天然气换热器设计

目录

1 换热器的概述 ............................................................................................................................. 1

1.1换热器的概述 ..................................................................................................................... 1

1.2换热器的基本要求 ............................................................................................................. 1

1.2.1 换热器管子排列 ..................................................................................................... 1 1.2.2制造工艺 .................................................................................................................. 2 1.2.3质量检验 .................................................................................................................. 2 1.3换热器的分类[1] .................................................................................................................. 2

1.3.1 浮头换热器简介 ..................................................................................................... 3 1.4换热器的工作方式[10] ........................................................................................................ 3

1.4.1 换热器的防腐蚀 ..................................................................................................... 4 1.4.2 换热器的材料[3] ...................................................................................................... 4 1.5换热器的安装[11] ................................................................................................................ 4 2 热力计算 ....................................................................................................................................... 6

2.1设计参数 ............................................................................................................................. 6

2.1.1计算热负荷及重油的出口温度 ...................................................................................... 6 2.1.2计算两流体（暂按单壳程，多管程进行计算逆流时）的平均温差 .......................... 6 2.2计算传热面积[2] .................................................................................................................. 6 2.3换热管规格 ......................................................................................................................... 7

[5]

2.3壳体尺寸及总管数 .......................................................................................................... 7 2.4换热器校核[4] ...................................................................................................................... 8

2.4.1核算压力降 .............................................................................................................. 8 2.4.2总传热系数K的计算 ............................................................................................. 9 3 结构计算和强度校核[14] .......................................................................................................... 12

3.1设计计算条件 ................................................................................................................... 12 3.2浮头式换热器筒体计算 ................................................................................................... 12

3.2.1计算条件 ................................................................................................................ 12 3.2.2厚度及重量计算 .................................................................................................... 12 3.2.3压力试验时应力校核[6] ......................................................................................... 12 3.3前端管箱筒体计算: .......................................................................................................... 13

3.3.1计算条件 ................................................................................................................ 13 3.3.2厚度及重量计算 .................................................................................................... 13 3.3.3压力试验时应力校核 ............................................................................................ 13 3.4 前端管箱封头计算[7] ....................................................................................................... 14

3.4.1设计条件 ................................................................................................................ 14 3.4.2厚度及重量计算 .................................................................................................... 14 3.4.3压力计算[8] ............................................................................................................. 15 3.4.4水压实验 ................................................................................................................ 15 3.5后端管箱筒体计算 ........................................................................................................... 15

3.5.1设计条件[9] ............................................................................................................. 15 3.5.2厚度及重量计算 .................................................................................................... 15 3.5.3压力试验时应力校核 ............................................................................................ 16 3.6后端管箱封头计算 ........................................................................................................... 16

3.6.1设计条件 ................................................................................................................ 16 3.6.2厚度及重量计算 .................................................................................................... 16

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1 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

3.6.3压力计算 ................................................................................................................ 17 3.6.4压力试验时应力校核 ............................................................................................ 17 3.7接管及其法兰计算 ........................................................................................................... 17

3.7.1筒体进料及出料接管计算 .................................................................................... 17 3.7.2管箱进料及出料接管计算 .................................................................................... 18 3.7.3法兰厚度计算 ........................................................................................................ 18 3.8筒体法兰计算 ................................................................................................................... 21

3.8.1设计条件 ................................................................................................................ 21 3.9后端筒体法兰计算 ........................................................................................................... 25

3.9.1设计条件 ................................................................................................................ 25 3.9.3应力计算 ................................................................................................................ 29 3.10前端管箱法兰计算 ......................................................................................................... 30

3.10.1设计条件 .............................................................................................................. 30 3.11后端管箱法兰计算 ......................................................................................................... 34

3.11.1设计条件: ............................................................................................................. 34 3.11.3应力计算 .............................................................................................................. 37 3.12钩圈设计[12] .................................................................................................................... 38 3.13浮头计算[13] .................................................................................................................... 38

3.13.1设计条件 .............................................................................................................. 38 3.14浮头式换热器管板计算 ................................................................................................. 39 3.14 浮头式换热器管板计算 ............................................................................................... 39

3.14.1 延长部分兼做法兰的固定式管板计算 ............................................................. 39 3.15开孔补强[16] .................................................................................................................... 47 3.16支座选用[15] .................................................................................................................... 47 3.17折流板选用[20] ................................................................................................................ 48 3.18浮头换热器结构特点 ..................................................................................................... 48 3.19 换热器管子的排列 ........................................................................................................ 49 3.20 换热器管子与管板的连接 ............................................................................................ 52 结 论............................................................................................................................................... 54 参考文献 ......................................................................................................................................... 49 致 谢 ......................................................................................................................................... 50 英文文献 ......................................................................................................................................... 50 英文文献译文 ................................................................................................................................. 56

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换热器的概述

1 换热器的概述

1.1换热器的概述

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。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。 由传热学理论可知道，热交换是一种复杂的过程， 它是由系统内两部分的温度差异而引起的，热量总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分。传热的基本方式有热传导、对流和辐射3种， 因此在换热器中， 热量总是从热流体传给冷流体，起加热作用的热流体又称加热介质如水蒸汽、烟道气、导热油或其他高温流体等；起冷却作用的冷流体又称冷却介质如空气、冷冻水、冷冻盐水等。在热交换过程中，热冷流体的温度是因整个流程而不断变化的，即热流体的温度由于放热而下降，冷流体的温度由于吸热而上升

1.2换热器的基本要求

随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求： （1） 合理地实现所规定的工艺条件； （2） 结构安全可靠；

（3） 便于制造、安装、操作和维修； （4） 经济上合理

1.2.1 换热器管子排列

管子构成换热器的传热面，管子尺寸和形状对传热有很大影响。采用小直径的管子时，换热器单位体积的换热面积大一些，设备比较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也较高。但制造麻烦，管子易结垢，不易清洗。大直径管子用于粘性大或者污浊的流体，小直径的管子用于较清洁的流体。

换热器的管子在管板上的排列不单考虑设备的紧凑性，还要考虑到流体的性质、结构设计以及加工制造方面的情况。管子在管板上的标准排列形式有四种：正三角形和转角正三角形排列，适用与壳程介质清洁，且不需要进行机械清洗的场合。正方形和转角正方形排列，能够使管间的小桥形成一条直线通道，便于用机械进行清洗，一般用于管束可抽出管间清洗的场合。

另外对于多管程换热器，常采用组合排列方法，其每一程中一般都采用三角形排列，而各程之间则常常采用正方形排列，这样便于安排隔板位置。

当换热器直径较大，管子较多时，都必须在管束周围的弓形空间内尽量配置换热管。这不但可以有效地增大传热面积，也可以防止在壳程流体在弓形区域内短路而给传热带来不利影响。

