变化较快，因此在换热管和管板的连接处会产生出较大的热应力，大的热应力往往会导致换热管和管板连接的地点发生破坏。因此，在满足强度的要求下，应尽量减少管板的厚度。管板设计时的差不多考虑是：把实际复杂的管板简化为承受均匀分布的载荷，置于弹性的基础上同时受到在管孔有平均削弱作用的当量圆板。同时也在那个基础上考虑管束关于管板的挠度有约束作用，但忽略关于管板的转角具有约束作用；管板周边没有布管区域对管板有应力阻碍，把管板划分成为两个区，即靠近中央的布管区和靠近周边较窄的不布管区；不同结构形式的热交换器，管板边缘处具有不同形式的连接结构，依照具体的情况，考虑了壳体、法兰、管

18、箱、封头、垫片等元件对管板边缘转角产生的约束作用；管板兼做法兰时，法兰力矩对管板应力的阻碍。管板的设计思路包括管板的弹性分析、危险工况、管板应力校核、管板应力调整。总体下来，管板的计算特不复杂，手算的工作量专门大，目前我国已开发出过程设备强度计算的软件，比如SW6，在实际工程计算中运用软件计算便会大大缩短设计计算的工作量。管箱位于换热器的两端，其作用是将管道输送过来的流体均匀分布到各个换热管，把管内的流体汇聚在一起并送出热交换器。在多管程热交换器里，管箱还能起到改变流体流向的作用。管程是在管内流淌着的流体从一端流到另一端，在管壳式热交换器中，最简单的是单管程的热交换器。依照工艺设计要求，需要增

19、加换热面积的时候，可采纳增加换热管的长度或管数的方法。过于加长换热管的长度会受到加工、运输、安装及维修等多方面的限制，因此经常用增加管数的方法来实现换热面积的增加。管板与换热管的连接是管壳式热交换器的设计、制造中最关键的技术之一，也是热交换器出事故率最高的部位，因此，热交换器中管板和换热管的连接质量的好坏直接阻碍了热交换器的使用效果和使用寿命。要紧有采纳强度胀接、强度焊、胀焊并用的方法在壳程结构中要紧由壳体、折流板或折流杆、拉杆、防冲挡板、纵向隔板、防短路结构等元件组成。壳体一般情况下是个圆筒，在筒壁上焊有接管，能够流入和排出流体。折流板的设置是为了提高壳程流体的流速并增加湍动，使壳程流体垂直

20、地冲刷管束，改善传热，增加壳程流体的传热系数，减少结垢。在卧式热交换器中，折流板的还有支承作用。折流板一般是等间距布置，管束两端的折流板应放置在靠近壳程进出口接管。折流板上的管孔和换热管之间的间隙、折流板和壳体内壁之间的间隙应该符合要求，间隙过大会泄漏严峻，对传热不利，还会引起振动；间隙过小，会使安装困难。折流板一般采纳拉杆和定距管连接在一起。其他零部件可依照需求来设定或者选用，如折流杆、防短路结构（挡管、旁路挡板、中间挡板）、防冲板、支座、静电接地板、铭牌等。上述差不多设计要紧在工程设计中用到的为主，当今社会是一个不断进展和进步的社会，能源和资源的紧缺让人们不得不努力开发新型的热交换器，研究

21、新型的高效的热交换器元件，各工业部门都在努力进展大容量、高性能的设备，减少设备的投资和使用费用。当今的化工等生产中的环境更加恶劣，介质的腐蚀、毒性等情况会更加突出，因此新型材料也不断的加入热交换器的设计制造中。在如此的世界大环境下，各国都加快了先进热交换技术和节能技术的进展。我国十分重视传热强化和热能的回收利用这些方面的研究和开发工作，开发了适用于不同的工业生产过程要求的高效热交换设备来提高经济效益，同时取得了丰硕的成果。其中，传热强化和节能技术是热交换技术研究的主体方向。传热强化是改善传热性能的技术，能够通过提高和改善传热速率，来达到使用最经济的传热设备来传递一定热量的目的，也能够通过提高传

