毕业设计（论文）U型管式换热器设计.pdf

U型管式换热器设计摘要本文介绍了 u型管换热器的整体结构设计计算。u型管换热器仅有一个管板，管子 两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，无热应力，热补偿性能好；管程采用双 管程，流程较长，流速较高，传热性能较好，承压能力强，管束可从壳体内抽出，便于 检修和清洗，且结构简单，造价便宜。u型管式换热器的主要结构包括管箱、筒体、封 头、换热管、接管、折流板、防冲板和导流筒、防短路结构、支座及管壳程的其他附件 等。本次设计为二类压力容器，设计温度和设计压力都较高，因而设计要求高。换热器 采用双管程，不锈钢换热管制造。设计中主要进行了换热器的结构设计，强度设计以及 零部件的选型和工艺设计。关键词：U型管换热器，结构，强度，设计计算U-TUBE HEAT EXCHANGER DESIGNABSTRACTThis paper introduces the U-tube heat exchanger design and calculation.U-tube heat exchanger has only one tube sheet,tubes are fixed at both ends of boards in the same tube,and tubes could telescopic freely,non-thermal stress,thermal performance and compensation;use of double-tube process,the process is longer,higher speed,better heat transfer performance,pressure capacity,and control can be extracted from the shell with easy maintenance and cleaning,and simple structure cost less.The main structure of U-tube heat exchanger,includes Equipment control,shell,head,exchanger tubes,nozzles,baffled,impingement baffle,guide shell,anti-short-circuit structure,support and other shell-tube accessories.This time I designed a second category pressure vessel,which has high design temperature and high design pressure.Thus the design demands are strict.It has dual heat exchanger tube,stainless steel heat exchanger manufacturers.I mainly carried out the design of heat exchanger structural design,strength of design and parts selection and process design.KEYWOEDS:U-tube heat exchanger,frame,intensity,design and calculation安徽理工大学毕业论文目录中文摘要.错误！未定义书签。英文摘要.错误！未定义书签。绪论.11管壳式换热器的类型、结构与型号.21.1换热器的零部件名称.21.2换热器的主要组合部件.32换热器材料选择.42.1选材原则.43换热器结构设计.53.1壁厚的确定.63.2管箱圆筒短节设计.63.3壳体圆筒设计.73.4封头设计.83.4.1 后封头计算.93.4.2 管箱封头计算.103.5换热管设计.113.5.1 换热管的规格和尺寸偏差.113.5.2 U形管的尺寸.123.5.3 管子的排列型式.123.5.4 换热管中心距.133.5.5 布管限定圆.133.5.6 换热管的排列原则.153.6管板设计.153.6.1 吕 173.6.2 目 I.193.7 目木育名口木勾v|*.213.7.1管箱的最小内侧深度.223.7.2分程隔板.224换热器其他各部件结构.234.1进出口接管设计.234.1.1接管法兰设计.234.1.2接管外伸长度.25安徽理工大学毕业论文4.1.3接管与筒体、管箱壳体的连接.254.1.4接管开孔补强的设计计算.254.1.5接管最小位置.294.1.6 