管式反应器设计

本 科 毕 业 设 计 (论 文)

管式反应器设计

Design of Tubular Reactor

学 院： 机械工程学院 专业班级： 过程装备与控制工程 学生姓名： 学 号： 指导教师：

2013年 6月

毕业设计（论文）中文摘要

管式反应器设计 摘 要：这篇论文主要介绍管式反应器机械计算等相关的设计过程。本毕业设计中，通过对该设备设计的相关的国家标准和行业标准的学习，独立的设计了管式反应器。管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。管式反应器是一种适用于强放热反应的反应设备。设计的内容主要是：根据给出的工艺参数选择合适的结构类型，然后根据已经选定的型式按照国家标准和行业标准对设备的换热管、折流板、定距管、管箱等零部件进行设计，该设备主要由筒体、管箱、支座、换热管、折流板、管板及接管、法兰等组成。通过对该管式反应器的设计，进而熟悉和了解化工设备设计的一般方法和步骤，熟悉和了解化工设备相关设计标准和规范，掌握化工设备通用零部件的选用方法，培养综合运用所学知识分析、解决工程实际问题的能力。 关键词：管式反应器；管板；法兰；固定管板式 毕业设计（论文）外文摘要

Design of Tubular Reactor Abstract: This thesis mainly introduces the design procedure of Tubular reactor ,which is related to mechanical calculation. the design of the device through the relevant national standards and industry standards of learning, independent design of the tubular reactor. A device that tubular tubular reactor, large aspect ratio of the continuous operation of the reactor. The tubular reactor is a suitable strong exothermic reaction equipment. The main contents of the design are: according to the given parameters select the appropriate structure type, then the type has been selected in accordance with national standards and industry standards for equipment tubes, baffles, fixed pitch pipes, boxes and other zero part design, the device is mainly the cylinder, tube box, bearings, tubes, baffles and tube plate, flange and other components. Through the tubular reactor design, and thus familiar with and understand the general chemical equipment design methods and procedures, knowledge and understanding of relevant chemical equipment design standards and norms, master chemical equipment selection method for general parts, training integrated use of knowledge analyze and solve practical engineering problems. Keywords: Tubular reactor; tube plate; Flange;Fixed tube sheet

目 录

1 绪论??????????????????????????????1 1.1 管式反应器的特点 ???????????????????????1 1.2 国内外研究现状、水平和发展趋势????????????????1 1.3 毕业设计目的??????????????????????????1 1.4 毕业设计内容和要求 ??????????????????????1 2 确定换热管数目?????????????????????????2 3 管子排列方式管间距的的确定???????????????????3 4 管式反应器筒体直径的确定????????????????????3 5 确定折流板形式和数目??????????????????????4 5.1 折流板的形式及材料??????????????????????4 5.2 折流板的主要几何参数?????????????????????4 5.3 折流板与壳体间隙???????????????????????4 5.4 折流板厚度??????????????????????????4 5.5 折流板数目??????????????????????????4 5.6 折流板的管孔?????????????????????????5 6 确定壳体（筒体和封头）壁厚??????????????????5 6.1 计算壳程筒体厚度??????????????????????5 6.2 管箱的选择???????????????????????6 7 选取标准件??????????????????????15 7.1 选取接管?????????????????????????15 7.2 选取接管法兰?????????????????????????15 7.3 分布器的选择???????????????????????16 8 选取拉杆和定距管???????????????????????17 8.1 拉杆的结构形式????????????????????????17 8.2 拉杆的直径与数量???????????????????????18 8.3 拉杆的布置??????????????????????????18 8.4 定距管????????????????????????????18 9 管板的设计计算???????????????????????18 9.1 上管板的设计计算???????????????????????18 9.2 下管板的设计计算???????????????????????23

10 膨胀节的设计?????????????????????27 10.1 U形膨胀节的计算??????????????????????27 11 开孔补强????????????????????????29 11.1 进料口的开孔补强??????????????????????30 11.2 测温口的开孔补强??????????????????????32 11.3 安全阀口的开孔补强??????????????????????34 12 支座的选择?????????????????????????37 结论 ???????????????????????????????38 致谢 ???????????????????????????????39 参考文献?????????????????????????????40 附录??????????????????????????????41

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1 绪论

1.1 管式反应器的特点

管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。管式反应器在近40年里，由于其体积小，效率高的特点，在化工中的应用与发展十分迅速。因此，对管式反应器的研究具有深远的意义。 ；；；；；；；；；；； 1.2国内外研究现状、水平和发展趋势

我国自20世纪80年代引进这一先进技术后，由上海化工研究院、南华集团设计院和郑州工业大学在“七五”期间承担了管式反应器的国家攻关项目，四川大学在“八五”、“九五”、“十五”期间也承担了管式反应器的国家攻关项目和有关基础研究工作。一些研究、设计院和高校大力协同，积极开展基础研究工作和承担工程项目，至今取得了很大的成绩，填补了这一领域的空白。随着现代高科技的发展，我国研制的新型管式反应器也必将赶上世界先进水平，在化工界占有一席之地！

20世纪60年代美国TVA公司将管式反应器用于磷酸铵的气液固三项系统，省掉了传统的预中和工艺；70年代以来，许多国家在磷复合肥工业中相继开发了各种管式反应器以及相应的新流程，如德国UHDE公司、西班牙CROS公司。目前世界上生产磷酸铵最简捷、能耗最低的流程是西班牙Aspindesa公司开发的生产粉状MAP的管式反应器喷雾流程。如今的管式反应器的开发已扩展到磷酸铵以外的许多化肥生产领域，如硫基复合肥的中和段采用了短管型管式反应器，并且在扩大段形成了一个内循环反应过程以延长停留时间。然而，随着科技的不断发展，新型的管式反应器将被不断地被研究出，为化工行业带来方便。

