换热器设计

毕业设计（论文）

题目： 基于SW6软件的固定管板式换热器设计

学 院： 继续教育学院 助学单位： 辽宁石油化工大学自考中心 专 业： 过程装备与控制工程 办学形式： 自学考试 姓 名： 指导教师： 郝娇

2011年03月

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基于SW6软件的固定管板式换热器设计

摘 要

在科技日新月异的今天，石化工业也在不断地创新，换热器在其中起到的作用也越来越显著。而本次设计中的固定管板式换热器就属于换热器中较为常见的一种。它是利用间壁式换热达到冷流体与热流体的热量转换从而实现物料间的热量传递。

本次设计：说明部分，计算部分，绘图部分。说明部分简述了固定管板式换热器在生产过程中的工艺流程及在石化工业中起到的重要作用，换热器在国内外的现状和未来的发展前景，同时介绍了换热器的结构设计和主要零部件结构的设计及其容器常用材料等。也介绍了各个部件之间的链接如法兰连接。最后则介绍了换热器主要零件压力容器的检验和验收。计算部分则介绍了因工作要求和物料等因素给出的基本数值，再通过它求出换热面积和筒体、管箱、封头、管板、法兰、膨胀节及其他零件的加工数值，在满足了换热器对材料，厚度，应力，强度要求等设计要求的同时，以节省的原则对各部件也进行了优化。并对管板兼做法兰的危险工况分别进行了校核，使其能在满足在高温高压的工作条件下进行正常工作。在绘图部分则通过CAD软件把本次设计的固定管板式换热器以绘图的方式直观的表现出来。

其中有许多部分的设计借鉴了其他的一些先进理论和方法，不但节省了原料，更使换热器的质量得到了技术保证。以节省能耗与提高使用性能为设计原则，最终满足设计的目的，即低能耗、低成本、高质量。

关键词：固定管板式换热器；应力；校核；SW6计算软件

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1 绪 论 ....................................................... 1 2 设计概述 ..................................................... 2 2.1热量传递的意义及概念 ............................................ 2 2.2换热器的概念及意义 .............................................. 3 2.3固定管板式换热器简介 ............................................ 3 3. 换热器的分类及其工作原理 ...................................... 4 3.1换热器的分类及其工作原理 ........................................ 4 3.2 换热器的材料 .................................................... 7

3.2.1 换热器常用钢 ........................................... 7 3.2.2有色金属 ................................................ 8 3.2.3非金属 .................................................. 8

3.3换热器研究现状及发展趋势 ........................................ 9

3.3.1换热器的发展历程 ........................................ 9 3.3.2发展现状 ................................................ 9 3.3.3换热器的研究及发展动向 ................................. 10

4.换热器设备各部分的设计说明 .................................... 10 4.1换热器设备各部分的材料选择 ..................................... 10 4.2设备制造工艺过程 ............................................... 11

4.2.1筒体 ................................................... 11 4.2.2管箱 ................................................... 12 4.2.3管板 ................................................... 12 4.2.4换热管 ................................................. 12 4.2.5折流板及支撑板 ......................................... 12 4.2.6管束组装 ............................................... 13

4.3换热设备中换热管与管板的连接 ................................... 13

4.3.1胀接 ................................................... 13 4.3.2焊接 ................................................... 13 4.2.3胀焊连接 ............................................... 14 4.2.4换热管与管板连接方式的选择 ............................. 15 4.4.1无损检测 ............................................... 15

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4.4.2焊后热处理 ............................................. 16 4.4.3 压力测验 .............................................. 16 4.4.4换热管与管板连接接头的密封性能检验 ..................... 16

4.5换热设备的日常检测与维修 ....................................... 17

4.5.1日常检查 ............................................... 17 4.5.2 换热器腐蚀的防护 ...................................... 17 4.5.3换热器的检修 ........................................... 18

4.6换热器各部分结构的选择 ......................................... 18

4.6.1筒体的选择 ............................................. 19 4.6.2封头的选择 ............................................. 19 4.6.3管箱的选择 ............................................. 19 4.6.4管板的选择 ............................................. 19

5 SW6计算书 ................................................... 20 6结 论 ....................................................... 43 谢 词......................................................... 44 参考文献 ...................................................... 45

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基于SW6软件的固定管板式换热器设计

1 绪 论

固定管板式换热器因其结构简单，造价低廉，无内漏，旁路渗流较小等因素，成为现今换热器中主要产品。成为现今许多行业的宠儿。

固定式管板式换热器其结构主要由两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀，从而减小热应力。

同是在本次设计中运用到SW软件。SW6包括有十个设备计算程序（分别为卧式容器、塔器、固定管板换热器、浮头式换热器、填函式换热器、U形管换热器、带夹套立式容器、球形储罐、高压容器及非圆形容器等），以及零部件计算程序和用户材料数据库管理程序的。它便于用户对图纸和计算结果进行校核，并符合压力容器管理制度原始数据存档的要求。允许用户分多次输入同一台设备的原始数据、在同一台设备中对不同零部件原始数据的输入次序不作限制、输入原始数据时还可借助于示意图或帮助按钮给出提示等，极大地方便用户使用。一个设备中各个零部件的计算次序，既可由用户自行决定，也可由程序来决定，十分灵活。

固定管板式换热器的换热效率高设计科学，结构紧凑，占地面积小维修方便选用的材料范围广，管程清洗方便等优异的条件使其倍受亲爱，而能承受较高的操作压力和温度，管子损坏时易于堵管或更换等优点，在高温、高压和大型换热器中，管壳式换热器占有绝对优势，研究与开发此类新型的换热器，对工业发展与经济增长具有重大意义。

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2 设计概述

2.1热量传递的意义及概念

A.热量传递的概念

热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学第二定律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。 B. 化学工业与热传递的关系

化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，多需要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在一定的温度进行，为了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入或输出热量；又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。此外，化工设备的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问题，由此可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，且具有极其重要的作用。总之，无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建筑等工业部门，还是在农业，环境等部门中都涉及到许多有关传热的问题。

应予指出，热力学和传热学既有区别又有联系。热力学不研究引起传热的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平衡状态，确定系统由一个平衡状态变成另一个平衡状态所需的总能量；而传热学研究能量的传递速率，因此可以认为传热学士热力学的扩展。 C.传热的基本方式

根据载热介质的不同，热传递有三种基本方式：

（1）热传导（又称导热） 物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。热传导的条件是系统两部分之间存在温度差。

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（2）热对流（简称对流） 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流仅发生在流体中，产生原因有二：一是因流体中各处温度不同而引起密度的差别，使流体质点产生相对位移的自然对流；二是因泵或搅拌等外力所致的质点强制运动的强制对流。