壳程接管位置的最小尺寸.304.1.7 管箱接管位置的最小尺寸.304.2管板法兰设计.314.2.1 垫片的设计.334.2.2 螺栓设计.344.2.3 法兰设计.364.3折流板.384.3.1 折流板尺寸.394.3.2 折流板的布置.394.3.3 折流板的固定.364.4拉杆与定距管.384.4.1 拉杆的结构型式.394.4.2 拉杆的直径和数量.394.4.3 拉杆的尺寸.424.4.4拉杆的布置.434.4.5 定距管尺寸.434.5防冲与导流.434.5.1 防冲板的形式.434.5.2 防冲板的位置和尺寸.434.5.3 导流筒.444.6双壳程结构.444.7防短路结构.444.7.1旁路挡板的结构尺寸.454.7.2 挡管.454.7.3中间挡板.454.8鞍座.45结论.46参考文献.47致谢.48附录英文文摘及翻译.49安徽理工大学毕业论文绪论能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课 题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源 开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为 关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。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。换热器分类方式多样，按照其工作原理可分为:直接接触式 换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类，间壁式换热器又可分为列管式和板壳式 换热器两类,其中列管式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程 中积累了丰富的经验，其设计资料比较齐全，随着经济的发展，各种不同型式和种类的 换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。近年来尽管列管式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于它具有结构简单、牢 固、操作弹性大、应用材料广等优点，列管式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中 使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。列管式换热器适用于化工、石油、医药、食品、轻工、冶金、焦化等行业的液和液,汽和汽,汽和液的对流传热,蒸汽冷凝和液体蒸发传热等换热冷凝流程。列管式换热器是 由一个圆筒形壳体及其内部的管束组成。管子两端固定在管板上，并将壳程和管程的流 体分开。壳体内设有折流板，以引导流体的流动并支承管子。用拉杆和定距管将折流板 与管子组装在一起。列管式换热器共有三种结构型式：固定管板式、浮头式和u形管式。固定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低，每根换热管可以单独清洗和更换，在结构 尺寸相同的条件下，与浮头式和U形管式换热器相比，换热面积最大。固定管板式换热 器的壳程清洗困难，适应热膨胀能力差，决定了固定管板式换热器适用于换热介质清洁,壳程压力不高，换热介质温差不大的场合。浮头式换热器由于管束的热膨胀不受壳体的 约束，而且可拆卸抽出管束，检修更换换热管、清理管束和壳程污垢方便，因此，浮头 式换热器应用最广泛，在油田储运集输系统中，60%70%的换热器为浮头式换热器。U 形管式换热器是管壳式换热器的一种，它由管板、壳体、管束等零部件组成。在同样直 径情况下，U形管换热器的换热面积最大；它结构简单、紧凑、密封性能高，检修、清 洗方便、在高温、高压下金属耗量最小、造价最低；U形管换热器只有一块管板,热补偿 性能好、承压能力较强，适用于高温、高压工况下操作。安徽理工大学毕业论文1管壳式换热器的类型、结构与型号1.1 换热器的零部件名称表1.1序号名称序号名称序号名称1接管法兰11活动鞍座（部件）21纵向隔板2管箱法兰12U形换热管22接管3壳体法兰13挡管23内导流筒4防冲板14固定鞍座（部件）24圆筒5补强圈15滑到25管箱侧垫片6壳体（部件）16管箱垫片26凸形封头7折流板17管箱圆筒（短节）27双头螺柱或螺栓8拉杆18封头管箱（部件）28放气口9定距管19分层隔板29螺母10支持板20中间挡板图1.1U型管式换热器安徽理工大学毕业论文1.2 换热器的主要组合部件换热器的主要组合部件有前段管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分。