22、热系数、增加平均传热温差、扩大换热面积等来实现。目前还普遍用槽管、翅片管、螺纹管、波浪管等新型管子来扩展表面以达到强化传热。同时也常会有通过改变壳程挡板结构、改变管束支承结构等方法来减少或者消除壳程的流淌和传热的滞留死区，从而使换热面积能够得到充分得利用，达到壳程强化传热的效果10。总之，在那个能源紧缺的时代，对热量的充分利用显得尤为重要。在那个大进展的背景下，我国的热交换器也取得了巨大的突破，然而由于我国的热交换器起步相对较晚，在一些高端热交换器领域，比如模型化技术、电脑程序应用于设计计算、高新材料在热交换器的运用等方面相关于发达国家较薄弱。而且我国的化工、炼油、轻工业等正处于快速进展的时期

23、，提高热交换器的本土效率和产量便能够减少大量的热交换器进口，并能有效的减少国内大多数需要用到热交换器公司的开支，同时也能促进我国热交换器的大进展。1.5热交换器的优化热交换器的优化升级是重要的研究方向。祁飞，刘国振，贾晓艳在固定管板式换热器热处理有关问题的探讨一文中分析道，设备是否进行焊后热处理选用哪种热处理，应首先分析其热处理的目的，充分理解标准中含义，再做出正确的选择，从而才能设计且制造出合格产品。热交换器的优化要紧从结构设计、制作工艺、热处理、新技术开发应用等方面动身，用以提高换热效率、延长使用寿命、升级操纵方案。刘执彬、徐勇在固定管板换热器传热效率阻碍因素分析一文中，总结固定管板换热器

24、传热效率的阻碍因素有：流淌路线及防短路设置、折流板间距、管束在壳程接管进口或出口处的流通面积。并建议，依照工艺设计参数（介质流速、压力降等）依据伯努利方程确定介质在换热器内的流速，再以此流速来设计折流板弓高和间距。周蕾在固定管板式换热器的研究与优化中，对固定管板式热交换器的固定管板厚度随工作压力(壳程与管程压力)改变的变化情况和不同热交换器公称直径条件下的管板布管情况进行了系统的研究，采纳线性加权法对固定管板式热交换器的整体进行了优化。陈文星，陈士玮在换热器优选的灰靶决策法一文中，灰靶理论应用到热交换器设计方案的评价与优选中，取得了与采纳其他方法分析一致的结果，显示了它的有效性和有用性。而且整

25、个分析过程简便，为其他一般化工设计方案优选提供 了一种有用的方法。王伟，商玉坤，王立刚在焦化厂粗煤气冷却用固定管板式换热器改进15提出了结构设计上 的改进和制造过程中的几个问题。王武超，赵竞全在冷凝器动态性能仿真研究一文中应用移动边界法（MB)对冷凝器建立了动态仿真数学模型，模型体现了冷凝器内各个相区长度随时刻的变化，模型最终能够化为常微分线性方程组的形式，在求解上更为方便且兼顾了仿确实效率和精度，模型可提供冷凝器详细的性能参数；研究了在系统不同的操纵参数阶跃情况下冷凝器的动态响应，获得了冷凝器的动态特性，冷凝器的动态特性是冷凝器动态优化设计和编制系统操纵规律的基础。该文中的冷凝器建模方法适合

26、于系统级仿真研究。况莉在循环水换热器泄漏故障分析和对策一文中，提出了循环水换热器泄漏故障分析和对策，使得换热器运行效果良好，达到了降低维修费用，保证装置长周期稳定运行的目的，为以后类似换热器的维护改造提供了有益的经验。刘维亭，张冰，朱志宇在主冷凝器模糊操纵系统设计一文中，从主冷凝器的特性动身，对真空凝水过冷度操纵系统进行了深入地研究，详细阐述了系统的设计准则、设计模型及实现方法。该系统硬件采纳了数字信号处理芯片，以保证系统的实时性，软件采纳了模糊神经网络算法以克服系统模型的不确定性。设计出了工作稳定可靠，具有较强的鲁棒性的换热系统。第二章 结构设计和强度校核设计条件2.1.1设计压力 壳程设计