此外，流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程，即是热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常称为对流传热。

（3）热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射的特点是：不仅有能量的传递，而且还有能量的转移。

2.2换热器的概念及意义

在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热设备。这种设备统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体，以满足工艺上的需要。它是化工炼油，动力，原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化工生产中，有时作为一个单独的化工设备，有时作为某一工艺设备的组成部分，因此换热器在化工生产中应用是十分广泛的。任何化工生产中，无论是国内还是国外，它在生产中都占有主导地位。

2.3固定管板式换热器简介

固定管板式换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定。换热管可为光管或低翅管。其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管程可分成多样，壳程也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程中广泛应用。 固定管板式换热器主要特点

固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构成。在圆形外壳内，装入平行管束，管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两块管板与外管直接焊接，装有进口或出口管的顶盖用螺栓与外壳两端法兰相连。它的特点是结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由

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管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。

3. 换热器的分类及其工作原理

3.1换热器的分类及其工作原理

·换热器：用来实现热冷流体相互交换热量的设备

·分类：工程上的换热器种类很多，但按工作原理可分为混热式、蓄热式（回热式）和间壁式（表面式）换热器三类。

一、按工作原理分类 1.蓄热式换热器 （1）工作原理：

蓄热式换热器又称为再生式换热器或回热式换热器，其工作原理式利用换热面的蓄热作用，热、冷流体交替流过换热面，使其周期性加热和冷却，从而实现热量周期性由热流体传给冷流体，达到换热的目的。

（2）特点：

·换热面被冷、热流体周期性的加热和冷却；传热过程不是稳定的。 ·单位容器内布置的换热面积较大结构紧凑，节省金属，传热效率高，通常用于换热系数不大的气体间的换热。

·但设备体积大，冷、热流体间存在一定程度的混合。它常用于气体的余热和冷量的回收利用。

·由于有转动部件对密封性要求较高 2.混热式换热器 （1）工作原理：

冷、热流体直接接触，彼此混合实现热量交换，在热交换同时存在质量的混合。

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（2）特点：

·两流体直接接触，换热后最终出口温度相同，而且还有质量交换； ·具有较大的传热速率，它具有设备结构简单、传热效率高和易于防腐等； ·但使用范围受限制，只适用于可冷、热流体混合场合； 3.间壁式换热器 （1）工作原理：

间壁式换热器又称为表面式换热器，其工作原理是冷、热流体被固体表面间隔开，冷、热流体分别在固体表面两侧流动，两流体不直接接触，热量由热流体通过固体表面传给冷流体。

（2）特点：

·热、冷流体不直接接触，对流体适应性强；

·无转动机构，使用，维修，密封都较方便，因而应用广泛； ·但单位容积内布置的换热面积小，传热效率没前两种的高； 二、间壁式换热器分类

1、按结构分类：可分为套管式、管壳式、板式换热器。

这一类换热器的特点是在冷热两种流体之间用一金属壁（或石墨等导热性好的非金属）隔开，以使两种流体在不相混合的情况下进行热量交换。由于在三类换热器中，间壁式换热器应用最多，因此下面重点讨论间壁式换热器。

（1）夹套式换热器

结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。

优点：结构简单，加工方便。 缺点：传热面积A小，传热效率低。 用途：广泛用于反应器的加热和冷却。

为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。 （2）沉浸式蛇管换热器

结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。

优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。 缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小，

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（3）喷淋式换热器

结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。

优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。 缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。 用途：用于冷却或冷凝管内液体。 （4）套管式换热器

结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。

优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方便。

缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。

用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。 （5）列管式换热器（管壳式换热器）

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。

根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式。 （1）固定管板式

壳体与传热管壁温度之差大于50?C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。

特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。

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（2）浮头式

两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。

特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。 （3）U型管式

把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。

特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。

3.2 换热器的材料

换热器的主要材料有钢、有色金属和非金属。 3.2.1 换热器常用钢 (1) 钢材形状

钢材的形状包括板、管、棒、丝、锻件、铸件等。换热器用的钢主要形状是板、管和锻件。 ① 钢板

钢板是换热器最常用的材料，如圆筒一般由钢板卷焊而成，钢板通过冲压或旋压制成封头等。在制造过程中，钢板要经过各种冷热加工，如下料、卷板、焊接、热处理等，因此，钢板应具有较高的强度以及良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能。 ② 钢管

压力容器的接管、换热管等常用无缝钢管制造。它们通过焊接与容器壳体、法兰等连接在一起。一般要求钢管有较高的强度、塑性和良好的焊接性能。 ③ 锻件

高压容器的平盖、端部法兰与接管法兰等常用锻件制造。根据锻件检验项目和数量的不同，中国压力容器锻件标准中，将锻件分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别。 (2) 钢材类型

按化学成分分类，换热器用钢可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。 ① 碳素钢

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碳素钢为含碳量小于2.06％的铁碳合金。除碳以外，还含有少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。

换热器用碳素钢有碳素结构钢，如Q235－B和Q235－C钢板，10、20钢管，20、35钢锻件。 ② 低合金钢

低合金钢是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3％），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。采用低合金钢，不仅可以减小容器的厚度，减轻重量，节约钢材，而且能解决换热器在制造、检验、运输、安装中因厚度太大所带来的各种困难。 ③ 高合金钢

换热器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢，主要有铬钢、铬镍钢和铬镍钼钢。

铬钢0Cr13是常用的铁素体不锈钢，有较高的强度、塑性、韧性和良好的切割加工性能，在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性，但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀。

00Cr18Ni5Mo3Si2是奥氏体－铁素体双相不锈钢，耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。

除上述钢材外，耐腐蚀换热器还采用复合板。复合板由复层和基层组成。复层与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的十分之一到三分之一。基层与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。用复合板制造耐腐蚀换热器，可节省大量昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。

3.2.2有色金属

有色金属在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态下使用，选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号。换热器中常用的有色金属有以下几种。

① 铜及其合金② 铝及其合金③ 镍和镍合金④ 钛和钛合金 3.2.3非金属

非金属材料具有耐腐蚀性好，品种多，资源丰富的优点，在容器上也有广阔的应用前景。它既可以单独用作结构材料，也可用作金属材料保护衬里或涂层，还可用用作设备的密封材料、保温材料和耐火材料。

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非金属材料用于压力容器，除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度，良好的热稳定性，良好的加工制造性能。其缺点一般是：大多数材料耐热性不高，对温度波动比较敏感，与金属相比强度较低（除玻璃钢外）。

换热器中常用的非金属材料有以下几种。

① 涂料② 工程塑料③ 不透性石墨④ 陶瓷⑤ 搪瓷

3.3换热器研究现状及发展趋势

3.3.1换热器的发展历程

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。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。

