【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 帶入 paP 4 7 32 5 8 1 39。 21 ???????? 6 0 42 5 8 39。 22 ??????? ）（P PaP 1 0 4 4 0) 6 0 4 7 3( ????? 12 4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)和強(qiáng)度校核是換熱器設(shè)計(jì)中最重要的部分之一，包括對(duì)換熱器的殼體、管箱短節(jié)、管板、接管、法蘭、封頭、蒸汽出口和支座等零部件的設(shè)計(jì)。 殼體設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算 根據(jù)換熱器殼體類型，考慮到操作難度，換熱介質(zhì)和造價(jià)費(fèi)用，選擇 U 型管換熱器 因?yàn)闅んw公稱直徑大于 400mm，使用板材卷制殼體和管箱殼體，材料采用Q245R，按照有關(guān)表格，此次設(shè)計(jì) U型管殼體壁厚取 8mm，其中都包括厚度附加量 C2=3mm。 筒體強(qiáng)度計(jì)算： 由工藝設(shè)計(jì)給定設(shè)計(jì)溫度 74℃，設(shè)計(jì)壓力 Pc=，筒體材料為 Q245R，鋼板 標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T32742020，熱軋、正火鋼板。則 設(shè)計(jì)厚度 ? = PDPc it c2[ ]? ?? = 計(jì)算厚度 +3= 有效厚度 ?e =?n C1 C2= 5mm 水壓實(shí)驗(yàn)： PT = [][]??t = MPa 所選材料的屈服應(yīng)力為 235MPa 水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 ?T = p DT i ee.( ).??? ?2 = MPa 13 試驗(yàn)壓力允許通過的壓力水平為 ???T? ?s = 水壓強(qiáng)度滿足要求。 折流板的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用最常用的弓形支持板，在弓形支持板中，流體在板間錯(cuò)流沖刷管子，而流經(jīng)支持板弓形缺口時(shí)候是順流經(jīng)過管子后進(jìn)入下一板間，改變方向，流動(dòng)中死區(qū)較少，比較優(yōu)越。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般的標(biāo)準(zhǔn)換熱器都采用弓形支持板。弓形支持板主要參數(shù)是切口高度 h 和擋板間距 B。切口高度一般是直徑的2025%為宜，而板間距 B 的選取最好使殼體直徑處的管間流動(dòng)面積與支持板切口處的有效流動(dòng)面積近似相等。這樣可以 減少介質(zhì)在通過缺口前后由于流通面積的擴(kuò)大與收縮而引起的壓力損失。而上述原則下確定的尺寸 h 和 B 并不是絕對(duì)的，應(yīng)考慮制造、安裝以及實(shí)際情況進(jìn)行圓整以及調(diào)整為適于公稱加工的尺寸。綜合GB1511999 的最小支持板間距和厚度，取間距為 200mm，厚度 6mm，支持板的布置參照零件圖。 拉桿設(shè)計(jì) 支持板一般均采用拉桿與定距管等元件與管板固定，本設(shè)計(jì)固定方式采用螺紋焊接方式。拉桿一端插入管板并與管板采用螺紋擰入，然后將每塊折流板焊接在拉桿上，不需要定距管，詳見裝配圖。 根據(jù) GB1511999 換熱管外徑 25 的拉桿直徑為 16mm，表 44 可以查得拉桿數(shù)為 6根。拉桿位置：拉桿占據(jù)換熱管位置，均勻布置在管束外邊緣。 管箱短節(jié)設(shè)計(jì) 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 管箱的作用是把管道來的管程流體均勻分部到各傳熱管把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中還起到改變流體流向的作用。 