管板上换热管中心距的选择既要考虑结构的紧凑性，传热效果，又要考虑管板的强度和清洗管子外表面所需的空间。除此之外，还要考虑管子在管板上的固定方法。若间距太

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小，当采用焊接连接时，相邻两根管的焊缝太近，焊缝质量受热影响不易得到保证；若采用胀接，挤压力可能造成管板发生过大的变形，失去管子和管板间的结合力。一般采用的换热管的中心距不小于管子外径的1.25倍。

当换热器多需的换热面积较大，而管子又不能做的太长时，就得增大壳体直径，以排列较多的管子。此时为了提高管程流速，增加传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管束。 为了把换热器做成多管程，可在一端或两端的管箱中分别安置一定数量的隔板

1.2.2制造工艺

选取换热设备的制造材料及牌号，进行材料的化学成分检验，机械性能合格后，对钢板进行矫形，方法包括手工矫形，机械矫形及火焰矫形。 备料－－划线－－切割－－边缘加工（探伤）－－成型－－组对－－焊接－－焊接质量检验－－组装焊接－－压力试验

1.2.3质量检验

化工设备不仅在制造之前对原材料进行检验，而且在制造过程中要随时进行检查。 质量检验内容和方法：

设备制造过程中的检验，包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验，具体内容如下： （1）原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验；

（2）原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织检验，总称为破坏试验 （3）原材料和焊缝内部缺陷的检验，其检验方法是无损检测，它包括：射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等

(4）设备试压，包括：水压试验、介质试验、气密试验等。

1.3换热器的分类[1]

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。

蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器，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。 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。

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。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和

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换热器的概述

伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。

1.3.1 浮头换热器简介

浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。（也可设计成不可拆的）。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。

浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。

在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=3~5mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。

钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着幞头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。

钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。 浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管近年来受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中扔占主导地位。

1.4换热器的工作方式[10]

换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。

当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。

在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面

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1.4.1 换热器的防腐蚀

换热器的目的是为了传热，经常与腐蚀性介质接触的换热表面积很大，为了保护金属不遭受腐蚀，最根本的方法是选用耐腐蚀的金属或非金属材料，但同时对应用最广泛的钢铁材料设备采取防腐蚀措施也是十分必要的。有时在设计换热器时，根据所处介质的腐蚀性，已考虑到采用合适的耐腐蚀材料，但如制造时焊接方法不当，则在焊缝及其附近亦易发生腐蚀。另外，在离换热管子入口端40～50cm处的管端，由于介质的涡流磨损与腐蚀共存而经常发生管端腐蚀；管子内侧存在异物沉积或粘着产生点腐蚀等。这样也要求采取一些必要的防腐蚀措施。关于金属材料的防腐蚀措施，

1.4.2 换热器的材料[3]

管子材料的选择应根据介质的压力、温度及腐蚀性来确定。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等

1.5换热器的安装[11]

安装换热器的基础必须满足以使换热器不发生下沉，或使管道把过大的变形传到传热器的接管上。基础一般分为两种：一种为砖砌的鞍形基础，换热器上没有鞍式支座而直接放在鞍形基础上，换热器与基础不加固定，可以随着热膨胀的需要自由移动。另一种为混凝土基础，换热器通过鞍式支座由地脚螺栓将其与基础牢固的连接起来。

在安装换热器之前应严格的进行基础质量的检查和验收工作，主要项目如下：基础表面概况；基础标高，平面位置，形状和主要尺寸以及预留孔是否符合实际要求；地脚螺栓的位置是否正确，螺纹情况是否良好，螺帽和垫圈是否齐全；放置垫铁的基础表面是否平整等。

基础验收完毕后，在安装换热器之前在基础上放垫铁，安放垫铁处的基础表面必须铲平，使两者能很好的接触。垫铁厚度可以调整，使换热器能达到设计的水平高度。垫铁放置后可增加换热器在基础上的稳定性，并将其重量通过垫铁均匀地传递到基础上去。垫铁可分为平垫铁、斜垫铁和开口垫铁。其中，斜垫铁必须成对使用。地脚螺栓两侧均应有垫铁，垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。 换热器就位后需用水平仪对换热器找平，这样可使各接管都能在不受力的情况下连接管道。找平后，斜垫铁可与芝座焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。当两个以上重叠式换热器安装时，应在下部换热器找正完毕，并且地脚螺栓充分固定后，再安装上部换热器。可抽管束换热器安装前应抽芯检查，清扫，抽管束时应注意保护密封面和折流板。移动和起吊管束时应将管束放置在专用的支承结构上，以避免损伤换热管。

根据换热器的形式，应在换热器的两端留有足够的空间来满足条件（操作）清洗、维修的需要。浮头式换热器的固定头盖端应留有足够的空间以便能从壳体内抽出管束，外头盖端必须也留出一米以上的位置以便装拆外头盖和浮头盖。

固定管板式换热器的两端应留出足够的空间以便能抽出和更换管子。并且，用机械法清洗管内时。两端都可以对管子进行刷洗操作。U形管式换热器的固定头盖应留出足够的空间以便抽出管束，也可在其相对的一端留出足够的空间以便能拆卸壳体。

换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。应经常对管，壳程介质的温度及压降进行

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换热器的概述

监督，分析换热管的泄漏和结垢情况。管壳式换热器就是利用管子使其内外的物料进行热交换、冷却、冷凝、加热及蒸发等过程，与其他设备相比较，其余腐蚀介质接触的表面积就显得非常大，发生腐蚀穿孔结合处松弛泄漏的危险性很高，因此对换热器的防腐蚀和防泄漏的方法也比其他设备要多加考虑，当换热器用蒸汽来加热或用水来冷却时，水中的溶解物在加热后，大部分溶解度都会有所提高，而硫酸钙类型的物质则几乎没有变化。冷却水经常循环使用，由于水的蒸发，使盐类浓缩，产生沉积或污垢。又因水中含有腐蚀性溶解气体及氯离子等引起设备腐蚀，腐蚀与结垢交替进行，激化了钢材的腐蚀。因此必须经过清洗来改善换热器的性能。由于清洗的困难程度是随着垢层厚度或沉积的增加而迅速增大的，所以清洗间隔时间不宜过长，应根据生产装置的特点，换热介质的性质，腐蚀速度及运行周期等情况定期进行检查，修理及清洗。

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2 热力计算

2.1设计参数

介质 原油 柴油 进口温度 ℃ 90 200 出口温度 ℃ 130 130 质量流量 Kg/h 40000 Wc 比热容 KJ/Kg·℃ 1.925 2.62 工作压力 MPa 0.8 1.2 导热系数 W/（m·℃） 0.131 0.133 密度 Kg/m3 795 830 黏度 Pa·S 0.0029 0.0064 结垢系数 W/（m·℃） 0.0000787 0.00008598 2.1.1计算热负荷及重油的出口温度