1.3 毕业设计目的

管式反应器是一种适用于强放热反应的反应设备。本次毕业设计将通过列管式反应器的设计：

（1）、掌握管式反应器机械设计的一般方法和步骤； （2）、熟悉和了解化工设备相关设计标准和规范； （3）、掌握化工设备通用零部件的选用方法；

（4）、培养综合运用所学知识分析、解决工程实际问题的能力。

1.4 毕业设计内容和要求

1.4.1 原始数据见下表

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表1 设计数据表 设 计 数 据 表

名 称 工作压力 MPa

指 标 管 程 壳 程 6.5 0.4

名 称

指 标

管 程 壳 程 1.0 0.85

~64.8

III

焊接接头系

数

2

设计压力MPa 8.0 0.9 换热面积m工作温度 ℃ >200/235-245 250/235-245 容器类别 设计温度 ℃ 300 300

烯类，液化气导热油

物料名称

等

表2 管口表 管 口 表

符号 a b c d

1,2,3ef g h

公称尺寸mm

80 25 20 50 25 50 40 40 用途 进料口 测温口 测压口 安全阀口 测温口 出料口 导热油出口 导热油进口 符号 i j k v m n o p 公称尺寸mm

20 80 20 20 20 50 25 25 用途 测压口 出料口 放净口 排气口 测压口 泄压口 测温口 测温口

1.4.2 设计要求

在给定条件下完成反应器的机械设计，具体要求包括：1、确定换热管根数；2、确定壳体直径；3、确定折流板形式及数目；4、管束设计；5、选择材料；6、确定壳体（筒体、封头）壁厚；7、法兰选择或设计；8、选取并核算标准件；9、开孔补强计算；10、绘制设备图纸；11、编写设计计算说明书。 1.4.3 毕业设计成果

1、设计说明书一份 2、装配图一张 3、零部件图若干张

4、主要为手绘图时，用计算机绘制的图纸不少于0号图（折合成）一张；主要为计算机绘图时，手绘图纸不少于0号图（折合成）一张

注：图纸总量折合成0号图不少于2.5张。

2 确定换热管根数 结合介质性质及便于清洗换热管，于是采用?45x3?mm?，长为3.5m，材料为00Cr17Ni14Mo2，由换热面积F??d0?L?0.1?n可得：

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n?F?d0?L?0.1??64.83.14?0.045??3.5?0.1??135根

考虑到安排6根拉杆和留有一定裕量，取n=145根。

3 管子排列方式，管间距的确定

换热管在管板上的排列有正三角形、正方形和同心圆排列三种方式，如下图所示。各自特点：正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高；正方形排列：易清洗，但给热效果较差；同心圆排列：可以提高给热系数。

图1 换热管排列方式

采用正三角形排列，假设管板上管子排列的间距a，与管子与管板的连接方法有关。取a?1.25d0?1.25?45?57mm。

4 管式反应器筒体直径的确定 筒体内径可由下式计算：

Di?a(b?1)?l

式中 a————换热器管间距，由上知a＝57mm；

b————位于管束中心线上的管数，管子按正三角形排列时，

b?1.1n?1.1135?12.78

l————最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，

取l?2d0?2?45?90mm

所以 Di?57??12.78?1??90?761.46mm 取筒体内径Di?800mm。

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5 确定折流板形式和数目 5.1 折流板的形式及材料 该管式反应器的壳程流体流通截面积大，在壳程流体属对流传热条件时，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需要设置折流板。折流板有横向折流板和纵向折流板两类，单壳程的管式反应器仅需设置横向折流板，横向折流板同时兼有支承传热管，防止产生振动作用。

常用的折流板有弓形和盘环形。在弓形折流板中，流体在板间错流冲刷管子，而流经折流板弓形缺口时是顺流经过管子后进入下一板间，改变方向，流动中死区较少，比较优越，结构比较简单，一般标准换热器中只采用这种。盘环形折流板制造不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。而且要求介质必须是清洁的，否则沉淀物将会沉积在圆环后面，传热面积失效，一般用于压力比较高而又清洁的介质。 此处的折流板采用单弓形折流板。为方便选材，可选折流板的材料为Q235-B。

5.2 折流板的主要几何参数

弓形折流板圆缺大小用切去弓弦高占圆筒内直径的百分比来确定，单弓形折流板缺口弦高h值，宜取0.20-0.45倍的圆筒内直径,取系数为0.2，切去圆缺高度h?0.25?800?200mm。

5.3 折流板与壳体间隙

折流板外周与壳体内径之间的间隙越小，壳程流体介质在此处的泄漏越小，使传热效率提高，但间隙越小，给制造、安装带来困难。选取折流板名义外直径

D?DN?4.5?795.5mm。

5.4 折流板的厚度

折流板的厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关，选取折流板的厚度

??6mm。

5.5 折流板的数目

取折流板间距B=200（0.2Di?B?Di）

折流板数目：NB?L3500?1??1?17，考虑到上下管箱和管板及排布的原B200因，取折流板数NB?14。

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5.6 折流板的管孔 由国标151-1999规定，?45?3的换热管的折流板孔直径为45.40mm及允许

0.20偏差??0。 6 确定壳体（筒体和封头）壁厚

6.1 计算壳程筒体厚度

因为壳程的流体是导热油，设计压力是0.9MPa，设计的温度是300℃，选用16MnR作为制造材料。由GB150-1998可以查得，16MnR在300℃时的许用应力

???t=144MPa。焊接系数??0.85。取C1?0.6mm，C2?3mm。 因为pc?0.4?????0.4?144?0.85?48.96MPa 所以 ??tpcDi2?????pct?0.9?800?2.95mm

2?144?0.85?0.9设计厚度： ?d???C2?2.95?3?5.95mm 名义厚度： ?n??d?C1???5.95?0.6???10mm 有效厚度： ?e??n?C2?C1?10?3?0.6?6.4mm

