焊接结构设计

⑤粘度大的流体（）走壳程以减少压力降。综上可知，我们可以初步选择煤油走壳程，冷却水走管程。2.5热负荷的计算煤油流量对无相变的工艺物流，换热器的热负荷由下式确定：(2-1)水的流率2.6计算平均温差所以根据,《化工原理》图4-19，查得2.7估算传热面积初选则估算传热面积为了强化传热，提高传热效率，我们选择波纹管作为换热管。参照国家标准《GB/T28713.2管壳式换热器强化传热元件第二部分：不锈钢波纹管》选用换热管型号为：BGB32/24×20×0.6×3500×0Cr18Ni9-GB/T28713.2-2012表2.5接头形式：涨接或涨焊并用波峰外径：30管胚外径：24波距：20壁厚1mm长度：5000mm此型号换热管换热面积。因此单根管单位换热面积。则管子根数。选择管子排列方式为正三角形。实际传热面积2.8壳体内径对于单管程换热器(2.2)式中t为管心距，为换热管外径。b的取值和管子的排列方式有关对于正方形斜转45度。管心距取标准壳体内径取。布管限定圆的计算(2-3)图2.1限定圆结构管内流速2.9折流杆的设计折流杆换热器中的折流组合元件称为“折流栅”。折流栅由折流杆和圆环组成，一般折流杆由板条组成。目前所用的圆环主要由3种结构：杆式、板式、带式[24]。如下图9所示。图2.2折流栅圆环结构示意图a型适用于换热器外壳直径列管长度的场合。b型适用于外壳直径>400mm列管长度在1000-4000mm的场合。c型适用于外壳直径<400mm列管长度大于1000mm的场合。因此根据设计条件我们选择b型结构的折流杆。图2.3折流珊结构示意图具体相关参数计算为：圆环内径，外径折流栅间距折流数圆环厚度2.10拉杆的选择拉杆的数量和直径按下表选取表2.6拉杆的直径单位：mm换热管外径1014192532384557拉杆直径1012121616161616表2.7拉杆的数目单位：根本换热器换热管外径为32，因此选用拉杆直径为16，拉杆数目为6。拉杆的结构形式选取如下图所示：图2.4拉杆结构示意图2.11接管的选择壳程流体接管取流速则取整管程流体接管取流速则取整3.换热器的核算3.1壳程对流传热系数(3-1)其中当量直径，管子按正三角形排列由公式计算：壳程流通截面积，其中B为折流杆间距B=160mm，D为壳体内径D=800mm。壳程流体流速及雷诺数为：（流动状态为湍流）普朗特数：壳程中煤油被冷却却，取因此3.23.2管程对流传热系数(3-2)（湍流）3.3污垢热阻管内热阻参考下表表2.8水的污垢热阻单位：加热介质温度≤115℃116℃-205℃水温≤52℃>52℃水的种类水速（m/s）水速（m/s）≤1>1≤1>1海水微咸水8.835.28.817.617.652.817.635.2冷却塔和人工喷淋池处理过的补给水未处理补给水17.617.652.888.070.4自来水、地下水、湖水17.617.635.235.2河水最小值平均值35.252.817.635.252.888.035.270.4泥水52.835.270.452.8硬水52.852.888.088.0发动机夹套水17.617.617.617.6蒸馏水8.8处理过的锅炉给水17.68.817.617.6锅炉排污水35.2注：加热介质温度超过205℃且易结垢时，表中数据应修改假设冷却水来自地下水，水温<50度。因此取。管外热阻3.4总传热系数(3-3)由前面计算可知，预估传热系数为，计算出的传热系数为。考虑到波纹管加强湍流增强传热的影响满足设计要求。4.阻力校核4.1管程压降分析管内流动全部为液体，因此阻力损失为沿程阻力损失和局部阻力损失之和。(3-4)为沿程阻力损失，为局部阻力损失，为壳程数，为管程数，为管程结垢矫正系数，可近似取为1.5。(3-5)根据尼古拉斯经验公式[25],为局部阻力系数取3满足要求。4.2壳程压降分析壳程压降(4-1)流体流过管束的阻力，为流体流过折流杆时的阻力。壳程结构矫正系数。壳程数，此次取1。(4-2)管子为正方形斜转45度排列，因此F=0.4。因此计算表明压力降满足题设要求。5.强度设计和校核5.1筒体的计算根据《化工设备机械基础课程设计指导书》[26]中钢板的使用条件，在此选择Q345R钢板作为制造筒体和封头材料。壳体中流体最大静压头(5-1)其中u取进出口管流速，z取最大，取大气压。流体都为液体，因此可取设计压力为液压试验压力。取设计温度为流体最高工作温度140°C。