详细分类见图1.2oD前端管箱型式壳体J3式单程光体单迸单出冷凝料充体后端结构型式平建管甄填料曲式浮头将殊高压管箱带套环填料函式浮头图1.2主要部件的分类及代号安徽理工大学毕业论文2换热器材料选择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压力和操作温度，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的关 系。2.1选材原则换热器用钢的标准、冶炼方法、热处理状态、许用应力、无损检测标准及检测项目 均按GB150-1998第四章及其附录A的规定。换热器的目的是为了传热，经常与腐蚀性介质接触的换热表面积很大，为了保护金 属部受腐蚀，最根本的方法是选择耐腐蚀的金属或非金属材料。换热器主要部件材料选 择见表2.1表2.1材料零部件材料设计压力设计温度许用应 力,标准管箱封头15CrMoR8.0323128.24GB6654后封头15CrMoR8.5273136.4GB6654筒体15CrMoR8.5273136.4GB6654管箱圆筒短 节15CrMoR8.0323128.24GB6654管板0Crl8Nil0Ti4.5323112.62GB4728换热管0Crl8Nil0Ti8.0323100.4GB/T13296-2007壳程接管15CrMoPN16273105.86GB6479管程接管0Crl8Nil0TiPN16273筒体法兰15CrMoPN6.4273GB4700-4703-2000管程接管法AZ.0Crl8Nil0TiPN16HG20592-97壳程接管法*15CrMoPN16323HG20592-97管箱法兰15CrMoPN6.4273GB4700-4703-2000安徽理工大学毕业论文3换热器结构设计管壳式换热器的结构设计，必须考虑许多因素，如材料、压力、温度、比温差、结 垢情况、流体的性质以及检修与清理等等来选择一些适合的结构型式。对同一种型式的换热器，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，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需 要。u形管式换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其它换热器便宜，管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内介质必须清洁及不 易结垢的物料。u形管的弯管部分曲率不通，管子长度不一。管子因渗漏而堵死后，将 造成传热面积的损失。U型管式换热器，使用在压力较高的情况下，在弯管段的壁厚要加厚，以弥补弯管 后管壁的减薄。壳程内可按工艺要求装置折流板、纵向隔板等，折流板由拉杆固定，以提高换热设 备的传热效果。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要 求决定）以增加壳侧介质流速。符号：C钢材厚度负偏差m m,应按相应钢材标准的规定选取；C2钢材的腐蚀裕量，m m；C-厚度附加量（按1第三章取），m m；对多层包扎圆筒只考虑内筒的C值，对热 套圆筒只考虑内侧第一层套盒圆筒的C值；Di-圆筒或球壳的内直径，m m；D。-圆筒或球壳的外直径（+2可），m m；pc-计算压力（按1第3章），MP a；Pd-设计压力,Mpa；Pt-管程设计压力，Mpa；Ps-壳程设计压力，Mpa；夕,-园简或球壳的最大允许I：作压力，MP a；3-圆筒或球壳的计算厚度，m m；心-圆筒或球壳的有效厚度，m m；可一一圆筒或球壳的名义厚度，m m；/设计温度下圆筒或球壳的计算应力，MP a；a设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力（按1第4章），MP a；5一一试验温度下材料的许用应力（按1第4章），MP a；安徽理工大学毕业论文。一一焊接接头系数（按1第3章）；对热套圆筒取。二1.0；3.1壁厚的确定壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。管壳式换热器的壳体通常 由管材或板材卷制而成。压力容器的公称直径按GB9019-88规定，当直径400 m m时，通常采用管材做壳体和管箱壳体。当直径400 m m时，采用板材卷制壳体和管箱壳体。其直径系列应与封头、连接法兰的系列相匹配，以便于法兰、封头的选型。