浮头式换热器E201设计

浮头式换热器的设计

摘 要

本设计说明书是关于浮头式换热器的设计，主要是进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。

换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备。近二三十年来，化工、石油、轻工等过程工业得到了迅猛发展。因此，要求提供尺寸小，重量轻、换热能力大的换热设备。在设计过程中，我尽量采用较新的国家标准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合生产实际需要，适合市场激烈的竞争。同时为了使本次设计能够进行顺利，我在设计前参阅了许多有关书籍和英文文献，并做了一定量的外文翻译工作。

设计的前半部分主要是对换热器的原理、结构进行的详细的描述，从而进行换热器的选型，结构设计分析。设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件的设计，如管板、折流板、定距管、钩圈、管箱等。包括：设计计算、材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。最后绘制一张装配图，三张零部件图。

关键词：浮头式换热器；设计；校核

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Floating Head Heat Exchanger Design

Abstract

This design manual is about the floating head heat exchanger design, mainly for the heat exchanger process calculation, heat exchanger design of the structure and strength.

Heat exchanger is the chemical, oil refining, power, food, light industry, atomic energy, pharmaceutical, machinery, and other widely used in many industrial sectors as a general-purpose device. The past 23 years, chemical, petroleum, light industry and other process industries have been developing rapidly. Therefore, the required small size, light weight, large capacity heat exchanger heat transfer equipment. In the design process, I try to use a relatively new national standard, so not only meet the design requirements, but also to structural optimization, cost reduction, mainly to improve economic efficiency, and strive to make the products meet the actual needs of production for the market competition. Meanwhile, in order to make this design smoothly carried out, I read a lot before in the design of the books and English literature, and to do a certain amount of foreign language translation work

The first part of the design is mainly the principle of heat exchanger, a detailed description of the structure, which for heat exchanger selection, structure design. The latter part is about the design of the structure and strength of the special heat exchanger, which is mainly to design the parts, such as tube-sheet, baffle plate, distance control,

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floating cover, tube boxes and so on , based on the heat exchanger types selected. The paper include: design and calculation, material selection, determining the specific dimensions , determining the exact location, pipe thickness calculation, the floating head cover and floating head flange thickness calculation, the opening reinforcement calculation. Finally I draw an assembly map, three parts diagram.

Key words: Floating Head Heat Exchanger; Design; Check

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目录

1 前言 ............................................................... 1 2 说明部分 ........................................................... 3 2.1 换热器的分类及其特点............................................ 3 2.2 浮头式换热器.................................................... 5 2.3 浮头式换热器特点................................................ 6 3 计算部分 ........................................................... 7 3.1 筒体的计算...................................................... 7 3.1.1 原始数据.................................................... 7 3.1.2 厚度的计算.................................................. 8 3.1.3 压力试验应力校核............................................ 8 3.2 前后端封头的计算................................................ 9 3.2.1 计算条件.................................................... 9 3.2.2 前端封头的厚度计算.......................................... 9 3.2.3 后端封头的厚度计算......................................... 10 3.3 前后端短节厚度的计算........................................... 11 3.3.1 计算条件................................................... 11 3.3.2 前端短节厚度的计算......................................... 12 3.3.3 后端短节厚度的计算........................................ 12

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3.4 带法兰无折边球形封头及法兰计算................................. 13 3.4.1 符号说明................................................... 13 3.4.2 设计条件................................................... 13 3.4.3 管程压力Pt作用下（内压）浮头盖的计算...................... 14 3.4.4 壳程压力Ps作用下（外压）浮头盖的计算...................... 20 3.5 管板的厚度计算................................................. 26 3.5.1 固定管板的设计条件......................................... 26 3.5.2 浮动管板的设计条件......................................... 30 3.6 钩圈的计算..................................................... 34 3.6.1 设计条件................................................... 34 3.6.2 钩圈计算厚度............................................... 34 3.7 开孔与开孔补强的计算........................................... 35 3.7.1 符号说明................................................... 35 3.7.2 补强的判断方法............................................. 36 3.7.3 筒体开孔所需的补强面积..................................... 36 3.7.4 有效补强范围............................................... 37 3.7.5 有效补强面积............................................... 38 4结 论.............................................................. 40 参考文献 ............................................................ 41 谢辞 ................................................................ 42

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1 前言

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 换热器的应用广泛，它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。

在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。

换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂中，约占总投资的35%～40%。

例如，如烟道气（约200～300℃）、高炉炉气（约1500℃）、需要冷却的化学反应工艺气（300～1000℃）等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。

由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。

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二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。

30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。

60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。

此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。

近二三十年来，化工、石油、轻工等过程工业得到了迅猛发展。能源紧缺已成为世界性重大问题之一，各工业部分都在大力发展大容量、高性能设备，以减少设备的投资和运转费用。因此，要求提供尺寸小，重量轻、换热能力大的换热设备。特别是20世纪70年代的世界能源危机，加速了当代先进换热技术和节能技术的发展。世界各国十分重视传热强化和热能回收利用的研究和开发工作，开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备来提高工业生产经济效益，并取得了丰硕成果。到目前为止，已研究和开发出多种新的强化传热技术和高效传热元件。为了强化传在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