27、压力，液柱压力 = 则可忽略液柱压力， 计算压力，取高于其一个等级的公称等级。 管程设计压力，忽略液柱压力，则取高出其一个压力等级为。2.1.2设计温度设计温度指容器在正常情况下，设定的元件金属温度，设计温度不得低于元件金属在工作温度状态可能达到的最高温度。 管程设计温度的确定 ，由于气氨最高操作温度为180，故取设计温度为200。壳程设计温度的确定，由于壳程水最高操作温度为310，故取设计温度为330。 2.2筒体壁厚2.2.1筒体选材 由于筒体设计温度为330，设计压力为2.5，参考GB150-2011，Q345R是一般低合金钢,是锅炉压力容器常用钢材，使用状态为：热轧、控轧或正火。磷、硫

28、含量略低于低合金高强度钢板Q345钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q345R钢有所提高外，还要求保证冲击韧性，对钢材的表面缺陷和内部缺陷要求比较较高。而且它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板,可用于容器壳体材料中,故选择Q345R。 2.2.2筒体壁厚的计算 式中 计算厚度，； 计算压力，； 焊接接头系数。对厚度进行圆整可得名义厚度为：=16mm(取=2在无专门腐蚀情况下,关于碳素钢和低合金钢，不小于1) GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25，因此使用该标准中钢板厚度超过5时(如20R,16MnR和16MnDR)

29、等，可取=0 =-(+) ( C=+) =16-(0.3+2) =13.72.2.3筒体的强度校核 式中 有效厚度， =-C， ； 名义厚度， ； 设计温度下圆筒的计算应力， ； C 厚度附加量， 。=1430.85=121.55故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力为2.3管箱设计2.3.1管箱选材管程设计压力为2.5MPa，温度为200，参考GB150-2011，Q345R是一般低合金钢,是锅炉压力容器常用钢材，使用状态为：热轧、控轧或正火。磷、硫含量略低于低合金高强度钢板Q345钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q345R钢有所提高外，还要求保证冲击韧性，对钢材的表面缺陷和内部缺陷要求

30、比较较高。而且它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板，可用于容器壳体材料中，故选Q345R。2.3.2 管箱筒体厚度计算 。对厚度进行圆整可得名义厚度为：=16 mmGB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25，因此使用该标准中钢板厚度超过5时(如20R,16MnR和16MnDR)等，可取=0 =-(+) ( C=+) =16-(0.3+2) =13.72.3.3管箱选择本次设计选择D型管箱，其结构型式见管箱零件图。2.3.4管箱的强度校核 式中 有效厚度, =-C， ； 名义厚度， ； 设计温度下圆筒的计算应力， ；

31、 C 厚度附加量，。=1830.85=155.55故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力为2.4管箱法兰2.4.1材料选择 管程设计压力为2.5MPa，温度为200，参考GB150-2011，材料20属于优质低速钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性。塑性和焊接性均好。故选20。 2.4.2法兰尺寸法兰材料及其质量列表如下： JB/T 4703-2000表2-1长颈对焊法兰公称直径DN，法兰，螺柱规格数量11001350128012291220120610419528262339M36400表2-2长颈对焊法兰质量公称直径DN 法兰质量，kg平面凸面凹面榫面槽面PN=4.0MPa11

32、00420.3435.9429.3430.9434.1 2.4.3法兰型式 依照公称压力等级以及介质性质选择法兰型式为WN型。2.5 管箱法兰垫片 选择非金属垫片：缠绕垫D型 GB/T3985。 垫片结构图见装配图。 表2-3垫片尺寸 JB4703-2000公称压力， 4.0公称直径， 1100120912293 2.6 管箱法兰螺柱螺母 关于4.0的螺柱应当选用35，对应的螺母为25。JB/T4707-2000 本次选用等长双头螺柱。 等长双头螺柱结构图如下： 图2-1 等长双头螺柱图 表2-4等长双头螺柱的形式与尺寸 JB/T4707-2000, 162024273036,40506065

33、7080,22.53445,56666,162024273036,极限偏差单件质量, 公称尺寸1000.1330.2081100.1470.2291200.1600.2501300.1730.2700.3901400.1870.2910.4201500.2000.3120.4501600.2130.3330.4801700.2270.3450.5101800.2400.3740.5400.6950.8531900.2530.3950.5700.7330.9012000.4160.6000.7720.9483000.6250.9001.1601.422 2.7 封头的设计 由于管程设计压力为2.

