【正文】 設(shè)計(jì)方法 【中文摘要】浮頭式換熱器的浮頭法蘭是一種特殊法蘭 ,不能采取一般法蘭的“分工況獨(dú)立計(jì)算法蘭厚度 ,爾后取其大值”的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文就偏心力臂Lr對(duì)浮頭法蘭各設(shè)計(jì)厚度的多種影響關(guān)系進(jìn)行深入分析,進(jìn)一步闡明其合理設(shè)計(jì)的原理與方法。 林上富 【單位】中國(guó)石化工程建設(shè)公司。 壓力試驗(yàn)。 壓力試驗(yàn)。 防治措施 【中文摘要】通過(guò)對(duì)換熱器浮頭密封結(jié)構(gòu)件、墊圈和安裝過(guò)程的分析,找到了影響浮頭密封效果的各種因素,并提出了解決辦法。附錄A相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞：浮頭1.【篇名】換熱器浮頭密封失效原因分析及處理 【作者】夏成廣 【單位】中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石化總廠隆惠公司 河南 洛陽(yáng) 【刊名】石油化工設(shè)備技術(shù), 2003年04期 【中文關(guān)鍵詞】換熱器浮頭。但在當(dāng)初，這些簡(jiǎn)單的問(wèn)題又必須搞清楚，舉個(gè)例子吧，最初我用標(biāo)準(zhǔn)去查浮頭法蘭時(shí)，就拿本接管法蘭的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)去查，結(jié)果找不到符合要求的法蘭，種類并不齊全，現(xiàn)在覺(jué)得再也不會(huì)犯這種低級(jí)錯(cuò)誤了。此時(shí)，我覺(jué)得自己對(duì)專業(yè)知識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)鞏固、落實(shí)、和知新的過(guò)程，基本完成了大學(xué)四年學(xué)習(xí)知識(shí)由量變到質(zhì)變的過(guò)程，受益頗豐。這是設(shè)計(jì)中的禁忌。浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由移動(dòng)，也就是殼體在管束熱膨脹自由，管束與殼體之間沒(méi)有溫差應(yīng)力?？偨Y(jié)在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備,并占有十分重要的地位。設(shè)備找平后，斜墊鐵可與設(shè)備支座底板焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死；。移動(dòng)和起吊管束時(shí)，應(yīng)將管束放置在專用的支承結(jié)構(gòu)上，以避免損傷換熱管；。法蘭的材料為鍛件20MnMoⅡ，筒體的材料為16MnR，兩者都具有良好的綜合機(jī)械性能和焊接性能，此時(shí)可以采用埋弧自動(dòng)焊，焊絲為H10MnSiA，焊劑為HJ250，焊后需要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，需要將熱處理溫度控制在550～650℃。產(chǎn)生氣孔的主要是附在管子和管板孔上的油脂、鐵銹、空氣和堆焊管板時(shí)復(fù)層中夾有的焊渣在受熱時(shí)分解而造成。 換熱管與管板的焊接 焊接工藝換熱管與管板的焊接一般采用手工電弧焊，也廣泛采用惰性氣體保護(hù)焊，在此選擇其焊接方式為手工電弧焊。要注意的是必須先焊縱縫后焊環(huán)縫，因?yàn)槿粝葘h(huán)縫焊好再焊縱縫時(shí)筒體的膨脹和收縮都要受到環(huán)縫的限制，其結(jié)果會(huì)引起過(guò)大的應(yīng)力，甚至產(chǎn)生裂紋。 管箱、浮頭蓋的熱處理 碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱和浮頭蓋以及管箱的側(cè)向開(kāi)孔超過(guò)1/3圓筒內(nèi)徑的管箱，在施焊后作消除應(yīng)力的熱處理，設(shè)備法蘭密封面應(yīng)在熱處理后加工。 管束的組裝 組裝過(guò)程： 將活動(dòng)管板、固定管板和折流板用拉桿和定距管組合。管板中心角區(qū)域內(nèi)的管孔，在這一區(qū)域內(nèi)允許有4%的管孔上偏差比+；：下料——去毛刺——校平——重疊、壓緊——沿周邊點(diǎn)焊——鉆孔（必須使折流板的管孔與管板的管孔中心在同一直線上）——?jiǎng)澗€——鉆拉桿——加工外圓；。 