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2 说明部分

2.1 换热器的分类及其特点

在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设备。 按作用原理或传热方式分类：

按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式。 (1) 直接接触式换热器

这类换热器又称混合式换热器，它是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器。如冷却塔、冷却冷凝器等。为增加两流体的接触面积，以达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场所。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。

(2) 蓄热式换热器

这类换热器又称回热式换热器。它是借助于由固体(如固体调料或多孔性格子砖等)构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。在换热器内首先由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由冷流体

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通过，由蓄热体把热量释放给冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两种流体少量混合。若两种流体不允许混合，则不能采用蓄热式换热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单体体积传热面积大，故较适合用于气-气热交换的场合。如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。

(3) 间壁式换热器

这种换热器又称表面式换热器。它是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷、热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样。

(4) 中间载热体式换热器

这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。 间壁式换热器分类：

间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。 1管式换热器 ○

这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式不同大致可以分为蛇管式换热器、套管式换热器、管壳式换热器和缠绕管式换热器等。

2板面式换热器 ○

此类换热器都是以板面作为传热面，按传热板面的结构形式可分分为以下五

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种：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器。

板面式换热器的传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制造，在大规模组织成产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。

3其他型式换热器 ○

这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器，一般是为满足某些工艺特殊要求而设计的，如石墨换热器、聚四氟乙烯换热器和热管换热器等。

2.2 浮头式换热器

图1 浮头式换热器

浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以

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该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通；在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。

2.3 浮头式换热器特点

浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，这个特点在现场能看出来。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。

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3 计算部分

3.1 筒体的计算 3.1.1 原始数据

（1）设计条件

设计压力： 管程 2.0MPa, 壳程 2.0MPa 设计温度： 管程 200℃, 壳程 200℃ （2）操作介质

管程：柴油，壳程：循环水 （3）程数 管程：2， 壳程：1 （4）换热面积 350m2

（5）保温材料与厚度 岩棉 100mm （6）计算条件

Di?1000mm 钢板负偏差 C1=O 材料名称 16MnR

腐蚀裕量 C2=2mm 焊接系数 ??0.85 操作温度下许用应力[?]=170MPa 设计温度下许用应力[?]t=170MPa

设计温度下屈服点?s=345MPa

由GB6654《压力容器用钢板》，GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定，

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压力容器专用钢板偏差不大于0.25mm，因此使用标准钢板厚度超过5mm时可取C1=O。

3.1.2 厚度的计算

计算厚度?：

??PCDi2??2?10002?170?0.85?2??t?PC??6.96mm设计厚度?d： ?d???2?8.96mm 名义厚度?n： ?n??d?C2???14mm

有效厚度?e： ?e??n?C1?C2?14?0?2?12mm

3.1.3 压力试验应力校核

压力试验类型：水压试验 允许最大操作压力?Pw?：

?Pw??2?e???Di?t????e????2?12?170?0.851000?12?3.43MPa水压试验校核：

?t?PT?Di??e?2?e?3.125??1000?12?2?12?131.78MPaPT?1.25P???t?1.25?4?170170?3.125MPa0.9?S?0.9?345?310.5MPa

?t?0.9?s?满足要求

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3.2 前后端封头的计算 3.2.1 计算条件

计算压力： Pc?2.0MPa；

内径： Di前?1000mm，Di后?1100mm； 设计温度： 200℃； 材料名称： 16MnR； 腐蚀裕量： C2?2mm；

负偏差： C1?0； 焊接系数： ??0.85；

设计温度许用应力：[?]t=170Mpa。

3.2.2 前端封头的厚度计算

（1）厚度计算

Di?1000i； ?2D2hi根据化工设备设计手册查表得到椭圆封头形状系数： K=1； 计算厚度?：

??

PCDi2????t?0.5PC?2?10002?170?0.85?0.5?2?6.94mm设计厚度?d：

?d???C2?6.94?2?8.94mm

名义厚度?n：

?n??d?C1???8.94?0?5.06?14mm

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有效厚度?e：

?e??n?C1?C2?14?0?2?12mm

（2）压力试验应力校核 压力试验类型：水压试验 最大允许压力?Pw?：

?Pw??2?e???t?K?Di??e??2?12?170?0.851000?12?3.43MPa水压试验校核：

PT?1.25?Pc???????t?1.25?2?170170?2.5MPa由于 PT＜?Pw?，所以该前端封头的厚度满足使用要求。

3.2.3 后端封头的厚度计算

（1）厚度计算：

i ?2； Di?1100；

D2hi根据化工设备设计手册查表得到椭圆封头形状系数：K?1； 计算厚度?：

??KPCDi2????t?0.5PC?2?11002?170?0.85?0.5?2?7.61mm设计厚度?d：

?d???C2?7.61?2?9.61mm

名义厚度?n：

?n??d?C1???9.61?0?4.39?14mm

有效厚度?e：

?e??n?C1?C2?14?0?2?12mm

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（2）压力试验应力校核 压力试验类型：水压试验 最大允许压力?Pw?：

