【正文】 壓力及應(yīng)力計(jì)算 （ 1）最大允許工作壓力 殼體的最大允許工作壓力計(jì)算： 2[ ][] t ewieP D? ???? ? （ 37） ? 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 （ 2）設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力 設(shè)計(jì)溫度下殼體的 計(jì)算應(yīng)力計(jì)算得： ()2t c i eepD ?? ??? （ 38） M P 。對(duì) 20，鋼板負(fù)偏差 1C =，根據(jù) GB1511999《管殼式換熱器》的規(guī)定取筒體的名義厚度為 8mm。因換熱器的液柱靜壓力遠(yuǎn)小于 5%的設(shè)計(jì)壓力，可忽略不計(jì)，故換熱器的計(jì)算壓 力等于其設(shè)計(jì)壓力，即： cP = P （ 31） 計(jì)算條件 :筒體計(jì)算參數(shù)及材料力學(xué)性能見表 31： 表 31筒體計(jì)算參數(shù)及材料力學(xué)性能 計(jì)算條件 計(jì)算壓力 Pc Mpa 設(shè)計(jì)溫度 t C 內(nèi)徑 Di mm 材料 20 (管材 ) 試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 MPa 設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 t MPa 試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) s MPa 鋼板負(fù)偏差 C1 mm 腐蝕裕量 C2 mm 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 焊接接頭系數(shù) mm 筒體計(jì) 算 筒體厚度計(jì)算 由于殼體的設(shè)計(jì)壓力為 ，所以計(jì)算筒體的設(shè)計(jì)壓力為 。 起吊附件 在 《 GB1511999》 規(guī)定，質(zhì)量大于 30Kg 的管箱蓋易設(shè)置吊耳，本設(shè)計(jì)管箱質(zhì)量大于 30Kg，因此設(shè)置吊耳。 裙座筒體不受壓力作用，軸向組合拉伸應(yīng)力總是小于軸向組合壓縮應(yīng)力。 裙座的材料 裙座不直接與容器內(nèi)介質(zhì)接觸，也不承受容器內(nèi)介質(zhì)的壓力，因此不受壓力容器用材的限制。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 216 裙座簡圖 裙座的結(jié)構(gòu) 由筒體、保溫支撐圈、無保溫時(shí)排氣孔、裙座筒體、人孔、螺栓座、基礎(chǔ)環(huán)、引出管通道、排液孔等組成。裙座形式根據(jù)承受載荷情況不同，可分為圓筒形和圓錐形兩類。本臺(tái)換熱器定距管的布置可以參照部件圖，材料確定為 20 號(hào)鋼，規(guī)格為 φ 16 2 =50mm， φ 16 2 =340mm。拉桿位置占據(jù)換熱管的位置，對(duì)于大直徑換熱器，在布管區(qū)的中心部位或靠近折流板缺口處也應(yīng)布置適 當(dāng)數(shù)量的拉桿。拉桿參數(shù)見表 24，表 25所示。若對(duì)于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，任何折流板應(yīng)不少于 3 個(gè)支承點(diǎn)。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 214 拉桿結(jié)構(gòu)示意圖 拉桿的直徑、數(shù)量及布置 其具體尺寸如下圖 215 所示。 常用拉桿的形式有兩種： (1)拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑大于或等于 19mm的管束， 2 alL? （ aL按 《 GB1511999》 表 45規(guī)定）； (2)拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑小于或等于 14mm 的管束，1ld? ； (3)當(dāng)管板比較薄時(shí)，也可采用其他的連接結(jié)構(gòu)。拉桿直徑的選擇與換熱管外徑有關(guān)，拉桿數(shù)量則視換熱器的直徑而定 [15]。但拉桿又位于布管區(qū)內(nèi)，一根拉桿就要占一跟換熱管的位置。拉桿結(jié)構(gòu)見圖。 拉桿 拉桿的作用是與定距管配合將換熱器的管束上的折流板連接固定起來，防止竄動(dòng)。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 213 折流板排布簡 圖 由于折流板很薄，鉆孔時(shí)鉆頭的推力使管板中心變形，故可將下料或圓整的折流板去掉毛刺并校平，重疊、壓緊后沿周邊點(diǎn)焊、然后一起鉆孔。