管箱結(jié)構(gòu)分類： 14 A 型：裝有盲板，清洗管程只要拆開盲板即可，而不必拆卸整個(gè)管箱。缺點(diǎn)是盲板結(jié)構(gòu)用材多，且尺寸較大時(shí)得用鍛件，成本高，且有泄漏的可能，多用于DN900mm 的浮頭式換熱器。 B 型：用于單程或者多程管箱，優(yōu)點(diǎn) 是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制作，適用高壓，清潔介質(zhì)，造價(jià)低廉，且橢圓封頭受力情況比平端蓋好，缺點(diǎn)是檢查管子和清洗管程必須拆下連接管道和管箱，但這種形式用得最多。 C、 N 型：管箱端與殼體及管板連成一體，或者是用于可拆管束與管板制成一體的管箱，另一端可采用 A 型結(jié)構(gòu)，減少泄漏的可能性，一般少有用，只在高壓情況下采用。 C 型：多管程換熱器的介質(zhì)返回管箱。 D 型：?jiǎn)喂艹虛Q熱器管箱。 結(jié)合本設(shè)計(jì)具體情況采用 B型管箱 管箱長(zhǎng)度，除考慮流通面積、各相鄰焊縫之間的距離外，還應(yīng)考慮管箱中內(nèi)件的焊接和清洗。因此 ，對(duì)多管程的管箱，除限制最小長(zhǎng)度外，還應(yīng)考慮最大長(zhǎng)度。 管箱長(zhǎng)度，除考慮流通面積、各相鄰焊縫之間的距離外，還應(yīng)考慮管箱中內(nèi)件的焊接和清洗。因此，對(duì)多管程的管箱，除限制最小長(zhǎng)度外，還應(yīng)考慮最大長(zhǎng)度。對(duì)于 B 型管箱，由《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》公式 )(439。 12g m in mmShENdL pcpi ??? ? 432gm in39。39。 LLLL ??? E 按改文獻(xiàn)表 421 選取 計(jì)算 15 0 061 5 39。 2g m i n ???? ???L 5382561502532260039。39。 m i n ???????gL 取 gmin39。L 和 min39。39。gL 中較大者，故取 538. 根據(jù)作圖查得 H值，通過 H 值，查該文獻(xiàn)表 421 查取管箱最大長(zhǎng)度為 600，因?yàn)?B型管箱 gminL gL gmaxL 故取 400mm DN,mm 材料 殼程或管程公稱壓力 PN， MPa 厚度， mm 600 Q235A/B/C 8 8 8 10 —— —— Q245R 8 8 8 8 12 16 1Cr18Ni9Ti 5 5 6 8 12 18 管箱壁厚按 GB1511999《管殼式換熱器》即表 42 規(guī)定，材料為 Q245R，MpaPN ? 時(shí)，管箱壁厚 t=8 。 強(qiáng)度計(jì)算： 由之前的計(jì)算知，殼體和管箱殼體外徑為 600mm，選取管箱材料與筒體材料相同為 Q245R，鋼板標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T32742020，熱軋、正火鋼板。 下面確定其壁厚，取工作壓力等于設(shè)計(jì)壓力，則 pc=，提高到管程設(shè)計(jì)壓 力計(jì)算，焊接接頭系數(shù) ?? 。 計(jì)算壁厚 ? = PDPc it c2[ ]? ?? = 設(shè)計(jì)壁厚 取腐蝕裕量 C2=3mm。則 ?e =?n C1 C2= 5mm 名義壁厚取 8mm。 16 有效厚度 ?e =?n C1 C2= 5mm PT = [][]??t = MPa M P aSe SeDiT )(P T ???? M p aM p a s 7 2 . 8 0 ???? ?? 強(qiáng)度滿足要求。 前端管箱封頭設(shè)計(jì) 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB1511999《管殼式換熱器》，該換熱器為單殼程、兩管程，故封頭選用類型代號(hào)為“ EHA”的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。材料選用與筒體相同的材料 Q245R，厚度 t=8mm，其結(jié)構(gòu)如下圖 44所示： 圖 44 封頭結(jié)構(gòu) 封頭參數(shù)： 根據(jù)《 GB/T 251982020》表 ，當(dāng) H=175mm，mmDN 600?