?Pw??2?e???t?K?Di?0.5?e??2?12?170?0.851100?0.5?12?3.17MPa水压试验校核：

PT?1.25?Pc???????t?1.25?2?170170?2.5MPa 由于PT＜?Pw?，所以该后端封头的厚度满足使用要求。 3.3 前后端短节厚度的计算 3.3.1 计算条件

内径： Di前?1000mm 负偏差： C1?0 计算压力：Pc?2.0MPa 设计温度：200℃ 材料名称：16MnR 板材厚度：16-36mm 板材厚度：6-16mm 腐蚀裕量：C2?2mm 焊接系数：??0.85

操作温度许用应力：[?]=170MPa 设计温度许用应力：[?]=159MPa

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t

3.3.2 前端短节厚度的计算

计算厚度?： ??设计厚度?d：

?d???C2?7.45?2?9.45mm

PCDi2????t?PC?2?10002?159?0.85?2?7.45mm名义厚度?n：

?n??d?C1???9.45?0?14.55?24mm

有效厚度?e：

?e??n?C1?C2?24?0?2?22mm

3.3.3 后端短节厚度的计算

计算厚度?：

??PCDi2????t?PC?2?11002?170?0.85?2?7.66mm设计厚度?d：

?d???C2?7.66?2?9.66mm

名义厚度?n：

?n??d?C1???9.66?0?4.34?14mm

有效厚度?e：

?e??n?C1?C2?14?0?2?12mm

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3.4 带法兰无折边球形封头及法兰计算 3.4.1 符号说明

D-法兰外直径，mm； Db-螺栓中心圆直径，mm； Di-法兰内直径，mm；

FD-作用在法兰环内侧风头压力载荷引起的轴向分力，N； FD=0.785Di2PC

Fr-作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的径向分力，N； M0-总力矩，N·mm； Pc-计算压力，MPa；

Ri-封头球面部分内直径，mm；

LD-螺栓中心至法兰环内直侧的径向距离，mm Lr- Fr对法兰环截面形心的力臂，mm；

β1-封头边缘处球壳中面切线与法兰环直径的夹角（°）；

?-封头计算厚度，mm； ?f-法兰计算厚度，mm；

3.4.2 设计条件

计算压力：Pc?2.0MPa； 设计压力：Pt?2.0MPa； 设计温度：200℃；

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封头材料：16MnR 许用应力：????170MPa 法兰材料：16MnR

法兰材料设计温度下许用应力：???f?135MPa； 法兰常温下许用应力：???f?150MPa； 螺栓： 双头螺栓M27?270?B； 螺栓材料：40Cr；

螺栓材料常温下许用应力：????212MPa； 设计温度下许用应力：???b?180MPa； 封头半径：Ri?800mm； 焊缝系数：??0.85.

ttt3.4.3 管程压力Pt作用下（内压）浮头盖的计算

A）球冠形封头的厚度

6?170?0.856???? ?d???C2?9.23?4?13.23mm

t

??5PCRi?5?2?800?9.23mm

?n??d?C1???13.23?0?6.77?20mm

?e??n?C1?C2?20?0?4?16mm

B）浮头法兰厚度 ①设计条件：

浮头法兰的材料：16MnR

在常温下许用应力：???f=150MPa

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在200°时许用应力：???f=135MPa 螺栓的材料：40Cr