34、5MPa，温度为200，Q345R是一般低合金钢,是锅炉压力容器常用钢材，使用状态为：热轧、控轧或正火。磷、硫含量略低于低合金高强度钢板Q345钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q345R钢有所提高外，还要求保证冲击韧性，对钢材的表面缺陷和内部缺陷要求比较较高，而且它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。可用于容器壳体材料中，故封头材料选为Q345R。2.7.1封头的壁厚计算 式中 计算厚度, ; 计算压力, ; 焊接接头系数。 .(取=2在无专门腐蚀情况下,关于碳素钢和低合金钢,不小于1)对厚度进行圆整可得名义厚度为：=14mm (GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低

35、合金钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25,因此使用该标准中钢板厚度超过5时如和等,可取=0)=-(+) (=+) =14-(0.3+2) =11.72.7.2封头尺寸选择以内径为基准的椭圆形封头，代号为EHA，其尺寸和结构如下JB4746-2002 表2-5 EHA椭圆形封头内表面积，容积：公称直径总深度内表面积容积DNHAV11003001.39800.1980 表2-6 EHA椭圆形封头质量 JB4746-2002 公称直径封头名义厚度 ，mmDN34568101214161820110055.764.686.5108.6130.9153.3176.0198.9221.9 图

36、2-2 EHA椭圆型封头结构2.7.3封头的强度校核 关于标准椭圆形封头，=1.0椭圆形封头的最大工作压力为 2.8液压试验压力试验除材料本身的缺陷外，容器在制造和使用中会产生各种缺陷。为考核缺陷对压力安全性的阻碍，压力容器制造完毕后或是定期检验时，都要进行压力试验。常温时，水的压缩系数比气体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。本次设备压力试验采纳水压试验。 由于管程壳程压力不等，且管程压力大于壳程，故水压试验时先将壳程压力升高到与管程相等，再进行水压试验。（1）水压试验关于内压容器 在小于20,100时的应力都为133. =1.25=1.254=5(2) 应力校核为使液压试验时容器材

37、料处于弹性状态,在压力试验前必须校核试验时圆筒的薄膜应力 =203.230 =0.90.85345=263.925 2.9拉杆设计2.5.1拉杆选材拉杆要求有足够的强度和良好的焊接性，定距管要求有足够的强度和良好的焊接性，考虑到设计要求，选择拉杆材料为Q235A，定距管材料为10。2.5.2拉杆参数拉杆的直径和数量按下表选择： 表2-7拉杆选用表 换热管外径25拉杆直径16 表2-8拉杆数量选用表 公称直径DN，拉杆直径 ，1610 拉杆尺寸与结构如下： 表2-9拉杆尺寸表 拉杆直径拉杆螺纹公称直径161618502.0 图2-3 拉杆结构图 2.5.3拉杆的布置拉杆应尽量布置在管束的边缘，本

38、次用10根拉杆。2.10管板设计2.10.1材料选择 16Mn它的特点是：高的强度和屈服比，高韧度，良好的焊接性能和冷、热加工性能，一定的腐蚀性能。考虑设计要求，故选择管板材料为16Mn。2.10.2管板结构 选择e型的连接方式即：管板与壳程圆筒连接为整体，其延长部分兼做法与管箱用螺柱连接。 表2-10管板尺寸参数 mm 公称压力 螺柱规格数量2.51.060076071567659766360012.527M24243848 结构如下：图2-4管板结构 2.10.3管板布管见管板零件图。2.11中心距的求取正三角形排列最为普遍，其在同一直径管板面积上可排最多的换热管数。其用于壳程介质较清洁，

39、换热管外不需清洗。当需对换热管外清洗时，则需采纳正方形排列，其最小清洗通道应不小于6毫米。换热管尺寸为mm，因此取换热器中心距为32mm。2.12布管限定圆 对固定管板式换热器,布管限定圆的直径为 圆筒内径,固定管板式换热器管束最外层管束外表面至壳体内表面的最短距离, ,一般不小于8，为换热管外径。 本次设计取=10mm，则=1100-210=1080mm。 表2-11 = 1 * ROMAN I级管束折流板和支持板管孔直径及同意偏差表换热管外径或无支撑跨或且管孔直径同意偏差 +0.30 0 2.13拉杆孔的设计拉杆孔直径 ,为拉杆直径。 拉杆与管板采纳螺纹连接。螺纹深度,为拉杆螺纹孔公称直径