混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。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。

3.3.2发展现状

目前,国内外各个炼油化工企业的新上装置及新改造装置的规模越来越大。而为了实现装置的大型化,就需要解决一些原有关键换热设备占地面积大、重量大、

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投资大及能耗高的缺点。而目前在炼油、化工行业中普遍使用的管壳式换热器已不能满足大型化装置的需要。因此现在研究的换热器式具有换热效率高、端部温差小、压降低、节省占地面积、节约工程及设备安装费用、节省装置操作费用等优点,适合炼油、化工等领域大型化生产装置的使用要求。

3.3.3换热器的研究及发展动向

1.物性模拟研究

换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在实验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。 2.分析设计的研究

分析设计是近代发展的一门新兴学科，美国ANSYS软件技术一直处于国际领先技术，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能更方便、快捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。

4.换热器设备各部分的设计说明

4.1换热器设备各部分的材料选择

换热器材料费用占总成本的比例很大，一般超过30%。材料性能对换热器运行的安全性有显著的影响。选材不当，不仅会增加总成本，而且有可能导致换热器破坏事故。因此，合理选材是换热器设计的关键之一。

换热器用材料多种多样，有钢、有色金属、非金属、复合材料等，使用最多的是钢，这里主要讨论钢材的基本要求和选用。

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4.1.1常压容器用钢的基本要求

根据工作环境和操作条件，压力容器用钢应具有较高的强度，同时应有良好的塑性和优良的焊接性能，；另外还要满足耐腐蚀要求。

1、压力容器需要承受压力或其他载荷，钢材应具有足够的强度。压力容的强度指标是确定壁厚的依据，但钢材的各项力学性能既相互联系又相互制约，因此，选材时不能单看强度，而要全面分析。材料强度过低，势必要增加容器元件的厚度；但无原则的选用高强度的材料，将会带来材料和造成成本的提高以及 抗脆断能力的降低。

2、在考虑强度要求的同时，钢材应具有良好的韧性。在压力容器的结构上不可避免的会有小圆角或缺口结构；在焊接制造中也不能没有如气孔、夹渣、未焊透、未熔合等缺陷，甚至裂纹。这些都会在容器的局部位置形成应力集中，这是就要求材料应具有良好的韧性，以防止因载荷波动、冲击、过载或低温而造成压力容器的裂纹。

3、从制造工艺考虑，钢材还要有良好的焊接性能和较好的冷（热）加工性能。除铸造和锻造容器未，压力容器多数情况下是用钢板采用冷（热）卷、热冲压成型以及焊接等加工工艺制造出来的，这就要求材料应具有良好的塑性和焊接性能，以保证冷卷和热冲压是不断裂，而且能的到质量可靠的焊接结构。

4、为了满足工艺条件需要，钢材应具有较好的耐腐蚀能力。在许多生产过程中介质是具有腐蚀性的，如果一般碳钢难以达到在容器使用寿命内的抗腐蚀要求，必要时可以针对介质的具体性质选用高合金钢、有色金属或耐蚀衬里。

4.2设备制造工艺过程

4.2.1筒体

筒体可分为单层式和组合式两大类。单层式筒体结构优点是结构简单，但厚壁单层式圆筒也存在一些问题，主要表现在：

① 除整体锻造式厚壁圆筒外，还不能完全避免较薄弱的深环焊缝和纵焊缝，焊接缺陷的检测和消除均较困难；且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的能力；

② 大型锻件及厚钢板的性能不及薄钢板，不同方向力学性能差异较大，韧脆转变温度较高，发生低应力脆性破坏的可能性也较大；

③ 加工设备要求高。

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常见的组合式筒体有多层包扎式、热套式、绕板式、整体多层包扎式、绕带式。 4.2.2管箱

壳体直径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱位于管壳式换热器的两端，管箱的作用式把从管道输送来的流体均匀地分布到各换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管换热器中，管箱还起改变流体流向的作用。

管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。

4.2.3管板

管板由机械加工完成，其孔径和孔间距根据不同的管束有公差要求。钻孔可用划线钻孔、钻模钻孔，先进一点可以采用数控机床。但采用划线钻孔时，由于精度较差，在钻折流板管孔时，必须将管板和折流板重叠起来配钻，钻后再把折流板依次编号和方位图，便于装配。

4.2.4换热管 (1) 换热管形式

除光管外，换热管还可采用各种各样的强化传热管，如翅片管、螺旋槽管、螺纹管等。当管内外两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。

(2) 换热管材料

常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。设计时应根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用合适的材料。

(3) 换热管排列形式及中心距

换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和转角正方形。正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用得最为普遍，但管外不易清洗。为便于清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。

4.2.5折流板及支撑板

设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。在卧式换热器中，折流板还起支承管束的作用。当工艺上无需折流板要求，而换热管又比较

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细长，以及浮头式换热器的浮头端重量较重或U行管换热器的管束较长时，则应考虑设置支持板，以起到防止换热管变形的目的。

常用的折流板形式有弓形和圆盘－圆环两种。其中弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种。根据需要也可采用其他形式的折流板与支持板，如堰形折流板。

4.2.6管束组装

将管束分成若干程数，使流体依次流过各程管子，以增加流体速度，提高传热系数。管束分程可采用多种不同的组合方式，对于每一程中的管数应大致相等，且程与程之间温度相差不宜过大，温差以不超过20℃左右为宜，否则在管束与管板中将产生很大的热应力。

4.2.7封头

压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。

对受均匀内压封头的强度计算，由于封头和圆筒相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还要考虑与圆筒连接处的不连续应力。连接处总应力的大小与封头的几何形状和尺寸，封头与圆筒厚度的比值大小有关。但在导出封头厚度设计公式时，只要利用内压薄膜应力作为依据，而将因不连续效应产生的应力增强影响以应力增强系数的形式引入厚度计算式中。应力增强系数由有力矩理论解析到处，并辅以实验修正。

4.3换热设备中换热管与管板的连接

4.3.1胀接

工作过程如下：将胀管器插入换热管头，使换热管头发生塑性变形，直至完全贴合在管板上，并使管板孔壁周围已发生变形，然后拔出胀管器。由于换热管发生的是塑性变形，而管板仍然处在弹性变形状态，扩大后的管径不能缩小，而管板孔壁则要弹性恢复而使孔经变小（复原），这样就使换热管与管板紧紧地连接在一起了。

4.3.2焊接

通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到结合的一种方法叫焊接。焊接是两件或两件以上零件，在加热或（和）加压的状态下，通过原

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子或分子之间的结合和扩散，形成永久性连接的工艺过程，具有生产效率高、材料节省、结构紧凑等优点。根据焊接过程的特点不同，一般将焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊。在换热器制造中应用最广的是溶接。