在常温下许用应力：???b=212MPa 在200°时许用应力：???=180MPa

btt垫片材料：碳钢 垫片系数：2.50 比压力y：69MPa 垫片外径DGo：992mm 垫片内径 DGi：964mm

垫片接触宽度：N =（DGo-DGi）/2 =14mm 垫片基本密封宽度：b0?N2?14/2?7mm 当b0?6.4mm时，

垫片有效密封宽度：b?2.53b0?2.537?6.69mm 垫片压紧力作用中心圆直径：

DG?DG0?2b?992?2?6.69?978.62mm

预紧状态下需要的最小螺栓载荷：

Wa?3.14DGby?3.14?978.62?6.69?69?1418466.044N 操作状态下需要的最小螺栓载荷：

Wp?0.785DGPc?6.28DGbmPc

?0.785?978.62?2?6.28?978.62?6.69?2.5?2 ?1709159.24MPa15

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预紧状态下所需螺栓面积：

Aa?1418466.044212 ?6690 .88mm

操作状态下所需螺栓面积：

Ap?1709159.24180mm ?9495 .33所需螺栓面积Am取Aa和Ap的最大值，Am?9495.33mm 取44个M24的螺栓 螺栓有效面积A：

A??4d2?3.144?20.8?339.6mm

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实际螺栓面积总面积Ab：

Ab?An?339.6?44?14942.4mm?Am

2② 浮头法兰：

设法兰的计算厚度?f：?f?128mm； L=22mm； 当b0?6.4mm时，

垫片有效密封宽度：b?2.53b0?2.537?6.69 mm；

垫片压紧力作用中心圆直径：

DG?DG0?2b?992?2?6.69?978.62 mm；

预紧状态下需要的最小螺栓载荷：

Wa?3.14DGyb?3.14?978.62?69?6.69?1418466.04N

操作状态下需要的最小垫片压紧力：

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FG?FP?6.28DGbmpc

?6.28?978.62?6.69?2.5?2?205574.79F?0.785DGPC2

2?0.785?978.62?2 ?1503584.45N

螺栓面积：

A）预紧状态下需要的最小螺栓面积：

Am1?Wa[?]bWa[?]tb?1418466.04212?6690.88mm

2 B）操作状态下需要的最小螺栓面积：

Am2??1418466.04180?7880.37mm2

C）需要的螺栓面积Am取Am1与Am中较大者：

2 Am?7880.37mm2 D）实际的螺栓面积Ab应不小于螺栓面积Am：

Ab?Am?7880.37mm2

螺栓设计载荷：

A）预紧状态螺栓设计载荷计算 ：

W?0.5A(m?Ab?)[b ] =0.5（7880.37+11869.16）×212 =2093450.18N

B）操作状态下螺栓设计载荷：

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W?Wp?1709159.24N

fi??arcsin R?0.5?n0.5D ? arcsin 0.5 ? 956

800?0.5?20?36.16?

操作情况下法兰的受力情况：

FD?0.785DGbmPc?0.785?978.62?6.69?2.5?2?25696.85N FG?FP?6.28DGbmP?6.28?978.62?6.69?2.5?2?205574.79N cFT?F?FD?1503584.45-25696.85?1477887.6N

Fr?FDctg?1?25696.85?ctg36.16??35578.69N

操作状态情况下力臂

LD?LG?LT?12121(Db?Dfi)?(Db?DG)?(LD?LG)?121212(1030?956)?37mm

mm

(1030?978.62)?25.69Lr??f22(37?25.69)?31.345mm

??n2cos?1?l?1282?202cos?1?20?31.61mm

操作状态情况下力矩：

MMD?FDFD?25696.85?37?950783.4N?mm

G?FGLG?205574.79?25.69?5281213.79N?mm

MT?FTLT?1477887.6?31.345?46324386.82N?mm Mr?FrLr?35578.69?31.61?1124642.39N?mm

操作状态情况下法兰总力矩：

Mp?MD?MT?Mr ?950783.45?46324386.82?1124642.39

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?46150527.88N?mm

预紧状态下时螺栓法兰的受力：

FG?W?205574.79N

预紧状态下时螺栓法兰的力臂

11 ?（Db-DG）=(1030?978.62)?25.69LG22mm

预紧状态下螺栓法兰的力矩：

Ma?LG?FG?25.69?205574.79?5281216.35N?mm

L?PcDft8??t4Ri?Dft?Dfi22?f?Df0?2

?

JP?2?9564?800?95628?135(1080?956)?18.32mm

MtP[ ?]fDfi?Df?Dfi?0??D?D?fi??f0??46150527.88?1080?956??5871.39N?mm??135?956?1080?956?Ma?Df?Dfi?0??D?D?fi??f0?

Ja?

[?]fDfi?5281216.35150?956?1080?956??604.7N?mm?1080?956???

预紧状态下

?fa?Ja?604.7?24.59mm

操作状态下

19

?fp?L?JP?L 2?22.8?5871.39?22.82?102.75

法兰厚度?f取?fp与?fa的最大值102.75 mm，取厚度为128mm 法兰公称厚度：

?f??fa?Cc?Ct???24.59?2?2?99.41?128mm

3.4.4 壳程压力Ps作用下（外压）浮头盖的计算

① 外压球壳所需的有效厚度：

A）假设?n?20mm，令?e??n?C?20?4?16mm；

R0?Ri??n?820mm；

定出R0/?e?820/16?51.25 B）用公式计算出系数：

A?0.125R0/?e?0.125820/16?0.0025从GB-150图6-15中查得系数：

B?141MPa

根据GB-150材料图6-3至图6-10，在图的下方找出系数A，A的值落在设计温度下材料的右方，计算需用的外压力[p]:

[p]= B(R0/?e)?141MPa51.25?2.75MPa?2.75MPa?2.0MPa

??n?20mm

② 设计条件

垫片系数： m =2.50

20

比压力y ： 69MPa 垫片外径DGo：992mm 垫片内径DGi：964mm

垫片接触宽度： N =（DGo-DGi）/2 =14mm 垫片基本密封宽度：b0?N2?14/2?7mm 当b0?6.4mm时，

垫片有效密封宽度：b?2.53b0?2.537?6.69mm 垫片压紧力作用中心圆直径：

DG?DG0?2b?992?2?6.69?978.62mm

预紧状态下需要的最小螺栓载荷：

Wa?3.14DGby?3.14?978.62?6.69?69?1418466.044N 操作状态下需要的最小螺栓载荷：

Wp?0.785DGPc?6.28DGbmPc

?0.785?978.62?2?6.28?978.62?6.69?2.5?2

22?1709159.24MPa

预紧状态下所需螺栓面积：

Aa?1418466.044212?6690.88mm操作状态下所需螺栓面积：

Aa?1709159.24180?9495.33mm所需螺栓面积Am取Aa和Ap的最大值，Am?9495.33mm； 取44个M24螺栓

21

螺栓有效面积：

A?实际螺栓面积总面积：

Ab?An?339.6?44?14942.4mm?Am

2?4d2?3.144?20.8?339.6mm22③ 浮头法兰

设法兰计算厚度 ?f?128mm，L=22mm； 当b0?6.4mm时，

垫片有效密封宽度：b?2.53b0?2.537?6.69mm 垫片压紧力作用中心圆直径：

DG?DG0?2b?992?2?6.69?978.62mm

预紧状态下需要的最小螺栓载荷：

Wa?3.14DGyb

?3.14?978.62?69?6.69?1418466.04N

操作状态下需要的最小垫片压紧力：

FG?FP?6.28DGbmpc

?6.28?978.62?6.69?2.5?2?205574.79F?0.785DGPC2

2?0.785?978.62?2 ?1503584.45N22

螺栓面积：

A）预紧状态下需要的最小螺栓面积：

Am1?Wa[?]b?1418466.04212?6690.88mm2

B）操作状态下需要的最小螺栓面积：

Am2?Wa[?]bt?1418466.04180?7880.37mm2

C）需要的螺栓面积Am取Am1与Am中较大者：

2Am?7880.37mm2

D）实际的螺栓面积Ab应不小于需要的螺栓面积Am：

Ab?Am?7880.37mm2

螺栓设计载荷：

A）预紧状态螺栓载荷设计计算：

W?0.5(Am?Ab)[?]b

=0.5（7880.37+11869.16）×212 =2093450.18N

B）在操作状态螺栓设计载荷

W=WP=1709159.24N

fi??arcsin?arcsin?36.16? R?0.5?n800?0.5?200.5D0.5?956

操作情况下法兰的受力：

23

FD?0.785DGbmPc?0.785?978.62?6.69?2.5?2?25696.85NFG?FP?6.28DGbmPc?6.28?978.62?6.69?2.5?2?205574.79N

FT?F?FD?1503584.45-25696.85?1477887N

Fr?FDctg?1?25696.85?ctg36.16??35578.69N

操作状态情况下力臂：

LD?LG?12121(Db?Dfi)?(Db?DG)?121(1030?956)?37mm(1030?978.62)?25.69mm21LT?(LD?LG)?(37?25.69)?31.345mm22Lr??f2??n2cos?1?l?1282?202cos?1?20?31.61mm操作状态情况下力矩：

MMD?FDFD?25696.85?37?950783.4N?mm

G?FGLG?205574.79?25.69?5281213.79N?mm

MT?FTLT?1477887.6?31.345?46324386.82N?mm Mr?FrLr?35578.69?31.61?1124642.39N?mm

操作状态情况下法兰总力矩：

Mp?MD?MT?Mr ?950783.45?46324386.82?1124642.39

?46150527.88N?mm

预紧状态下时螺栓法兰的受力：

FG?W?205574.79N

预紧状态下时螺栓法兰的力臂：

LG?（Db-DG）=(1030?978.62)?25.69mm2224

11预紧状态下时螺栓法兰的力矩：

Ma?LG?FG?25.69?205574.79?5281216.35N?mm

L?8[?]f(Dfo?Dfi)tPCDfi4Ri?Dfi22 ?2?9564?8002?95628?135(1080?956)MP?18.32mm

JP?t [?]fDfi?Df?Dfi?0??D?D?f0fi????46150527.88?1080?956??135?956??1080?956??5871.39N?mm

Ja?

Ma[?]fDfi?Df?Dfi?0??D?D?fi??f0??5281216.35150?956?1080?956??604.7N?mm?1080?956???