Q=Wh·Cph·（T1-T2）=40000×1.925×（130-90）=3080000KJ/h 因为总换热量相等：Q=Wc×2.62×(200-130) Wc=16.794t/h

2.1.2计算两流体（暂按单壳程，多管程进行计算逆流时）的平均温差 热流体 200℃ ———130℃ 冷流体 130℃ ———90℃

△t m 70℃ ———40℃

70?40=53.66℃

ln70/40t2?t1130?90 P===0.364

T1?t1200?90T1?T2200?130 R===1.75

t2?t1130?90查图4-19知：查表：??t?0.85

则 △tm =

所以校正后：△tm=0.85×53.66=45.61℃

2.2计算传热面积[2]

根据两流体的状况，假设K=130 W/（m·℃） 则 S=

2

Q308000012

= =144.3m?K?tm130?45.613.6考虑10的面积裕量

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热力计算

S=1.1

Q2

=144.3?1.1=158mK?tm2.3换热管规格

考虑到原油具有腐蚀性，而柴油黏度较大易走管间，故选择原油走管程，重油走壳程。 选用16Mn低合金钢 规格 ?25?2.5mm L=6m

2.3壳体尺寸及总管数[5]

取管中心距

1）管数： Nt’=

S158.73?=337 ?dol3.14?0.025?62）壳体直径的确定：

D=t(nc-1)+2b’

式中； D——壳体内径, t——管中心距,m

nc ——横过管束中心线的管数

b’ ——管束中心线上最外层的中心至壳体内壁的距离,m 管子按正三角形排列：

nc=1.1n?1.1337=20 取b’=1.28do=1.28?0.025=0.032m

则D=t(nc-1)+2b=0.032?（20-1）+2?0.032=0.672m

圆整后DN=700mm

原油黏度μ＞1.5?10Pa.s 查表6-2

3

知最大流速为u=0.6m/s 取ui =0.44m/s 设所需管程数为n ?25?2.5mm di =0.02m 则 n?40.020.44?795?3600=40000

2

2

知 n=101 又知传热面积

A=n?dol=158m

2

则 l=

A158==24m ?don3.14?0.025?101选用6m管，需要4程。

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2.4换热器校核[4]

2.4.1核算压力降

⑴ 管程压力降

[7]

（?P??P）?FNN??P?i12tsp

2

式中:?p1,?p2-----分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，N/m;

Ft -----结垢校正因数，无因次，对于φ2.5×2.5mm的管子，取为1.4，对于φ19

×2mm的管子，取为1.5;

Np-----管程数; Ns-----串联的壳程数.

所以Ft=1.4 Np=24 Ns=1 ui=0.42m/s 对于碳钢管，取管壁粗糙度ε=0.1mm

?di?0.1?0.005 20由λ-Re关系图中查得λ=0.050

l?ui26795?0.422?P?0.050???1052Pa 1??2di0.0202795?0.422?P2?（3）?3??210Pa

22?ui2（1052?210）?1.4?4?7067.2Pa＜30KPa ??P?i⑵壳程压力降

???P?（?P??P?FsNs ?o12）式中:?p1-----流体横过管束的压强降， N/m;

?

2

??p2----------流体通过折流板缺口的压强降， N/m2 ;

FS-----壳程压强降的结垢校正因数，无因次，对于液体取为1.15，对于气体或可

凝蒸汽，取为1.0;

?P1??Ff（）oNB?1??uo22

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热力计算

?p2?NB(3.5?2hFs=1.5 Ns=1

?D)2?u02

管子按正三角形排列 F=0.5 nc =1.1n=1.1337=20 折流挡板间距h=0.15m 折流挡板数 壳程流通截面积

NB =

L6?1??1?39 h0.15AO?（hD?ncdo）?0.15?（0.7?14?0.025）?0.0525m2

壳程流速

uo?VS16794??0.11m/s AO3600?830?0.0525Reo?douo???0.025?0.17?830?689?500 ?35.2?10fo?5.0Reo?0.228?5.0?689?0.228?1.05

830?0.11??0.5?1.05?20?（39?1）??2098.2Pa ∴ ?P122h??uo2?0.15830?0.11?3.5?）?39?（3.5?）??1988.3Pa ?P2?N（BD20.52222（2098.2?1988.3）?1.15?1?4699.5Pa?30?Pa ??P?o2.4.2总传热系数K的计算

? 管内传热膜系数

Re=2302

[6]

Cp?1.925?2.9Pr===42.6

0.131?管程流体被加热 取n=0.4

αi=0.023??idiRe0.8Pr0.4

=0.023?0.1310.8?（2302）?（8.980.4） 0.022

=330 W/m·℃

? 管外传热膜系数

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αo=0.36??odeRe0.55Pr3（?1?0.14） ?w管子按正三角形排列，则传热当量直径为：

4（?De=

32?2t?do）24 ??do33.14?0.0322??0.0252）24

3.14?0.0254?（=

=0.0202m

壳程流通截面积:

（1?A =hDdo） t0.025） 0.032（1?=0.15?0.5?=0.01640625m ∴u=

2

VS16794===0.36m/s A3600?830?0.01640625Re=

deu?000202?0.36?830==296000 ?35.2?10?0.14?0.14（）查图5-30知 NuPr=15壳体内流体冷却取 （）=0.95 ?w?-1/3

?w∴α

W/m·℃

2

o

’=15??odePr3?（1?0.140.119-1/3

*664*0.95=383 ）?15??w0.0202考虑短路因素：αo =0.9αo ’=344.7 W/m·℃

污垢热阻和管壁热阻:

管内、外侧热阻分别取 Ri=0.0008598m·℃/W Ro=0.000777 m·℃/W 已知管壁厚度为δ=0.002m，取碳钢导热系数λ=45W/（m·℃）

2

2

2

2

Ko?1

dodo1?Rsi?Rso??ididi?o=

1

1925211?0.008598??0.000777?384?1919344.710 青海大学化工机械系

热力计算

2

=108.5 W/m·℃

? 以知前边所选的K=130 W/m·℃在确定的流动条件下，计算出KO =108.5 W/m·℃

2

2

K?KO130?108.5??0.198 KO108.5故所选K值合适。

计算结果表明，管程和壳程的压力均能满足设计要求.