4.2.3胀焊连接 (1) 先胀后焊

换热管与管板胀接后，在管端应留有15ram长的未胀管腔，以避免胀接应力与焊接应力的迭加，减少焊接应力对胀接的影响，15ram的未胀管段与管板孔之间存在一个间隙。在焊接时，由于高温熔化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀。据国外资料介绍，间隙腔内压力在焊接收口时可达到200～300MPa的超高压状态。间隙腔的高温高压气体在外泄时对强度胀的密封性能造成致命的损伤，且焊缝收口处亦将留下肉眼难以觉察的针孔。目前通常采用的机械胀接，由于对焊接裂纹、气孔等敏感性很强的润滑油渗透进入了这些间隙，焊接时产生缺陷的现象就更加严重。这些渗透进入间隙的油污很难清除干净，所以采用先胀后焊工艺，不宜采用机械胀的方式。由于贴胀是不耐压的，但可以消除管子与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼管束振动到管口的焊接部位。但是采用常规手工或机械控制的机械胀接无法达到均匀的贴胀要求，而采用由电脑控制胀接压力的液袋式胀管机胀接时可方便、均匀地实现贴胀要求。采用液袋式胀管机胀接时，为了使胀接结果达到理想效果，胀接前管子与管板孔的尺寸配合在设计制造上必须符合较为严格的要求。

(2) 先焊后胀

在制造过程中，一台换热器中有相当数量的换热管，其外径与管板管孔孔径之间存在着较大的间隙，且每根换热管其外径与管板管孔间隙沿轴向是不均匀的。当焊接完成后胀接时，管子中心线必须与管板管孔中心线相重合。当间隙很小时，上端15mm的未胀管段将可以减轻胀接变形对焊接的影响。当间隙较大时，由于管子的刚性较大，过大的胀接变形将越过15mm未胀区的缓冲而对焊接接头产生损伤，甚至造成焊口脱焊。所以对于先焊后胀工艺，控制管子与管板孔的精度及其配合为首要的问题。当管子与管板腔的间隙小到一定值后，胀接过程将不至于损伤到焊接接头的质量。有关资料显示，管口的焊接接头承受轴向力的能力是相当大的，即使是密封焊，焊接接头在做静态拉脱试验时，管子拉断了，焊口将不会拉脱。然而焊口承受切向剪力的能力相对较差，所以强度焊后，由于控制达不到要求，可能造成

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过胀失效或胀接对焊接接头的损伤。

4.2.4换热管与管板连接方式的选择

(1) 强度胀接—系指为保证换热器与管板连接的密封性能及抗拉强度的胀接

适用范围：

① 设计压力小于等于4Mpa； ② 设计温度小于等于300℃；

③ 操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀。 ④ 换热管的硬度值一般要求低于管板的硬度值；

⑤ 有应力腐蚀时，不应采用管端局部退火的方式来降低换热管的硬度； (2) 强度焊—系指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉强度的焊接。

适用范围：可适用于本标准（GB151）规定的设计压力，但不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。

3) 胀焊并用--强度胀加密封焊（系指保证换热管与管板连接密封性能的焊接）、强度焊加贴胀（系指为消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接）两种方法。适用范围：

① 密封性能要求较高的场合； ② 承受振动或疲劳载荷的场合； ③ 有间隙腐蚀的场合；

4.4换热器的检验

4.4.1无损检测 (1) 表面检测

表面检测方法是在换热器停产全面检验中首选的无损检测方法。检测部位为换热器壳体的对接焊缝及角焊缝的焊迹表面和换热器管板上与换热管的角焊缝等。铁磁性材料对接焊缝的表面检测一般采用磁粉检测，角焊缝无法采用磁粉检测时应采用渗透检测，非铁磁性材料采用渗透检测。检查的重点部位主要时管板与壳体的焊缝、壳体大法兰的环焊缝、进出料法兰的接管角焊缝、管板角焊缝和易出现疲劳的部位等。

(2) 壳体焊缝表面裂纹的电磁涡流检测

焊缝表面裂纹的磁粉或电磁涡流检测都需将被检焊缝表面事先清洁，除去表面防腐层或污垢，因此不适合换热器的在线检测。另外，换热器开罐检验时，大量的打磨工作一方面增加了换热器停产检验的时间和费用，另一方面也减小了换热器焊

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缝部位壳体的壁厚。

4.4.2焊后热处理

管板热处理通常是因为管板拼焊厚度过厚、或有堆焊耐蚀层或盛装高度极度危害介质，否则没有必要进行管板热处理。碳钢低合金钢多层管箱热处理和热处理后再进行法兰密封面的加工是因为隔板与管箱的焊接增加了管箱的拘束度，为了消除焊接应力并避免管箱法兰密封面的泄漏而提出的。

4.4.3 压力测验

换热器压力试验中，管头试压主要检验换热管与管板的焊接质量，查看焊接接头是不是有泄漏，壳程试压主要是检验壳体焊缝强度,开孔补强,壳体与管板的连接焊缝等强度和焊接质量,而管程试验压力除了检验上述外,还包括管板与法兰连接处是否泄漏。

4.4.4换热管与管板连接接头的密封性能检验 (1) 传统检测法

换热管与管板封口焊全部完成后,清洁焊缝,并将换热器竖立,壳程充入氮气或干空气达到一定压力后,在焊缝处涂肥皂水,用肉眼观察是否有气泡产生来判断是否焊缝密封,此法俗称“气泡法”。这种方法虽然操作简单,价格低廉,不需要专用设备。但其灵敏度、可靠性、检漏精度等受环境和检测人员的影响较大,其检测精度仅能达到1×10-2Pa·m3·s-1。对一般设备基本满足精度要求。但随着产品的不断升级换代,特别是对一些重要换热设备,如四川为广东岭澳核电站一回路主系统生产的Ⅰ级设备蒸汽发生器(其外型高22m,直径约5m)。该换热器用“气泡法”无法满足密封性精度的要求,现改用国际上较先进的氦质谱检漏技术。

(2) 氦质谱检漏

氦质谱检漏技术是采用质谱分析原理,利用氦气作为示踪气体,反映到氦检漏仪上,以光信号和音响方式表达出来。

① 专用设备氦检漏仪、真空泵、专用吸盘等。 ② 检测方法和步骤

首先将管板壳程侧表面和换热管末端、以及处于真空的区域进行干燥和清洁处理,除去油污、油脂、渗透探伤残余物和涂层,也就是说要求清除可能影响氦检漏检查的所有杂质。其检测步骤为：