6.1.1 水压试验校核筒体 水压试验的压力

pT?1.25?pc???t????1.25?0.9?170?1.33MPa 144因为水压试验的压力pT?pc，为了防止容器产生过大的应力，要求在试验压力下圆筒产生的最大应力不超过圆筒材料在试验温度下屈服点的90%。 。。

所以

?P??D????1.18?0.0318??800?6.4??P??76.34MPa ??2?2?6.4TLieTe式中：pL??gH?1?10?3180?10?6?0.0318MPa

0.9??s?0.9?0.85?345?263.93MPa>76.34MPa

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因为

?T?0.9??s

所以水压试验的应力校核满足要求。

6.2 管箱的选择

管箱由两部分组成：短节与封头；把由管道来的管程流体均匀分布到各传热管把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。管箱的结构形式主要根据换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等因素来决定。

（1）、A型（平盖管箱）如图（a）装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大是得用锻件，耗费大量机加工时，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。

（2）、B型封头管箱型 如图（b），用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况要比平端盖好的多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱。

（3）、C型、D型管箱 这种形式是管箱一端与壳体及管板连成一体，或是用于可拆管束与管板制成一体的管箱，另一端可采用A型结构，减少了泄漏的可能性。一般用的较少，只在高压情况下采用。

A型管箱 B型管箱 C型管箱 D型管箱

图2 管箱形式

6.2.1 设计计算上部管箱

（1）根据已知条件，综合考虑上管箱选A型，材料为16MnR.由GB150-1998和GB151-1999有，管箱的圆筒厚度 ??pcDi2?????pct?8?800?22.68mm

2?144?1?8 设计厚度： ?d???C2?22.86?3?25.86mm 名义厚度： ?n??d?C1???25.86?0.6???30mm

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有效厚度： ?e??n?C2?C1?30?3?0.6?26.4mm

（2）容器法兰的设计

法兰的基本结构形式按组成法兰的圆筒、法兰环及锥颈三部分的整体性程度可分为松式法兰、整体法兰、任意式法兰三种。 ??1松式法兰：指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与壳体作

为一个整体承受螺栓载荷的结构。 ?2?整体法兰：将法兰于壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰。 ?3?任意式法兰：从结构来看，这种法兰与壳体连成一体，但刚性介于整体

法兰和松式法兰之间。

性能从好到差：整体法兰>任意式法兰>松式法兰

所以选整体法兰形式比较好，已知管程的设计压力为8.0MPa，设计温度为300℃，选用长颈对焊法兰，材料为16Mn，为了保护焊缝，采用衬环凹凸面密封，材料为00Cr17Ni14Mo2。 ?1? 垫片

1选用不锈钢内填石棉缠绕式金属垫片，由GB150-1998有：m=3.00,y=69。

2垫片的有效密封厚度

垫片的接触宽度N=12mm，所以密封宽度b0? 当b0?6.4mm时，b?b0 当b0?6.4mm时，b?2.53b0 所以，有效密封宽度b?b0?6mm

N?6mm 23垫片压紧力作用中心圆直径

因为b0?6mm<6.4mm，所以DG?D?2b?800?2?12?824mm

4垫片压紧力

预紧状态下需要的最小垫片压紧力

FG?Fa?3.14?DG?by?3.14?824?6?69?101.17KN 操作状态下需要的最小垫片压紧力

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FG?Fp?6.28?DGbmpc?6.28?824?6?3?8?745.16KN

5垫片宽度

垫片在预紧状态下受到最大螺栓载荷作用，可因压紧过度而失去密封性能。为此垫片可取宽度80mm。

?2? 螺栓

1螺栓的布置

?a? 法兰径向尺寸LA?Le及螺栓间距L的最小值，按GB150-1998表9-3

选取有dB?42mm，LA?62mm ，Le?42mm，L=90mm。螺栓的规格为M45，数量36个。

____?b? 螺栓最大间距不宜超过下式计算值：

____Lmax?2db??m?0.5?6?f?2?45?6?263?540.86mm

?3?0.5?式中：

L————螺栓最大间距，mm

maxdb——————螺栓孔直径，mm

?f—————法兰有效厚度，mm

M——————垫片系数 2螺栓载荷

?a?预紧状态下需要的最小螺栓载荷

Wa?Fa?3.14DGby?3.14?824?6?69?1071.17KN ?b?操作状态下需要的最小螺栓载荷

WP?F?FP?0.785DG2pc?6.28DGbmpc =0.785?8242?8?6.28?824?6?3?8 =5009.13KN 3螺栓面积

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?a?预紧状态下需要的最小螺栓面积 Aa????Wa1071.17?1032??4698.11mm

228b 选用螺柱的材料为35CrMoA，在常温下的许用应力 ?b?操作状态下需要的最小螺栓面积 Ap?????228MPa。

bWptb??50091302?26503.33mm 189 ?c?需要的螺栓面积Am取Aa与Ap之大值 Am=Ap=26503.33mm

（d）实际螺栓面积Ab??dL?3.14?42?490?64620mm 4螺栓设计载荷

（a） 预紧状态螺栓设计载荷

W?FG?22A?A????26503.33?64620?228 22mbb =10388.6KN

（b） 操作状态螺栓设计载荷

W?Wp?5009.13KN ?3? 法兰

图3 长颈对焊法兰 初始设定如下尺寸：

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公称直径DN（mm） D D1 D2 D3 ? H h R

?1

?2 d

800 1116 1032 880 868 158 263 60 20 30 56 45 (1)法兰力矩

（a）预紧状态的法兰力矩

Ma?FGLG?WLG?10388600?84?8.73?10N?mm LG————螺栓中心至FG作用位置处的径向距离，mm

（b）操作状态的法兰力矩

Mp?FDLD?FTLT?FGLG

=4.02?106?77?8.4?104?88?1.04?107?104 =1.4?109 N?mm 式中：FG?Fp，按GB150-1998有： LD?LA?0.5 LTA18?1?62?0.5?30?77mm

G???LL?2??62?30?84??88mm

2 LG?D?DbG2?1032?824?104mm 2L

A

————螺栓中心至法兰颈部（或焊接）与法兰背面交点的径向距离，mm

D————螺栓中心圆直径，mm

bDFFG————垫片压紧力作用中心圆直径，mm

————作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力，

2D FD?0.785DiPc?0.785?8162?8?4.18?106N

T————液体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力所

引起的轴向力之差，FT?F?FD?8.4?104N

(2)法兰设计力矩

法兰设计力矩取以下大值：

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????81448f?8.73?10??7.4?10N?mm?Ma170????f M0??