卷制圆筒的 公称直径以400 m m为基数，一般情况下，当直径V1000 m m时，直径相差100 m m为一个系 列，必要时也可采用50 nlln；当直径1000 m m时直径相差200 m m为一个系列，若采用旋 压封头，其直径系列的间隔可以取为100 m m。圆筒的厚度按GB150-1998第5章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小 于表3.1.1的规定，高合金钢圆筒的最小厚度应不小于3.1.2的规定。表3.1.I 2 mm表3.L2 mm400W700100015002000-公称直径700W1000W1500W2000W2600浮头式，U形管式810121416固定式管板式68101214400W500700100015002000-公称直径500W700W1000W1500W2000W2600最小厚度3.54.56810123.2管箱圆筒短节设计管箱圆筒（短节）计算按GB150-1998第五章的有关规定；其开孔补强计算按 GB150-1998第八章有关规定。圆筒的最小厚度按表3.1.2的规定。设计条件见表3.1.3。表3.1.3设计温设计压同同C,C,部件材料,标准1度。C力MpaMpaMpammmm管箱圆15CrMoR3238.0128.241.0GB66500筒短节4圆筒计算：设计温度下圆筒的计算厚度按式（3-2-1）计算，公式的适用范围为20.4可0。p D3 二 一卫一（3-2-1）2田。-己安徽理工大学毕业论文其中耳=P、.=8.0Mpa；Dj=800m m；cr=128.24M/%；0=1.0带入上式得:计算厚度：8=25.76m m设计厚度：功=b+q=3=25.76加加名义厚度：4=/+G=25.76如n,经圆整取可二26m m有效厚度：de=dn-C2-q=26-0=26/71/71设计温度下圆筒的计算应力按式（3-2-2）计算：得 y=心(2+4)(J 25,(3-2-2)8.0 x(800+26)2x26-121Mpao 团0满足强度要求，故取名义厚度26mm合适。设计温度下圆筒的最大允许工作压力按式（3-2-3）计算:=24,打。J2+a(3-2-3)区=2x26x128.24x1.0800+26=S.OJMpa%p3=7.5%。满足压力要求，故取名义厚度26mm合适。3.3壳体圆筒设计圆筒的厚度应按GB 150-1998第5章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不 小于表3-1的规定，高合金钢圆筒的最小厚度应不小于表3-2的规定。设计条件见表3-4：部件材料设计温 度。C设计压 力Mpa表3-4 同 Mpa团Mpa。标准C,mmC2mm壳体圆筒15CrMoR2738.5136.41.0GB665400圆筒计算：设计温度下圆筒的计算厚度按式（3-27）计算，其中？=2=8.5M/?a；D.=800m m；cr=136.4Mpa；0=1.0带入（3-2-1）得:安徽理工大学毕业论文计算厚度：8=25.73m m设计厚度：dd=5+C2=5=25.73m m名义厚度：4+G=25.73/加，经圆整取用二26m m有效厚度：de=dn-C2-Q=26-0=26/71/71设计温度下圆筒的计算应力按式（3-2）计算：/日,8.5x（800+26）得/=-=13 5Mpa2x26a=8.0的满足压力要求，故取名义厚度26mm合适。3.4封头设计压力容器封头的种类较多，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。此次设计采用标准椭圆形封头，它由半个椭球面和短圆筒组成，如图3.4所示。直 边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状 况。封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度 较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。设 计条件见表3.4T,表3.4-2。图3.4安徽理工大学毕业论文表3.4-1部件材料设计温 度。C设计压 力Mpa同Mpa隆1mmC2mmMpa。标准管箱封头15CrMo3238.0128.241.0GB665400表3.4-2部件材料设计温 度。C设计压 力MpaMpa团Mpa,标准GmmC2mm后封 头15CrMo2738.5136.41.0GB665400符号规定：2-封头内直径，m m；Do封头外直径（2=2+24）,m m；%-封头曲面深度，m m；h2-封头质变高度，m m；A-封头内表面积，m2；V 封头容积，m3；m封头质量,kg；pc-计算压力（按1第3章），MP a；夕-最大允许工作压力，MP a；8-封头计算厚度，m m；封头有效厚度，m m；8n-封头名义厚度，m m；-设计温度下封头材料的计算应力，MP a；a设计温度下封头材料的许用应力（按1第4章），MP a；。