40、,. = 2.14实际布管实际布管数为937根，其中换热管927根，拉杆10根。2.15换热管设计在标准中选取换热管为，10号钢塑性、韧性专门好，易冷热加正火或冷加工后切削加工性能好，此钢的可焊性特不行，能够用任何方法进行焊接，焊前和焊后不必进行热处理，无回火脆性，淬透性和淬硬性均差。但此钢用不宜用于要求高强度的环境，只适用于要求受力不大、韧性高的零件中，可用作冷轧、冷冲、冷镦、冷弯、热轧等工艺成形，也可用作心部强度不高的渗碳件、碳氮共渗件等。本设计选用10号钢作为换热管的材料。，长度为3000。换热管与管板的连接采纳强度焊加贴胀，其尺寸如下所示 表2-12换热管与管板的连接采纳强度焊换热管规

41、格换热管最小伸出长度 最小坡口深度 1.52.52 图2-5换热管安装尺寸 2.16接管设计2.16.1管程接管设计选取标准管子DN=350mm，材料20属于优质低速钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧，。塑性和焊接性均好，考虑设计要求，故材料选20。2.16.2壳程接管设计选取标准管子DN=350mm，材料20属于优质低速钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性，塑性和焊接性均好，考虑设计要求，故材料选20。2.17排气管和排液管的设计考虑到壳程接管都安装于最高处或最低处，同时为单壳程，无须设排气管和排液管。管程不设置。2.18接管法兰和垫片的设计2.18.1法兰材料选择与接管材料一致,选

42、择材料202.18.2法兰结构和尺寸PN4.0MPa带颈对焊钢制管法兰HG20595-97，其，厚度分不为10 。 PN4.0MPa带颈对焊钢制管法兰HG20595-97，其，厚度为10mm。法兰密封面尺寸如下：表2-13法兰密封面尺寸公称通径 2.54.025606824.54.04357584235041046525.55.0395421422394各接管其他参数如下表：热轧无缝钢管 YB231-70 表2-14热轧无缝钢管钢管外径，壁厚，理论重量，接管长度，3771090.51113 钢管外径 ，壁厚 ，理论重量， 接管长度， 361021.36109冷拔无缝钢管 YB231-70 表2

43、-15冷轧无缝钢管 2.18.3法兰垫片选择壳程接管法兰用垫片均为非金属平垫片，缠绕垫D型。2.18.4螺栓螺母选择管程接管选择六角螺栓，8.8级。2.19接管外伸长度2.19.1各接管尺寸设计其确定参考如下：表2-16接管外伸长度参考表 ，公称直径DN ，050251003503002.19.2管程接管位置的确定由于选择D型管箱，管程接管采纳轴向进出。 2.19.3壳程接管位置的确定无补强圈时接管外径，管板厚度，接管外缘到容器法兰与筒体连接焊缝的距离，且，不小于30，为壳体壁厚， 通过校核本次设计中接管无需补强。故=mm，暂取为200mm。2.20防冲挡板管程流体为轴向进入，且流体流速大于3

44、时需设置防冲挡板。 关于碳钢和低合金钢，折流板厚度取为14。Q235B有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，广泛用于一般机械零件的制造，要紧用于建筑、桥梁工程上质量要求较高的焊接结构件。 本次选择防冲挡板材料为Q235B 。 防冲挡板结构及其相关尺寸如下：=，本次取为90mm。接管内径，= =（357+50）=407初取为410。其结构位置确定如下图： 图2-6 防冲挡板结构及其相关尺寸壳程流速小于3 ，无需设置。2.21折流板2.21.1材料Q235B有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，广泛用于一般机械零件的制造。要紧用于建筑、桥梁工程上质量要求较高

45、的焊接结构件。故折流板材料选为Q235B。2.21.2折流板的设计折流板厚度本次取为14，折流板直径为=（1100-4.5）=1095.5 其结构如下：图2-7 折流板结构图2.22 吊耳当管箱重量超过30时，宜设置吊耳，也可采纳钢丝起吊。可对称的设置两个吊耳。表2-17吊耳尺寸单个吊耳同意掉起载荷1650403012020002060504015030002.23焊接结构设计2.23.1焊接结构焊接结构按相应标准或见装配图及其零件图。2.23.2焊接材料的选择本次设计的换热设备所用材料有Q345R,16Mn。考虑母材力学性能与化学材料，构件的结构与刚性和经济性，该容器采纳电弧焊时所用焊条使用