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a) 启动抽真空装置使壳程获得低于1000Pa(10mbar)的真空度。

b) 通过混合装置向壳程充满干空气和氦气(氦气含量最低为20%)的均匀混合物,其压力高于大气压力0 1MPa或为0 2+0 01MPa。

c) 用四孔专用吸盘(图中杯型罩)罩在四个相邻管孔焊缝上,如有泄漏气体,经真空金属软管吸到探测仪,就会发出声光报警。再改用单孔吸盘对可疑焊缝进行逐个检查。

d) 重复进行步骤c,直到所有焊缝都被检测。

4.5换热设备的日常检测与维修

4.5.1日常检查

日常检查的目的是及时发现设备存在的问题和隐患，采取正确的预防和处理措施，避免设备事故发生。

检查内容包括：

(1) 设备是否存在泄露； (2) 保温或保冷是否良好；

(3) 无保温和保冷的设备局部有无明显的变形； (4) 基础或支架是否良好；

(5) 观察现场仪表，温度、流量、压力等参数是否正常； (6) 设备是否超温或超压等；

(7) 用听棒等设备判断设备是否存在异常声响； (8) 确认设备内换热器是否存在相互磨擦和振动。 4.5.2 换热器腐蚀的防护 (1)降低介质的侵蚀性

介质对不同的腐蚀体系有不同的影响,如奥氏体不锈钢在中性氯化物溶液中容易发生应力腐蚀,但是只要介质中氧的质量浓度低于1.3mg/m3就不会发生应力腐蚀。因此,可以通过除去介质中的溶解氧和氧化剂以控制应力腐蚀。降低介质中Cl-的质量浓度、严格控制介质中硫的质量浓度也是控制应力腐蚀的有效措施。

(2)合理的工艺设计

为避免残留液和沉积物的滞留,焊接时尽量采用双面对接焊和连续焊,避免搭接焊和点焊。由于板片很薄,焊接熔化后添补焊丝少,易造成焊缝成型差,因而在焊

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接工艺中应100%填补焊丝,以保证焊缝成型良好。

(3)减小残余应力

根据实际经验,引起应力腐蚀破裂的应力主要是残余应力,而残余应力主要是由冷加工以及焊接引起的内应力所构成。对冷加工件和焊接件进行热处理,有助于消除残余应力,从而也有助于防止应力腐蚀的产生。

(4)电化学保护法

应力腐蚀断裂是应力作用下的阳极溶解过程。因此,可以采用电化学保护的方法控制。金属或合金发生应力腐蚀断裂与电位有关,有些体系存在一个临界破裂电位,高于此值会产生腐蚀断裂。。

4.5.3换热器的检修 (1) 拆开时的外观检查

为了判明各部分的全面腐蚀、劣化情况，所以拆开后要立即检查污染的程度，水锈的附着情况，并根据需要进行取样分析实验。

(2) 壳体、通道和管板的检查

按照一般结构，拆开后的内外侧检查—肉眼检查为主。对腐蚀部分，可用深度计或超声波测厚仪进行壁厚测定，判明是否超出允许范围。其次是通道、隔板往往由于使用中水垢堵塞和压力变化等情况而弯曲，或因垫圈装配不良流体从内隔板前端漏出引起腐蚀。另外管板由于扩管时的应力、管子堵塞和压力变化等影响容易弯曲，所以必须进行抗拉等项目的测定。

(3) 传热管的检查

管子内侧缺陷，在距管板l00mm范围内(从管板算起)，可用侧径表测定，如超过以上范围要用带放大镜的管内检查器进行肉眼检查。缺陷的大小，可由检查器上的刻度测得，但其深度，用目测就很难正确掌握，管子材质如系非磁性的，可用涡流探伤器测定其腐蚀量。固定管板式换热器的管子缺陷也可用超声波探伤器以水深法来测定。

(4) 装配、复位、测试

清扫检查或保养修理后的换热器按照装配顺序、要领，一边进行耐压试验以检查其是否异常，一边即进行装配、复位。

4.6换热器各部分结构的选择

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4.6.1筒体的选择

筒体的作用是提供工艺所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往由工艺计算确定。圆柱形筒体和球形筒体是工程中最常见的筒体结构。

筒体直径较小时时，圆筒可用无缝钢管制作，此时筒体上并没有焊缝；直径较大时，可用钢板在卷板机卷成圆筒或用钢板在水压机压制成两个半圆筒，在用焊缝将两者焊接在一起，形成整圆筒。长度较短容器可直接在一个圆筒的两端连接封头，构成一个封闭的压力空间，也就制成了一台压力容器外壳。但当容器较长时，由于钢板幅面尺寸的限制，就需要先用钢板卷焊成若干端筒体再由两个或两个以上筒节组焊成所需长度的筒体。。

4.6.2封头的选择

压力容器封头的种类较多，分为凸形封头，锥壳，变径段，平盖及紧缩口等其中凸形封头包括半球形封头，椭圆形封头，碟形封头和冠形封头。采用扫描样的封头要根据工艺条件的要求，制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。

对受均匀内压封头的强度计算，由于封头和圆筒相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还要考虑与圆筒连接处的不连续应力。连接处纵应力的大小与封头分几何形状和尺寸，封头与圆筒厚度的比值大小有关。

4.6.3管箱的选择

壳体直径较大的换热器大多采用管箱的结构。管箱位于管壳式换热器的两端，管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀地分布到各个换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起了改变流体流向的作用。

4.6.4管板的选择

管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷，热流体混合，并同时受管程，壳程压力和温度的作用。

在选择管板材料时，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀形，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。当流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板一般采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造。

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5 SW6计算书

固定管板换热器设计计算 计算单位 辽宁石油化工大学高科技开发中心 设 计 计 算 条 件 壳 程 管 程 设计压力 1.49 设计压力 1.37 MPaMPa??设s 计温度 505 设计温度 545 CC t 壳 600 mm 管箱圆筒内径600 mm s程圆筒内径t材料名称 0Cr18Ni10Ti 材料名称 0Cr18Ni10Ti i 简 图 i 计 算 内 容 壳程圆筒校核计算 前端管箱圆筒校核计算 前端管箱封头(平盖)校核计算 后端管箱圆筒校核计算 后端管箱封头(平盖)校核计算 膨胀节校核计算 管箱法兰校核计算 开孔补强设计计算 管板校核计算

