【正文】 表 21 鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù) Ф 值 焊接接頭形式 無損檢測比例 Ф 值 焊接接頭形式 無損檢測比例 Ф 值 雙面焊對接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接接頭 100% 單面焊 對接接頭 100% 局部 局部 浮頭式換熱器機械設(shè)計及三維 造型 10 本設(shè)計換熱器的焊接接頭形式為相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接接頭，局部無損檢測，故 Ф 值為 。對于碳素鋼和低合金鋼， C2 不小于 1mm，由設(shè)計任務(wù)取腐蝕裕量 C2=3mm。 綜上厚度附加量 C= C1+ C2=0+3=3mm。 在進(jìn)行換熱器設(shè)計時，對換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。因此在選材時，首先必須準(zhǔn)確地判斷構(gòu)件所要求的使用性能，然后再確定所 選材料的主要性能指標(biāo)以及具體數(shù)值并進(jìn)行選材。 材料的加工工藝性能原則 材料的加工工藝性能是指保證構(gòu)件質(zhì)量的前提下，對材料加工的難易程度。 另外，選材時還應(yīng)同時考慮材料來源容易和符合國家的資源政策，這也是很重要的。 低合金鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量的一種或多種合金元素，以提高鋼的屈服強度和改善綜合性能。 法蘭 法蘭材料的選取通常與換熱器 殼 體材料一致。 ② 良好的冷熱加工成形性能。 由設(shè)計任務(wù)書可知，管層走 軟化 水，屬于無腐蝕性介質(zhì)，可從 10 號和 20 號鋼中選取， 而 設(shè)計壓力是 ，考慮到 20 號鋼的強度和硬度都比 10 號鋼高，故換熱管選取 20 號鋼管。 支持板 支持板要求有足夠的力學(xué)性能和良好的焊接性能，又因殼程介質(zhì)腐蝕性不大，故選取 Q235A 滿足要求。故 選取低合金鋼 16MnR 或碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q235B 都能滿足要求。 由于本 設(shè)計 管層走 汽油 ，殼程走 軟化水 ， 溫差很大，而且 難免產(chǎn)生污垢，這就要求管程和殼程可以抽出來清洗，故選取浮頭式換熱器，而且其管束和殼體可以自由膨脹，適用于管、殼壁溫差較大的場合。見圖 中 B 的形式，用于單程或多程管箱，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，適于高壓，清潔介質(zhì)，可省掉一塊造價高的盲板、法蘭和幾十對螺栓，且橢圓封頭受力情況要比平端蓋好得多，缺點是檢查管子和清洗管程時必須拆下連接管道和管箱。 后端管箱 由于所設(shè)計 是浮頭式換熱器 ，一般都會采用帶鉤圈的浮頭結(jié)構(gòu)，所以此處選用代號為 S 的鉤圈式浮頭管箱。但程數(shù)不宜太多，否則隔板本身將占去相當(dāng)大的布管用的面積，而且在殼程中形成許多旁 路，影響傳熱。 在設(shè)計時要求管箱隔板的密封面與管箱法蘭密封面，管板密封面與分程槽面必須處于同一基面，如圖 浮頭式換熱器機械設(shè)計及三維 造型 16 圖 管程隔板形式 本設(shè)計管程隔板形式采用 上圖 中最常用的結(jié)構(gòu)形式 （ a） 。壁厚偏差為 +12%、 10% mm。當(dāng)需對換熱管外清洗時，則需采用正方形排列，其最小清洗通道應(yīng)不小于 6 毫米。管心距的大小主要與傳熱管和管板的連接方式有關(guān)，具體選用可見下表常用的管心距。所以換熱管與管板連接質(zhì)量的好壞，直接影響換熱器的使用壽命。一般使用的管板為碳素鋼，低合金鋼，管子為碳鋼，設(shè)計壓力不超過 。 隨著高溫、高壓換熱器的出現(xiàn)，使接頭在操作過程中，受到反復(fù)變形，熱沖擊，熱腐蝕及介質(zhì)壓力作用，工作環(huán)境極其苛刻，發(fā)生破壞的可能性很大，盡管內(nèi)孔焊較理想的解決了這些問題，但因焊接工具復(fù)雜，管板加工困難，因此工程上多數(shù)情況下還是采用脹焊結(jié)合的形式來解決上述問題。此連接在制造上較其它 5種形式要簡單，裝卸也比較方便，結(jié)構(gòu)省材，質(zhì)量輕。 大部分換熱器采用弓形折流板，其中單弓形折流板用的最多，而雙弓形和三弓形多用于大直徑和大流量場合，根據(jù)本設(shè)計的需要只需選用單弓形就滿足要求 ，故選取單弓形的 折流板 。 其各參數(shù)如下圖 和下表 所示： 圖 拉桿 表 拉桿尺寸 拉桿直徑 d 拉桿螺紋公稱直徑 nd aL bL b 10 10 13 ≥ 40 12 12 15 ≥ 50 16 16 20 ≥ 60 根據(jù)拉桿直徑 16mm，可 選 abL 20 m m, L 70 m m, b ? ? ?mm 第四章 換熱器各部分零件結(jié)構(gòu)型式的選擇 21 定距管的選擇 當(dāng)換熱管外徑大于等于 19mm時，定距管外經(jīng)與換熱管相同，所以 其尺寸 選擇 Φ25 防沖板的選擇 當(dāng)管程介質(zhì)從進(jìn)口管以軸向流入時，或者換熱管中的介質(zhì)流速超過 3m/s 時，應(yīng)設(shè)置防沖板，以使介質(zhì)能均勻分布的流入管束以及防止其對換 熱管端的沖刷。 