46、型号如下表：表2-18焊接材料选用表接头母材焊条型号焊条牌号Q345R+Q345RE5015(GB/T5117)J507Q345R+16MnE5016GB/T5117)J50616Mn+16MnE5016(GB/T5117)J506 当采纳埋弧焊焊时所焊丝焊剂型号如下表：接头母材焊丝型号焊剂牌号Q345R+Q345RH08MnA （GB/T14957）F5A2-H08MAQ345R+16MnH08MnA （GB/T14957）F5A2-H08MA 116Mn+16MnH08MnA （GB/T14957）F5A2-H08MA 2.24各零部件质量估算2.24.1壳程筒体质量的估算壳体质量=124

47、02.24.2封头质量的估算2.24.3换热管质量的计算=3858.22.24.4接管质量计算kg2.24.5接管法兰质量的计算 2.24.6管箱法兰质量 2.24.7管板质量的估算左管板质量：右管箱质量：2.24.8防冲挡板的质量估算2.24.9折流板的质量估算2.25支座的设计2.25.1支座选型 按照JB/T471247252007 容器支座进行设计，由于筒体直径较小，故选择耳式支座。其标记为：JB/T 4712.32007，支座B1 600F； JB/T 4712.32007，支座 B1 600S，包角为 。 2.25.2支座材料 支座选择其材料为组合件，垫板材料与筒体一致为Q235R

48、。2.25.3支座位置的确定 管束长度3000，本次取 查得，=3600，=1200。由于壳程接管外伸长度为300，因此加高支座高度到250。2.25.4支座质量2.26本次设计中所用螺母参数 本次设计中所用型六角螺母的结构参数与尺寸规格 GB/T6170-2000 表2-19型六角螺母的结构参数与尺寸规格螺纹规格 10121620243017.820.016.83339.050.98.410.814.81821.525.6161824303646 2.27设备水压试验充水质量的水压试验时取常温为20，在此温度下水的密度为998.2kg/m3。 封头充水质量筒体充水质量充水总重 kgkg2.2

49、8设备总重估算设备总重包括封头、筒体、容器法兰及其螺柱、管板、换热管、折流板、接管及其法兰、防冲挡板各零部件重量。可拆件左管箱质量713.5可拆件右管箱质量713.5可拆件筒体及管板质量 =2616.8设备总重2616.8+713.5+713.5+3858.2+70.58+33.2 =8804.782.29设备充水后质量估算充水后质量包括设备净重和水的质量。设备充水总重=（6127.82+8804.78）=14932.6第三章 技术条件的编制3.1技术条件的讲明本设备按GB/T151-2014中级以及国家技术监督局2014年颁发的压力容器安全技术监察规程进行制造、试验和验收。3.1.1 钢材（

50、1）受压元件用钢应符合GB150-2011钢制压力容器；（2）筒体封头材料应符合YB536-69压力容器用碳素钢和一般低合金钢热扎厚钢板技术条件；管板材料 HGJ15-91钢制华工容器材料选用规定；换热器应符合YB231-70无缝钢管的规定；管路法兰按JB/T4701-4704-2000进行选取。用于制造壳体、封头和钢板需要探伤检察。3.1.2 焊接（1）容器施焊前的焊接工艺评定，应按国家标准压力容器焊接工艺评定进行；（2）对接焊缝的余高为2mm，角焊缝的焊角高度取焊件中较薄者的厚度；（3）焊缝表面不得有裂缝，气孔弧坑和夹渣等缺陷，并不保留有熔渣和飞溅物；（4）焊缝咬边高度不大于0.5mm，咬