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前端管箱筒体计算 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 内径 Di 材料 试验温度许用应力 设计温度许用应力 试验温度下屈服点 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ? 计算厚度 计算单位 辽宁石油化工大学 筒体简图 1.37 MPa 545.00 ? C 600.00 mm 0Cr18Ni10Ti ( 板材 ) 137.00 MPa 86.60 MPa 205.00 MPa 0.80 mm 1.50 mm 0.85 厚度及重量计算 mm ? = 2[?]t??Pc = 5.64 有效厚度 名义厚度 重量 压力试验类型 试验压力值 压力试验允许通过 的应力水平 ???T 试验压力下 圆筒的应力 校核条件 校核结果 ?e =?n - C1- C2= 9.70 ?n = 12.00 36.22 压力试验时应力校核 液压试验 PcDimm mm Kg PT = 1.25P [[??]] = 2.7092 (或由用户输入) tMPa MPa ???T? 0.90 ?s = 184.50 ?T = pT.(Di ?T? ???T 合格 压力及应力计算 2?e[?]?(Di??e)t??e)2?e.? = 100.17 MPa 最大允许工作压力 设计温度下计算应力 ???t? 校核条件 结论

[Pw]= ? = t= 2.34219 = 43.06 MPa MPa MPa Pc(Di??e)2?e 73.61 ???? ≥? 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度6.00mm,合格 tt21

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前端管箱封头计算 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 内径 Di 曲面高度 hi 材料 1.37 545.00 600.00 150.00 计算单位 MPa ? C mm mm MPa MPa mm mm 厚度及重量计算 辽宁石油化工大学 椭圆封头简图 0Cr18Ni10Ti (板材) 设计温度许用应力 137.00 t??? 试验温度许用应力 86.60 ??? 钢板负偏差 C1 0.80 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ? 1.50 0.85 形状系数 2???1D K = ?2??i??? = 1.0000 6??2hi????计算厚度 有效厚度 最小厚度 名义厚度 结论 重量 最大允许工作压力 ? = 2[?]t??0.5Pc = 5.61 ?e =?n - C1- C2= 9.70 ?min = 2.20 ?n = 12.00 满足最小厚度要求 41.84 压 力 计 算 KPcDimm mm mm mm Kg MPa [Pw]= 结论

合格 2[?]??eKDi?0.5?et= 2.36097 22

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后端管箱筒体计算 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 内径 Di 材料 试验温度许用应力 设计温度许用应力 试验温度下屈服点 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ? 计算厚度 计算单位 辽宁石油化工大学 筒体简图 1.37 MPa 545.00 ? C 600.00 mm 0Cr18Ni10Ti ( 板材 ) 137.00 MPa 86.60 MPa 205.00 MPa 0.80 mm 1.50 mm 0.85 厚度及重量计算 mm ? = 2[?]t??Pc = 5.64 有效厚度 名义厚度 重量 压力试验类型 试验压力值 压力试验允许通过 的应力水平 ???T 试验压力下 圆筒的应力 校核条件 校核结果 ?e =?n - C1- C2= 9.70 ?n = 12.00 36.22 压力试验时应力校核 液压试验 PcDimm mm Kg PT = 1.25P [[??]] = 2.7092 (或由用户输入) tMPa MPa ???T? 0.90 ?s = 184.50 ?T = pT.(Di ?T? ???T 合格 压力及应力计算 2?e[?]?(Di??e)t??e)2?e.? = 100.17 MPa 最大允许工作压力 设计温度下计算应力 ???t? 校核条件 结论

[Pw]= ? = t= 2.34219 = 43.06 MPa MPa MPa Pc(Di??e)2?e 73.61 ???? ≥? 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度6.00mm,合格 tt23

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后端管箱封头计算 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 内径 Di 曲面高度 hi 材料 1.37 545.00 600.00 150.00 计算单位 MPa ? C mm mm MPa MPa mm mm 厚度及重量计算 辽宁石油化工大学 椭圆封头简图 0Cr18Ni10Ti (板材) 设计温度许用应力 137.00 t??? 试验温度许用应力 86.60 ??? 钢板负偏差 C1 0.80 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ? 1.50 0.85 形状系数 2???1D K = ?2??i??? = 1.0000 6??2hi????计算厚度 有效厚度 最小厚度 名义厚度 结论 重量 最大允许工作压力 ? = 2[?]t??0.5Pc = 5.61 ?e =?n - C1- C2= 9.70 ?min = 2.20 ?n = 12.00 满足最小厚度要求 41.84 压 力 计 算 KPcDimm mm mm mm Kg MPa [Pw]= 结论

合格 2[?]??eKDi?0.5?et= 2.36097 24

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壳程圆筒计算 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 内径 Di 材料 试验温度许用应力 设计温度许用应力 试验温度下屈服点 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ? 计算厚度 计算单位 辽宁石油化工大学 筒体简图 1.49 MPa 505.00 ? C 600.00 mm 0Cr18Ni10Ti ( 板材 ) 137.00 MPa 102.60 MPa 205.00 MPa 0.80 mm 1.50 mm 0.85 厚度及重量计算 mm ? = 2[?]t??Pc = 5.17 有效厚度 名义厚度 重量 压力试验类型 试验压力值 压力试验允许通过 的应力水平 ???T 试验压力下 圆筒的应力 校核条件 校核结果 ?e =?n - C1- C2= 9.70 ?n = 12.00 1063.65 压力试验时应力校核 液压试验 PcDimm mm Kg PT = 1.25P [[??]] = 2.4870 (或由用户输入) tMPa MPa ???T? 0.90 ?s = 184.50 ?T = pT.(Di ?T? ???T 合格 压力及应力计算 2?e[?]?(Di??e)t??e)2?e.? = 91.95 MPa 最大允许工作压力 设计温度下计算应力 ???t? 校核条件 结论

[Pw]= ? = t= 2.77493 = 46.83 MPa MPa MPa Pc(Di??e)2?e 87.21 ???? ≥? 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度6.00mm,合格 tt25

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开孔补强计算 接 管: 1, φ108×11 计算单位 辽宁石油化工大学 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔 简 图 设 计 条 件 计算压力 pc 1.37 MPa 设计温度 545 ℃ 接管材料 名称及类型 补强圈材料 补强圈外径 补强圈厚度 0Cr18Ni10Ti 管材 壳体型式 椭圆形封头 壳体材料 0Cr18Ni10Ti 名称及类型 板材 壳体开孔处焊接接头系数φ 壳体内直径 Di 600 0.85 mm mm mm 壳体开孔处名义厚度δ12 n 壳体厚度负偏差 C1 0.8 壳体腐蚀裕量 C2 1.5 mm 壳体材料许用应力86.6 MPa [σ]t 椭圆形封头长短轴之比 2 接管实际外伸长度 接管实际内伸长度 接管焊接接头系数 接管腐蚀裕量 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 接管厚度负偏差 C1t t 200 0 1 1.5 mm mm mm mm mm 1.375 tmm mm mm 补强圈厚度负偏差 C1r 接管材料许用应力[σ] 86.6 MPa 补强圈许用应力[σ] MPa 开 孔 补 强 计 算 壳体计算厚度δ 5.049 mm mm mm 接管计算厚度δt 0.686 mm 补强圈强度削弱系数 frr 0 开孔直径 d 接管有效外伸长度 h1 91.75 31.77 接管材料强度削弱系数 1 fr 补强区有效宽度 B 接管有效内伸长度 h2 0 183.5 mm mm 2开孔削弱所需的补强面积463.2 A 接管多余金属面积 A2 472.7 mm2 壳体多余金属面积 A1 426.8 mm mm2 补强区内的焊缝面积 A3 64 mm2 mm 2A1+A2+A3=963.4 mm2 ，大于A，不需另加补强。 2补强圈面积 A4 mm A-(A1+A2+A3) 结论: 补强满足要求,不需另加补强。 26