時(shí)，iD， 所以 mmDHh i 25460 017 542 ????? mmh 15025175h21 ????? 管箱法蘭 管箱法蘭按 NB/T470212020 選擇標(biāo)準(zhǔn)件 ,材料 16Mn。 封頭強(qiáng)度計(jì)算 下面確定其壁厚，取工作壓力等于設(shè)計(jì)壓力，則 Pc=，焊接接頭系數(shù)?? ,受內(nèi)壓（凹面受壓）的橢圓形封頭的計(jì)算壁厚為： 17 2)]2(2[][2iictic hDKpDpKS ???? ??? 與?? 而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭， K=，故壁厚 設(shè)計(jì)壁厚 取腐蝕裕量 C2=3mm。則 此時(shí)負(fù)偏差為 C1=1mm，則 mmCS d ???? 名義壁厚 可取名義壁厚與筒體相同為 8mm。 有效厚度 PT = t][][?? = M P aSe SeDiT )(P T ???? M p aM p a s 7 2 . 8 0 ???? ?? 強(qiáng)度滿足要求。 管板設(shè)計(jì) 管板是換熱器的主要部件。管板的設(shè)計(jì)是否合理對(duì)保證換熱器平時(shí)的正常運(yùn)行、節(jié)約材 料和降低制造成本都是非常重要的。 97 年之前我們國(guó)家都沒有自己的管板設(shè)計(jì)計(jì)算公式， 1967 年頒布的《鋼制化工容器設(shè)計(jì)規(guī)定》中關(guān)于管板的厚度計(jì)算也是引用的英國(guó)的計(jì)算公式。在當(dāng)時(shí)世界的工業(yè)強(qiáng)國(guó)大多都有了自己的管板設(shè)計(jì)計(jì)算公式或者相關(guān)規(guī)定。而這些管板的強(qiáng)度計(jì)算公式大多可以概括為以下幾種： （ 1）將管板看作廣義彈性基礎(chǔ)上受均布載荷的圓板，最大彎矩取決邊緣的支承，載荷的大小和幾何尺寸等等因素。 mm p D p S c t c 56 . 0 5 . 0 85 . 0 148 2 600 56 . 0 5 . 0 ] [ 2 i ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? . 1 C S S d n 4mm C C S S 3 1 8 2 1 n e ? ? ? ? ? ? ? 18 （ 2）以承受均布載荷為基礎(chǔ)加入一定的修正系數(shù)來決定管板具有的特性。 （ 3）讓換熱管保持一定的剛度來為管板的支承，管板看作在固 定支承下的平板，管板的厚度取決管板沒有布管的面積，按照平板計(jì)算來計(jì)算其強(qiáng)度。 各種推導(dǎo)的依據(jù)相差很大，采用的假定也不相同，所以造成使用不同的假設(shè)，同的公式計(jì)算出來的結(jié)果相差非常大。知道現(xiàn)在也沒有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 我們國(guó)家《鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定》中對(duì)管殼式換熱器的管板設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。使管板的支承情況比較符合實(shí)際，但是在推導(dǎo)過程中，還存在一些問題，有待進(jìn)一步的提高和改進(jìn)。 因?yàn)楣馨宓慕Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，關(guān)乎著換熱器的設(shè)計(jì)復(fù)雜成都，制造成本和使用性能等。在管板的設(shè)計(jì)中主要是選定合適的結(jié)構(gòu)后進(jìn)行結(jié) 構(gòu)尺寸的確定和強(qiáng)度尺寸的計(jì)算。 管板選用碳素鋼即材料 Q245R，查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得： MPab 510??