管箱、殼體、頭蓋的制造與檢驗(yàn)，因?yàn)橥搀w的橢圓度要求較高，這主要是為了保證殼體與折流板之間有合適的間隙；，并應(yīng)具有全焊透的焊縫；，內(nèi)直徑允許偏差可通過(guò)外圓周長(zhǎng)加以控制，其外圓周允許上偏差為10mm，下偏差為零；，最大直徑與最小直徑之差為e≤%DN，且由于DN≤1200mm，則其值≤5mm；（L為圓筒總長(zhǎng)），且由于此時(shí)L=6000mm，則其值≤；；，影響管束順利安裝時(shí)，應(yīng)采取防止變形措施；，因此管箱和封頭法蘭等焊接后，須進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，最后再進(jìn)行機(jī)械加工。 殼體腐蝕由于殼體及附件的焊縫質(zhì)量不好也易發(fā)生腐蝕，當(dāng)殼體介質(zhì)為電解質(zhì)，殼體材料為碳鋼，管束用折流板為銅合金時(shí)，易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，把殼體腐蝕穿孔。腐蝕原因如下所述。 管箱接管位置的最小尺寸 無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈的接管，應(yīng)按下式計(jì)算： 式中：——法蘭高度，為44mm則經(jīng)過(guò)實(shí)際畫(huà)圖后，滿足最小位置的要求。 表311 鞍座尺寸公稱直徑ＤＮ允許載荷Ｑ（ＫＮ）鞍座高度h底板腹板筋板墊板螺栓間距l(xiāng)2　鞍座質(zhì)量（kg）增加１００mm高度增加的質(zhì)量（kg）l1b1　　l3b3　弧長(zhǎng)b4e800220200720150101040012010940260665530387 接管的最小位置 在換熱器設(shè)計(jì)中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進(jìn)、出口接管應(yīng)盡量接近兩端管板，而管箱進(jìn)、出口接管盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱、殼體長(zhǎng)度，減輕設(shè)備重量。 鞍座 選擇鞍座應(yīng)首先計(jì)算支座反力，再根據(jù)支反力選擇合適的鞍座。（2）浮頭法蘭厚度的計(jì)算可按上表進(jìn)行，由于管程與殼程的設(shè)計(jì)壓力相等，所以大部分的數(shù)據(jù)都與內(nèi)壓情況下相同，只是此時(shí)，表中的應(yīng)改為：則此時(shí)操作狀態(tài)下： ；所以此時(shí)； 根據(jù)上述內(nèi)壓與外壓的計(jì)算可知浮頭法蘭的計(jì)算厚度應(yīng)為，則圓整后其名義厚度為。實(shí)際畫(huà)圖時(shí)取14mm。GB1511999 P82 浮頭蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算 球冠形封頭、浮頭法蘭應(yīng)分別按管程壓力作用下和殼程壓力作用下進(jìn)行內(nèi)壓和外壓的設(shè)計(jì)計(jì)算，取其大者為計(jì)算厚度。 墊片則包括了管箱墊片和外頭蓋墊片。 定距管 定距管的規(guī)格同換熱管，其長(zhǎng)度同實(shí)際需要確定。 拉桿的直徑、數(shù)量及布置其具體尺寸如下所示：見(jiàn)《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》P188圖1662 表1636表33 拉桿的參數(shù)拉桿的直徑d拉桿螺紋公稱直徑dn ＬaＬbb拉桿的數(shù)量161620≥6026其中拉桿的長(zhǎng)度L按需要確定。 折流板排列該臺(tái)換熱器折流板排列示意圖如下所示： 折流板的布置一般應(yīng)使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)、出口管，其余折流板按等距離布置。 在浮頭式換熱器中，其浮頭端宜設(shè)置加厚環(huán)板的支持板。依據(jù)GB1511999 P28 ；；故，查圖可知不變，則； 換熱管的軸向應(yīng)力 換熱管的軸向應(yīng)力在一般情況下，應(yīng)按下列三種工況分別計(jì)算：①殼程設(shè)計(jì)壓力，管程設(shè)計(jì)壓力： ；；明顯地，；②管程設(shè)計(jì)壓力，殼程設(shè)計(jì)壓力： ；；明顯地，；③殼程設(shè)計(jì)壓力與管程設(shè)計(jì)壓力同時(shí)作用： ；；明顯地。（依據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》P38材料） 管板與殼體的連接由于浮頭式換熱器要求管束能夠方便地從殼體中抽出進(jìn)行清洗和維修，因而換熱器固定端的管板采用可拆式連接方式，即把管板利用墊片夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間。在此，根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度及操作狀況選擇換熱管與管板的連接方式為強(qiáng)度焊。 