??Mp?1.44?109N?mm?t所以M0?1.4?109 N?mm (3)法兰应力

1整体法兰、带劲松式法兰以及按整体法兰计算的任意式法兰。

(a)轴向应力

1?1.4?109??168.3MPa ?H?221.1?30?816??1DifM0 (b)径向应力

0.95??1.33?158??1??1.33?fe?1800?30??9?M??1.4?10 022R1.1?158?816??Di ???f =118.4MPa (c)环向应力

6.35?1.4?109?Z?R??3.3?118.4 ?T?22158?816?DifYMO =80.4MPa

式中：f————整体法兰颈部应力校正系数（法兰颈部小端应力与大

端应力的比值），当f<1时，取f=1

?————系数，?????，

???T??f?1158?0.95800?301.77?1?1.1

T k————法兰外径与内径的比值，k?DD0i?1116?1.368 816 查GB150-1998表9-5有：T=1.77,Z=3.30，Y=6.35,U=6.98

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图4 f值图

2剪应力

(a)剪切载荷

预紧状态的剪切载荷 W?FG?操作状态的剪切载荷

W?Wp?5009.13KN (b)剪切面积

A??3.14D?l?3.14?1116?36?126152.64mm 式中：A?————剪切面积，mm

D?————剪切面计算直径，取圆筒外径，mm l—————剪切面计算高度，mm (c)剪应力

22A?A???2mbb?10388.6KN

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预紧时的剪应力 ?? 操作时的剪应力 ??WA?W?10388600?82.3MPa

126152.64A??5009130?39.7MPa

126152.643应力校核 (a)轴向应力

根据要求： 1.5t?H?1.5???tf与2.5???之小值

tn????1.5?144?216MPa

2.5????2.5?144?360MPa

ftn

?H?68.3MPa?216MPa，所以符合要求。

(b)径向应力

?R?118.4MPa? 所以满足要求。 (c)环向应力

?T?80.4MPa? 所以满足要求。 (d)组合应力

???

RH???tftf?144MPa

????144MPa

2168.3?118.4??143MPa?2??f?

t?? ?HT2168.3?80.4??124.3MPa?2??f?

t所以满足要求。 (e)剪应力

预紧时： ??82.3MPa?0.8?170?136MPa 操作时： ??39.7MPa?0.8?144?115.2MPa 符合要求。 （3）平盖封头设计计算

选用材料为16MnR，因为该封头为平盖封头，且管箱内无隔板，所以

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厚度按以下计算。

操作时 ?p?DGkPct????????t?8240.56?8?178mm

113?0.85预紧时 ?p?DGkPc?8240.17?8?85mm

150?0.85取两者中较大值，所以?p?178mm，取?p?180mm 式中：?p————平盖计算厚度，mm

DG————垫片压紧力作用中心圆直径（按GB150-1998第9章选），mm Pc————管程计算压力，MPa

???————设计温度下平盖材料的许用应力，MPa

t ???————试验温度下平盖材料的许用应力，MPa ?—————焊接接头系数 k——————结构特征系数 操作时：k?0.3?1.78WLGPDc3?0.3?G1.78?10388600?84 38?824 =0.156 预紧时：k?6.2.2 设计计算下部管箱

（1）下管箱封头材料仍选16MnR，因为介质需从设备中排出，且本设备为单壳程结构，所以采用D型管箱。 根据GB150-1998有：16MnR在300℃时的许用应力为因为 Pd?0.4所以 ??t1.78WLGPDc3?G1.78?5009130?84?0.17

8?8243????144MPa

t?????0.4?144?1?57.6MPa

cti2设计厚度：

?????PPD?c8?800?22.86mm

2?144?1?8?d???C2?22.86?3?25.86mm

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名义厚度： ?n??d?C1???25.86?0.6???30mm 有效厚度： ?e??n?C2?C1?30?3?0.6?26.4mm

考虑到耐磨、耐热、耐腐蚀等方面性能，用焊接方法在管箱内表面堆敷一层厚度为8的00Cr17Ni14Mo2。

7 选取标准件

7.1 选取接管

7.1.1 接管的一般要求 （1）接管应与壳体内表面平齐；

（2）必要是可设置温度计接口、压力表及液面计接口； （3）接管与外部管线可采用焊接连接；

（4）设计温度在300℃以上时，必须采用整体法兰; （5）对于不能利用接管进行放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口，其最小公称直径为20mm； （6）接管应尽管沿径向或轴向布置; 根据HG20592-97选取：

测压口、放净口、排气口选用?25?2.5规格的接管，长为150mm,重量为0.16kg。

测温口选用?32?3.5规格的接管，长度为150mm,重量为0.3kg；

导热油进出口选用?45?2.5规格的接管，长度为150mm,重量为0.48kg； 安全阀口、出料口、泄压口选用?57?3.5规格的接管，长度为150mm,重量为0.61kg；

