浮头式换热器设计说明书

2011级工程实验班-设备设计说明书

反应产物冷却器的设计

姓名：XXX 班级:XXXX 学号：XXXXXXXXXXX

摘要：本设备设计是根据AES浮头式换热器设计条件图（一）而设计的。设备为浮头式换热器，其类型为：AES；换热器的管程介质为循环水，操作压力为：0.65MPa，操作温度（入口/出口）为：40/50℃；换热器的壳程介质为反应产物，操作压力为：0.1MPa，操作温度为(入口/出口）：110/90℃；

设计主要依据标准和法规为：TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》、GB150.1~4-2011《压力容器》、GB151-1999《管壳式换热器》等。

对浮头式换热器进行了材料选择、结构设计和强度计算。浮头换热器结构复杂，金属消耗大，成本较高；但是它的管束可以抽出，管、壳程方便清洗；介质间温差不受限制；可在高温、高压下工作；可用于结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合。易满足设计条件和经济性的要求。

关键词：换热器，强度计算，结构设计

1

2011级工程实验班-设备设计说明书

目 录

反应产物冷却器的设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 目 录 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 第1章 概述 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

第1.1节 设备的简介 --------------------------------------------------------------------------------------------- 4 第2章 结构设计 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6

第2.1节 材料的选择 --------------------------------------------------------------------------------------------- 6

2.1.1 壳程材料的选择 --------------------------------------------------------------------------------------- 6 2.1.2 管程材料的选择 --------------------------------------------------------------------------------------- 7 第2.2节 主要结构设计 ------------------------------------------------------------------------------------------ 7

2.2.1 管程结构 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 7 2.2.2 壳程结构 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 10 2.2.3 外头盖端结构 ----------------------------------------------------------------------------------------- 13 2.2.4 容器法兰和管法兰 ---------------------------------------------------------------------------------- 14 2.2.5 支座 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 16

第3章 设计计算 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 17

第3.1节 管箱结构设计计算 ---------------------------------------------------------------------------------- 17

3.1.1管箱筒体 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 17 3.1.2管箱法兰 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 18 第3.2节 平盖的结构设计计算 ------------------------------------------------------------------------------- 19 第3.3节 管板的设计计算 -------------------------------------------------------------------------------------- 21 第3.4节 壳程筒体结构设计计算 ---------------------------------------------------------------------------- 26

3.4.1 筒体设计计算 --------------------------------------------------------------------------------------- 26 3.4.2壳体法兰设计 ---------------------------------------------------------------------------------------- 26 第3.5节 外头盖结构设计计算 ------------------------------------------------------------------------------- 31

3.5.1 外头盖筒体 ------------------------------------------------------------------------------------------ 31 3.5.2 凸型封头 --------------------------------------------------------------------------------------------- 32 3.5.3 外头盖侧法兰 --------------------------------------------------------------------------------------- 33 3.5.4外头盖法兰 ------------------------------------------------------------------------------------------- 38 3.5.5 浮头法兰的设计计算 ------------------------------------------------------------------------------ 42 3.5.6钩圈的设计计算 ------------------------------------------------------------------------------------- 49 3.5.7球冠形封头计算 ------------------------------------------------------------------------------------- 49 第3·6节 开孔补强计算 -------------------------------------------------------------------------------------- 50

3.6.1管程开孔补强 ---------------------------------------------------------------------------------------- 50 3.6.2壳程开孔补强 ---------------------------------------------------------------------------------------- 51 3.6.3外头盖开孔补强 ------------------------------------------------------------------------------------- 54 第3·7节 鞍座支反力计算 ---------------------------------------------------------------------------------- 54 第4章 制造、安装与检验 -------------------------------------------------------------------------------------------- 55

第4.1节 液压试验 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 56 第4.2节 管程水压试验 ----------------------------------------------------------------------------------------- 56 第4.3节 零部件的制造工艺及要求 ------------------------------------------------------------------------- 57

2

2011级工程实验班-设备设计说明书

4.3.1圆筒 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 57 4.3.2管箱 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 57 4.3.3换热管 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 57 4.3.4管板 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 57 4.3.5折流板、支持板 ------------------------------------------------------------------------------------- 58 4.3.6管束的组装 ------------------------------------------------------------------------------------------- 58 第4.4节 检验和验收 -------------------------------------------------------------------------------------------- 58 第5章 经济性分析 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 59 参考文献 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 60 符号说明 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 61 致谢 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 63