青海大学化工机械系

11 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

3 结构计算和强度校核[14]

3.1设计计算条件

壳程: 设计压力 1.3MPa 管程: 设计压力 1MPa

设计温度 200℃ 设计温度 200℃ 筒体公称直径 Di=700mm 管子规格 φ25×2.5mm 材料名称 Q235-B 材料名称 16MnR(热扎)

3.2浮头式换热器筒体计算

3.2.1计算条件

计算压力 Pc = 1.3MPa 设计温度 t=200? C 内径 Di =700mm 试验温度许用应力 ???=113MPa [8] 设计温度许用应力 ???t =100 MPa 试验温度下屈服点 ?s =235MPa 抗拉强度 ?b =375MPa 钢板负偏差 C1 =0.6mm 腐蚀裕量 C2 =2mm 焊接接头系数 ?=1.00

材料 Q235-B ( 板材 )

3.2.2厚度及重量计算

1.3?700 计算厚度: ? = 2[?]t??P= 2?100?1.00?1.3=4.57mm c[9]

PcDi对于低合金钢来说最小厚度为

?min=3mm

名义厚度: ?n =? + C1+ C2+?=4.57+0.6+2+?=8mm

有效厚度: ?e= ?n -C1- C2 =5.4mm

重量: 300x3=900Kg

3.2.3压力试验时应力校核[6]

压力试验类型: 液压试验 试验压力值[10]:

12 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

PT = 1.25P

压力试验允许通过的应力水平

[?][?]t = 1.25?1.3?

113113

= 1.625MPa100108???T?0.90?s = 211.5MPa

试验压力下圆筒的应力

1.625?113?700?5.4? ?T = pT.(Di??e) ==119.9MPa

100?2?5.42?e.?校核条件 : ?T????T 校核结果 : 合格

3.3前端管箱筒体计算:

3.3.1计算条件

计算压力 Pc=1.3MPa 设计温度 t=200? C 内径 Di =700mm 筒体长度 l=150mm

材料 16MnR(热扎) ( 板材 ) 试验温度许用应力 ???=170Mpa 设计温度许用应力 ???t =170MPa 试验温度下屈服点 ?s =345MPa 钢板负偏差 C1 =0.6mm 腐蚀裕量 C2 =2.00mm 焊接接头系数 ?=1.00

3.3.2厚度及重量计算

计算厚度: ? = 2[?]t??P =3.5mm

c 名义厚度: ?n =? + C1+ C2+?=8mm 有效厚度: ?e= ?n -C1- C2 =6mm 重量: 15Kg

PcDi3.3.3压力试验时应力校核

压力试验类型: 液压试验 试验压力值: PT = 1.25P

[?][?]t = 1.625MPa

青海大学化工机械系

13

青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

压力试验允许通过的应力水平

???T?0.90??s ?s = 345MPa

试验压力下圆筒的应力

1.625?(800?6)?T = pT.(Di??e) = = 109.1MPa

2?6?1.002?e.?0.90??s =0.9?1.00?345=310.5MPa

校核条件 : ?T?0.90??s

校核结果 : 合格

3.4 前端管箱封头计算[7]

3.4.1设计条件

计算压力 Pc = 1MPa 设计温度 t=200? C 选用标准椭圆形封头 K=1 内径 Di =700mm 曲面高度 hi =125mm 直边高度 h=25mm 试验温度许用应力 ???=170MPa

设计温度许用应力 ???t =170 MPa 试验温度下屈服点 ?s =345MPa 钢板负偏差 C1 =0.6mm 腐蚀裕量 C2 =2.00mm 焊接接头系数 ?=1.00

材料 16MnR(热轧) ( 板材)

3.4.2厚度及重量计算

计算厚度 ? = 2[?]t??0.5P = 3.2mm

c名义厚度: ?n =? + C1+ C2+?=8mm 有效厚度: ?e= ?n -C1- C2 =6mm 重量: 20Kg 结论 满足最小厚度要求

KPcDi14 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

3.4.3压力计算[8]

2[?]t??e最大允许工作压力: [Pw]= KDi?0.5?e= 3.5MPa

知 P<[Pw] 结 论: 合格

3.4.4水压实验

0.90??s =0.9?1.00?345=310.5MPa PT = 1.25P

[?][?]t = 1.25?1?1.00=1.25MPa

1.25?(700?6) ?T = pT.(Di??e) == 73.54MPa

2?6?1.002?e.? 校核条件 : ?T?0.90??s

校核结果 : 合格 椭圆封头标准 JB/1154-84

公称直径Dg/mm 曲面高度mm 直边高度mm 700 125 25 3.5后端管箱筒体计算

3.5.1设计条件[9]

计算压力 Pc = 1.3MPa 设计温度 t=200? C 内径 Di =800mm 管箱长度 l=150mm

试验温度许用应力 ???=113MPa 设计温度许用应力 ???t =100 MPa 试验温度下屈服点 ?s =235MPa

钢板负偏差 C1 =0.6mm 腐蚀裕量 C2 =2mm 焊接接头系数 ?=1.00

材料 Q235-B ( 板材 )

3.5.2厚度及重量计算

计算厚度: ? = 2[?]t??P = 5.23mm

c青海大学化工机械系

15 PcDi青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

名义厚度 ?n =? + C1+ C2+?=8mm 有效厚度: ?e= ?n -C1- C2 =5.4mm 重量: 20.15Kg 结论 满足最小厚度要求

3.5.3压力试验时应力校核

压力试验类型: 液压试验

试验压力值: PT = 1.25P 压力试验允许通过的应力水平

???T?0.9??s

[?][?]t = 1.84MPa

?s = 235MPa

试验压力下圆筒的应力 ?T= pT.(Di??e) = 137.2MPa

2?e.? 0.90??s=0.9?1.00?235=211.5MPa

校核条件 : ?T?0.90??s 校核结果 : 合格

3.6后端管箱封头计算

3.6.1设计条件

计算压力 Pc = 1MPa 设计温度 t=200? C 内径 Di =800mm 曲面高度 hi =25mm 试验温度许用应力 ???=113MPa

设计温度许用应力 ???t =100 MPa 试验温度下屈服点 ?s =325MPa 钢板负偏差 C1 =0.6mm 腐蚀裕量 C2 =2mm 焊接接头系数 ?=1.00

材料 16MnR(热轧) ( 板材)

3.6.2厚度及重量计算

形状系数 K = 1.00

16 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

计算厚度 ? = 2[?]t??0.5P = 4.01mm

c名义厚度 ?n =? + C1+ C2+?=8mm 有效厚度: ?e= ?n -C1- C2 =5.4mm 重量: 28.3Kg

KPcDi3.6.3压力计算

2[?]t??eKDi?0.5?e最大允许工作压力: [Pw]= 知P<[Pw] 结 论: 合格

= 1.35MPa

3.6.4压力试验时应力校核

压力试验类型: 液压试验

试验压力值: PT = 1.25P 压力试验允许通过的应力水平

???T? 0.90??s

[?][?]t = 1.41MPa

?s = 235MPa

试验压力下圆筒的应力 ?T= pT.(Di??e) = 105.15MPa

2?e.? 0.90??s=0.9?1.00?235=211.5MPa

校核条件 : ?T?0.90??s 校核结果 : 合格 椭圆封头标准 JB/1154-84

公称直径Dg/mm 曲面高度mm 直边高度mm 800 150 25 3.7接管及其法兰计算

3.7.1筒体进料及出料接管计算

换热管中流体的接管直径可按下式计算

d=4Vs ?u式中： Vs流体的体积流量m3/s

u流体在接管中的流量m/s

对液体： u=1.5~2.0m/s

青海大学化工机械系

17 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

取接管中原油的流速为u=1.8m/s 则

d=4?167944Vs==0.063m 3.14?1.8?3600?830?u?故选用?73?8mm 热扎无缝钢管 材料 20# 查附录7-3 选凸面板式平焊钢制法兰 PNMPa 1.0