进料口选用?89?4.5规格的接管，长度为150mm,重量为1.21kg；材料为20钢。

7.2 选取接管法兰

（1） 选取进料口接管（DN80）法兰

选用带颈凹面对焊法兰，相关尺寸根据HG20592-97查得

法兰外径（mm） 螺栓孔中心圆直径（mm） 螺栓孔直径（mm） 螺栓孔数量 190 150 18 4

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第16页 共41页

螺纹 法兰内径（mm） 法兰厚度（mm） 法兰重量（Kg） M16 94 18 2.88

（2） 选取安全阀口、出料口、泄压口接管（DN50）法兰

选用板式突面平焊法兰，相关尺寸根据HG20592-97查得

法兰外径（mm） 螺栓孔中心圆直径（mm） 螺栓孔直径（mm） 螺栓孔数量 140 110 14 4 螺纹 法兰内径（mm） 法兰厚度（mm） 法兰重量（Kg） M12 62 16 1.48

（3） 选取导热油进出口接管（DN40mm）法兰

选用板式突面平焊法兰，相关尺寸根据HG20592-97查得

法兰外径（mm） 螺栓孔中心圆直径（mm） 螺栓孔直径（mm） 螺栓孔数量 130 100 14 4 螺纹 法兰内径（mm） 法兰厚度（mm） 法兰重量（Kg） M12 50 16 1.34

（4） 选取测温口接管（DN25mm）法兰

选用板式突面平焊法兰，相关尺寸根据HG20592-97查得

法兰外径（mm） 螺栓孔中心圆直径（mm） 螺栓孔直径（mm） 螺栓孔数量 100 75 11 4 螺纹 法兰内径（mm） 法兰厚度（mm） 法兰重量（Kg） M10 36 14 0.71

（5） 选取测压口、放净口、排气口接管（DN20mm）法兰

选用板式突面平焊法兰，相关尺寸根据HG20592-97查得

法兰外径（mm） 螺栓孔中心圆直径（mm） 螺栓孔直径（mm） 螺栓孔数量 90 65 11 4 螺纹 法兰内径（mm） 法兰厚度（mm） 法兰重量（Kg） M10 29 14 0.58

7.3 分布器的选择

分布器安装于填料上部，它将加料均匀地分布到填料的表面上，形成初始分布。

综合考虑，选择压力型排管式分布器，其最大的优点就是在受外界条件影响时，液体不会溅出。此外，液体管中有一定高度的液位，故安装时水平误差不会

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第17页 共41页

对从小孔流出的液体有交大的影响，因而可达到较高的分布质量。

选用丝网波纹填料，并用栅板型支撑装置。

图5 压力型管式分布器

8 拉杆与定距管的选择

8.1 拉杆的结构形式 常用拉杆的形式有两种：

(a)拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束，l2?La（La 按GB151-1999表45规定）； (b)拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束，

l1?d； (c)当管板比较薄时，也可采用其他的连接结构。

图6 拉杆定距管结构

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第18页 共41页

图7 点焊结构

因为换热管的外径为45，所以选择拉杆定距管结构。

8.1 拉杆的直径与数量

拉杆的直径和数量可以按表3和表4选取

表3 拉杆直径

换热管外径d 10?d?14 14

dn 10 12 16

表4 拉杆数量

公称直径DN，mm <400 ?400- ?700- ?900- ?1300= ?1500- ?1800- ?2100

?拉杆直径dn，mm <700 <900 <1300 <1500 <1800 <2100 <2300

10 4 6 10 12 16 18 24 28 12 4 4 8 10 12 14 18 20 16 4 4 6 6 8 10 12 14

所以拉杆直径d=16mm，拉杆数量为6。

8.2 拉杆的布置

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。拉杆位置占据换热管的位置，对于大直径换热器，在布管区的中心部位或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。

8.3定距管

定距管的规格同换热管，其长度同实际需要确定。

9 管板的设计计算

9.1 上管板的设计计算

选用固定式换热器管板，材料选用16Mn，管板厚度的计算见GB151－89《钢制管壳式换热器》表3-15，具体计算步骤如下：

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第19页 共41页

已知数据如下：

材质 线膨胀系数?(1/0C) 弹性模量E（Mpa） 尺寸 管子数 管间距 管子 00Cr17Ni14Mo2 17.42?10-6 1.77?105 壳体 16MnR 12.9?10-6 1.79?105 ?45?3?3500 145根 57mm ?800?10 8002????502400mm2错误！未找到引用源。 壳程圆筒内径面积:A?44?Di2壳程圆筒金属横截面积:As???s?Di??s????10??800?10??25434mm2错误！未找到引用源。

换热管金属总截面积错误！未找到引用源。

na?n??t(d??t)?140???3(45?3)?57367.8mm2

n?d2452?145????230495.6mm2 管板开孔面积 错误！未找到引用源。

44假定管板厚度 δ= 161mm

换热管有效长度L=换热管总长-2δ-3=3500-2?161-3=3175mm

Etna1.77?105?57367.8换热管束模数Kt= ==3998MPa错误！未找到引用源。

LDi3175?800管子回转半径i=12122d+?d-2?t?=452+?45-2?3?=15mm 44管子受压失稳当量长度错误！未找到引用源。Lcr，查阅GB151-98,图3-21，可知其与折流板间距有关，由于管长3500mm，取折流板间距为200mm,且等间距布置。则由图3-21，取 错误！未找到引用源。Lcr=400mm 则系数Cr?2?2Et2??2?1.77?105??192

95?st Lcr/i=400/15=27

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第20页 共41页

所以管子稳定许用压应力???c r=开

孔

后

面

积

错

?st?Lcr/i?95?误

！

未

27?1-=1-=44.2Mpa ????2?2Cr?2?2?192?找到引用源。

n?d2A1?A??502400?230495.6?271904.4mm2

4管板布管区面积At (采用三角形排列) At?0.866ns2?Ad错误！未找到引用源。

s——管间距。查GB151-98 P18表3-7， 取s=57mm

Ad——隔板槽面积，此题中不分程 取Ad?0错误！未找到引用源。 所以At?0.866ns2?0.866?145?572?407977mm2 错误！未找到引用源。 管板布管区当量直径：Dt?系数：??4At??4?407977??721mm