本次设计采用双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头，100%无损检测，所以取焊接接头系数。参照《过程设备设计》表D-1，3-16mm厚钢板在设计温度下许用应力。计算厚度，取腐蚀余量，(5-2)，在的钢板标准下查《钢板厚度的常用规格表》的负偏差，，因此取名义壁厚。根据GB151-2014,在此情况下圆筒的最小厚度为，因此取。5.2封头的计算EHA标准椭圆形封头的计算厚度，根据其公式：取腐蚀裕量，。查得。。所取厚度为。封头相关参数如下表所示表5.1封头相关参数公称直径：总深度：直边高度：内表面积：容积：质量：5.3管箱的设计5.3.1管板设计选用固定端兼做法兰的管板。根据《化工单元及设备课程设计》[27]表4-14确定管板尺寸如下表所示。图5.1管板结构示意图表5.1管板尺寸：：：：：：：：续表5.1：：螺栓孔数：重量：5.3.2换热管与管板的连接换热管和管板采用强度胀加密封焊。强度胀是为了承受强度并保证密封性能，焊接是为辅助性防漏。其连接结构如下图所示K取值取0.5图5.2换热管和管板的连接5.3.3管板和壳体的连接该换热器为固定管板式管热器，因此用焊接方法连接。焊接结构示意图如下图所示。图5.3换热管和筒体的连接5.3.4管箱法兰的选择管箱法兰是一种设备法兰。可以选用长颈法兰和平焊法兰，在此我们选用平焊法兰。法兰结构及尺寸如下图所示:图5.4管箱法兰表5.2管箱法兰尺寸：：：：：：：：续表5.2螺柱规格螺栓孔数：重量：5.3.5管箱尺寸管箱长度不宜过大但也不能太小，太大不利于传热，而且会造成额外的阻力损失，但如果太小可能会导致强度不足，也不利于传热。因为前面计算可知，管程接管为300mm，因此取接筒长。管箱整体长。5.4膨胀节的设计由于.因此需增设膨胀节以补偿温差。在此我们选用ZD(卧式)膨胀节及其结构及参数如下所示。图5.5膨胀节结构示意图表5.3膨胀节主要尺寸公称直径：波高：圆弧半径：膨胀节长度：壁厚：材料：5.5接管5.5.1尺寸的选择液氯进、出口接管和空气进、出口接管选用补强管。根据国标150.3-2011得：表5.4接管尺寸表用途公称直径dN外径壁厚补强管外伸或内伸最小高度理论质量煤油进口256.25煤油出口冷却水进口253.15冷却水进口管口表及其连接标准表5.5管口表接管代号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称aDN300HG20595-1997MFM煤油进口管bDN200HG20595-1997MFM冷却水进口cDN300HG20595-1997MFM煤油出口管dDN200HG20595-1997MFM冷却水出口5.5.3接管法兰的选择根据HG/T20595-2007选用带颈凹凸面管法兰其结构示意图如下图所示。图5.6接管法兰结构参照标准，选用法兰尺寸如下表所示。表5.6接管法兰尺寸表序号名称公称直径DN钢管外径法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺栓法兰厚度C法兰颈法兰高度H法兰质量(Kg)NSH1RBBa煤油进口300325B4604102612M24283427.118107822.4b冷却水进口200219B3402952212M20242346.31886211.5d煤油出口300325B4604102612M24283427.116107822.4e冷却水出口200219B3402952212M20242346.31686211.5接管法兰标记如下表：表5.7接管法兰标记名称法兰标记煤油进口管法兰HG20595法兰WN20-2.5MFMS=3.5mmQ345R煤油出口管法兰冷却水进口管法兰HG20595法兰WN20-2.5MFMS=3.5mmQ345R冷却水出口管法兰5.5.4垫片的选用因为使用压力PN=0.2MP，所以垫片选用石棉橡胶垫片，查HG/T20606-1997《钢制管法兰用非金属平垫片》，结构形式如下的垫片。图5.7垫片结构示意图参照标准垫片尺寸如下表所示：表5.8接管法兰垫片符号管口名称垫片厚度公称直径内径D1外径D2a煤油进口1.5300324363b水进口1.5200220259c煤油出口1.5300324363d水出口1.5200220259管箱垫片，参照GB151，根据GB/T29463-2012.选用材质为XB200石棉橡胶板材质的非金属垫片。其结构示意如下图所示。图5.8管箱垫片结构示意图根据标准，其尺寸。