本設(shè)計選用的是工字形防沖板，其規(guī)格為 120 320 5??。如下 表 所示。 臥式換熱器排氣、排液口多采用圖 的形式，設(shè)置的位置分別在筒體的上部和底部。 圖 鞍座 鞍座是由墊片、腹板、肋板和底板構(gòu)成。另外一種為滑動鞍座，鞍座底板上開長圓形螺孔。對于同一個公稱直徑分輕、重型兩種結(jié)構(gòu)型式，由于輕、重型支座的幾何尺寸和肋的個數(shù)有區(qū)別，因而就有不同的承載能力。固定和滑動鞍座各一個，其結(jié)構(gòu)見下圖 。 強度計算 管箱設(shè)計 管箱選用 16MnR 鋼 板，設(shè)計壓力 P=， 設(shè)計溫度 150 oC ， 材料許用應(yīng) 力??t? =170MPa，屈服強度 s? =345MPa， 取焊縫系數(shù) ? =，腐蝕裕度 =3mm。管板厚度 δ=50mm。 綜上所述，本設(shè)計 采用 120186。這是因為設(shè)備隨溫度的變化會產(chǎn)生熱脹冷縮，如果不讓設(shè) 備有自由伸縮的可能性，則在器壁中將產(chǎn)生熱應(yīng)力。肋板的作用是將墊板、腹板和底板連成一體，加大剛性，一 同 有效地傳遞壓縮力和抵抗外彎矩。 第四章 換熱器各部分零件結(jié)構(gòu)型式的選擇 25 圖 排氣與排液口 支座的選擇 鞍 式支座是臥式容器廣泛應(yīng)用的一種支座。 第四章 換熱器各部分零件結(jié)構(gòu)型式的選擇 23 圖 長頸對焊法 蘭 由《壓力容器法蘭》 ??8 JB/T 470047032021 中表查得長頸對焊法蘭（ ）的參數(shù)： 外頭蓋法蘭的選擇 外頭蓋法蘭與管箱法蘭的選型一樣，同為長頸對焊法蘭，故選取長頸對焊法蘭（ ），查閱《壓力容器法蘭》 ??8 JB470047032021 其參數(shù)： 外頭蓋側(cè)法蘭的選擇 外頭 蓋側(cè)法蘭選擇與長頸對焊法蘭的型式一樣，其代號為側(cè)法蘭（ ），查閱JB4700472192 得其參數(shù)： 浮頭式換熱器機械設(shè)計及三維 造型 24 浮頭法蘭的選擇 下圖為浮頭法蘭結(jié)構(gòu) 圖 浮頭法蘭 根據(jù)《 鋼制 管殼式換熱器》 ??2 GB1511999 的法蘭設(shè)計，選取 法蘭外直徑為 mm8 8 0808 0 080DD if 0 ????? 法蘭內(nèi)直徑為 mm7645132800bb2DD n1if 1 ???????? ）（）（ ， mm50mm792Dmm830D eb ??? ? 排液口和排氣口的選擇 為了提高傳熱效率，排除或回收工作殘液（氣），凡不能借助其他接管排氣，排液的換熱器應(yīng)在其殼程的最高，最低點分別設(shè)置排氣、排液接管，排氣、排液接管的端部必須與殼體或管箱殼體內(nèi)壁平齊。 浮頭式換熱器機械設(shè)計及三維 造型 22 圖 帶頸對焊法蘭 由《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》 ??9 HG2059297 中表 42 帶頸對焊鋼制法蘭可 查 得 D=343mm,K=298mm,L=30mm,n=8,C=29mm,H=102mm,N=219mm, 1H? 12mm。一般防沖板的邊長應(yīng)大于接管外徑50mm。管孔直徑 取 。同時支持板的形狀和尺寸與折流板一致，所以可根據(jù)折流板的種類選取。總的來說此方法保證了較高的第四章 換熱器各部分零件結(jié)構(gòu)型式的選擇 19 密封性能、能承振動和疲勞載荷。也不需要像脹接那樣一定得使管子端部和管板有硬度差，在高壓、高溫條件下可考慮選用強度高的低合金管等。而其連接結(jié)構(gòu)如下圖所示 : 圖 換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu) 強度脹接是為了保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的脹接。 最大排管圓的確定 浮頭式換熱器管板的最大布管圓直徑按 右 式計算 根據(jù) 《鋼制管殼式換熱器》 ??2 GB1511999 規(guī)定，選 =5， =， =4， 則=8002 x（ 5++4） =753mm 在管板上排管并確定換熱管數(shù)量 排管圖如下所示 圖 排管圖 根據(jù) 排管圖，實際 選取換熱管數(shù)為 498 根 。同時此二種排列方式較轉(zhuǎn)角三角形排列和正方形排列的流體流道截面較小，有利于提高流速，有利提高換熱效率。 圖 換熱管的排列方式 三角形排列最為普遍，其在同一直徑管板面積上可排最多的換熱管數(shù)。本設(shè)計中 選 取換熱管長度為 。 其中管束分程方法常采用平行和 T 形方式。