3

2011级工程实验班-设备设计说明书

第1章 概述

第1.1节 设备的简介

本设备是一台单壳程四管程的AES浮头式冷却器。该冷却器壳程的工作介质为反应产物，壳程腐蚀余量为0mm；管程走循环冷却水，腐蚀余量为2mm。壳程的工作压力为0.1MPa，设计压力为0.11MPa，出、入口的工作温度分别为为90、110℃，壳程设计温度取110℃；管程的工作压力为0.65MPa，工作压力为0.715MPa，出、入口的工作温度分别为50、40℃，管程设计温度取50℃。壳程材料主要使用S30408，管程材料主要使用Q345R。本冷凝器的公称直径为800mm，换热管的排列形式为正三角形，材料选用S30408，规格φ25×2mm，长度为6000mm，上下缺边折流板的数量为29块，间距为170mm，缺边高度约为Di×30%，支持板1块，设备设计寿命为10年。

第1.2节 设备的基本结构

该浮头式换热器主要由平盖管箱、接管、接管法兰、固定管板、壳体法兰、壳体、防冲板、外头盖侧法兰、外头盖、浮动管板、浮头盖、钩圈、浮头法兰、管束、等长双头螺柱、螺母、垫片、吊耳、支座、接地板、顶起螺栓等组成。浮头换热器的一端管板与壳体固定，另一端为浮动管板。因此其优点为热应力较小，便于检查和清洗。缺点为结构较为复杂。由本次课程设计所给定的设计条件可以确定浮头式换热器的基本结构。

1.换热器的公称直径为DN800mm，设备总长度大约为7400mm，设备静质量为5678kg。壳程介质为反应产物。

2.壳体圆筒和外头盖封头材料为S30408，外头盖封头为标准的椭圆形封头。 3.换热器的管程介质为循环水，此换热器为四管程，管箱内设有两块分程隔板；管箱封头在此设备要求中为平盖，平盖材料为16MnⅡ锻件；管箱筒体连接法兰选择长颈对焊法兰；管箱筒体公称直径DN=800mm，材料为Q245R。

4.壳体法兰为自行设计的甲型平焊法兰加不锈钢凹面衬环；外头盖侧法兰选用长颈对焊法兰，加不锈钢凸面衬环和不锈钢衬筒。壳程筒体材料为S30408，总长约为5705mm。 5.固定管板材料为S30408Ⅲ，一共有422根换热管与管板连接，换热管规格为φ25×2mm，长度为6000mm；壳程设有29块折流板和1块支持版，材料为S30408；壳程介质入口处设有防冲板，材料为S30408；一共有8根拉杆固定连接折流板和支持板，拉杆材料为S30408，定距管规格与换热管相同。浮动管板材料为S30408Ⅲ。

4

2011级工程实验班-设备设计说明书

6.支座选择DN800,120o包角的标准的重型焊制的鞍式支座。

7.外头盖法兰选用长颈对焊法兰，加不锈钢凹面衬环和不锈钢衬筒；筒体短接公称直径DN=900mm，材料为S30408；封头采用标准椭圆形封头，材料为S30408。 8.钩圈和浮头法兰的材料均选用S30408Ⅱ。浮头法兰的公称直径DN=764mm。球冠形封头的材料为S30408。

9.设备上有7个接管，公称压力均为PN16，连接标准均为HG/T20592-2009。接管N1（DN150）和接管N2（DN150）为管程循环水的入口和出口，其法兰型式/连接面型式均为WN/RF；接管N3（DN200）为壳程物料入口，接管N4（DN100）和N5（DN100）均为壳程物料出口，其法兰型式/连接面型式均为SO/RF；接管N6（DN20）和接管N7（DN20）分别为排气口和排净口，其法兰型式/连接面型式均为WN/RF

5

2011级工程实验班-设备设计说明书

持板。弓形、圆盘-圆环形是折流板和支持板常用的两种形式。弓形折流板可分为单、双、三，三种弓形结构。弓形折流板缺口高度取0.20到0.45倍的圆筒内径。折流板缺切在管排中心线以下，或切与两排管孔的小桥之间。对于壳程介质为气态的浮头式换热器，折流板缺口垂直左右布置，折流板最低出开通液口。浮头式换热器的浮头端宜设置环板支持板，支持板的名义外直径和折流板一样，厚度和折流板一样或者比折流板厚。

本设计中的换热器，采用单弓形折流板。折流板的最小厚度，根据GB151-1999，表34的规定，得出δ=6mm；又根据GB151-1999，表44得折流板的名义直径为DN-4.5，即为795.5mm。折流板之间的间距取L=170mm，管束两端的折流板靠近壳程进、出接管。支持板的厚度在折流板的厚度基础上加大一些，取折流板的厚度δ=10mm。