Al271904.4??0.54 A502400Etna1.77?105?57367.8 Q???2.23 5EsAs1.79?10?25434 ??na57367.8??0.21 Al271904.40.6?0.6Q?0.4?0.62.23?0.6??4.0

??0.540.540.6Q0.62.23??0.4??0.4???0.4?0.21?5.72 ?t?0.4???0.540.54 ?s?0.4? ?t?Dt721??0.90 Di800管板计算： 管子加强系数： K=1.318 所以K=3.5

2Dt?Etna8001.77?105?57367.8=1.318?=12.43 5Ep?L?1611.79?10?0.4?3175?161k=K(1-?t)=3.5?(1-0.90)=0.35 管箱厚度30mm

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第21页 共41页

30??h??D800?0.0375?i ????f??0?Di?查GB151-98图3-14 C?0.025 查图3-15 ??0.004

''''壳程圆筒

10??s??D800?0.0125?i ????f??0?Di?查GB151-98图3-14 C''?0.01

查图3-15 ??0.0004 旋转刚度

''11Es?'??1.79?105?0.0004?6.0 121211K''f?Eh?????1.77?105?0.004?59

1212 __?K'f?K''f???6?59?Kf????0.0514Kt3998 K'f?查图3-16有：m1?0.52

?=m1Kkf__?0.52?2.9

3.5?0.051查图3-18有：G2=1.75 查图3-17有：m2?2.7 壳程压力作用下的危险组合 ps??pc?0.9MPa 淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第22页 共41页

壳程设计压力 ps=ps?=0.9MPa 管程压力pt=0 y=at(tt-to)-as(ts-to) βyEt/MPa Pa??sps??yEt/MPa PC'p 0.009b?s M__?M__b?pb?p a___ν=ψM m?m1??m21?? G1 ?__?1G1(1?v)r4Q?G/MPa 2?__,?3m(1?v)r4K(Q?G/MPa 2)?p?11?v4Q?G/MPa 2管板应力 ????DirrPau?(?)2/MPa ?kk2?'tDr??rPs[1?m?2m(2?m)](i?)2u/MPa ???_ p?PaDipu?/MPa 1.26?10-3 46.83 50.43 0.00033 0.000096 0.52 0.53 0.033 0.0028 0.063 145.3?3[?]tr 26.7?3[?]tr 47.13?1.5[?]tr 淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第23页 共41页

壳体法兰应力 178?3[?]tf ?t?'?4 DYMWS?Pa('i)2/MPa ?f管子应力 -14.78?1.5[?]tr 14.78<[σ]cr 62.2?3?[?]tc G?vQ?f?[Pc?2Pa]/MPa ?Q?G21壳程圆筒轴向应力 A?(1?v)?c?Pa/MPa BQ?G2拉脱力σ 0.576?3[q]tr q??ta/MPa ?dl9.2 下管板的有关计算

法兰力矩

基本法兰力矩 Mm 其计算见GB150——1998第九章 螺栓载荷计算 预紧状态下：Wa?Fa?3.14DGby

DG查阅压力容器法兰标准，此处选长颈对焊法兰（PN1.0,DN800）,凹凸密

封面

则 DG?D4?a1?865?14?851mm

m,y查 GB150——1998表9—2 取y=15.2 ,m=2.25

N12由表9—1 取垫片基本密封宽度b0???6mm

22因为 b0?6.4mm

所以垫片有效密封宽度b?6mm

所以Wa?3.14?851?6?15.2?243699N

2操作状态下：Wp?F?Fp?0.785DGPc?6.28DGbmPc

?0.785?8512?0.9?6.28?851?6?2.25?0.9?576581N 螺栓面积计算：预紧状态下 Aa????bWa

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第24页 共41页

螺栓材料取为Q235，查GB150——1998表4—7 ???b?228MPa ???b?189MPa

?Aa?243699?1069mm2 228t操作状态下：Ap?wp???bt?576581?3051mm2 错误！未找到引用源。 189?Aa需要螺柱面积：Am?? 错误！未找到引用源。 取大值3051mm2

?Ap实际用36个M42螺柱，其螺柱总面Ab?36?错误！未找到引用源。 所以符合要求螺柱设计载荷：

紧状态：错误！未找

A+A3051?49851W=FG=mb???b=?228=6030828N

22操作状态:W=Wp=576581N

法兰基本力矩：Mm=AmLG???b=3051?LG????b LG?法兰标准

此处为错误！未找到引用源。 Db?D1?1116mm LG?1116?851?132.5mm 错误！未找到引用源。 2Db?DG 错误！未找到引用源。——螺柱中心圆直径 查2?4?422?49851mm2?Am?3051mm2

预到引用源。

Mm?3051?132.5?228?106037N?mm 查GB150-1998 第96页

管程压力作用时法兰力矩错误！未找到引用源。计算

Mp?FDLD?FTLT?FGLG

2FT?F?FD?0.785DGpc?FD?0.785?8512?0.9?452160?59488N

LD?LA?0.5?1?D1?Di?21116?80050????133mm 2222L+??LG133?30?132.5==148mm 错误！未找到引用源。LT=A122MP?452160?133?59488?148?6030828?132.5?868026214N?mm

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第25页 共41页

管箱上法兰计算： 法兰宽度 bf?管箱法兰厚度 由于法兰为FM 800-8.0

Df?Di2?1116?800?158mm 2?f???158mm ?h??1??22?30?50?40mm 240??h??D800?0.005?i ???158??f??0.1975?D?i800

查GB151-1998图3-15得：????0.0009

3??????2bE2???1fff??旋转刚度 错误！未找到引用源。k????Eh???? f?12?bf?Di?Di????法兰材料采用16Mn Ef??取为1.9?105MPa 此处用长颈对焊法兰 所以Eh?Ef???1.9?105MPa

?1?2?1.9?105?1582?1583?k?f???()?1.9?105?0.0009??336

12?158?800800?壳体法兰厚度?f?取为161mm

10??s??D800?0.0125?i ??161??f??D800?0.2i?查GB151-1998图3-15得：???0.003 错误！未找到引用源。

'1?2Efbf'旋转刚度 Kf??12?Di?bf??2?f'??D?i3??'?Esw? ?????