一一焊接接头系数（按1第3章）。3.4.1后封头计算标准椭圆形封头的计算厚度按式（3-4-1）计算：5=四-（3-4-1）2m o-0.5 耳其中?二2=8.5Mpa；=800m m；cr=136.4Afpa；二1.0带入式（3-4-1）得:计算厚度：8=25.32m m安徽理工大学毕业论文设计厚度：6d=6-1 0.15%D,=0.15%x 800=1.2/7W2故该标准椭圆形封头的名义厚度b“=26m m 合适。椭圆形封头的最大允许工作压力按式（3-4-2）计算:L wl 2+0.54 2x136.4x26x1.0 L 800+0.5x26 儿e=8.0MP a该封头满足压力要求，故取名义厚度心=26mm合适。设计温度下封头的计算应力按式（3-4-3）计算:p,(2R+&)”(3-4-2)(3-4-3)8.5x(2x800+26)o-=-=132.89MP 4x26x1.0 a 0.15%Dz=0.15%x 800=1.2/7W2故该标准椭圆形封头的名义厚度26m m 合适。椭圆形封头的最大允许工作压力按式（3-4-2）计算:2x128.24x26x1.0 800+0.5x26-=S.2MPaR%m ax=7.5MP a该封头满足压力要求，故取名义厚度心二26mm合适。设计温度下封头的计算应力按式（3-4-3）计算:_ 8.0 x(2x800+26)4x26x1.0=125.08MP aa 、管孔 允许外径d 厚度8外径偏差厚度偏差直径 偏差+0.15不锈钢+12%八GBA13296-2007 19 20.20 19.25 00Crl8Nil0Ti-10%3.5.2 U形管的尺寸U形管弯管段的弯曲半径U形管弯管段的弯曲半径R（见图3.5.2）应不小于两倍的换热管外径，常用换热管 的最小弯曲半径A.可按GB151-1999表11选取，取A.=40m m。图3.5.2U形管弯管段弯曲前的最小壁厚按式（3-5-1）计算：心二川+包（3-5-1）其中，d=19m m,R=（皿=40m m,g=2m m,带入上式得：（io A品=2x 1+-=2.23 75mm,圆整取为2.5m mI 4x40；3.5.3管子的排列型式换热管的排列主要有以下四种方式:安徽理工大学毕业论文图3.5.3正三角形排列用得最普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列最 多的管子数，而且便于管板的划线与钻孔。但管间不易清洗，TEMA标准规定，壳程需用 机械清洗时，不得采用三角形排列型式。在壳程需要机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的,且要保证6m m的清洗通道。图3.5.3中（a）和（d）两种排列方式，在折流板间距相同的情况下，其流通截面 要比（b）、（c）两种的小，有利于提高流速，故更合理些。本次设计采用正三角形排列。3.5.4换热管中心距换热管的中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，根据GB151T999表12,取换热管中 心距为S=25m m,取分程隔板槽两侧相邻管中心距=38m m。3.5.5布管限定圆符号：b 见图3.5.5.L其值按表3.5.5.1选取，m m；b、见图3.5.5.1,其值按表3.5.5.2选取，m m；b2-见图3.5.5.1,+L 5，m m；4 固定管板式换热器或u型管式换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最 短距离，见图3.5.5.2,优=0.25d=0.25X19=4.75m m,一般不小于8m m,安徽理工大学毕业论文取&二 8m m；bn-垫片宽度，其值按表3-9选取，m m；Dl-布管限定圆直径，m m；D.-圆筒内直径，m m；d-换热管外径，m m；图3.5.5.2表3.5.5.12D.b131000-2600 4D=800m m,取b=28m mo表3.5.5.2D.b b、i n 1W700 210 3700 213 5取30m m,5m m,则有b?=6+1.5=30+1.5=31.5mm。布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，布管限定圆按表3.5.5.3确定。安徽理工大学毕业论文表3.5.5.3换热器型式 固定管板式、U形管式 浮头式布管限定圆直径/D.