图2.8 折流板切口位置

二．拉杆、定距管

拉杆与定距管的作用是固定折流板与折流板之间的距离,减少无支承长度，减少管板厚度。常用的拉杆形式有拉杆与定距管结构，拉杆与折流板电焊结构。换热管外径大于或者等于19mm时，采用拉杆与定距管结构，小于或者等于14mm时，采用拉杆与折流板电焊结构。拉杆设置在布管区的换热管边缘、设置防冲板边缘以及折流板缺口处。

根据所设计换热器的公称内径DN=800mm，换热管规格Φ25×2mm，查GB151-1999 表43得拉杆直径dn?16mm。根据换热器的公称直径DN=800mm，拉杆直径dn?16mm查GB151-1999 表44，得拉杆的数量至少应为6根，根据需要将拉杆数增加至8根。查GB151-1999，表45可到拉杆的具体尺寸La?20mm，Lb?60mm，b=2.0mm。

11

2011级工程实验班-设备设计说明书

图2.9拉杆定距管结构图

图2.10 拉杆结构图 三．防冲板

防冲板设计的位置、边长、厚度、固定形式，要符合GB151-1999，5.7.4节的要求。本设计的防冲板，焊在两侧的定距管上。 四．滑道

冷凝器设置滑道的目的是为了方便维修或者清洗时将管束从壳体的抽出，此外滑道具有旁路挡板的作用。常见的滑道结构有滑板、滚轮、滑条。滑板的结构简单，制造加工方便，成本低，而且安装也容易。滑板与管束为一体，它焊接在折流板和支持板的槽内，径向高出折流板0.5mm到1mm。

图2.10(a) 滑板布置位置和结构图

图2.10(b) 滑板布置位置和结构图

12

2011级工程实验班-设备设计说明书

2.2.3 外头盖端结构

图2.11 钩圈浮头图

一．钩圈和浮动管板

浮头式换热器的钩圈形式有A型和B型两种。A型钩圈厚度是按照活套法兰公式计算，钩圈底部距浮动管板较远，双头螺柱长，刚性差，壳程介质流动的死区大。B型钩圈厚度是根据浮头管板的厚度加经验值（经验值一般取16mm）确定。较A型钩圈B型钩圈厚度薄，死区少，但加工要求高。为了便于拆装，钩圈采用对开的结构形式。基于上述分析，选用B型钩圈。浮动管板的厚度取与固定管板的厚度一样，其密封面宽度取4mm，与钩圈配合的部位见下图。根据GB151-1999，5.14.1节确定钩圈的外径和内径。

13

2011级工程实验班-设备设计说明书

图2.12 B形钩圈与浮动管板配合尺寸 二．浮头盖及外头盖

因为球冠形浮头的结构简单易压制，占据空间少，用材少，最关键的是与浮头法兰的焊接方便，所以浮头盖采用球冠形浮头。外头盖采用标准椭圆形封头，椭圆形浮头应力分布均匀，容易加工成型。 三．浮头法兰

根据GB151-1999，5.14.1节确定浮头法兰的外径和内径，具体见计算部分，厚度则要经过计算确定。

2.2.4 容器法兰和管法兰

法兰优先选取标准法兰，在标准里选不到满足条件的法兰时再进行设计计算。我国的标准压力容器用法兰有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰﹑长颈对焊法兰这三种。根据公称直径、设计压力、设计温度、工作介质特性、法兰的材料，查标准NB/T47020~47027-2012《压力容器用法兰、垫片、紧固件》来选用法兰。处于安全性的考虑，管箱法兰、外头盖法兰选用长颈对焊法兰；由于壳程介质具有腐蚀性，因此选用壳程法兰若选用长颈对焊法兰则必有不锈钢衬筒，而衬筒会影响管束的抽出，因此壳程法兰选用甲型平焊法兰。在NB/T47020~47027-2012《压力容器用法兰、垫片、紧固件》标准里，还给出了与法兰相应垫片、螺栓形式。

根据设计任务书，给的管法兰，采用的是欧洲标准体系，即HG/T20592-2009，选用的是带颈对焊法兰（WN）和带颈平焊法兰（SO），突面密封（RF）。根据HG20592-2009表8.2.4，由PN=16，DN查得各接管的参数如下：

14

2011级工程实验班-设备设计说明书

表2-1 带颈对焊接管法兰参数（单位：mm） 公称尺钢管 外连接尺寸 外径 中心圆孔直孔数 D 直径 K 径 L 14 22 量 n 4 8 Th M12 M20 法兰法兰法兰法兰法兰 C 18 22 端 N B H kg 1.0 7.5 法兰螺栓孔螺栓螺栓螺 栓 厚度 颈大内径 高度 质量 寸 径 DN A 20 25 105 75 45 26 26 195 161 44 150 159 285 240