法兰厚度 螺栓数量 螺栓孔直径 20mm 4 18mm M16 螺栓数量 选用石棉橡胶板 127mm 76mm 2mm 垫片外径 垫片内径 垫片厚度 73mm 75mm 管子外径A 法兰内径B 密封面厚度 f 3mm 法兰外径 D 185mm 螺栓中心直径K 145mm 密封面直径d 120mm 3.7.2管箱进料及出料接管计算

取 u=1.5m/s 则 d=4?400004Vs==0.075mm 3.14?1.5?3600?795?u?故取?89?8mm 无缝热轧钢管 材料16MnR 查附录7-3 选凸面板式平焊钢制法兰 PNMPa 1.6 管子外径A 89mm 91mm 法兰内径B 密封面厚度 f 3mm

法兰厚度 螺栓数量 螺栓孔直径 24mm 8 18mm M16 螺栓数量 选用石棉橡胶板 142mm 89mm 2mm 垫片外径 垫片内径 垫片厚度 法兰外径 D 190mm 螺栓中心直径K 145mm 密封面直径d 120mm 3.7.3法兰厚度计算 垫片尺寸 材料类型 橡胶石棉板 垫片外径D 512mm 压紧面形状 1a 垫片内径d 488mm 垫片厚度? 3mm m 2.00 y 11MPa N=512-488=24mm b0 =

N=12mm>6.4mm 218 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

b=2.53b0?9mm m=2.00 y=11MPa

DG?D?2b?512?18?494mm

连接接触面总在紧载荷：

Hp?2?DGbmp=6.28?494?9?1.32?2=73711N

总的静压轴向力：

H?0.785DGP?0.785?4942?1.32?252870N

在操作状况下螺栓承受的载荷：

Wm1?H?Hp=252870+73711=326581N

在预紧状况下螺栓承受的载荷：

Wm2??bDGy?3.14?9?494?11?151565N

在操作状况下所需的螺纹根部载荷总截面积或承受应力下的最小直径处总截面积：

t Ami?Wmi/[?]b式中：[?]tb操作条件下的螺栓许用应力

tAmi?Wm1/[?]b?326581/71?4600mm2

Am2?Wm2/[?]b?153565/87?1765mm2

则 Am?4600mm2 取 n?28

螺栓的螺纹根部实际总截面积或承受应力下实际最小总截面积：

Ab??42ndo??424?162?4823mm2?Am

式中： n 螺栓个数 do 螺纹直径,mm 法兰螺栓设计载荷：

W?0.5(Am?Ab)?0.5(4600?4823)?87?0.411?106N

作用在法兰内表面积上的流体轴向静压力：

HD?0.785DiP?0.785?4952?1.32?250827N

HD作用位置处螺栓圆径向距离：

青海大学化工机械系

19 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

hD?0.5(Db?Di)?19mm

式中：Db 螺栓中心圆直径 作用于法兰内侧的载荷产生的力矩：

MD?HDhD?250827?0.019?4766N?m

垫片载荷，即法兰螺栓设计载荷与总的流体静压轴向应力的差值：

HG?W?H?157131N

HG作用位置处至螺栓圆的径向距离：

hG?0.5(Db?DG)?0.5?(530?494)?18mm

则 MG?HGhG?157130?0.018?2828N?m

总的流体静压轴向力与作用在法兰内直径面积上的流体静压轴向力之差：

HT?H?HD?252870?250827?2043N

HT作用位置处至螺栓直径圆的径向距离：

hT?0.5(hD?hG)?18.5mm

内压力作用于法兰上总载荷与法兰内侧所承受的载荷之差产生的力矩：

MT?HThT?2043?0.0185?38N?m

作用在法兰圈内侧与半球形盖厚度中心线处的球形段中薄膜载荷的径向奋力：

Hr?HDcos?1?250827?0.7855?197034N

式中：?1 由半球形厚度中心线与法兰圆的交点所作用的一根切线与垂直于半球形盖轴线所成的夹角

D?1?arcsinR0.5?arcsin?0.5?ii0.5?0.5?38.2

0.4?0.5?0.008Hr作用位置处至法兰形心轴的距离：

hr?0.5(t???cos?)?l

式中：t? 浮头法兰厚度，假设t?=30mm

l 法兰上表面至半球形封头外表面与法兰圆内侧交点的距离，取l=10 mm

hr?0.5(0.03?0.008)?0.001??0.0089mm

cos38.220 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

Mr?Hrhr??18.5N?m

操作状况下法兰总力矩：

Mp?MD?MG?MT?Mr?7650N.M

预紧时：

HG?W?410000N

预紧时法兰力矩：

MG?HGhG?410000?0.018?7380N.M

总力矩：

M0?MG[?]tf/[?]f?7381?102/113?6662mm

式中：[?]tf 设计温度下法兰材料的许用应离，MPa [?]f 常温下法兰材料的许用应力，MPa 法兰厚度计算：

t?F(1?1?J)?C 2F1.32?0.4324?0.42?0.4922F???0.0057mm

8[?]tf(Di?Ri)8?102?(0.580?0.492)PDi4Ri2?Di2J?[?]0t(fMD?Di66620.58?0.492)?()?1617mm2

D?Di102?0.4920.58?0.492t?F(1?1?J0.001617)?C?0.0057(1?1?)?2?48mm 22F0.0057计算出的t与假设的t?比较，知t> t?=30mm,故假设t?值合适 结论：校核合格

3.8筒体法兰计算

3.8.1设计条件

设计压力 p=1 MPa 计算压力 pc =1 MPa 设计温度 t=200? C 轴向外载荷 F=0 N

21 青海大学化工机械系

青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

外力矩 M=0 N.mm 壳 体:

材料名称 Q235-B(热轧) 许用应力 [?]n =113 MPa 法 兰:

材料名称 Q235-B(热轧)

许用应力 [ ?]f =113 MPa 螺 栓:

材料名称 Q235-B(热轧)

许用应力 [?]f =87MPa 螺栓规格 M16 数量 n=20个 法兰选用要求：

在石油化工设备管道生产中，由于生产工艺的要求，或者制造，运输，安装，检修方便。常可采用可拆的联接机构，常见的联接机构有法兰联接，螺栓联接和插套联接。由于法兰联接有较好的强度和紧密性，适用的尺寸范围广，在设备和管道中都能引用，所以法兰连接最普遍。缺点：不能很快的装配和拆卸，制造成本高。 查表2-18 PN=1.6MPa 公称直径DN 700 820 垫片选用要求：

垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的蜜蜂性能，设计时，应根据介质的特性，压力，温度和压紧面的形状选择垫片的结构形式，材料和尺寸，同时兼顾价格，制造和更换是否方便等因素。基本要求是制作垫片的材料不污染工作介质，耐腐蚀，具有良好的变形能力和回弹能力，以及在工作温度下不易变质硬化或软化。

垫片选用 查表4-1

介质 油品，油气，化工原料及产品

法兰公称压力MPa 工作温度℃ 密封面形式 形式 垫片 材料 橡胶石棉板 780 755 745 742 62 25 M16 20 544 504 法兰 螺柱 规格 数量 非金属垫片 tD D1 D2 D3 D4 ? d D5 ds ?1.6 ?2000C 凹凸面 耐油垫 3.8.2螺栓设计校核

22 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

1）垫片预紧力：

Fa??DGby

式中： Fa 御紧状态下需要的最小垫片压紧力。N

b 垫片的有效密封宽度，mm

DG 垫片压紧力作用中心圆计算直径,mm

当 b0?6.4mm 时， DG等于垫片接触面的平均直径 当b0?6.4mm时 ，DG等于垫片接触面的外径减去2b 垫片压紧力,MPa

由前知 N=20

b0?N?10?6.4mm 2则 b?2.53b0?8mm

DG?544?16?528mm

则 Fa??DGby?3.14?528?8?11?145896.96N 操作状态下：

Fp?2?DGbmPc

式中：Fp 操作状态下需要的最小垫片压紧力，N m 垫片系数 Pc 计算压力，MPa 则

Fp?2?DGbmPc?2?3.14?528?8?2?1.3?69821.32N

2）螺栓载荷计算：

预紧状态下需要的最小螺栓载荷等于保证垫片初始密封的压紧力。即

Wa?Fa?145896.96N

式中： Wa预紧状态下需要的最小螺栓载荷N

操作状态下需要的最小螺栓载荷由两部分组成：介质产生的轴向力和保持垫片密封所需的垫片压紧力，即

Wp?F?Fp?青海大学化工机械系

?4DG2Pc?2?DGbmPc

23

青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

式中：Wp操作状态下需要的最小载荷，N

Wp?F?Fp?3)螺栓设计校核

?4DG2Pc?2?DGbmPc?438935N

通常螺栓与螺母采用不同的材料或同种材料但不同的热处理条件，使其具有不同的硬度，螺栓材料应比螺母材料硬度高30HB以上。 预紧状态下：

按常温计算，螺栓所需截面积Aa为

aAa?[W?]b

式中：[?]b常温下螺栓材料的许用应力 查 GB150-1998知，常温下[?]b=87MPa 则

aAa?[W?]b?145896.93?1677mm2

87操作状况下，按螺栓设计温度计算螺栓所需截面积Ap

Ap?Wp[?]tb

式中：[?]tb设计温度下螺栓材料的许用应力 查 GB150-1998知 设计温度下[?]tb=71MPa 则

Ap?Wp[?]tb?438935?6182.2mm2 71需要的螺栓截面积Am取Aa与Ap的较大值。故取Am=6182.2mm2 由Am 可确定螺栓直径与个数

Am?4Am ?n式中：d0 螺纹根径或螺栓最小截面直径,mm N 螺栓个数

24 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

选定螺栓个数n=20 则 Am?4Am4?6182??19.8m4m?1m2 m?n3.1?420而前边选用 M16 的螺栓，故螺栓强度足够。 4)螺栓间距校核

确定螺栓个数不仅考虑螺栓法兰的密封性，还要考虑安装的方便。螺栓个数多，垫片受力均匀，密封效果好，但螺栓个数太多，螺栓间距变小，可能放不下扳手，引起装拆困难，法兰环上两个螺栓孔中心距 应在 的范围，若螺栓间距太大，在螺栓孔之间将引起附加的法兰弯距，且垫片受力不均导致密封性下降。为此，螺栓间距不超过下式所确定的数值。

HG?Wa?256978N

式中： dB 螺栓公称直径,mm

?f 法兰有效厚度,mm

?6?f=2?20+

则 Lmax?2dB?m?0.5 ?Db3.14?590L???92.63mm

n20?知 3.5dB

因此所选螺栓间距合适

6?4.4=145.6mm

2?0.53.9后端筒体法兰计算

3.9.1设计条件

设计压力 p=1MPa 计算压力 pc =1MPa 设计温度 t=200? C 轴向外载荷 F=0 N 外力矩 M=0 N.mm 壳 体:

材料名称 Q235-B(热轧) 许用应力 [?]n =113 MPa 法 兰:

材料名称 Q235-B(热轧)

25 t青海大学化工机械系

青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

许用应力 [ ?]f =113 MPa 螺 栓:

材料名称 Q235-B(热轧

许用应力 [?]f =87MPa 螺栓规格 M20 数量 n=28个 法兰选用要求：

在石油化工设备管道生产中，由于生产工艺的要求，或者制造，运输，安装，检修方便。常可采用可拆的联接机构，常见的联接机构有法兰联接，螺栓联接和插套联接。由于法兰联接有较好的强度和紧密性，适用的尺寸范围广，在设备和管道中都能引用，所以法兰连接最普遍。缺点：不能很快的装配和拆卸，制造成本高。

查表2-18 PN=1.6MPa 公称直径DN 700 930 垫片选用要求：

垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的蜜蜂性能，设计时，应根据介质的特性，压力，温度和压紧面的形状选择垫片的结构形式，材料和尺寸，同时兼顾价格，制造和更换是否方便等因素。基本要求是制作垫片的材料不污染工作介质，耐腐蚀，具有良好的变形能力和回弹能力，以及在工作温度下不易变质硬化或软化。 垫片选用 查表4-1

介质 油品，油气，化工原料及产品

法兰公称压力MPa 工作温度℃ 密封面形式 形式 垫片 材料 橡胶石棉板 890 865 845 843 60 43 M20 28 644 604 法兰 螺柱 规格 数量 非金属垫片 D D1 D2 D3 D4 ? d D5 ds ?1.6 ?2000C 凹凸面 耐油垫 3.9.2螺栓设计校核

