【正文】 強(qiáng)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(qiáng)度 s? =345MPa， 取焊縫系數(shù) ? =，腐蝕裕度 =3mm。管板厚度 δ=50mm。固定和滑動鞍座各一個，其結(jié)構(gòu)見下圖 。 綜上所述，本設(shè)計 采用 120186。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。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。另外一種為滑動鞍座，鞍座底板上開長圓形螺孔。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。 圖 鞍座 鞍座是由墊片、腹板、肋板和底板構(gòu)成。 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。 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。 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(jī)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。如下 表 所示。 浮頭式換熱器機(jī)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。 本設(shè)計選用的是工字形防沖板，其規(guī)格為 120 320 5??。一般防沖板的邊長應(yīng)大于接管外徑50mm。 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。管孔直徑 取 。 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 。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。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?？偟膩碚f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。 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。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(qiáng)度高的低合金管等。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 。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(qiáng)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(qiáng)度的脹接。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。 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 。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。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。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。 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)。壁厚偏差為 +12%、 10% mm。本設(shè)計中 選 取換熱管長度為 。 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(jī)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） 。 其中管束分程方法常采用平行和 T 形方式。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。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。 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。 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。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。一般多用于 DN900mm 的浮頭式換熱器中。 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。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。故 選取低合金鋼 16MnR 或碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q235B 都能滿足要求。定距管要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性，選擇 20 號鋼滿足要求。 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。 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(jī)械性能、焊接性 能、工藝性能，故選用 16MnII 鍛件。 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(qiáng)度和硬度都比 10 號鋼高，故換熱管選取 20 號鋼管。 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 。 ② 良好的冷熱加工成形性能。 因法蘭是主要的受力元件之一，故需有較高的強(qiáng)度，故選擇低合金鋼 16MnII 鍛件 ，它有如下特點：高的強(qiáng)度和屈強(qiáng)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。 法蘭 法蘭材料的選取通常與換熱器 殼 體材料一致。 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(qiáng)度和延伸率要求比普通 16Mn 鋼有所提高外，還保證有強(qiáng)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。 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(qiáng)度和改善綜合性能。常見的材料有碳鋼、低合金鋼。 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。 材料的經(jīng)濟(jì)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(jì)性也是必須考慮的主要因素。 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。 （ 2）通過失效分析，確定構(gòu)件的主要使用性能。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(qiáng)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。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。一般為了滿足設(shè)備的操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)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。 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。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。 綜上厚度附加量 C= C1+ C2=0+3=3mm。由于本設(shè)計材料為 16MnR 且厚度大于5mm。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。即： C=C1+C2。為彌補(bǔ)焊縫對容器整體強(qiáng)度的 削弱，在強(qiáng)度計算中需引入焊接接頭系數(shù) 焊接接頭系數(shù) ? 應(yīng)根據(jù)受壓元件的焊接接頭形式及無損檢測長度比例來確定，其取值可按如下 表 21 選 規(guī)定選?。? 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(jī)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 。 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 。 設(shè)計溫度 設(shè)計溫度指容器在正常工作情況下，設(shè)定元件可能達(dá)到的最高或最低溫度 ，它是指容器在正常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。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。 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計及三維 造型 8 設(shè)計的特點 結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高、適應(yīng)性廣、易于制造、處理能力大、生產(chǎn)成本較低、選用的材料范圍廣、換熱表面的清洗比較方便；設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量少；機(jī)械加工和制造安裝合理方便；檢修容易；設(shè)備的使用壽命長；有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；操作費用低。 設(shè)計必須經(jīng)濟(jì)合理 在競爭激烈的當(dāng)代社會中，“經(jīng)濟(jì)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(jì)利潤，要求其經(jīng)濟(jì)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(jì)技術(shù)指標(biāo)評價往往是最重要的決策因素之一。 設(shè)計必須安全可靠 一般來講 ,換熱器的失事 ,不僅僅使容器和設(shè)備本身遭到破壞 ,而往往會破壞周圍的其他設(shè)