表2-2 带颈平焊接管法兰参数（单位：mm） 公称尺钢连接尺寸 法兰法兰法兰法兰法兰 C 20 24 端 N B H kg 4.5 10.0 管 法兰螺栓孔螺栓螺栓螺 栓 厚度 颈大内径 高度 质量 外外径 中心圆孔直孔数 直径 K 180 295 径 L 18 22 量 n 8 12 Th M16 M20 D 寸 径 DN A 100 10220 200 21340

140 110 40 246 222 44 查HG20615-2009表3.2.5-1，得到突面法兰的尺寸

表2-3 突面法兰密封尺寸（单位：mm） 公称直径ＤＮ 20 100 150 200

公称压力ＰＮ 16 16 16 16 凸台外径ｄ 58 158 212 269 凸台高度f1 2 2 2 2 15

2011级工程实验班-设备设计说明书

δp'''?D?DG?G??EpYt?0.5?σ?bAbLG???0.0435Pc???3??DG????1/3?0.5?189?7513?32.2??? ?835.6??835.6?0.0435?0.715????33200?10?1835.6???? ''''''(4)平盖的计算厚度δp?maxδp,δp,δp?55.54mm1/3?55.54mm

??（5）盖计算厚度 δd?δp?max?C2,开槽深度?＝55.56+4=59.56mm，取δn?60mm。

第3.3节 管板的设计计算

1.设计温度及设计压力

(1).因为不能保证Pt，Ps在任何情况下同时作用，取Pd?max?PMPa t,Ps??0.715(2).按GB150—1999 3.12.1规定，应取不低于元件的金属温度，但在管板计算中无法保证管、壳程介质同时作用，且管板的金属温度很难计算，故一般取较高侧的设计温度为管板设计温度，即t=110℃。 2.管板、换热管

(1).考虑到拆装清、洗方便，管板的类型按GB151—1991 5.7选用a型，即管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接。结构如图

图 3.3管板与壳体、管箱的连接方式

管板材料选用S30408锻件，设计温度下许用应力?σ?r?112MPa，设计温度下的弹性

t模量Ep?188?103MPa

（2）换热管材料S30408，设计温度下许用应力?σ?t?112MPa，换热管设计温度下屈

tt服点σs?168MPa，换热管设计温度下弹性模量Et?188?103MPa。换热管规格Φ25

×2，根数n=422，换热管排列方式为正三角形。根据GB151—1999表12，换热管中心距S=32mm，分成隔板两侧相邻管中心距Sn=44mm。采用十字形4管程。

21

2011级工程实验班-设备设计说明书

(3)结构参数及系数的确定 ◆垫片压紧力作用中心圆直径DG

852?810?21mm 2N21?10.5 基本密封宽度 b0??22垫片接触面宽宽度 N?当b0?6.4mm时,b?2.53b0?2.5310.5?8.198

DG?D4?2b?852?2?8.198?835.6mm（D4垫片接触的外径，即管箱法兰的D4） ◆因设置隔板或者拉杆而未能被换热管支撑的面积Ad

''2Ad?n1'S(Sn?0.866S)?n23SSn?0.866n2S?Sn??2222?12?32?(44?0.866?32)?2?6?3?32?44?2?6?0.866?32?44?22941mm

◆管板布管区面子At

At?0.866nS2?Ad?0.866?422?32?22941?397164mm◆管板布管区内开孔后的面积Al

22

ππ?397164-422??252?190120mm2 44◆管子金属总面积 Al?At?n?从GB151-1999附录J查得换热管金属横截面积a?144.51mm2

2na?422?144.51?60983mm则

◆布管当量直径Dt

Dt?4At4?397164??711mm π3.14◆管子的有效长度L

设管板名义厚度?n?100mm，由GB151-1999表33，取换热管的伸出长度为1.5mm

L?L0?2?n?2?(管端伸出长度)?6000?2?100?2?1.5?5797mm ◆系数计算

22

2011级工程实验班-设备设计说明书

ρt?Dt711na60983??0.85 β???0.32 DG835.6Al190120Etna188?103?60983◆管束模数 Kt???2782LDt5797?711

◆按GB151-1999 5.7.2.1，管板强度削弱系数??0.4，管板钢板削弱系数??0.4。 ◆管束无量纲 Kt?~~Kt2782??0.037 ηEp0.4?188?103Pd0.715??0.011 t1.5μ?σ?r1.5?0.4?112◆无量纲压力 Pa?按Kt/Pa~1/3~1/2?30.037/0.011?3.18，1/ρt?1/0.85?1.176查GB151-1999图23 ，图