分程時，應(yīng)使各程管子數(shù)目大致相等，隔板形式要簡單，密封長度要短。 本設(shè)計在考慮了操作的方便，且考慮 B 型管箱的優(yōu)點后，選取 B 型封頭管箱型為前端管箱。一般多用于 DN900mm 的浮頭式換熱器中。在選型時只有仔細(xì)分析所有的要求和條件，并根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體情況，才能確定最佳的換熱器型式。定距管要求有足夠的強度和良好的焊接性，選擇 20 號鋼滿足要求。 由于管板和殼程物料接觸，同樣要考慮到物料本身介質(zhì)的腐蝕性，作為低合金鋼，16MnII 鍛件可耐一定的腐蝕，而且其具有良好的綜合機械性能、焊接性 能、工藝性能，故選用 16MnII 鍛件。 一般對于無腐蝕性或腐蝕性不大的流體可采用 10 號鋼或 20 號鋼無縫鋼管；對于有腐蝕性的流體可采用不銹鋼、鋼、鋁等無縫鋼管 。 因法蘭是主要的受力元件之一，故需有較高的強度，故選擇低合金鋼 16MnII 鍛件 ，它有如下特點：高的強度和屈強比，高韌度，良好的焊接性能和冷、熱加工性能，一定的抗腐蝕能力。 其中低合金鋼中的 16MnR，具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，磷、硫含量略低于 16Mn 鋼，除抗拉強度和延伸率要求比普通 16Mn 鋼有所提高外，還保證有強的沖擊韌性，再加上切削加工冷沖壓性能良好，加工溫度較寬，使 其成為我國目前用途最廣，用量最大的壓力容器專用鋼板。常見的材料有碳鋼、低合金鋼。 材料的經(jīng)濟性原則 在滿足構(gòu)件使用性能、加工工藝性能要求的前提下，經(jīng)濟性也是必須考慮的主要因素。 （ 2）通過失效分析，確定構(gòu)件的主要使用性能。 材料選用的一般原則 材料的使用性能原則 材料的使用性能是指材料在化工設(shè)備及其構(gòu)件（零件）工作過程中所應(yīng)具備的性能，包括材料的力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能是不同的，有的要求高強度，有的要求耐腐蝕，有的要求耐高溫或耐低溫，有的要求高硬度耐磨損，有的要求高彈性等。一般為了滿足設(shè)備的操作溫度，即從設(shè)備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達(dá)到的， 但 對于材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復(fù)雜的問題。選材不當(dāng)，不僅會增加總成本，而且有可能造成壓力容器破壞 的事故。由于本設(shè)計材料為 16MnR 且厚度大于5mm。即： C=C1+C2。 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書，管程的設(shè)計溫度為 50oC ，殼程的設(shè)計溫度為 150oC 。除此之外，還需要考慮液柱靜壓、重量、風(fēng)載荷、地震、溫差及附件重量等載荷。 設(shè)計必須經(jīng)濟合理 在競爭激烈的當(dāng)代社會中，“經(jīng)濟合理”的消費理念已成為了生產(chǎn)者的共識，一般情況下，生產(chǎn)者都追求所設(shè)計的設(shè)備總是以較少的投資獲取最大的經(jīng)濟利潤，要求其經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)具有競爭性，因此，在各種方案的分析對比過程中，其經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)評價往往是最重要的決策因素之一。 首先設(shè)計必須滿足生產(chǎn)需要 所設(shè)計的產(chǎn)品能夠進(jìn)行穩(wěn)定可靠得操作，從而滿足正常的生產(chǎn)需要，此外，還能夠適應(yīng)生產(chǎn)負(fù)荷以及操作參數(shù)在一定范圍內(nèi)的波動，所以產(chǎn)品的可操作性和可控制性是設(shè)計中應(yīng)該考慮的重要問題。耐壓、耐溫及密封能力差，工作壓力不超過 40MPa，不宜處理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)?？v向隔板是安裝在平行于換熱管方向的矩形平板上，以增加殼側(cè)介質(zhì)流速。 U形管式換熱器一般用于高溫高壓的情況下。管束中心部分存在空隙，所以流體易短路， 影響傳熱效率。因 U形管式換熱器僅有一塊管板，且無浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡單，造價比其它換熱器低。 缺點： ① 殼體和管子壁溫差一般易小于等于 50，大于 50 時應(yīng)在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)； ② 管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞； ③ 殼程無法機械清洗； ④ 管子腐蝕后造成連同殼體報廢，殼體部件壽命決定于管子壽命