【正文】 設(shè)計(jì)壓力 設(shè)計(jì)壓力是容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不低于正常工作情況下容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。 根據(jù)設(shè) 計(jì)任務(wù)書可知，該設(shè)計(jì) 是浮頭式換熱器，用于 軟化水 和 汽油 之間的換熱，其中管程和殼程的設(shè)計(jì)壓力 分別 為 和 MPa。 當(dāng)元件金屬溫度不低于 0oC 時(shí)，設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬可能達(dá)到的最高溫度；當(dāng)元件金屬溫度低于 0oC 時(shí)，其值不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。 焊 接接頭 系數(shù) 通過(guò)焊接制成的容器，其焊縫中由于可能存在夾渣、未熔透、裂紋、氣孔等焊接缺陷，且在焊縫的熱影響區(qū)很容易形成粗大晶粒而使用材強(qiáng)度或塑性有所降低，因此焊縫往往成為容器強(qiáng)度比較薄弱的環(huán)節(jié)。 厚度附加量 C 容器厚度附加量主要考慮介質(zhì)的腐蝕裕量 C2 和鋼板的厚度負(fù)偏差 C1。 （ 1）腐蝕裕度 腐蝕裕度主要是防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機(jī)械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄。 （ 2）鋼板厚度負(fù)偏差 由于 GB6654《壓力容器用鋼板》和 GB3531《低溫 壓力容器用低合金鋼鋼板》規(guī)定壓力容器專用鋼板的厚度負(fù)偏差不大于 ，因此使用該標(biāo)準(zhǔn)中鋼板厚度超過(guò) 5mm時(shí)（如 20R、 16MnR 和 16MnDR 等），可取 C1=0。故鋼板厚度負(fù)偏差取 C1=0。 第三章 主要構(gòu)件材質(zhì)的選擇 11 第三章 主要構(gòu)件材質(zhì)的選擇 壓力容器材料費(fèi)用占總成本的比例很大，一般超過(guò) 30%材料性能對(duì)壓力容器運(yùn)行的安全性有顯著的影響。因此，合理選材是壓力容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。如在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。 換熱器的主要構(gòu)件 有 殼 體、管箱、封頭、法蘭、換熱管 、管板 、接管、支持板、拉桿、定距管、鞍座等。即使同一構(gòu)件，不同的零件要求的性能也不同，有時(shí)同一個(gè)部件的不同部位所要求的性能也不同。有如下具體方法： （ 1）分析構(gòu)件的工作條件，確定構(gòu)件應(yīng)具有的使用性能。 （ 3）從構(gòu)件使用性能要求提出對(duì)材料使用性能的要求。選材時(shí)也必須考慮材料的加工工藝性能的好壞，好的加工工藝性能不僅要求工藝簡(jiǎn)單，容易加工，能源消耗少，材料利用率高、加工質(zhì)量好、（變形小、尺寸精度高、表面光潔、組織均勻致密等） ，而且包括加工后的構(gòu)件在使用時(shí)有好的使用性能。選材的經(jīng)濟(jì)性不只是選用材料的價(jià)格，還要考慮構(gòu)件生產(chǎn)的總成本，把材料費(fèi)用同構(gòu)件加工制造、安裝、操作、檢驗(yàn)、維修、更換以及裝備壽命結(jié)合起來(lái)綜合考慮，進(jìn)行 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 12 總費(fèi)用的成本核算，提高性能價(jià)比。 殼 體、管箱、封頭 殼 體、管箱、封頭 的材料和一般容器相同，材料要有一定的可塑性和可焊性。 碳鋼有一定的強(qiáng)度、良好的塑性、韌性和加工工藝性，特別是焊接性能良好，但強(qiáng)度較低，不如低合金鋼。用低合金高強(qiáng)度鋼代替普通碳素鋼，能減輕設(shè)備自重，節(jié)省鋼材，且用低合金鋼比用不銹鋼經(jīng)濟(jì)。 故 殼 體、封頭和管箱的材料選 16MnR。通常所用的鋼材有 Q23 Q235F、16MnII 、 15MnV、 20 等。 換熱管 換熱管屬于壓力管道，壓力管道對(duì)材料性能有以下要求： ① 足夠的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性。 ③ 與環(huán)境條件協(xié)調(diào)，有適應(yīng)的耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性等。 其中， 10 號(hào)鋼的強(qiáng)度和硬度較低，有良好的塑性和韌性，易模壓或擠壓成形，而20 號(hào)鋼的強(qiáng)度較 10 號(hào)鋼高，其塑性、韌性和焊接等工藝性能都很好，在 化工設(shè)備和壓第三章 主要構(gòu)件材質(zhì)的選擇 13 力容器中應(yīng)用很廣泛。 管板 管板鍛件的常用材料是 25 號(hào)鋼、 16MnII 等。 