24，得C?0.41，Gwe?6.18 ◆换热管稳定许用应力???cr

2Et2?188?103?π??148.62 ·系数 Cr?πtσs168·管子回转半径i： i?0.25d2?(d?2δt)2?0.25?252?(25?2?2)2?8.16mm ·换热管受压失稳当量长度lcr：查GB151-1999，根据图32对应本设计中

a?414mm,b?655mm,c?456mm,d?320mm,e?346mm

?ab??414655?则lcr?max?,,c,d,e??max?,,456,320,346??463mm

2?22??2?根据GB151-1999，5.7.4.2规定 当lcr/i?463/8.16?56.74＜Cr?153.91时，

?σ?crtσs?2?lcr/i?168?56.74?1???1????2?153.91??68.52MPa 2C2??r??（4）管板计算厚度?及名义厚度?n

◆管板的计算厚度δ：δ?CDtPa?0.41?711?0.011?30.57mm

◆管板的最小厚度δmin：由GB151-1999，5.6.1要求，换热管外径d0?25时，

23

~2011级工程实验班-设备设计说明书

δmin?0.75do?18.75mm

管程侧结构槽深h2?4mm，腐蚀余量Ct?0；壳侧结构槽深h1?0，腐蚀余量Cs?0

δn??max(δmin,δ)?max(CCt,h2)????30.57?4???36mm s,h1)?max(原设?n?100mm，计算值为δn?36mm，应重复假设?n计算 假设δn?36mm，L?6000?2?36?2?1.5?5925mm

Etna188?103?60983Kt???2722LDt5925?711 Kt?~1/3~Kt2722??0.0363ηEp0.4?188?10

~1/2Kt/pa?30.036/0.011?3.15

1/ρt?1/0.85?1.176查GB151-1999图23 ，图

24得C?0.41,Gwe?6.18

~δ?CDtPa?0.41?711?0.011?30.57mm δn?30.57?4???36mm，接近假设值，故合适。 （5）换热管的轴向应力校核

根据GB151-1999，5.7.2.2，按以下的三种工况分别校核 ①．只有管程设计压力PMPa，壳程设计压力Ps?0 t?0.715Pd?Pt?0.715MPa，Pc?Ps?PMPa t(1?β)?0?0.715?(1?0.32)??0.945Pa?~Pd0.715??0.011 t1.5μ?σ?r1.5?0.4?112~1/2由Kt/Pa~1/3?30.036/0.011?3.15，1/ρt?1/0.85?1.176查GB151-1999图24，得

Gwe?6.18。

σt??At1?P?(P?P)Gstwe??cβ?Al? 1397164??t????0.945?(0?0.715)?6.18??25.89MPa＜?σ?t?112MPa，校核通过。0.32?190120?24

2011级工程实验班-设备设计说明书

②．只有壳程设计压力Ps?0.11MPa，管程设计压力Pt?0

Pd?Ps?0.11MPa，Pc?Ps?P?0?(1?0.32)?0.11MPa t(1?β)?0.11Pa?~Pd0.11??1.64?10?3 t1.5μ?σ?r1.5?0.4?112~1/2由Kt/Pa

σt?~1/3?30.036/1.64?10?3?8.15,1/ρt?1.176查GB151-1999图24，得Gwe?19.624。?At1?P?(P?P)Gstwe??cβ?Al? 1397164?????0.11?(0.11?0)?19.62???13.75MPa0.32?190120? 当σt＜0时，σt?13.75MPa＜?σ?cr?68.52MPa,校核通过。③．管程设计压力PMPa，壳程设计压力Ps?0.11MPa，同时作用 t?0.715Pd?Ps?PMPa t?0.605Pc?Ps?P?0.715?(1?0.32)??0.845MPa t(1?β)?0.11Pa?~Pd0.605?3 ??9.00?10t1.5μ?σ?r1.5?0.4?112~1/2由Kt/Paσt?~1/3?30.036/9.00?10?3?3.48,1/ρt?0.176查GB151-1999图24，得Gwe?7.12?At1?P?(P?P)Gstwe??cβ?Al?1397164??????0.845?(0.11?0.715)?7.12? 0.32?190120??25.48MPa＜?σ?t?112,校核通过。t④换热管与管板的拉脱力校核

本设计采用换热管与管板强度焊接连接，换热管焊缝尺寸取l?3.5mm由GB151-1999，5.7.5，知，许用拉脱力?q??0.5?σ?t?0.5?112?56MPa

t?t取三种工况绝对值的最大值，故σt?25.89MPa。

25

2011级工程实验班-设备设计说明书

◆轴向应力σH?169MPa＜min1.5?σ?f,1.5?σ?n?171MPa

tt??◆径向应力σR?4.15MPa＜1.5?σ?f?250.5MPa

t◆环向应力σT?84.71MPa＜1.5?σ?f?250.5MPa

t◆组合应力?σH?σR?/2?86.58MPa＜?σ?f?167MPa

t?σH?σT?/2?126.86MPa＜?σ?tfⅳ．刚度校核 ◆J??167MPa

52.14VMo52.14?0.44?29913811Ⅰ??0.98＜1 234.65?201?10?36?0.3?69.3λEδoKⅠho综上所述法兰校核通过。