1）垫片预紧力：

Fa??DGby

式中： Fa 御紧状态下需要的最小垫片压紧力。N

b 垫片的有效密封宽度，mm

DG 垫片压紧力作用中心圆计算直径,,mm

26 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

当 b0?6.4mm 时， DG等于垫片接触面的平均直径 当 b0?6.4mm时 ，DG等于垫片接触面的外径减去2b

y 垫片压紧力,MPa

由前知 N=20

b0?N?10?6.4mm 2则 b?2.53b0?12mm

DG?644?24?620mm

则 Fa??DGby?3.14?620?8?11?256978N 操作状态下：

Fp?2?DGbmPc

式中：Fp 操作状态下需要的最小垫片压紧力，N m 垫片系数 Pc 计算压力，MPa

则 Fp?2?DGbmPc?2?3.14?528?8?2?1.3?69821.32N 2）螺栓载荷计算：

预紧状态下需要的最小螺栓载荷等于保证垫片初始密封的压紧力。即

Wa?Fa?256978N

式中：Wa预紧状态下需要的最小螺栓载荷N

操作状态下需要的最小螺栓载荷由两部分组成：介质产生的轴向力和保持垫片密封所需的垫片压紧力，即

Wp?F?Fp??4DG2Pc?2?DGbmPc

式中：Wp操作状态下需要的最小载荷，N

Wp?F?Fp?3)螺栓设计校核

?4DG2Pc?2?DGbmPc?413862N

通常螺栓与螺母采用不同的材料或同种材料但不同的热处理条件，使其具有不同的硬度，螺栓材料应比螺母材料硬度高30HB以上。 预紧状态下：

青海大学化工机械系

27 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

按常温计算，螺栓所需截面积Aa为

aAa?[W?]b

式中：[?]b常温下螺栓材料的许用应力

查 GB150-1998知，常温下[?]b=87MPa 则

aAa?[W?]b?256978?2954mm2 87操作状况下，按螺栓设计温度计算螺栓所需截面积Ap

Ap?Wp[?]tb

式中：[?]tb设计温度下螺栓材料的许用应力

查 GB150-1998知 设计温度下[?]tb=71MPa 则

Ap?Wp[?]tb?413862?5829mm2 71需要的螺栓截面积Am取Aa与Ap的较大值。故取Am=5829mm2 由Am 可确定螺栓直径与个数

Am?4Am ?n式中： d0 螺纹根径或螺栓最小截面直径,mm n 螺栓个数 选定螺栓个数 n=20 则 Am?4Am4?5829??16.28mm?12mm ?n3.14?28而前边选用 M16 的螺栓，故螺栓强度足够。 3)螺栓间距校核

确定螺栓个数不仅考虑螺栓法兰的密封性，还要考虑安装的方便。螺栓个数多，垫片受力均匀，密封效果好，但螺栓个数太多，螺栓间距变小，可能放不下扳手，引起装拆困难，

28 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

若螺栓间距太大，在螺栓孔之间将引起附加的法兰弯距，且垫片受力不均导致密封性下降。为此，螺栓间距不超过下式所确定的数值。

?6?fLmax?2dB?

m?0.5式中：dB 螺栓公称直径,mm

?f 法兰有效厚度,mm

?6?f6?34则 Lmax?2dB?=2x20+=121.6mm

2?0.5m?0.5 ?Db3.14?700L???80mm

n28?知3.5dB

因此所选螺栓间距合适

3.9.3应力计算

输入法兰厚度δf = 40 mm时， 法兰应力校核 轴向应力：

?1?

fMo1.0?46106??114MPa

??12Di0.898?0.032?0.5t <1.5 [?]f?162MPa 结论：校核合格 径向应力：

?3?(1.33?f?e?1)M0??f2Di?1.544?46106?99MPa

20.898?0.04?0.5?1.0[?]tf?108MPa

结论：校核合格 切向应力：

?2?

M0Y46106?5012?Z???2.68?99?30MPa R?f2Di0.042?0.5

?1.0[?]tf?108MPa

青海大学化工机械系

29 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

结论：校核合格 综合应力：

0.5(?1??2)?0.5(114?99)?106.5MPa

?1.0[?]tf?162MPa

结论：校核合格 法兰校核结果：校核合格

3.10前端管箱法兰计算

3.10.1设计条件

设计压力 p=1.3MPa 计算压力 pc =1.3MPa 设计温度 t=200? C 轴向外载荷 F=0 N 外力矩 M=0 N.mm 管箱:

材料名称 16Mn(热轧)

t[?]n =160MPa 许用应力

法 兰:

材料名称 16Mn (热轧)

许用应力 [ ?]f =160 MPa 螺 栓:

材料名称 Q235-B(热轧)

许用应力 [?]f =87MPa 螺栓规格 M16 数量 n=20个 法兰选用要求：

在石油化工设备管道生产中，由于生产工艺的要求，或者制造，运输，安装，检修方便。常可采用可拆的联接机构，常见的联接机构有法兰联接，螺栓联接和插套联接。由于法兰联接有较好的强度和紧密性，适用的尺寸范围广，在设备和管道中都能引用，所以法兰连接最普遍。缺点：不能很快的装配和拆卸，制造成本高。 查表2-18 PN=1.6MPa 公称直径DN 法兰 螺柱 规格 数量 非金属垫片 D D1 D2 D3 D4 ? d D5 ds 30 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

700 垫片选用要求：

930 890 855 845 842 60 43 M16 220 544 504 垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的蜜蜂性能，设计时，应根据介质的特性，压力，温度和压紧面的形状选择垫片的结构形式，材料和尺寸，同时兼顾价格，制造和更换是否方便等因素。基本要求是制作垫片的材料不污染工作介质，耐腐蚀，具有良好的变形能力和回弹能力，以及在工作温度下不易变质硬化或软化。 垫片选用 查表4-1