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开孔补强计算 接 管: 2, φ89×7 计算单位 辽宁石油化工大学 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔 简 图 设 计 条 件 计算压力 pc 1.49 MPa 设计温度 505 ℃ 壳体型式 圆形筒体 壳体材料 0Cr18Ni10Ti 名称及类型 板材 壳体开孔处焊接接头系数φ 壳体内直径 Di 600 0.85 mm mm mm mm MPa 壳体开孔处名义厚度δ12 n 壳体厚度负偏差 C1 0.8 壳体腐蚀裕量 C2 1.5 壳体材料许用应力102.6 [σ]t 接管实际外伸长度 接管实际内伸长度 接管焊接接头系数 接管腐蚀裕量 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 接管厚度负偏差 C1t t200 0 1 1.5 mm mm mm mm mm 接管材料 名称及类型 补强圈材料 补强圈外径 补强圈厚度 0Cr18Ni10Ti 管材 0.875 tmm mm mm 补强圈厚度负偏差 C1r 接管材料许用应力[σ] 102.6 MPa 补强圈许用应力[σ] MPa 开 孔 补 强 计 算 壳体计算厚度δ 5.17 mm mm mm 接管计算厚度δt 0.549 mm 补强圈强度削弱系数 frr 0 开孔直径 d 接管有效外伸长度 h1 79.75 23.63 接管材料强度削弱系数 1 fr 补强区有效宽度 B 接管有效内伸长度 h2 0 159.5 mm mm 2开孔削弱所需的补强面积412.3 A 接管多余金属面积 A2 192.6 mm2 壳体多余金属面积 A1 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 361.3 mm 49 mm2 mm 2A1+A2+A3=602.9 mm2 ，大于A，不需另加补强。 2补强圈面积 A4 mm A-(A1+A2+A3) 结论: 补强满足要求,不需另加补强。 27

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U型膨胀节设计计算 计 算 条 件 1.49 MPa 设计内压力p 设计外压力pe 设计温度 t 设 计 要 求 的 循 环 次 数 波 材料 纹 腐蚀裕量C2 管 直 许用应力??? 常温下弹性模量Eb tb辽宁石油化工大学 简 图 MPa 505.00 ℃ 1500 次 0Cr17Ni12Mo2 1.50 106.80 1.948e+05 1.595e +05 118.80 t 边 设计温度下弹性模量E段 设计温度下屈服点?st 下限操作温度下弹性模量1.950eMPa 1.590e+05 MPa Ebc +05 几 何 尺 寸 直边段与波纹内径 Db = 600.00 mm 波长 W = 162.00 mm 直边段长度 L4 = 10.00 mm 波纹管层数 m = 1 mm 波数 n = 2 波高 h = 105.00 成型前一层名义厚度 S=11.00 波纹管直边段平均直径Db +mS =611.00 mm mm 成型前一层有效厚度Se=8.70 加强圈有效厚度 Sc= mm mm MPa mm mm mm 加强圈平均直径 DC =Db +2mS +SC = mm 加强圈弹性模量 Ec = 加强圈材料 加强圈长度LC = 波纹管平均直径Dm Dm = D’o +h =727.00 D?成型后波纹管一层最小有效厚S????S??D?7.90 ??度S12bPP m系 数 计 算 系数k k?L41.5Db.S? 0.08 （当k?1时，取k?1） 28

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疲劳寿命的温度修正系数Tf 修正系数 系数 系数 系数

室温条件下Tf=1 WTf?EbcEbH?1.23 WDmSP?横坐标值2h按2h,2.2按2h,2.2按W,WWW?0.77 右端纵坐标曲线值2.20.86 DmSpWDmSp查图6-2得：Cp?0.56 查图6-3得：Cf? 1.57 查图6-4得：Cd?2.36 W2h2.2DmSp29

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刚 度 及 位 移 计 算 一个波轴向钢度K mDE?S?C????90025.02 K?1.7N/mm ??mtb3p2Cf?h?总体轴向刚度 轴向力 F Kn?Kn?45012.51 NN/mm 一个波的轴向位移 e=F/K=2.59 mm 应 力 计 算 许 用 值 直边段周向 pDLEk??????t?106.80 2(mSELD?SkELD)内 MPa ?薄膜应力z 3.40 pDLEk 加强圈周向 t???????106.80 2(mSELD?SkELD)压 薄膜应力?c MPa pD?1?36.72 应 波纹管周向 t??MPa ???????106.80 2mS?0.571?2h/W?力 ?F = 233368.29 204tbcztb40tccc2cctcctb40ctcccm1p薄膜应力1 波纹管经向 ?薄膜应力2 ?2?ph2mSp2?9.90 ????106.80 tMPa MPa MPa 波纹管经向 ?弯曲应力3 p?h???Cp??3??2m??Sp?Eb(Sp?C2)e2hCf3273.22 轴 向 位 移 组 合 应 力 波纹管经向 ?4??12.26 ?薄膜应力4 ?波纹管经向弯曲应力5 计算?5?5Eb(Sp?C2)e3hCd2?303.91 t?p ?p??2??3?83.12 316.17 1.5?s?178.20 MPa MPa MPa MPa ?计算d 计算所有组合最大值?d??4??5? ?R ?R?0.7?p??d?374.36 2?s?t237.60 疲 劳 寿 命 校 核 对于奥氏体不锈钢膨胀节, 当?R?2?s时, 需要进行疲劳校核 疲 劳 破 坏 时 的 循 环 次 数 ??12820?N???Tf?R?370?3.4tN ?21726438 30

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疲劳寿命安全系数nf ? nf?15.00 ( 按GB151－1999，nf ? 15 ) 许 用 循 环 次 数 ?N校核条件 ?N??Nn? 1448429 f设 计 要 求 的 操 作 循 环 次 数 ??N? 平面失稳应力 ps?1.4mSP?shCP22t= 2.71 MPa P<=Ps 平面失稳压力校核通过