第3.5节 外头盖结构设计计算

3.5.1 外头盖筒体

筒体材料：S30408（GB24511） 钢板卷制圆筒

工作压力：0.1MPa 工作温度（入口/出口）：110/90℃ 公称直径：Di=900mm 焊接接头系数：Φ=0.85 腐蚀裕量：C2=0mm 钢板负偏差：C1=0.3mm 筒体材料设计温度下的许用应力：?σ?=103MPa（GB150-2011 表5）

t

1.设计压力：根据六合一上设计压力确定原则选择“内压容器，无安全泄放装置”，取设计压力为1.1倍的工作压力。即设计压力P=1.1×0.1=0.11MPa。 2.忽略液注静压力，则计算压力Pc=P=0.11MPa

3.设计温度：根据六合一设计温度确定原则，取壳程流体最高工作温度为设计温度。即设计温度t=110℃。 4.计算厚度：δ?PcDi0.11?900?0.52mm =t2?σ?φ-Pc2?112?0.85?0.11设计厚度：δd?δ?C2?0.52?0?0.52mm

31

2011级工程实验班-设备设计说明书

名义厚度：δn?δd?C1???0.52?0.3???2mm 注：?表示圆整

根据GB151-1999 5.3.2表9 圆筒厚度应不小于6mm，因此取δn?6mm。

3.5.2 凸型封头

1.选型：选择标准椭圆形封头 2.厚度计算

封头材料：S30408（GB24511） 钢板冲压成型

工作压力：0.1MPa 工作温度（入口/出口）：110/90℃ 公称直径：Di=900mm 焊接接头系数：Φ=0.85 腐蚀裕量：C2=0mm 钢板负偏差：C1=0.3mm 筒体材料设计温度下的许用应力：?σ?=103MPa（GB150-2011 表5）

t

1.设计压力：根据六合一上设计压力确定原则选择“内压容器，无安全泄放装置”，取设计压力为1.1倍的工作压力。即设计压力P=1.1×0.1=0.11MPa。 2.忽略液注静压力，则计算压力Pc=P=0.11MPa

3.设计温度：根据六合一设计温度确定原则，取壳程流体最高工作温度为设计温度。即设计温度t=110℃。 4.计算厚度：δh?0.11?900PcDi?0.52mm =t2?112?0.85?0.5?0.112?σ?φ-0.5Pc设计厚度：δhd?δ?C2?0.52?0?0.52mm 名义厚度：δhn?δhd?C1???0.52?0.3???6mm 注：?表示圆整

查GB/T25198—2010 附录J，EHA封头厚度减薄率为13%（600≤DN<1000，6≤δs<8），封头的最小厚度为 δnh(1?13%)?6?(1?13%)?5.22mm。

根据GB/T25198-2010 附录C查得EHA椭圆形封头的型号参数如下：

32

2011级工程实验班-设备设计说明书

表3-2 EHA封头参数

DN?mm? 900

总深 H(mm) 内表面 A(mm2) 0.9487 容积 V(m3) 0.1113 封头质量 (kg) 250 44.0 3.5.3 外头盖侧法兰

选法兰材料为16Mn锻件，锻件级别为Ⅱ级。根据JB4721—92，选长颈对焊法兰，凸

面密封，考虑到壳程工作介质具有腐蚀性，选衬环法兰。由DN=800mmPN=1.0MPa查得以下法兰的参数：

表3-3 外头盖侧法兰参数（单位 mm）

法兰 螺柱 对接筒DN 体最小 d 规格 数量 D D1 D2 D3 D4 ? H h a a1 ?1 ? 2 R厚 度 14 12 26 12 23 M20 36 10 800 1040 1000 965 955 952 46 110 42 法兰的质量151.1kg，衬环质量20.6kg。

图3.4 衬环凸面密封外头盖侧法兰

筒体的厚度为6mm，法兰不满足要求。而满足修正条件的筒体的最小厚度为8mm，因此要按对法兰进行校。

33

2011级工程实验班-设备设计说明书

（1）设计条件

设计压力：pc?1.0MPa（按管箱法兰工称压力） 设计温度t=110℃。 （2）垫片

选用非金属软垫片800—1.0 RSB NB/T47024-2012 垫片系数m=2 比压y=13.73MPa。垫片规格φ954×φ910×3 ①垫片基本密封宽度bo