，s 345，在設(shè)計(jì)溫度下，MPat 170][ ??。 選擇普通平管板，采用管板延長(zhǎng)兼做法蘭的結(jié)構(gòu)，這種形式的管板，先要確定殼體的內(nèi)徑，再依照確定的設(shè)計(jì)壓力和殼體的內(nèi)徑在選擇或者設(shè)計(jì)法蘭，然后根據(jù)法蘭的相應(yīng)尺寸來確定管板的最大外徑，密封面的位置、寬度、螺栓直徑、位置和螺栓使用數(shù)量等。如圖 45 所示，依據(jù)《石油化工過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表 234確定尺寸，具體如表 43所示： 19 DN=600 管板尺寸表 Ps MPa Pt MPa D D1 D3 D4 D5 b 螺柱 （栓） 規(guī)格 數(shù)量 790 750 700 730 698 32 M00 24 管板的連接 管板的連接主要是討論管板與殼體的連接方式，管板與換熱管的連接方式和管板與管箱的連接方式三種。 管板與殼體的連接 管板與殼體的連接與換熱器的形式密切相關(guān)。固定管板換熱器的管板與殼體的連接常常使用的不可拆的方式進(jìn)行焊接連接，對(duì)于浮頭式、 U 型管式及填函式換熱器等換熱器的管板與殼體的連接則常常采用可拆卸的連接方式。 （ 1） 不可拆連接方式 在固定管板式換熱器 中，兩端的兩塊管板在通常情況下是直接焊在殼體上，并 20 且兼作法蘭的作用。其中特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)不易焊透，適用于殼程設(shè)計(jì)壓力較低的場(chǎng)合。當(dāng)然，如果把焊接結(jié)構(gòu)改為角焊縫為單面對(duì)接焊，則是有利于焊接質(zhì)量的顯著提高的，可用于殼程設(shè)計(jì)壓力較高的場(chǎng)合，但是這種結(jié)構(gòu)焊接時(shí)不易調(diào)整。這種結(jié)構(gòu)是一種帶襯塑環(huán)的單面對(duì)焊結(jié)構(gòu)，它的使用壓力一般是在 1~4MPa。 （ 2）可拆連接方式 一般浮頭式、 U 型管式及填料函式換熱器中，有一塊管板是剛性固定的，為了能讓管束能方便從殼體中抽出來進(jìn)行清洗和檢修，所以將一端管板做成可以拆卸的連接方式，即是把 固定端的管板夾在殼體法蘭和管箱法蘭之間。對(duì)于這種連接方式的管板，當(dāng)卸下管箱后就可把管板連同管束從殼體中抽出。如使用中只需經(jīng)常卸下管箱，不必抽出管束、則可采用這種結(jié)構(gòu)。 管板與殼體的連接在管殼式換熱器的設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的結(jié)構(gòu)部分，它不僅給加工工作量大，而且必須使每個(gè)連接處在設(shè)備運(yùn)行中，保證無泄漏及能承受介質(zhì)壓力。而本設(shè)計(jì)采用的是延長(zhǎng)部分兼作法蘭的管板結(jié)構(gòu)，它的使用壓力和場(chǎng)合主要取決于焊縫是否焊透還有焊縫的受力情況?？梢院竿傅慕Y(jié)構(gòu)和對(duì)接焊縫使用壓力則可以稍微高點(diǎn)，比如角焊縫，但是無論殼體其他環(huán)焊縫的質(zhì)量 有多好，都可以采用對(duì)接雙面焊，用這種焊接方式的時(shí)候，在進(jìn)行殼體強(qiáng)度計(jì)算的時(shí)候則只能按照這里的焊縫為最薄弱的環(huán)節(jié)取焊縫系數(shù)。管板上開槽是讓殼體容易保證與管板對(duì)中，這可以讓焊接更加方便，當(dāng)然這種結(jié)構(gòu)只適合與殼體厚度在 10mm 之上的換熱器，而且不適用與易燃易爆易揮發(fā)和有毒介質(zhì)的換熱器。從制造工況以及經(jīng)濟(jì)和殼體介質(zhì)性質(zhì)等方面考慮，我選用了如下圖所示的強(qiáng)度焊接方式。 管板與換熱管的連接 換熱管與管板的連接是列管式換熱器制作中最重要的問題之一，它不僅要耗費(fèi)大量的工作時(shí)間，更重要的是這個(gè)部位是換熱器中的 一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，它的主 21 要失效形式是連接處容易發(fā)生泄漏，在高溫和熱沖擊的