為方便選材，選擇折流板的材料為 Q235A，弓形缺口高度為 ，折流板間距為 56mm，查 GB1511999《管殼式換熱器》可知折流板厚度為 6mm。 折流板形式如圖 212所示。折流板有弓形和圓盤 圓環(huán)形兩種，弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形三種 。 折流板 折流板顧名思義是用來改變流體流向的板，常用于管殼式換熱器設(shè)計(jì)殼程介質(zhì)流道，根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)和流量以及換熱器大小確定折流板的多少。 （ 2）對(duì)大厚度的管板須保證孔與管板平面垂直。 管板的加工 管板：管板為碳鋼鍛件，應(yīng)檢查表 面含碳量，使任意點(diǎn)的 C%，或在管板上加兩層低碳堆焊層來避免偏析的影響 [13]。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 管板與殼體的連接﹕由于 U 形管式換熱器 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。 圖 211 管板脹 接形式 管板設(shè)計(jì) 管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷、熱流體混合，并同時(shí)受管程、殼程壓力和溫度的作用。脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動(dòng)和疲勞載荷；有縫隙腐蝕；需采用復(fù)合管板等的場合。 強(qiáng)度脹接主要適用于設(shè)計(jì)壓力≤ ；設(shè)計(jì)溫度≤ 300℃；操作中無劇烈振動(dòng)、無過大的溫度波動(dòng)及無明顯應(yīng)力腐蝕等場合。 這幾種型式除本身結(jié)構(gòu)固有 的特點(diǎn)外，在加工中，與生產(chǎn)條件，操作技術(shù)都有一定的關(guān)系。 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。 2mm；管子與管板應(yīng)垂直；拉感應(yīng)牢靠固定；定距管兩端面要整齊；穿管時(shí)管子頭不能用鐵器直接敲打。為了保證順利穿管，必須使折流板的管孔和管板的管孔中心保持在同一水平線上。管端破口應(yīng)采用機(jī)械方法加工，焊前應(yīng)清洗干凈 [11]。當(dāng)管子與管板的連接采用脹接工藝時(shí)，管端硬度應(yīng)低于管板硬度。管子應(yīng)該進(jìn)行校直，管子兩端須用磨管機(jī)清除氧化皮、鐵銹、及污垢等雜質(zhì)直至露出金屬光澤。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 換熱管簡圖如圖 210所示。 換熱管中心距 換熱管中心距可按 GB1511999《管殼式換熱器》第五章規(guī)定，宜不小于 倍的換熱管外徑。 換熱管排列形式如圖 29。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用得最為普遍，但管 外不易清洗。由于焊接應(yīng)力較大，故管箱和封頭法蘭等焊接后，須進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理，最后進(jìn)行機(jī)械加工 [10]。 封頭和管箱的厚度一般不小于殼體的厚度。 分程隔板的最小厚度不小于 GB1511999《管殼式換熱器》中第五章表 6 之規(guī)定。 管箱圓筒的最小 厚度按 GB1511999《管殼式換熱器》中 之規(guī)定。按 GB1501998《鋼制壓力容器》第五章選擇標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，其材料為組合件，短節(jié)材料為 Q235B。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 28 管箱中隔板形式和介質(zhì)的流通順序 封頭管箱為組合件。為使制造、維修和操作方便、一般采用偶數(shù)管程。這種分程隔板對(duì)管程而言習(xí)慣稱為分程隔板，對(duì)殼程習(xí)慣稱為縱向隔板，常見的是管程分程隔板。 (5)單管程換熱器管箱見圖 (d)。其使用可結(jié)合管板的結(jié)構(gòu)考慮。 (3)C型、 N型管箱 見圖 3— 1中 C、 N兩種形式，這種形式是管箱一端與殼體及管板連成一體，或是用于可拆管束與管板制成一體的管箱，另一端可采用 A沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 型結(jié)構(gòu)，減少了泄漏的可能性。