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第26页 共41页

3?1?2?1.77?105?158?2?161?5 ???1.77?10?0.003? ??12?800?158?800???? ?362MPa

旋转刚度无量纲参数 __?K'f??362 Kf? ?4?399774Kt =0.0071

壳体法兰应力参数Y :查GB150—98 P104表9—5

K?DfDi?1116/800?1.395

查表得 Y=6.00

查图3-16有：m1?0.22

?=m1Kkf__?0.22?8.8

3.5?0.0071查图3-18有：G2=2.3 查图3-17有：m2?2.7

壳程压力作用下的危险组合 ps??pc?0.9MPa 壳程设计压力 ps=ps?=0.9MPa 管程压力pt=0 y=at(tt-to)-as(ts-to) βyEt/MPa 1.26?10-3 46.83 50.43 0.009 Pa??sps??yEt/MPa Pb?C'ps 淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第27页 共41页

pM?Mb?b ?pa____0.00033 ν=ψM ___0.0029 0.23 0.47 0.046 0.0105 0.084 138.5?3[?]tr 36.2?3[?]tr 4925?1.5[?]tr 184?3[?]f tm?m1??m2 1?? G1 ?__1G1(1?v)/MPa ?4Q?G2r?__r,3m(1?v)/MPa ?4K(Q?G2)11?v??p4Q?G2/MPa 管板应力 ?D?r??rPa?(i)2/MPa u?Dkk2't?r??rPs[1??(2?m)](i)2/MPa um2m???PD?p??pai/MPa u?_ 壳体法兰应力 ?t?'?4 DYMWS?Pa('i)2/MPa ?f管子应力 -9.38?1.5[?]r 9.38<[σ]cr 72.5?3?[?]tc tG?vQ?f?[Pc?2Pa]/MPa ?Q?G21壳程圆筒轴向应力 A?(1?v)?c?Pa/MPa BQ?G2拉脱力σ 淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第28页 共41页

q??ta/MPa ?dl0.643?3[q]tr 10 膨胀节的设计

为补偿因温度差与机械振动引起的附加应力，造成设备的损坏，需安装膨胀节，一般采用U形膨胀节。选用材料为0Cr18Ni9

10.1 U形膨胀节的计算

设计数据：L1=20mm，R=35mm，h=73mm，W=140mm，?'e=8mm 10.1.1 应力计算

(1)内压引起的无加强圈膨胀节直边段的周向薄膜应力计算 ?z?pDek0.9?70?0.56??0.45MPa 2m?p2?1?5.6式中：p————设计压力，MPa

De————膨胀节直边段外直径（即波根外径），mm k————系数，k?L120??0.56

1.5De?'e1.5?70?8 当k>1时，取k=1 L1————膨胀节直边段长度，mm

m————波纹管管壁的层数，对单层膨胀节，m=1 ?p————成形后波纹管一层材料的最小有效厚度，mm

?D??70? ?p??e??'e????8?5.6mm

?143??Dm? ?'e————成型前波纹管一层材料的有效厚度，mm Dm————波纹管的当量外直径，mm Dm?De?h?70?73?143mm (2)内压引起的波纹管周向薄膜应力：

1212???0.9?143pDm?11 ?1=??7.1MPa ??2m?p?0.571?2h?2?1?5.60.571?2?73W?140?淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第29页 共41页

(3)内压引起的波纹管径向薄膜应力： ?2?ph0.9?73??5.86MPa 2m?p2?1?5.6 (4) 内压引起的波纹管径向弯曲应力：

2p?h?0.9?73? ?3?Cp??????0.28?21.4MPa ??2m??p?2?1?5.6?2 Cp————系数，由GB151-89上图A4查得 (5)轴向位移引起的波纹管径向薄膜应力： ?4?Eb??p?C2?e22h3Cf195?5.6?1??180??10.2MPa

2?733?0.252Eb————常温时膨胀节材料的弹性模量，MPa

Cf————系数，由GB151-89上图A3查得 e————一个波的轴向位移，mm （6）轴向位移引起的波纹管径向弯曲应力： ?5?5Eb??p?C2?e3h2Cd?5?195?5.6?1??180?69MPa 23?73?1.05 Cd————系数，由GB151-89上图A2查得 (7)组合应力：

?p??2??3?5.86?21.4?27.26MPa ?d??4??5?10.2?69?79.2MPa

?R?0.7?p??d?0.7?27.26?79.2=98.3MPa 10.1.2 应力校核

???t————在设计温度下的许用应力，MPa，???= 114MPa

t?st————在设计温度下的屈服强度，MPa，?st=127MPa

a．?z?0.45MPa，?1=7.1MPa，?3?21.4MPa均小于???= 114MPa b．?p?27.26MPa<1.5?127=190.5MPa c．?R?98.3MPa<2?127=254MPa

t淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第30页 共41页

所以满足要求

11 开孔补强

壳体开孔满足下列全部要求时，可不用补强： 1)．设计压力?2.5Mpa.