预紧状态下：

?fa?Ja?604.7?24.59mm

操作状态下：

?fp?L?JP?L 2?22.8?5871.39?22.82?102.75

法兰厚度?f取?fp与?fa的最大值50.44，取厚度为128mm， 法兰公称厚度：

25

?f??fa?Cc?Ct???24.59?2?2?99.41?128mm

3.5 管板的厚度计算 3.5.1 固定管板的设计条件

管壳程设计压力：P?2.0MPa 设计温度：200℃ 腐蚀裕量：C2?2mm 管程数：2

管板设计温度下的弹性模量：EP?196?103MPa 管板刚度削弱系数：??0.4 管板强度削弱系数：??0.4

垫片压紧力作用中心圆直径：DG?978.62mm 换热管与管板采用胀接

管子与管板胀接长度系数：L=2.5mm 垫片外径：D?992mm 垫片内径：D?964mm

管板设计温度下许用应力：[?]tr?135MPa 许用拉脱力：[q]?0.5[?]tt?0.5?101?50.5MPa 壳体公称直径：DN?1000mm 换热管外径：d0?19mm 换热管壁厚：?t?2mm

26

换热管根数：n=1006 换热管长度：l?5994mm 受压失稳长度 ：lcr?600mm 换热管正方形旋转45o 管间距：s?25mm

管板上管程分程隔板槽深：H1?5mm 壳程结构槽深：H2?0 换热管材料：10钢 管板材料：16MnR A 管子各参数的计算

沿隔板槽一侧的排管根数：n'?26 隔板曹两侧相邻管中心距：sn?38mm

2布管区内未被换热管支撑的面：Ad?n's?sn?s??26?25??38?25??8450mm

2na?n??（d-?t）=1006?3.14?2?管子金属总截面积：（19-2）=107400.56mm t开孔面积：n?d2/4?1006?3.14?192/4?285085.31mm2 管子有效长度：L?5994?2?78?5838mm 管子设计温度下弹性模量：Et?186?103MPa 管子设计温度下许用应力：[?]tt?101MPa 管子设计温度下屈服点：?st?162MPa 管子回转半径： i?14d?(d?2?t)?221419?(19?2?2)?6.05mm22受压失稳长度： lcr?600mm

27

系数：C r ?当

lcri?Cr2?Et2?ts?2?3.14?186?1016223?150.47时，

6002?300?Cr?150.47管子稳定许用应力： [?]cr?B 系数计算

垫片接触面积： N?992?9642N2?Et2(lcr/i)22?3.14?186?102(600/6.05)223?93.22MPa?14mm垫片基本密封宽度： b0??7mm当b0?6.4mm时, b?2.53b?6.69mm

DG?D?2b?992?2?6.69?978.62mm

管板补管区面积：

At?ns?Ad?1006?25?7150?635900mm222

布管区内开孔后面积：

Al?At?n?d/4?635900?1006?3.14?19/4?350814.69mm222

管板布管当量直径：

Dt?4At/??4?635900/3.14?900.03mm

2管束模数：

Kt?Et?naL?Dt?186?10?107400.565838?900.033?3800.79管束无量纲：

??kt?kt??EP?3800.790.4?196?103?0.047系数： ??na/Al?107400.56/350814.69?0.306 ?t?Dt/DG?900.03/978.62?0.919 无量纲压力：

28

Pa?Pd1.5?[?]tr?21.5?0.4?135?0.025

????????1/3按 kt/Pa1/2 ，1/?t 查表????????1/3按 kt/Pa1/2 ，1/?t 查表

23得， C?0.35 24得， Gwe?4.6

管板计算厚度：

??DtCPa?900.03?0.35?0.025?49.81mm

当量压力组合：

Pc?Ps?Pt?1????2?2??1?0.306???0.612MPa

管板的名义厚度： ?n?78mm C 管子应力及校核

A）当Ps?2.0MPa，Pt?0 时 Pc?2.0MPa 则 ?t??Pc??Ps?Pt?tGwe????Al?1?A?635900?? 2?2??4.6??0.306?350814.69?1 ??59.95MPa

??t?0

，?t????cr?135MPa

?管板合格.

B) 当Ps?0，Pt?2.0MPa 时 Pc?2.9MPa 则 ?t??Pc??Ps?Pt?tGwe????Al?1?A?635900???3.625?2??4.6?0.306?350814.69??1

?56.27MPa

??t?0

，?t????cr?135MPa

29

?管板合格.

D 拉脱力校核

q??ta?dl??59.95?106.783.14?19?2.5?42.92MPa ?q1??q1??50.5MPa ?管子与管板的结合合格 .