換熱管與管板的連接 換熱管與管板的連接方式有強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹以及脹焊并用。 實(shí)際排管如下所示：由上圖可知，經(jīng)過(guò)實(shí)際排管后發(fā)現(xiàn)，每個(gè)管程的布管數(shù)目分別是73，111，111，73，而各管程的平均管數(shù)為47，因此可知各程管數(shù)的相對(duì)誤差是： 換熱管束的分程 在這里首先要先提到管箱。 排管(依據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》P164)排管時(shí)須注意：拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣，在靠近折流板缺邊位置處布置拉桿，其間距小于或等于700mm。各種排列方式都有其各自的特點(diǎn)：①正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；②正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；③正方形錯(cuò)列：可以提高給熱系數(shù)。 開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算： 強(qiáng)度削弱系數(shù)； 接管有效厚度；開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按下式計(jì)算： 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍①有效寬度：②有效高度：（a）外側(cè)有效高度為：；（b）內(nèi)側(cè)有效高度為： ； 有效補(bǔ)強(qiáng)面積①管箱多余金屬面積： 管箱有效厚度：則多余的金屬面積為：②接管多余金屬面積： 接管計(jì)算厚度：； 接管多余金屬面積：；③接管區(qū)焊縫面積（焊腳取為6mm）：；④有效補(bǔ)強(qiáng)面積： ；所以不需要另行補(bǔ)強(qiáng) 外頭蓋開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 外頭蓋上的排污口與排氣口接管材料也為20號(hào)鋼，選用規(guī)格為，主要是通過(guò)采用厚壁接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。依據(jù)GBT173952008無(wú)縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差P11 殼體上開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別：①補(bǔ)強(qiáng)判別：根據(jù)GB150表81，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑是，本開(kāi)孔外徑為219mm，因此需要另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 在該臺(tái)浮頭式換熱器上，殼程流體的進(jìn)出管口在殼體上，管程流體則從前端管箱進(jìn)入，而后端管箱上則有排污口和排氣口，因此不可避免地要在換熱器上開(kāi)孔。 后端管箱厚度計(jì)算由于是浮頭式換熱器設(shè)計(jì)，因此其后端管箱是浮頭管箱，又可稱外頭蓋。假設(shè)材料的許用應(yīng)力（厚度為6～16mm時(shí)），依據(jù)GB150 P16殼體計(jì)算厚度按下式計(jì)算為： ；設(shè)計(jì)厚度；名義厚度（其中為向上圓整量）；查其最小厚度為10mm，則此時(shí)厚度滿足要求，且經(jīng)檢查，沒(méi)有變化，故合適。 殼體與管箱厚度的確定 根據(jù)給定的流體的進(jìn)出口溫度，選擇設(shè)計(jì)溫度為200℃；。℃）。則有 ；可知此時(shí)的壓力降在合理范圍之類。 下面通過(guò)埃索法來(lái)計(jì)算： 式中：——流體橫過(guò)管束的壓力降，Pa； ——流體通過(guò)折流板缺口的壓力降，Pa； ——?dú)こ虊毫档慕Y(jié)垢修正系數(shù)，無(wú)因次，；。以上計(jì)算依據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》P77 殼程的壓力降 當(dāng)殼程裝上折流板后，流體在管外流動(dòng)為平行流和錯(cuò)流的耦合。此處計(jì)算依據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》P76 壓力降的計(jì)算 流體流經(jīng)換熱器因流動(dòng)引起的壓力降，可按管程壓降和殼程壓降分別計(jì)算。