缺點(diǎn)是檢查管子和清洗管程時(shí)必須拆下連接管道和管箱。一般多用于 DN900mm的浮頭式換熱器中。下面介紹幾種典型管箱結(jié)構(gòu)形式及管箱尺寸確定的原則 [9]。在多管程換熱器中，管箱還起到改變流體 流向的作用。如圖 26所示。 按 GB1511999《管殼式換熱器》中 之規(guī)定選取封頭材料為 Q235B[8]。 圖 25 錐形封頭 對(duì)受均勻內(nèi)壓封頭的強(qiáng)度計(jì)算，由于封頭和圓筒相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起 的薄膜應(yīng)力，還要考慮與圓筒連接處的不連續(xù)應(yīng)力。此外，有一些塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體將直徑不等的兩段塔體連接起來，這時(shí)的圓錐形殼體稱為變徑段。如圖 24。與橢圓形封頭相比，應(yīng)力分布不如其均勻，但加工較之容易，因而在工程使用中并不理想。碟形封頭為一個(gè)連續(xù)曲面，在三部分連接處，經(jīng)線曲率半徑有突變，由于曲率變化， 因而存在著彎曲應(yīng)力。如圖 23. 圖 23 橢圓形封頭 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 （ 3）碟形 封頭 ，又稱帶折邊球形封頭，又名蝶形封頭。近年來由于采用旋壓制造工藝，為制造大直徑橢圓形封頭帶來了方便。 橢圓封頭的力學(xué)性能僅次于半球封頭，但優(yōu)于碟形封頭。 圖 22半圓型封頭 圖 23球冠封頭 （ 2）橢圓 封頭 又名為橢圓形封頭、橢圓封頭即為由旋轉(zhuǎn)橢圓球面和圓筒形直段兩部分組成的 封頭 。雖然 球形封頭壁厚可較相同直徑與壓力的圓筒殼減薄一半。材質(zhì)有 碳鋼 （ A沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 Q23 Q345B、 16Mn 等）、不銹鋼（ 30 32 304L、 31 316L 等）、合金鋼（ 15Mo3 15CrMoV 35CrMoV 45CrMo ）、鋁、 鈦 、銅、鎳及鎳合金等。在焊接上分為對(duì)焊封頭，承插焊封頭。 表 21 圓筒最小厚度 mm 公稱直徑 400≤ 700 700≤ 1000 1000≤ 1500 1500≤ 2022 2022～ 2600 U型管式 8 10 12 14 16 固定管板 6 8 10 12 14 注 :表中數(shù)據(jù)包括厚度附加量 C2（按 1mm 考慮） 因此按 GB1511999《管殼式換熱器》規(guī)定，本次設(shè)計(jì)選用 273 8L， 20 號(hào)鋼無縫鋼管。按 GB1511999《管殼式換熱器》中 中規(guī)定當(dāng)圓筒的公稱直徑 DN≤ 400mm時(shí)，可用無縫鋼管做圓筒。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合 。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。 U形管式換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上。如果能夠得到效率的大幅度提高，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將是十分的可觀，為我國的“低碳生活” 和“節(jié)能減排”事業(yè)做出巨大的貢獻(xiàn)。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。 目前，從世界石油、化工行業(yè)看，先進(jìn)國家早以開發(fā)和采用了高效節(jié)能換熱器。雖然各種板式換熱器的競爭力在上升，但管殼式換熱器仍將占主導(dǎo)地位。提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低制造成本仍是基本發(fā)展目標(biāo)。加工中向“多軸化”及“數(shù)值控制化”發(fā)展。保證互換性及擴(kuò)大容量的靈活性，通過減少堵塞和便于除垢以減少操作事故，從選用材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)行操作等各方面增長使用壽命并在廣泛的范圍內(nèi)向大型化發(fā)展。隨著工業(yè)的高速發(fā)展，換熱器技術(shù)將迅速發(fā)展。在換熱器設(shè)計(jì)中采用了電子計(jì)算機(jī)，不僅可以縮短計(jì)算時(shí)間，減少人為的差錯(cuò)，而且有可能進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。 在生產(chǎn)中存在的熱交換條件千變?nèi)f化，所需要的換熱器必須各式各