3.5.2 浮动管板的设计条件

管壳程设计压力：P?2.0MPa 设计温度：200℃ 腐蚀裕量：C2?2mm 管程数：2

垫片外径：D?1087mm 垫片内径：D?1047mm

管板设计温度下的弹性模量：EP?196?103MPa 管板刚度削弱系数：??0.4 管板强度削弱系数：??0.4

管板设计温度下许用应力：[?]tr?135MPa 换热管与管板采用胀接

管子与管板胀接长度系数：L=2.5mm

许用拉脱力：[q]?0.5[?]tt?0.5?101?50.5MPa 壳体公称直径：DN?1000mm 换热管外径：d0?19mm

30

换热管壁厚：?t?2mm 换热管根数：n=1006 换热管长度：l?5994mm 受压失稳长度：lcr?600mm 换热管正方形旋转45o 管间距：s?25mm

管板上管程分程隔板槽深：H1?5mm 壳程结构槽深：H2?0 换热管材料：10钢 管板材料：16MnR A 管子各参数的计算

沿隔板槽一侧的排管根数：n'?26 隔板曹两侧相邻管中心距：sn?38mm 布管区内未被换热管支撑的面积：

Ad?n's?sn?s??26?25??38?25??8450mm2

管子金属总截面积：

na?n??（d-?t）=1006?3.14?2?（19-2）=107400.56mmt2

4开孔面积： n?d2/?10?06?3.14?192/42mm85 085.312管子有效长度：L?5994?2?78?5838mm 管子设计温度下弹性模量：Et?186?103MPa 管子设计温度下许用应力：[?]tt?101MPa

31

管子设计温度下屈服点：?st?162MPa

i? 管子回转半径：

14d?(d?2?t)?221419?(19?2?2)?6.05mm22受压失稳长度：lcr?600mm 系数：C r ?li2?Et2?ts?2?3.14?186?1016223?150.47当 cr ? C r 时，

6002?300?Cr?150.47管子稳定许用应力：

B 系数计算

[?]cr??Et2(lcr/i)22?3.14?186?102(600/6.05)223?93.22MPa垫片接触面积：N?1087?10472N2?20mm

垫片基本密封宽度：b ?0?10mm当b0?6.4mm时, b?2.53b?8.0mm

DG?D?2b?1087?2?8?1071mm

管板补管区面积：

At?ns?Ad?1006?25?7150?635900mm222

布管区内开孔后面积：

Al?At?n?d/4?635900?1006?3.14?19/4?350814.69mm222

管板布管当量直径：

Dt?4At/??4?635900/3.14?900.03mm

2管束模数： Kt?Et?naL?Dt?186?10?107400.565838?900.033?3800.7932

管束无量纲：

??kt?kt?3800.793??EP0.4?196?10系数：??na/Al?107400.56/350814.69?0.306

?0.047

?t?Dt/DG?900.03/1071?0.84 无量纲压力：

Pa?Pd1.5?[?]tr?21.5?0.4?135?0.025

????????1/3按 kt/Pa1/2 ，1/?t 查表????????1/3按 kt/Pa1/2 ，1/?t 查表

23 C?0.6 24 Gwe?3.45

管板计算厚度：

??DtCPa?900.03?0.35?0.025?49.81mm

当量压力组合 ：

Pc?Ps?Pt?1????2?2??1?0.306???0.612MPa

管板的名义厚度：?n?78mm C 管子应力及校核

A）当Ps?2.0MPa，Pt?0 时 Pc?2.0MPa

?At1?P?P?PG??stwe??c??Al?1?635900? ? 2?2??3.45??0.306?350814.69?则 ?t?7P a ??42.9M??t?0

，?t????cr?135MPa

33

?管板合格.

B) 当Ps?0，Pt?2.0MPa 时 Pc?2.9MPa 则 ?t??At1?P?P?PG??stwe??c??Al?635900???3.625?2??3.45?0.306?350814.69??1 ?

7P a ?30.9M??t?0

，?t????cr?135MPa

?管板合格.

3.5.2.4拉脱力校核 q??ta?dl??59.95?106.783.14?19?2.5?42.92MPa?q1??q1??50.5MPa

?管子与管板的结合合格 .

3.6 钩圈的计算 3.6.1 设计条件

材料： 16MnR 设计温度： 200℃

3.6.2 钩圈计算厚度

???1?16?78?16?94mm

注: ?1-浮头管板的计算厚度

34

3.7 开孔与开孔补强的计算 3.7.1 符号说明

A--开孔削弱所需要的补强截面积，mm2； B--补强有效宽度，mm； Di--壳体内直径，mm； d--开孔直径，mm； fr--强度削弱系数

h1--接管外侧有效补强高度，mm； h2--接管内侧有效补强高度，mm； pc--计算压力，MPa； S1--管孔的轴向节距，mm； S2--孔带的单位长度，mm； S3--管孔的对角向节距，mm；

?--壳体开孔处的计算厚度，mm； ?e--壳体开孔处的有效厚度，mm； ?et

--接管有效厚度，mm；

?n---壳体开孔处的名义厚度，mm； ?nt

---接管名义厚度，mm；

?t----接管计算厚度，mm；

[?]t--设计温度下壳体材料的许用应力，MPa;

35

?b---钢材标准抗拉强度下限值，MPa; ?s---刚才标准屈服点，MPa;

?-----焊接接头系数。

3.7.2 补强的判断方法

壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：

a) 设计压力小于或等于2.5MPa；

b) 两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和的两倍； c) 接管公称外径小于或等于89mm； d) 接管最小壁厚满足表3.1要求。