-2b.D.-2(b.+b2+b得：/=Di-2b3=800 2 x 8=784腐。除了考虑布管限定圆直径外，换热管与防冲板间的距离也许考虑。通常，换热管外 表面与邻近防冲板表面间的距离，最小为6m li1。换热管中心线与防冲板板厚中心线或上 表面之间的距离，最大为换热管中心距的由/2。3.5.6换热管的排列原则换热管的排列应使整个管束完全对称；在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板间的距离规定的范围内，应全部布满换 执管.拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘在靠近折流板缺边位置处应布置拉杆，其间 距小于或等于700m ll1,拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距地(0.51.5)6范围内;多管程的各管程数应尽量相等，其相对误差应控制在10%以内，最大不得超过20虬3.6管板设计符号规定：4-在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面 积，m m2；例如双管程管板，对于三角形排列：4(S-0.866x25)(3-6-1)n U形管根数，管板开孔数为2n；n沿隔板槽一侧的排管根数；S-换热管中心距，m m；S”一一隔板槽两侧相邻管中心距，m m；A 管板布管区面积，m2；三角形排列：Ar=U3 2nS2+Ad(3-6-3)a-根换热管管壁金属的横截面积，nV；Q 系数，按二和二，查图192Kf PCe-系数，按二和1，查图202Kf P安徽理工大学毕业论文Cm 一一系数，按二和二，查图21?Kf PD-管板开孔前的抗弯刚度，N-m m；E川。二一一(3-6-5)12(13)Dg-垫片压紧力作用中心圆直径，按1第9章，m m；D,壳程圆筒和管箱圆筒内直径，m m；D,管板布管区当量直径，Mm m；Dt=J44/7t(3-6-6)d-换热管外径,m m；Ep 管板材料的弹性模量,MP a；Kf-管板边缘旋转刚度参数，MP a；Kf=Kf+Kf,对于a型连接Kf=0Kf 壳程圆筒与法兰(或凸缘)的旋转刚度参数，MP a；K；管箱圆筒与法兰(或凸缘)的旋转刚度参数，MP a；二一一旋转刚度无量纲参数；对于a型连接=0Kf KfI-换热管与管板胀接长度或焊脚高度，按5.8.2.3或5.8.3.2规定，m m；pd-管板设计压力，MP a；P,-壳程设计压力，MP a；Ps-管程设计压力，MP a；q 换热管与管板连接的拉脱力，MP a；q许用拉脱力,按5.7.5规定,MP a；R-半径，m m；对a型连接：R=DG/2(3-6-7)S-换热管中心距，m m；8-管板计算厚度，m m；8h-管箱圆筒厚度，m m；6S-壳程圆筒厚度，m m；可-换热管壁厚,m m；-管板强度削弱系数，一般可取=0.4；v 管板材料泊松比，取。=0.3；p 一布管区当量直径Q与直径2R之比；安徽理工大学毕业论文可；一一设计温度下，管板材料的许用应力，MP a；可：一一设计温度下，换热管材料的许用应力，MP a；管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体等连接外，还是换热器 中的一个重要受压元件。对管板的设计除了要满足强度要求外，同时应合理的考虑其结 构设计。管板得合理设计对于正确选用和节约材料、减少加工制造的困难、降低成本、确保使用安全都具有重要意义。U型管换热器仅有一块管板，采用可拆式连接，管板通过垫片与壳体法兰和管箱法 兰连接。其连接形式见图3.6。图3.6管板的最小厚度除满足强度设计要求外，当管板和换热器采用焊接时，应满足结构 设计和制造的要求，且不小于12m m。若管板采用复合钢板，其复合层的厚度应不小于3m ll1。对于有腐蚀要求的复层，还应保证距复层表面深度不小于2m m的复层化学成分和金相组 织符合复层材料的要求。当管板与换热管采用胀接时，管板得最小厚度（不包括腐蚀裕度）应满足表3.6.1。若管板采用复合管板，其复层最小厚度应不小于10m m。并应保证距复层表面深度不小于 8m m的复层化学成分和金相组织符合复层材料的要求。表3.6.1换热管外径d,mm W25 2550 250_、用于易燃易爆及有毒介质等场合 2d最小厚度，mm用于无害介质的一般场合、0.75d 70d、0.65d3.6.1管板连接设计（1）管板与换热管的连接对于换热管与管板的连接结构形式，主要有以下三种：胀接；焊接；胀焊并 用，但也可采用其他可靠的连接形式。