2)．两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应小于两孔直径之和的两倍。

3)．接管公称外径?89mm 4).接管最小壁厚满足

表6 不需补强接管最小厚度表

接管公称外径/mm 最小壁厚/mm 注：

1、 钢材的 标准抗拉强度下限值σb>540MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透结构形式。 2、 接管腐蚀裕量为1mm。

25 32 3.5

38 45 48 57 65 76 89

4.0 5.0 6.0

11.1 进料口的开孔补强

根据管口数据DN80表查HG20592-97选用管子的外径为89mm，根据HG20553-93选取?89?7的接管，查GB150-1998得

圆筒开孔所需面积：

A?d??2??et(1-fr)

?—圆筒开孔处的计算厚度， ??178mm。

fr—强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，

当该值大于1.0时，取fr?1.0

fr????管???筒tt?101?0.70 144d—开孔直径，圆形孔取接管内劲加两倍厚度附加量，取厚度附加量为2mm，

d?89?2?2?93mm。

?et—接管有效厚度，?et??nt-C?7-3.6?3.4mm ?nt—接管名义厚度

A?93?17.8?2?178?3.4?(1-0.70)?2018mm2

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第31页 共41页

有效补强范围 a.有效宽度B

B?2d?2?93?186mm

或

B?d?2?n?2?nt?93?2?180?2?7?467mm

取两者中的最大值B?467mm。 b.有效高度h1

h1?d?nt?93?7?25.5mm

或

h1?l1?150mm

l1—接管实际外伸高度

取两者中的最小值h1?25.5mm。 c.内侧高度h2

h2?d?nt?93?7?25.5mm

或

h2?l2?158mm

l2—接管实际内伸高度

取两者中的最小值h2?25.5mm 补强面积

在有效补强范围内，可作补强的截面积为

Ae?A1?A2?A3

Ae—补强面积

A1—壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积

A1?(B-d)(?e-?)?2?et(?e-?)(1-fr)

?（467-93）（?180-1）78?-2（?3180.4 ?743m2m

（-?178）

）淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第32页 共41页

A2—接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积

A2?2h1(?et-?rt)f?2h?(t?C2 )2erf-）3.?20?.7?2（3.4-22?5.5）?

5?3.4 ?2?25.（2 ?57.12m m?t—钢管的设计厚度

?t?PDti2????-0.5Ptt?8?80?3.2mm

2?101?1-0.5?8A3—焊缝金属截面积，焊角取6mm

1A3?2??6?6?36mm2

2 Ae?A1?A2?A3

?743?57.12?36

2 ?836.12m m因为Ae?A，所以需要补强。 需要补强的面积

A4?A-Ae?2018-836.12?1181.8mm2

选用补强圈补强，A型补强圈

根据接管直径DN80选择补强圈，参照补强圈标准JB/T4736-92.取补强圈外径D??180mm，内径d??93?3?96mm。

A41181.8??14mm ?'?D'?d'180?96取厚度?n为15mm的补强圈来补强 11.2 测温口的开孔补强

根据管口数据DN25表查HG20592-97选用管子的外径为32mm，根据HG20553-93选取?32?4的接管，查GB150-1998得

圆筒开孔所需面积：

A?d??2??et(1-fr)

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第33页 共41页

?—圆筒开孔处的计算厚度， ??178mm。

fr—强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，

当该值大于1.0时，取fr?1.0

???管101fr???0.70 t144???筒d—开孔直径，圆形孔取接管内劲加两倍厚度附加量，取厚度附加量为2mm，

td?32?2?2?36mm。

?et—接管有效厚度，?et??nt-C?4?3.6?0.4mm ?nt—接管名义厚度

A?36?17.8?2?178?0.4?(1-0.70)?1450.72mm2

有效补强范围 a.有效宽度B

B?2d?2?36?72mm

或

B?d?2?n?2?nt?36?2?180?2?4?404mm

取两者中的最大值B?404mm。 b.有效高度h1

h1?d?nt?36?4?12mm

或

h1?l1?150mm

l1—接管实际外伸高度

取两者中的最小值h1?12mm。 c.内侧高度h2

h2?d?nt?36?4?12mm

或

h2?l2?0

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第34页 共41页

l2—接管实际内伸高度

取两者中的最小值h2?0 补强面积

在有效补强范围内，可作补强的截面积为

Ae?A1?A2?A3

Ae—补强面积

A1—壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积

A1?(B-d)(?e-?)?2?et(?e-?)(1-fr)

（404-36）（?180-17）8-?2（0?.1804 ?）-（1?78） 1 ?735m2m

A2—接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积

A2?2h1(?et-?rt)f?2h?(t?C2 )2erf? 0（?1.01-0.4）?0.7?2?（0.4-20?） ?2?122 ?10.25m m?t—钢管的设计厚度

?t?PDti2????-0.5Ptt?8?25?1.01mm

2?101?1-0.5?8A3—焊缝金属截面积，焊角取6mm

1A3?2??6?6?36mm2

2 Ae?A1?A2?A3

?735?10.25?36

2 ?781.25m m因为Ae?A，所以需要补强。 需要补强的面积

A4?A-Ae?1450.72-781.25?669.47mm2

淮海工学院二○一三届毕业设计（论文） 第35页 共41页

选用A型补强圈，外径D??120mm，内径d??6?3?39mm，取厚度?n为5mm的补强圈来补强 11.3 安全阀口的开孔补强

根据管口数据DN50表查HG20592-97选用管子的外径为57mm，根据HG20553-93选取?57?3.5的接管，查GB150-1998得

圆筒开孔所需面积：

A?d??2??et(1-fr)

?—圆筒开孔处的计算厚度， ??178mm。

fr—强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，

当该值大于1.0时，取fr?1.0

???管101fr???0.70 t???筒144d—开孔直径，圆形孔取接管内劲加两倍厚度附加量，取厚度附加量为2mm，

td?57?2?2?61mm。

?et—接管有效厚度，?et??nt-C?3.5?2?1.5mm ?nt—接管名义厚度

A?61?17.8?2?178?1.5?(1-0.70)?1246mm2

有效补强范围 a.有效宽度B

B?2d?2?61?122mm

或

B?d?2?n?2?nt?61?2?180?2?3.5?428mm

取两者中的最大值B?428mm。 b.有效高度h1

h1?d?nt?61?3.5?14.6mm

或

h1?l1?150mm

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