N?N21952?910bo???10.5mm?21mm 222②垫片有效密封宽度b

当bo＞6.4mm时，b?2.53bo?8.20mm。 ③垫片压降力作用中心圆直径DG

DG?D4?2b?952?2?8.2?935.6mm（D4垫片接触的外径） ④垫片压紧力

ⅰ.预紧状态下需要最小垫片压紧力

Fa?3.14DGby?3.14?935.6?8.20?13.73?330753N ⅱ.操作状态下需要最小垫片压紧力

Fp?6.28DGbmp.6?8.2?2?0.11?9636N c?6.28?935(3)螺栓

①材料:40MnB GB/T3077，设计温度许用应力?σ?tb?17M5Pa, 室温许用应力。 ?σ?b?19M6Pa②螺栓规格 M20,螺栓根径d?17.294mm,数量36。 ③螺栓载荷

ⅰ预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa

Wa?Fa?330753N

ⅱ操作状态下需要的最小螺栓载荷Wp

内压引起的总轴向力F?0.785DG?pc?0.785?835.62?0.11?60292N

34

22011级工程实验班-设备设计说明书

Wp?F?Fp?60292?9036?69328N ④螺栓面积

ⅰ预紧状态下需要的最小螺栓面积

Aa?Wa330753??1688mm2 ?σ?b196ⅱ操作状态下需要的最小螺栓面积

Ap?Wp?σ?tb?69328?396mm2 175ⅲ需要的螺栓面积

Am?maxAa,Ap?max?1688,396??1688mm2 ⅳ实际使用的螺栓总截面积

πd2Ab?n??36?0.785?17.2942?8452mm2

4??⑤螺栓设计载荷

ⅰ预紧状态下螺栓设计载荷

A?Ab?σ?b?1688?8452?196?993720N W?FG?m22ⅱ操作状态下螺栓设计载荷

W?Wp?69328N?mm （4）法兰

①材料：16MnⅡ NB/T 47008,设计温度下许用应力?σ?f?167MPa，室温许用应力

t?σ?f?178MPa。

②法兰厚度δf?50mm，现按整体式法兰对外头盖侧法兰进行校核。 Ⅰ.法兰力臂

ⅰ.螺栓中心至FD作用位置处的径向距离 LD?LA?0.5δ1?24?0.5?26?37mmⅱ.螺栓中心至FG作用位置处的径向距离

35

2011级工程实验班-设备设计说明书

LG?Db?DG1000?935.6??32.2mm（Db为螺栓孔中心直径） 22ⅲ.螺栓中心至FT作用位置处的径向距离

LA?δ1?LG24?26?32.2??47.6mm 22Ⅱ.法兰力矩 LT?ⅰ.预紧状态的法兰力矩

A?Ab?σ?bLG?1688?8452?196?32.2?31997784N?mm Ma?m22ⅱ.操作状态的法兰力矩

FD?0.785Dipc?0.785?8002?0.11?55264N FG?Fp?9036N

2F?0.785DGpc?0.785?935.62?0.11?75586N FT?F?FD?75586?55264?20322N

Mp?FDLD?FGLG?FTLT?55264?37?9036?32.2?20322?47.6?3303054N?mm2

ⅲ.法兰设计力矩

??σ?tf?Mo?max?Mp,Ma??σ?f???167????max31997784,3303054?N?mm ????31997784178????Ⅲ.法兰应力 ⅰ.系数和参数 ◆根据δ126hh42查GB150.3-2011图7-３和图7-??2.17,???0.43，δo12hoDiδo800?12４得F,VⅠ?0.91Ⅰ?0.50,f?1.80。 ◆K?Do1040??1.3 Di800K2(1?8.55246lgK)?1◆T??1.80 2(1.0472?1.9448K)(K?1)36

2011级工程实验班-设备设计说明书

K2(1?8.55246lgK)?1◆U??8.29

1.36136(K2?1)(K?1)1K2lgK(0.66845?5.716902)?7.55 ◆Y?K?1K?1K2?1?3.90 ◆Z?2K?1◆e?F0.0.91Ⅰ??9.29?10?3mm?1 ho97.98U8.292hoδo??97.98?144?233929mm3 V0.0.50Ⅰ3◆d1?δf?e?1δf50?9.29?10?3?1503◆λ?????1.21

Td11.80233929ⅱ.法兰应力 ◆轴向应力σH?fMo1.8?31997784??88.02MPa 221.21?26?800λδ1Di(1.33δf?e?1)?Mo(1.33?50?9.29?10?3?1)?31997784◆径向应力σR???21.39MPa 221.21?50?800λδf?Di◆环向应力σT?ⅲ.应力校核