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延长部分兼作法兰固定式管板 设计单位 设 计 计 算 条 件 设计压力 ps 1.49 MPa 辽宁石油化工大学 简 图 设计温度 Ts 平均金属温度 ts 装配温度 to 壳 材料名称 设计温度下许用应力[?]t 505 505 15 102.6 ?C 600 12 9.7 1.595e+05 2.827e+05 1.858e+04 1.37 545 0Cr18Ni10Ti 1.538e+05 ??C C 0Cr18Ni10Ti Mpa Mpa mm/mm?C 程 平均金属温度下弹性模量 1.595e+Es 05 平均金属温度下热膨胀系数?s 圆 壳程圆筒内径 Di 1.836e-05 mm mm mm MPa mm2 mm2 MPa ? 壳 程 圆 筒 名义厚 度 ?s 壳 程 圆 筒 有效厚 度 ?se 筒 壳体法兰设计温度下弹性模量 Ef’ 壳程圆筒内直径横截面积 A=0.25 ? Di2 管 箱 壳程圆筒金属横截面积 As=??s ( Di+?s ) 设计压力pt 设计温度Tt C 圆 材料名称 筒 设计温度下弹性模量 Eh MPa mm 管箱圆筒名义厚度(管箱为高颈法兰取法兰颈部大小端平19 32

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均值)?h 管箱圆筒有效厚度?he 17.5 1.538e+05 0Cr18Ni10Ti 545 86.6 111.3 1.555e+05 1.555e+05 1.856e-05 19 2 ?mm MPa C 管箱法兰设计温度下弹性模量 Et” 材料名称 换 管子平均温度 tt 设计温度下管子材料许用应力 [?]tt 设计温度下管子材料屈服应力?st 热 设计温度下管子材料弹性模量 Ett 平均金属温度下管子材料弹性模量 Et 平均金属温度下管子材料热膨胀系数?t 管 管子外径 d

管子壁厚?t MPa MPa MPa MPa mm/mmC ?mm mm 33

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管子根数 n 换热管中心距 S 换 一根管子金属横截面积a???t(d??t) 换热管长度 L 393 25 106.8 6000 5876 1851 )t2 mm mm2 mm mm MPa mm mm MPa 管子有效长度(两管板内侧间距) L1 管束模数 Kt = Et na/LDi 管子回转半径 i?0.25d?(d?2?2 6.052 900 166.1 148.7 热 管子受压失稳当量长度 lcr 系数C =?2E/? rttts 比值 lcr /i 管子稳定许用压应力 (Cr管 ??lcri) [?]cr??Et2(lcri)22 30.73 管子稳定许用压应力 (Cr 材料名称 设计温度 tp 管 设计温度下许用应力???r t?lcri) [?]cr??lcri? ?1???2?2Cr?tsMPa 0Cr18Ni10Ti 545 74.2 ?C MPa 设计温度下弹性模量Ep 管板腐蚀裕量 C2 管板输入厚度?n 管板计算厚度 ? 隔板槽面积 (包括拉杆和假管区面积)Ad 1.555e+05 MPa 3 62 59 0 0.4 0.4 2.716 焊接 3 43.3 34

mm mm mm mm2 mm MPa MPa 板 管板强度削弱系数 ? 管板刚度削弱系数 ? 管子加强系数 K2?1.318Di?Etna/EpL?? K = 管板和管子连接型式 管板和管子胀接(焊接)高度l 胀接许用拉脱应力 [q] 焊接许用拉脱应力 [q] 辽宁石油化工大学继续教育学院论文

管 材料名称 管箱法兰厚度 ?f\ f0Cr18Ni10Ti 60 760 mmm mm 法兰外径 D 箱 基本法兰力矩 M 管程压力操作工况下法兰力 Mp3.714e+07 N?mm 2.463e+07 N?mm 80 0.02917 0.1 0.00 0.006108 102.4 法兰宽度 bf?(Df法 比值?h/Di \ 比值?f?Di)/2 mm MPa /Di 系数C\(按?h/Di ,?”f/Di , 查<>图25) /Di ,查<>图 26) 兰 系数?”(按?h/Di ,?f” 旋转刚度 K\f\\2Efbf?2?f??[12Di?bf?Di?1???E?\] h??3 材料名称 壳 壳体法兰厚度?f' f0Cr18Ni10Ti 62 760 mm mm mm MPa 法兰外径 D 体 法兰宽度 bf 比值 ?s/Di ?(Df?Di)/280 0.01617 0.1033 0.00 0.001895 52.8 法 比值?f'/Di '兰 '系数C, 按?h/Di ,?f”/Di , 查<>图25 系数?, 按?h/Di ,?”f/Di , 查<>图26 旋转刚度 K''2?f12Ebf???[12Di?bf?Di?'ff???E?'] s??3 法兰外径与内径之比 K 旋转刚度无量纲参数 ~K 膨胀节总体轴向刚度

2?DfDi 1.267 壳体法兰应力系数Y (按 K 查<>表9-5) 8.349 f??K f 0.0224 4Kt?E2(lcri)2 4.501e+04 N/mm 35

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管板第一弯矩系数(按K,Kf查<>图 27) m1 ?m1~~0.2458 4.041 1.68 22系 系数 ? KKf系数(按KtKf查<>图 29) G2 EtnaEsAs~ 换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比 Q?数 换热管束与带膨胀节壳体刚度之比 Qex ? 2.203 26.88 22.95 0.001584 0.03329 0.4022 Etna(EsAs?KexL)EsAsKexL管板第二弯矩系数(按K,Q或Qex查<>图28(a)或(b))m2 ?m12K(Q?G2) 系数（带膨胀节时Q代替Q） M1ex 计 系数 (按K,Q或Qex 查图30) G3 ~~ 管板边缘力矩变化系数 ?M~法兰力矩折减系数 ??Kf(Kf?G3) ?1 K\f1.09 0.5618 ??K f算 法兰力矩变化系数 ?M~~f??MK fK\f 管 管板开孔后面积 Al = A - 0.25 n?d 2 板 管板布管区面积 参 (三角形布管) A (正方形布管 ) ?0.866nS221.713e+05 mm 2.456e+05 mm t?AdAt?nS??Ad4At/? 数 管板布管区当量直径 D 系数 ?系 系数 ?559.2 0.6059 0.245 3.571 45.86 0.9321 0.1845 mm t?Al/A ?na/Al ?0.4?0.6?(1?Q)/? ?0.4(1??)?(0.6?Q)/?数 系数 ?s计 系数(带膨胀节时Qex代替Q) ?t 算 管板布管区当量直径与壳体内径之比 ?t?Dt/Di 管板周边不布管区无量纲宽度 k = K(1-?t)

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