51、边连续长度不大于100mm，焊缝两侧咬边总长不超过该焊缝长度的10%；（5）角焊缝应有圆滑过渡至母材的几何形状；（6）打磨焊缝表面消除缺陷或机械损伤后的厚度应不小于母材的厚度；（7）焊缝同一部位的返修次数不宜超过两次；焊后应在焊缝所规定的部位打上焊工钢印。3.1.3 热处理 查GB150-2011相关标准，可知本设计中不用采纳热处理3.1.4 无损探伤依照规定中的条件，筒体与封头纵焊缝以及封头与容器法兰的环焊缝进行100%的射线探伤。按GB3328-82的级规定，其余焊缝进行100%渗透探伤。3.1.5 质量证明书、标志、油漆、包装、运输（1）容器的出厂质量证明书应包括产品合格证、容器讲明书、

52、质量证明书（2）容器铭牌应固定于明显的位置；容器的油漆、包装、运输按GB2536-80标准进行。3.1.6 换热器的尺寸偏差（1）筒体同一断面上最大直径之差不得超过0.5%D0=3.0mm，因D01200mm，其差值不大于5mm；（2）管板管孔直径为19.25mm，公差为+0.15mm；（3）折流板管孔直径为19.7mm，公差为+0.3mm；（4）折流板名义外径为DN-4.5=595.5mm；管子与管板的焊接，管子伸出长度为1.5mm。3.2设备的技术条件3.2.1 换热器的技术条件（1）设备按GB150-2011 钢制压力容器、GB/T151-2014中的级进行制造、试验和验收，并同意国家技

53、术监察局颁压力容器安全技术监察规程的监督；（2）换热器的标准为GB8163，其外径偏差为0.20mm，其壁厚偏差为-10%+20%；（3）焊接采纳手工电弧焊，焊接接头形式及尺寸除图中注明外，按GB985-986-90的规定；（4）筒体、封头及相连接的对接焊缝进行无损探伤，不得有未焊透缺陷，其余100%渗透探伤；（5）管板密封面与壳体轴线垂直，其公差为1.0mm；（6）设备制造完毕后，应进行液压试验；管口及支座方位见图。3.2.2折流板或支持板技术条件（1）折流板平坦，平面度为3mm；（2）相邻两孔中心距的极限偏差为0.30mm，同意有4%相邻两孔中心距极限偏差为0.50mm，任意两管孔中心距极

54、限偏差为1mm；（3）钻孔后应除去管孔周边毛刺；以管板为模板配钻。3.2.3 管板技术要求（1）管板密封面应与轴线垂直，垂直度公差为1.0mm；（2）管孔应严格垂直于管板密封面，其垂直度公差为0.1mm；（3）螺栓孔中心圆直径和相邻两螺栓孔间弦长极限偏差为0.6mm，任意两螺栓孔弦长同意偏差为1.5mm；（4）上下管板的管孔应配钻；（5）锻件应按JB47264728-94压力容器用钢锻件级进行制造、检验和验收。3.2.4 法兰技术条件（1）法兰材料为锻件时，其制造、检验和验收应符合JB47264728-92压力容器用钢锻件中级的规定，标准号按锻件材料对应填写，锻件级不按GB150-2011规定

55、.（2）法兰应进行正火处理或正火加回火处理；（3）法兰密封面及表面不得有裂缝及其他降低法兰强度和连接可靠性的缺陷；（4）法兰上螺孔中心圆直径和相邻两螺柱孔弦长极限偏差为0.6 mm，任意两螺柱孔弦长极限偏差为1.5 mm；（5）除注明外，加工面与非加工面线性尺寸未注公差按GB/T1804-92m级和c级（v级）。3.2.5 支座技术条件（1）支座上的焊接采纳手工电弧焊，均为角接接头；（2）焊条牌号见图；（3）焊后焊缝金属表面不得有裂纹、夹渣、焊瘤、烧穿、弧坑等缺陷；（4）垫板应与容器贴合，局部最大间隙不超过1 mm；（5）支座所有组焊件周边粗糙度为Ra50m;（6）支座组焊完毕后，各部件应平坦，不得翘曲。第四章. 总结通过这次的设计，让我回想了在大学三年里所学到的知识！同时我也在这次的设计中学到了专门多东西，其中就有在设计中需要注意的细节和重点，在这次的设计中，我学会了，要做那个换热器的设计，就先要明白得查找标准，以及各方面的资料，然后在这些基础上，再通过一定的计算和讲明，最后再通过一定的验算，最终才能够完