安徽理工大学毕业论文a、强度胀接用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况下，胀接结构简单，管子修不容易。由于胀接管端处在胀接时产生塑性变形，存在着残余应力，随着温度的 上升，残余应力逐渐消失，这样使管端处降低密封和结合力的作用。一般适用设计压力 4MP a；设计温度W300C；操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及明显的应力腐 蚀场合。一般要求：1、换热管材料的硬度值一般需低于管板材料的硬度值；2、有应力 腐蚀时，不应采用管端局部退火的方式来降低换热管的硬度。b、强度焊是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。管子与管 板的焊接，目前应用较为广泛，由于管孔不需开槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子 端部不需退火和磨光，因此制造加工简单。焊接结构强度高，抗拉脱力强，当焊接部分 渗漏时，可以补焊，如须调换管子，可采甩专用刀具拆卸焊接破漏管子，反而比拆卸胀 管方便。不适用于有较大振动和有间隙腐蚀的场合。其结构形式和尺寸见图3.6.1和表 3.6.1 o注：1当工艺要求管端伸出长度列值（如立式换热器要求平齐或少低）时，可适当加大管板坡口深 度或改变结构型式2当换热管直径和壁厚与列表值不同时z 44值可适当调整3图（c）用于压力较高的工况图3.6.1表3.6.12换热管规格14X 16X32 X57 X1X1 12X119X2 25X238X3 45X3dX 61.5 1.52.53.5换热管 Z,0.51.0 1.52.02.53.0最小伸L1.52.0 2.53.03.54.0出长度最小坡口深度1.022.51.安徽理工大学毕业论文本次设计中采用不锈钢换热管，通常不锈钢管与管扳一般均采用焊接结构，不管其 压力大小，温度高低。采用图3.6.1焊接形式，取4:1.5m m,12=2.5m m,13=2.0m m0 管板最小厚度不小于12m m。c、对于压力高、渗透性强或在一例有腐蚀性的介质，为保证不致泄漏后污染另一 侧物料，这就要求管子与管板的连接处绝对不漏，或为了避免在装运及操作过程中的振 动对焊缝的影响，或避免缝隙腐蚀的可能性等，采用胀焊并用的结构型式。胀焊并用的 结构从加工工艺过程来看，有先胀后焊，先焊后胀，焊后胀接及贴张等几种形式。3.6.2管板设计计算(1)换热器设计条件：壳程设计压力4=4.5MP a；管程设计压力=4.5MP a管板设计温度323 壳程腐蚀裕量C=0m m；管程腐蚀裕量C=0m m管程程数为2换热器公称直径DN=800m m换热管外径d=19m m换热管壁厚。=2m m换热管根数n=367(根据JB/T4717T992 U型管式换热器型式与基本参数选取)换热管与管板为焊接连接加持管板的壳程法兰与管箱法兰采用特殊设计的长颈对焊法兰环形密封面垫片为八角垫环中900/840垫片基本密封宽度区,按GB 150-1998表9-1选压紧面形状6=3 J5mm8 8壳程侧隔板槽深4=4m m；管程侧隔板槽深为二4m m管板强度削弱系数0.4(2)各元件材料及其设计数据换热管材料0Crl8Nil0Ti；设计温度下许用应力可：=112.62MP a管板材料0Crl8Nil0Ti；设计温度下许用应力cr；=83.62MP a许用拉托力按GB 151-1999表33 q=(y x0.5=0.5x 112.62=56.3MPa计算a、根据布管尺寸计算A“、A,、2；根据法兰连接密封面型式和垫片尺寸计算垫片压紧力作用中心圆直径。g。由式(3.6.1)得：Ad=nS(Sn-0.866 x 25)=31 x 25 x(38 25 x 0.866)=12671.25m m2由式(3.6.3)得：安徽理工大学毕业论文A,=1.732S2+A(/=1.732 x 367 x252+l 2671.25=409948.75m m由式(3.6.6)得：2=J4x409948.75/a=722.65m加根据GB150第9.5.1条b。=3.75mm 6.4m m b=b0=3.75m mDg二垫片接触面的平均直径=(900+840)/2=870m m。b、计算，以1查表22得或以查图19,由纵坐标轴上直接查得Q。P P/?=Dc/2=870/2=435m mp=D,/2R=722.65/(2 x 435)=0.831r=1.204,查图查图19，由纵坐标轴上直接查得：C.=0.2742 Pc、确定管板设计压力因为本次设计中设备压力高，因而对其工作条件要求高，考虑设备运行的安全性,保证设备在任何情况下管程和壳程压力同时作用，且两侧均为正压，取Pd=4.5MPa管板计算厚度6按式（3.6.8）计算。