接管 20 號(hào)鋼的焊接性能好，強(qiáng)度高，選用 20 號(hào)鋼就可滿足要求。 拉桿、定距管 拉桿要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性，選擇 Q235A 可滿足要求。 鞍座 鞍座是換熱器受載元件之一，要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性能。 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 14 第四章 換熱器各部分零件結(jié)構(gòu)型式的選擇 換熱器結(jié)構(gòu)型式的選擇 換熱器有多種多樣的形式，每種結(jié)構(gòu)形式都有其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特性，有些結(jié)構(gòu)形式，在某種情況下使用是好的，但是，在另外的情況下，卻不太合適，或根本不能使用。 在換熱器選型時(shí)，考慮的因素是很多的，如材料、壓力、溫度差、壓力降、結(jié)垢的情況、流體的狀態(tài)、應(yīng)用方式、檢修和清理等。 前端管箱、殼體和后端管箱結(jié)構(gòu)型式的確定 前端管箱 管箱結(jié)構(gòu)有 A 型和 B 型，結(jié)構(gòu)形式如圖 所示： （ 1） A 型（平蓋管箱）這種管箱如圖 前端管箱形式中 A，裝有管箱平蓋（或稱盲板），清洗管程時(shí)只要拆開(kāi)盲板即可，而不必拆卸整個(gè)管箱和與管箱相連的管路，缺點(diǎn)是盲板結(jié)構(gòu)用材多，且尺寸較大時(shí)得用鍛件，耗費(fèi)大量機(jī)加工工時(shí)，提高制 造成本，增加一道密封的泄漏可能。 （ 2） B 型封頭管箱型。但這種形式用的最多。 第四章 換熱器各部分零件結(jié)構(gòu)型式的選擇 15 圖 管箱形式 殼體 一般換熱器 上使用單程殼體 ，因此可以選取單程殼體，代號(hào)為 E 。 管束分程和分程隔板的布置 管束分程 在設(shè)計(jì)中，如采用多管程，則需要在管箱中安裝分程隔板。為使制造、維修和操作方便，一般采用偶數(shù)管程。隨著程數(shù)的增加，換熱器的傳熱效率下降且與錯(cuò)流傳熱接近。 分程隔板的布置 在換熱器中，不論是管外還是管內(nèi)的流體，要提高它們的傳熱系數(shù)，通常是采用設(shè)置隔板的方法來(lái)增加程數(shù)以提高流體流速實(shí)現(xiàn)其目的。 換熱管 換熱管的長(zhǎng)度 根據(jù)《鋼制管殼 式換熱器》 ??2 GB1511999 規(guī)定， 換熱管的長(zhǎng)度推薦采用： 、 、 、 、 、 、 、 、 。 規(guī)格及尺寸偏差 本設(shè)計(jì)換熱管采用 20 號(hào)碳鋼，根據(jù)《鋼制管殼式換熱器》 ??2 GB1511999 規(guī)定，可選取其 規(guī)格為 25 ?? ，外徑偏差為 177。 布管 傳熱管在管板上的排列有四種形式，如圖 。其用于殼程介質(zhì)較清潔，換熱管外不需清洗。 第四章 換熱器各部分零件結(jié)構(gòu)型式的選擇 17 正三角形排列和轉(zhuǎn)角正方形排列時(shí)，流體在垂直流向折流板缺口時(shí)正對(duì)換熱管，沖刷換熱管外表面，提高換熱效果。 本 設(shè)計(jì)是兩管程換熱器， 基于多方面的考慮， 故 采用 正 三角 形排列 換熱管中心距 管板上兩傳熱管中心距離稱為管心距。 表 常用管心距 管外徑 /mm 管心距 /mm 各程相鄰管的管心距 /mm 19 25 38 25 32 44 32 40 52 38 48 60 由于本設(shè)計(jì)選取了管的外徑為 25mm，所以根據(jù)上表選取管心距為 32mm。 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 18 管子與管板的連接 換熱管與管板連接 是管殼式換熱器設(shè)計(jì)、制造最關(guān)鍵的技術(shù)之一，是換熱器事故率最多的部位。換熱管與管板的連接方法主要有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊、脹焊并用。脹接結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單，管子的更換和修補(bǔ)容易，所以應(yīng)用較廣。 管子和管板的強(qiáng)度焊目前采用廣泛，由于管孔不需開(kāi) 槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端不需要退火和磨光，因此制造加工較方便。強(qiáng)度焊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫力強(qiáng)，在高溫高壓下能保證連接處的緊密性和抗拉脫能力。 在 本設(shè)計(jì)中考慮到焊接與脹接的各自的優(yōu)缺點(diǎn)，所以采用脹焊并用中的強(qiáng)度焊＋貼脹的方法來(lái)作為換熱管與管板的連接方式，此方法主要的優(yōu)點(diǎn)是既保證換熱管與管板連接的密封形，又保證了換熱管與管孔之間縫隙 的 拉脫力。 