5.5.5紧固件的选用查HG20613-2009《钢制管法兰用紧固件》得螺柱的长度和平垫圈尺寸：表5.9接管法兰螺柱符号公称直径螺纹螺柱长紧固件用平垫圈mmha300M249025444b200M208021373c300M249025444续表5.9d200M208021373e800M20120213735.5.6补强圈的选用表5.10补强圈尺寸表公称直径补强圈大径补强圈小径补强圈厚度300mm550mm316mm6mm200mm400mm216mm6mm5.6支座的设计该换热器采用双鞍式支座，材料选用Q345R。5.6.1估算鞍座的负荷：储罐总质量筒体质量：—单个封头的质量：查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表Ι.1（续）EHA椭圆形封头质量，可知，—充液质量：—附件质量其他接管质量总和估100kg。综上所述，G=mg=41.6kN,每个鞍座承受的重量为20.8kN由此查JB4712.1-2007容器支座，选取轻型，焊制为A,包角为120，有垫板的鞍座。查JB4712.1-2007得鞍座结构尺寸如下表4：图5.9鞍座结构示意图表5.11鞍式支座结构尺寸单位：mm公称直径DN允许载荷Q/kN鞍座高度h底板腹板筋板l1b1l3b2b38002202007201501010400-12010续表5.11垫板螺栓配置鞍座质量kg增加100mm高度增加的质量/kg弧长b4e间距l2螺孔d螺纹孔长l94026066553020M16253875.6.2鞍座位置的确定通常取尺寸A小于等于0.2L，中国现行标准JB4731《钢制卧式容器》规定A≤0.2L=0.2（L+2h），A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。综上有：A=100mm。鞍座标记为：。。5.8总体布局煤油进出口管外伸度150mm，0mm。冷却水进出口管外伸高度150mm，内伸高度0mm。煤油进出口管距半箱500mm，冷却水距管箱法兰250mm。5.9焊接结构设计及焊条的选择本次设计的壳体A、B类焊接接头应为X型的如图。而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头。对于壳体的接头选用，如图图5.10V型焊接接头图5.11接管与筒体的接头表2.12焊条型号及牌号(JB/T4709-2007)6.换热器振动与防振管壳式换热器的管束振动分为纵向流诱振和横向流诱振。横向流诱振在正常的流速下会引起很大的振幅，使换热器产生振动而破坏。主要可以表现为以下特点：相邻管子、管子与折流板或壳体之间发生撞击、摩擦，使管和壳体受到磨损而变薄，甚至使管子破裂。使管子产生交变应力，从而引起管子的疲劳，管子与管板连接处发生泄漏。壳程空间发生强烈的噪声。增加壳程压力降等。目前由于振动的复杂性及技术条件的限制，对换热器振动尚无完善的方法。管壳式换热器壳程流体横流速度过高、结构设计不合理、制造质量差都会引起设备异常振动[29]。一般认为横向流振动主要原因为：旋转脱落、流体弹性扰动、湍流颤振、声振动、射流转换等。对于可能发生振动的换热设备，我们应采取适当的措施以防造成大的危害。一般情况主要从以下几个方面考虑改变流体流速通过减少壳程流量来防止或消除振动，但会因此而降低传热效率。如壳程流量不能改变，可以通过增加管间距来降低流速。改变管子固有频率管子固有频率与管子跨距平方成反比。因此可以可以通过增加跨距来降低固有频率。其次也可以在管子之间插入管状物来限制管子的运动。增设消声板设置防冲板或导流筒7.软件校核经用sw6软件校核，校核合格。校核报告见附件。结论随着市场和需求的不断扩大，资源和能源的消耗也不断扩大。就我国目前来说，工业能耗在全国能耗的占比已经大于70%，远高于发达国家的1/3；与此同时，我国单位国内生产总值能耗约为世界平均水平的2.8倍；重化工行业单位产品能耗也远高于世界先进水平。其中，我国原油加工、乙烯、合成氨等产品的平均能耗与国际先进水平存在5%～15%的差距[19]。为此，国家工信部提出到2015年我国单位工业增加值能耗要比2010年降低18%，节能工作依然任重道远。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长，2011年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长，到2020年我国换热器行业规模有望达到1500亿元