◆轴向应力σH?88.02MPa＜min1.5?σ?f,2.5?σ?n?264MPa

ttYMo7.55?31997784?z?σ??3.90?21.39?37.37MPa R2250?800δfDi??◆径向应力σR?21.39MPa＜1.5?σ?f?250.5MPa

t◆环向应力σT?37.37MPa＜1.5?σ?f?250.5MPa

t◆组合应力?σH?σR?/2?54.71MPa＜?σ?f?167MPa

t?σH?σT?/2?62.70MPa＜?σ?tfⅳ．刚度校核

?167MPa

37

2011级工程实验班-设备设计说明书

◆J?52.14VMo52.14?0.50?31997784Ⅰ??0.81＜1 231.21?201?10?144?0.3?97.98λEδoKⅠho综上所述法兰校核通过。

3.5.4外头盖法兰

根据配合外头盖侧法兰的型号，选择凹面密封，长颈对焊法兰，带衬环。外头盖内径为900mm，查ＮB/T47023-2000，得以下的法兰结构尺寸。

表4·3 外头盖法兰参数（单位mm） 法兰 螺柱 DN 对接筒体 d 规格 数量 最小厚度 D D1 D2 D3 D4 ? H h a a1 ?1 ? 2 R10 900 1040 1000 965 955 952 54 110 25 17 14 12 22 12 23 M20 36 法兰质量96.6kg，衬环质量5.2kg。

短节厚度为6mm，而满足修正的筒体的最小厚度为8mm，故对外头盖法兰进行校核。

图3.5 衬环凹面外头盖法兰

（1）设计条件

设计压力：pc?0.11MPa（按管程流体设计压力） 设计温度t=110℃。 （2）垫片

选用非金属软垫片800—1.0 RSB NB/T47024-2012 垫片系数m=2 比压y=13.73MPa。垫片规格φ954×φ910×3 ①垫片基本密封宽度bo

38

2011级工程实验班-设备设计说明书

N?N21952?910bo???10.5mm?21mm 222②垫片有效密封宽度b

当bo＞6.4mm时，b?2.53bo?8.20mm。 ③垫片压降力作用中心圆直径DG

DG?D4?2b?952?2?8.2?935.6mm（D4垫片接触的外径） ④垫片压紧力

ⅰ.预紧状态下需要最小垫片压紧力

Fa?3.14DGby?3.14?935.6?8.20?13.73?330753N ⅱ.操作状态下需要最小垫片压紧力

Fp?6.28DGbmp.6?8.2?2?0.11?10600N c?6.28?935(3)螺栓

①材料:40MnB GB/T3077，设计温度许用应力?σ?tb?17M5Pa, 室温许用应力。 ?σ?b?19M6Pa②螺栓规格 M20,螺栓根径d?17.294mm,数量36. ③螺栓载荷

ⅰ预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa

Wa?Fa?330753N

ⅱ操作状态下需要的最小螺栓载荷Wp

内压引起的总轴向力F?0.785DG?pc?0.785?935.62?0.11?75586N

2Wp?F?Fp?75586?10600?86186N ④螺栓面积

ⅰ预紧状态下需要的最小螺栓面积

Aa?Wa330753??1688mm2 ?σ?b196ⅱ操作状态下需要的最小螺栓面积

39

2011级工程实验班-设备设计说明书

Ap?Wp?σ?tb?86186?492mm2 175ⅲ需要的螺栓面积

Am?maxAa,Ap?max?1688,492??1688mm2 ⅳ实际使用的螺栓总截面积

πd2Ab?n??36?0.785?17.2942?8452mm2

4??⑤螺栓设计载荷

ⅰ预紧状态下螺栓设计载荷

A?Ab?σ?b?1688?8452?196?993720N W?FG?m22ⅱ操作状态下螺栓设计载荷

W?Wp?86186N?mm （4）法兰

①材料：16MnⅡ NB/T 47008,设计温度下许用应力?σ?f?167MPa，室温许用应力

t?σ?f?178MPa。

②法兰厚度δf?54mm，现按整体式法兰对外头盖侧法兰进行校核。 Ⅰ.法兰力臂

ⅰ.螺栓中心至FD作用位置处的径向距离 LD?LA?0.5δ1?33?0.5?22?44mmⅱ.螺栓中心至FG作用位置处的径向距离

LG?Db?DG1000?935.6??32.2mm（Db为螺栓孔中心直径） 22ⅲ.螺栓中心至FT作用位置处的径向距离

LA?δ1?LG33?22?32.2??43.6mm 22Ⅱ.法兰力矩 LT?ⅰ.预紧状态的法兰力矩

40

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/21jg.html