管板與殼體的連接 管板與殼體的連接形式，分為兩類：一是不可拆式的，如固定式管板換熱器，管板與殼體是用焊接連接；一是可拆式的，如 U形管式、浮頭式及填料函式和滑動(dòng)管板式的換熱器，一般采用管板本身不直接與殼體焊接，而通過(guò)殼體上法蘭和管箱法蘭夾持固定，如下 圖示： 圖 管板與殼體的連接形式 考慮到本設(shè)計(jì)為浮頭式換熱器，管束要拆卸進(jìn)行清洗，使用可拆式管板，如上圖示， 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 20 選用 a 形連接方式。 折流板選擇 在本設(shè)計(jì)中換熱管長(zhǎng) ，采用直徑為 25mm 的換熱管，據(jù)表中 查得其最大無(wú)支撐跨距為 ， 故應(yīng)設(shè)置支持板，來(lái)支撐換熱管，以防止換熱管發(fā)生較大的撓度。 常用的折流板和支持板的形式有弓形和圓盤 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 的布置：先確定離固定管板的第一塊支持板的距離，初步選定為 450mm，其次均勻分布 7塊折流板，間隔為 600mm。 拉桿、定距管、 防沖板、 擋板的選擇 拉桿的選擇 因換熱管外徑為 25mm，殼體公稱直徑為 800mm， 查 《鋼制管殼式換熱器》??2 GB1511999 中的表 43 和表 44 可知，拉桿直徑為 16mm，使用 6根拉桿。 防沖板的形式一般有工字形 、 矩形和圓形。防沖板最小厚度，碳鋼為 ，不銹鋼為 3mm。 擋板的選擇 旁路擋板： 公稱直徑在 DN? 500mm范圍內(nèi)的，應(yīng)設(shè)置 一 塊 旁路 檔板 法蘭的選擇 接管法蘭 的選擇 接管法蘭類型的確定： HG 管法蘭標(biāo)準(zhǔn)共規(guī)定了 8 種不同類型的管法蘭，法蘭的名稱代號(hào)及 其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 圖 法蘭類型 根據(jù) 設(shè)計(jì)任務(wù)書給出的 管、殼程的壓力， 選取帶頸對(duì)焊法蘭（ ），如圖 。 管箱法蘭的選擇 就法蘭的承載能力而言，法蘭有 3種類型，即甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭和長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。 表 法蘭種類 類型 平焊法蘭 對(duì)焊法蘭 甲型 乙型 長(zhǎng)頸 簡(jiǎn)圖 在本設(shè)計(jì)中選擇長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭（ ）， 見(jiàn)下圖， 其優(yōu)點(diǎn)是頸的根部較厚，而且與法蘭盤圓滑過(guò)渡，從而更有效地增加了法蘭的整體強(qiáng)度和剛度，另一方面，除去了平焊法蘭中短節(jié)與法蘭盤的連接焊縫，從而消除了存在焊接殘余應(yīng)力的可能性 。排氣口和排液口的大小一般不小于 15f mm。 本設(shè)計(jì)為臥式放置，故采用圖 。通常由數(shù)塊鋼板焊接制成，如下圖示。墊板的作用是改善殼體局部受力情況。 根據(jù)底板上螺栓孔形狀的不同，鞍座分成兩種型式，一種為固定鞍座，鞍座底板上開(kāi)長(zhǎng)圓形螺孔。每臺(tái)設(shè)備一般均用兩個(gè)鞍座支承，并且采用一個(gè)固定鞍座和一個(gè)滑動(dòng)鞍座。 根據(jù) JB/T 4712 鞍式支座，其直徑范圍為 DN159～ 4000。輕型可以滿足一般容器的使用要求；重型可以滿足換熱器，介質(zhì)比重較大的 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 26 設(shè)備或長(zhǎng)徑比較大的設(shè)備的使用要求。包角重型帶墊板的 BI 型鞍式支座，其公稱直徑為800mm。 根據(jù) JB/T 4712 查得其主要參數(shù)為： 鞍座高度 h 200mm? ； 底板； ， mm10mm1 5 0bmm7 2 0l 111 ??? ? 腹板； ，mm82 ?? 筋板； ， mm8mm1 2 0bmm4 0 0l 333 ??? ? 墊板弧長(zhǎng) ， mm65emm6mm2 6 0b 9 4 0 m m 44 ??? ? 螺栓間距 ，mm530l2 ? 圖 BI型鞍式支座 第四章 換熱器各部分零件結(jié)構(gòu)型式的選擇 27 浮頭式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)及三維 造型 28 第五章 設(shè)計(jì)計(jì)算 換熱面積的校核 本設(shè)計(jì) 換熱管規(guī)格為 25 ?? ，管長(zhǎng) l=，由排管圖區(qū)實(shí)際換熱管數(shù) N=498 根。 則實(shí)際傳熱面積： 20p 7 24 9 2 ????????? ）（）（ ?? (51) 而任務(wù)書給出的傳熱面積 S=160 m2 則傳熱面積裕度 ： %%100160 %100S SSH p ??????? (52) 傳熱面積裕度合適。 此時(shí)（ Pc=P=） 計(jì)算厚度 ? ? ???? ???? ct ic pDp ??? (53) 設(shè)計(jì)厚度 ????? Cd ?? (54) 名義厚度 圓整??? 1dn C?? ，