3=0.S2-DrU(3.6.8)代入数据得:n?74?5S=0.82x 870 x J-=137.02;71771V 0.4x83.62根据GB151T999管板的名义厚度不小于下列三者之和：i、管板的计算厚度或最小厚度，取大者；ii、壳程腐蚀裕量或结构开槽深度，取大者；出、管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度，取大者；所以，=MAX（5,5m in）+AfAX（Cv,/zl）+AfAX（C,/22）=137.02+4+4=145.02相机圆整取心二150m m管板得有效厚度整体管板得有效厚度指分程隔板槽底部的管板厚度减去下列二者之和:a、管程腐蚀裕量超出管程隔板槽深度的部分;安徽理工大学毕业论文b、壳程腐蚀裕量与管板在壳程侧的结构开槽深度二者中的较大值。d、换热管的轴向应力一根换热管管壁金属横截面积a=砌=ttx2x(19-2)=106.76加加 2s嗜-p，按三种工况分别计算：只有壳程设计压力P，=4.5M&,管程设计压力为0；yr x 1Q-O-,=-(4.5-0)x-0=1L94MP。7 4x106.76只有管程设计压力=4.5MP a,壳程设计压力为0；X 1 0-0=_(O _ 4.5)x-4.5=JAAMPa 7 4x106.76壳程设计压力和管程设计压力同时作用；cr,=-4.5MPa以上三种工况下计算值的绝对值均小于换热管设计温度下的许用应力同=112.62MP ae、换热管与管板连接拉脱力5a q=7idl其中5取d项计算中三种工况的绝对值最大者i.9AMPa 1=2+2=4m m取乙=2mm，/3=2mm，则有1=2+2=4m mI|/eq 1 1.94 X 1 06.76-/r 1 LC由此得：q=-=5.34MP ah+h1+6+15（4.1.1）符号：I-一接管外伸长度，m m；h 一 接管法兰厚度，m m；h=C+E；壳程进出口法兰：4=66+11=11mm管程进出口法兰：h=76+11=Zimm%-接管法兰的螺母厚度，m m；壳程进出口法兰：h=28.7mm管程进出口法兰：4=3 3.4mm8-保温层厚度，m m,取为0。代入数据计算接管外伸长度得：壳程进出口接管外伸长度为：lt 77+28.7+0+15=120.7zzzffl,取（=125%勿。管程进出口接管外伸长度为：7 87+33.4+0+15=135.4mm,取/,=140质。4.1.3 接管与筒体、管箱壳体的连接接管的结构设计应符合GB 150T998第8章和附录J的有关规定。接管（或接口）的 一般要求：1）接管宜与壳体内表面平齐；2）接管应尽量沿换热器的径向或轴向设置；3）设计温度高于或等于300c时，应采用对焊法兰；4）必要时应设置温度计接口，压力表接口及液面计接口；5）对于不能利用接管（或接口）进行放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最 高点设置放气口，最低点设置排液口，其最小公称直径为20m m；6）立式换热器可设置溢流口。4.1.4 接管开孔补强的设计计算符号：A-开孔削弱所需的补强面积，m2；B-补强有效宽度，m m；C 一一厚度附加量，m m；2-壳体内直径，m m；安徽理工大学毕业论文d 开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍厚度附加量，椭圆形或长圆形孔取所考 虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量），m m；fr-强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，当该值大 于1.0时，取为1.0;A 一一接管外侧有效补强高度，m m；h2 接管内侧有效补强高度，m m；Pc计算压力（按GB150-1998第三章），MP a；3-壳体开孔处的计算厚度，m m；-壳体开孔处的有效厚度，m m；图 接管有效厚度，m m；心一一壳体开孔处的名义厚度，m m；3n,接管名义厚度，m m；绪接管计算厚度，m m；a设计温度下壳体材料的许用应力（按GB150-1998第四章），MP a；%钢材标准 抗拉强度下限值，MP a；q-钢材标准屈服点，MP a；。一一焊接接头系数（按GB150-1998第三章）。本次设计采用整体补强设计。具体设计如下：（1）确认方法的适用性A圆筒计算厚度：壳程圆筒计算厚度：B=25.73 mm管程圆筒计算厚度：=25.76m mB接管计算厚度：可=2 gpc d-D N林皆+2CTX B壳程开孑L直径：d,-200+0=200m m管程开孔直径：d