本设计中开孔外径d=273mm，不满足上述要求，故需考虑另行补强。

3.7.3 筒体开孔所需的补强面积

开孔直径：di =273-2×9=255mm；

本圆筒开孔直径： d =di+2C=255+2×2=259mm；

表3.1 mm

接管公称外径 最小壁厚 注 1 钢材的标准抗拉强度下限值?b>540MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。 2 接管的腐蚀裕量为1mm。 接管材料：20号钢；

36

25 32 38 3.5 45 48 57 65 76 89 4.0 5.0 6.0 在200 ℃时， 20号钢的许用应力 [?]=123MPa； 圆筒和补强圈的材料：16MnR ；

在200 ℃时， 16MnR的许用应力 [?]t =170MPa； 圆筒的计算厚度?：

??PCDi2??2?10002?170?0.85?2t

??t?PC??6.97mm对于安放式接管取 fr=1.0 接管有效厚度?et为：

?et??nt?C?9?2?7mm

开孔所需补强面积：

A=d?+2?et (1-fr)=259?6.97+0=1805.23mm2

3.7.4 有效补强范围

a. 有效宽度B：

B=2d=2?259=518 mm B=d+2?n+2?取两者中最大值，故取 B=518 mm b.外侧有效高度h1：

h1=d?nt=259?9=48.28 mm h1=0

取两者中最大值，故取h1=48.28 mm。 c.内侧有效高度：

h2=d?nt=259?9=48.28 mm

37

nt=259+28+18=327 mm

h2=0

取两者中最小值，故h2=0。

3.7.5 有效补强面积

a. 筒体多余金属面积 筒体有效厚度?e：

?e??n?C?14?2?12

A1-壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2

A1 =（B-d）（?e- ?）-2 ?et（1-fr） = (518-259) ? (22-6.97)-0 = 3892.77 mm2

注：对于安放式接管fr=1.0 b. 接管多余金属 接管计算厚度?t：

? t ? PCdi2??

?n?t?PC?2?2592?123?0.85?2?2.5mm接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A2：

A2 = 2h1(?et -?t)fr+2h2(?et-C2)fr

=2?48.28（7-2.5）?1.0+0 =434.52 mm2

焊缝金属截面积A3： 焊脚高度取9.0 mm

A3=2? ?9.0?9.0=81m2

238

1

有效补强面积Ae：

Ae=A1+A2+A3=3892.77+434.52+81=4408.29mm

因为A≦Ae，则开孔不另需补强。

2

39

4结 论

本设计参阅了大量的相关书籍和资料，并严格依照GB 150-1998《钢制压力容器》和GB 151-1999《管壳式换热器》的规定进行相应的计算。在设计过程中，其结构的选择，要考虑到总体结构的特点，而对相应结构的优缺点进行对比而选择，对选定的结构进行强度校核和水压试验。

提高传热效率和抗腐蚀的材料是炼油、化工等许多部门的要求。在能源日渐被消耗的今天，应在满足强度校核的条件下，尽可能的减少材料的消耗。在本设计中，对换热器的中存在的问题进行了解决和对结构进行了最优的选择，但设计

可能存在一些缺陷，需要进一步的探索和研究，望老师给与指正。

40

参考文献

[1] GB150—1998《钢制压力容器》［Ｍ］．国家技术监督局． [2] GB151—1999《管壳式换热器》［Ｍ］． 国家技术监督局．

[3] 毛希澜．化工设备设计全书—换热器设计［Ｍ］．上海：上海科技出版社，1986 [4] 朱有庭等．化工设备设计手册［Ｍ］． 北京：化学工业出版社， 2005 [5] 黄嘉琥编． 压力容器材料实用手册［Ｍ］． 北京：化学工业出版社，1997 [6] 黄载生主编．化工机械力学基础［Ｍ］． 北京：化学工业出版社， 1990 [7] 王宽福编． 压力容器焊接结构工程分析［Ｍ］． 北京：化学工业出版社， 1998 [8] 卓震主编． 化工容器及设备［Ｍ］． 北京：中国石化出版社， 1995 [9] 郑津洋等． 过程设备设计［Ｍ］． 北京：化学工业出版社， 2005

[10] 贺匡国主编． 化工容器及设备简明设计手册［Ｍ］． 北京：化学工业出版社， 1991 [11] 邹广华等． 过程装备制造与检测［Ｍ］． 北京：化学工业出版社， 2004 [12] 杨可桢主编． 机械设计基础［Ｍ］． 北京：高等教育出版社， 2003 [13] 王志魁主编． 化工原理［Ｍ］． 北京：高等教育出版社， 2001 [14] CODAP: French Code for the construction of unfired pressure vessels.

Part M. Appendix MAZ; 1984.

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谢辞

本研究及学位论文是在我的导师张丽的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，张老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。一直以来，张老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!

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