管間流速是根據(jù)流體流過(guò)管間最大截面積計(jì)算：其中：——管外徑，即25㎜， ——為換熱管中心距，此時(shí)選擇換熱管在管板上的排列方式為正方形排列，因?yàn)檫@樣便于機(jī)械清洗，查GB1511999得。所選浮頭式換熱器的規(guī)格參數(shù)以及其工藝計(jì)算常用參數(shù)可參考下表 表23 所選浮頭式換熱器規(guī)格DNPN管長(zhǎng)管程數(shù) 型 號(hào)計(jì)算傳熱面積m2 規(guī) 格管程出入口公稱直徑mm殼程出入口公稱直徑mm設(shè)備凈重充水水重mmMpa m kg kg800 4 200 20061602840表24 工藝計(jì)算常用參數(shù)公稱直徑DN（mm）管程Ｎ中心排管數(shù)換熱管數(shù)管程平均通道面積（m2）弓形折流板缺口弓高（㎜）800414352以上表格依據(jù)老師發(fā)的參數(shù)照片和《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》P32表1225及P57（） 總傳熱系數(shù)K的校驗(yàn)管殼式換熱換熱器面積是以傳熱管外表面為基準(zhǔn)，則在利用關(guān)聯(lián)式計(jì)算總傳熱系數(shù)也應(yīng)以管外表面積為基準(zhǔn)，因此總傳熱系數(shù)K的計(jì)算公式如下： 式中：——總傳熱系數(shù)，； ——分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數(shù)，； ——分別為管程和殼程的污垢熱阻，； ——分別是傳熱管內(nèi)徑、外徑及平均直徑，m； ——傳熱管壁材料導(dǎo)熱系數(shù)，； ——傳熱管壁厚，m。 平均溫度差的計(jì)算選取逆流流向，這是因?yàn)槟媪鞅炔⒘鞯膫鳠嵝矢摺?換熱器熱負(fù)荷計(jì)算 熱負(fù)荷： 式中：——冷熱流體的質(zhì)量流量，kg/s； ——冷熱流體的定壓比熱，J/(kg5　 被冷卻的流體走殼程，便于散熱，有毒的走管程，減少泄漏的機(jī)會(huì)。2　 具有腐蝕性的流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕，節(jié)約耐腐蝕材料用量，降低成本。k）密度kg/ m3粘度（*103）PaC）流 量（kg/h）進(jìn)口溫度（176。（7）、定時(shí)排放不凝結(jié)氣體和冷凝液，根據(jù)換熱效率下降情況及時(shí)除掉污垢，提高傳熱效率。（3）、換熱器投產(chǎn)時(shí)，先打開(kāi)冷態(tài)工作液體閥門(mén)和放空閥向其注液，當(dāng)液面達(dá)到規(guī)定液位時(shí)緩慢或分?jǐn)?shù)次開(kāi)啟蒸汽或其它加熱劑閥門(mén)，做到先預(yù)熱后加熱，防止驟冷驟熱損壞換熱器，降低使用壽命。換熱器的正確使用 換熱器是化工生產(chǎn)中的主要設(shè)備之一，安全正確的操作才能使其安全運(yùn)行，發(fā)生較大的效能。當(dāng)物料需要的溫度用冷卻水無(wú)法達(dá)到時(shí)，可采用丙烷作為冷卻劑。用空氣作為冷卻劑的優(yōu)點(diǎn)是容易獲得。（1）、水冷卻。（4）、導(dǎo)熱油加熱法。只要定期排出不凝性氣，就能保證正常操作。蒸汽加熱必須不斷排除冷凝水，否則冷凝水積于換熱器，使傳熱效果變差，加熱不能正常進(jìn)行。板翅式換熱器的缺點(diǎn)有：（1）、設(shè)備流導(dǎo)小，故易堵塞，壓強(qiáng)降也較高，且換熱器清洗和檢修很困難，故處理的物料應(yīng)潔凈或需預(yù)先凈制。鋁合金不僅導(dǎo)熱系數(shù)高，而且在零度以下操作時(shí)，其延性和抗拉強(qiáng)度都較高，故操作范圍廣，可在200℃至絕對(duì)零度范圍內(nèi)使用，適用于低溫和超低溫的場(chǎng)合。它通常用鋁合金制造，故質(zhì)量輕。板翅式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）、總傳熱系數(shù)高，傳熱效果好。（二）、板翅式換熱器板翅式換熱器是一種更為緊湊、輕巧、高效的換熱器。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩種流體的對(duì)流傳熱系數(shù)之比為3：1或更大時(shí)，宜采用翅片管式換熱器。翅片式換熱器有翅片管換熱器和板翅換熱器兩類（一）、翅片管換熱器翅片管換熱器的構(gòu)造特點(diǎn)是，在管子表面上裝有徑向或軸向翅片。作為冷卻時(shí)，冷卻介質(zhì)（如冷卻水）由夾套下部接管進(jìn)入，由上部接管流出。內(nèi)浮頭 換熱管 隔板圖610 浮頭式換熱器二、板式換熱器（一）、夾套式換熱器夾套換熱器是最簡(jiǎn)單的板式換熱器。其主要缺點(diǎn)是：管內(nèi)清洗較困難，因此要求管程流體須是潔凈和不易