介质 油品，油气，化工原料及产品

法兰公称压力MPa 工作温度℃ 密封面形式 形式 垫片 材料 橡胶石棉板 ?1.6 ?2000C 凹凸面 耐油垫 3.10.2螺栓设计校核

1）垫片预紧力：

Fa??DGby

式中： Fa 御紧状态下需要的最小垫片压紧力。N

b 垫片的有效密封宽度，mm

DG 垫片压紧力作用中心圆计算直径,mm

当 b0?6.4mm 时， DG等于垫片接触面的平均直径 当b0?6.4mm时 ，DG等于垫片接触面的外径减去2b

y 垫片压紧力,MPa

由前知 N=20

b0?N?10?6.4mm 2则 b?2.53b0?8mm

DG?544?16?528mm

则 Fa??DGby?3.14?528?8?11?145896.96N 操作状态下：

Fp?2?DGbmPc

式中： Fp 操作状态下需要的最小垫片压紧力，N

青海大学化工机械系

31 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

m 垫片系数 Pc 计算压力，MPa

则 Fp?2?DGbmPc?2?3.14?528?8?2?1.3?69821.32N 2）螺栓载荷计算：

预紧状态下需要的最小螺栓载荷等于保证垫片初始密封的压紧力。即

Wa?Fa?145896.96N

式中：Wa预紧状态下需要的最小螺栓载荷N

操作状态下需要的最小螺栓载荷由两部分组成：介质产生的轴向力和保持垫片密封所需的垫片压紧力，即

Wp?F?Fp??4DG2Pc?2?DGbmPc

式中：Wp操作状态下需要的最小载荷，N

Wp?F?Fp?3)螺栓设计校核

?4DG2Pc?2?DGbmPc?314562N

通常螺栓与螺母采用不同的材料或同种材料但不同的热处理条件，使其具有不同的硬度，螺栓材料应比螺母材料硬度高30HB以上。 预紧状态下：

按常温计算，螺栓所需截面积Aa为

aAa?[W?]b

式中：[?]b常温下螺栓材料的许用应力 查 GB150-1998知，常温下[?]b=87MPa 则 Aa?Wa[?]b?145896.93?1677mm2

87操作状况下，按螺栓设计温度计算螺栓所需截面积Ap

Ap?Wp[?]tb

式中：[?]tb设计温度下螺栓材料的许用应力 查 GB150-1998知 设计温度下[?]tb=71MPa

32 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

则 Ap?Wp[?]tb?314562?4431mm2 71需要的螺栓截面积Am取Aa与Ap的较大值。故取Am=4430mm2 由Am 可确定螺栓直径与个数

Am?4Am ?n式中：d0 螺纹根径或螺栓最小截面直径,mm n 螺栓个数 选定螺栓个数n=20 则 Am?4Am4?4430??16.7mm?12mm ?n3.14?20而前边选用 M16 的螺栓，故螺栓强度足够。 3)螺栓间距校核

确定螺栓个数不仅考虑螺栓法兰的密封性，还要考虑安装的方便。螺栓个数多，垫片受力均匀，密封效果好，但螺栓个数太多，螺栓间距变小，可能放不下扳手，引起装拆困难，法兰环上两个螺栓孔中心距 应在 的范围，若螺栓间距太大，在螺栓孔之间将引起附加的法兰弯距，且垫片受力不均导致密封性下降。为此，螺栓间距不超过下式所确定的数值。

M0?347776?0.08?27822N.m

式中： dB 螺栓公称直径,mm

?f 法兰有效厚度,mm

?6?f6?4.4则 Lmax?2dB?=2?20+=145.6mm

2?0.5m?0.5 ?Db3.14?590L???92.63mm

n20?知3.5dB

因此所选螺栓间距合适

2 = 31509.8 m2 面积 Ab = n?d14青海大学化工机械系

33

青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

3.11后端管箱法兰计算

3.11.1设计条件:

设计压力 p=1 MPa 计算压力 pc =1 MPa 设计温度 t=200? C 轴向外载荷 F=0 N 外力矩 M=0 N.mm 壳 体:

材料名称 Q235-B(热轧) 许用应力 [?]n =113 MPa 法 兰:

材料名称 Q235-B(热轧)

许用应力 [ ?]f =113 MPa 螺 栓:

材料名称 Q235-B(热轧)

许用应力 [?]f =87MPa 螺栓规格 M20 数量 n=28个 法兰选用要求：

在石油化工设备管道生产中，由于生产工艺的要求，或者制造，运输，安装，检修方便。常可采用可拆的联接机构，常见的联接机构有法兰联接，螺栓联接和插套联接。由于法兰联接有较好的强度和紧密性，适用的尺寸范围广，在设备和管道中都能引用，所以法兰连接最普遍。缺点：不能很快的装配和拆卸，制造成本高。 查表2-18 PN=1.6MPa 公称直径DN 700 930 垫片选用要求：

垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的蜜蜂性能，设计时，应根据介质的特性，压力，温度和压紧面的形状选择垫片的结构形式，材料和尺寸，同时兼顾价格，制造和更换是否方便等因素。基本要求是制作垫片的材料不污染工作介质，耐腐蚀，具有良好的变形能力和回弹能力，以及在工作温度下不易变质硬化或软化。 垫片选用 查表4-1

介质 法兰公称压

工作温度℃ 密封面形式 垫片 890 865 845 843 60 43 M20 28 644 604 法兰 螺柱 规格 数量 非金属垫片 tD D1 D2 D3 D4 ? d D5 ds 34 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

油品，油气，化工原料及产品

力MPa 形式 材料 橡胶石棉板 ?1.6 ?2000C 凹凸面 耐油垫 3.11.2螺栓设计校核

1）垫片预紧力：

Fa??DGby

式中： Fa 御紧状态下需要的最小垫片压紧力。N

b 垫片的有效密封宽度，mm

DG 垫片压紧力作用中心圆计算直径,mm

当 b0?6.4mm 时， DG等于垫片接触面的平均直径 当 b0?6.4mm时 ，DG等于垫片接触面的外径减去2b

y 垫片压紧力,MPa

由前知 N=20

b0?N?10?6.4mm 2则 b?2.53b0?12mm

DG?644?24?620mm

则 Fa??DGby?3.14?620?8?11?256978N 操作状态下：

Fp?2?DGbmPc

式中： Fp 操作状态下需要的最小垫片压紧力，N

m 垫片系数 Pc 计算压力，MPa

则 Fp?2?DGbmPc?2?3.14?620?12?2?1?93446.4N 2）螺栓载荷计算：

预紧状态下需要的最小螺栓载荷等于保证垫片初始密封的压紧力。即

Wa?Fa?256978N

式中：Wa预紧状态下需要的最小螺栓载荷N

青海大学化工机械系

35 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

操作状态下需要的最小螺栓载荷由两部分组成：介质产生的轴向力和保持垫片密封所需的垫片压紧力，即

Wp?F?Fp??4DG2Pc?2?DGbmPc

式中：Wp操作状态下需要的最小载荷，N

Wp?F?Fp?3)螺栓设计校核

?4DG2Pc?2?DGbmPc?358990.4N

通常螺栓与螺母采用不同的材料或同种材料但不同的热处理条件，使其具有不同的硬度，螺栓材料应比螺母材料硬度高30HB以上。 预紧状态下：

按常温计算，螺栓所需截面积Aa为

aAa?[W?]b

式中：[?]b常温下螺栓材料的许用应力

查 GB150-1998知，常温下[?]b=87MPa 则 Aa?Wa[?]b?256978?2954mm2 87操作状况下，按螺栓设计温度计算螺栓所需截面积Ap

Ap?Wp[?]tb

式中：[?]tb设计温度下螺栓材料的许用应力

查 GB150-1998知 设计温度下[?]tb=71MPa 则 Ap?Wp[?]tb?358990.4?5056mm2 71需要的螺栓截面积Am取Aa与Ap的较大值。故取Am=5056mm2 由Am 可确定螺栓直径与个数

Am?4Am ?n式中：d0 螺纹根径或螺栓最小截面直径,mm

36 青海大学化工机械系

结构计算和强度校核

n 螺栓个数 选定螺栓个数 n=20 则 Am?4Am4?5056??15.1mm?12mm ?n3.14?28而前边选用 M16 的螺栓，故螺栓强度足够。 3)螺栓间距校核

确定螺栓个数不仅考虑螺栓法兰的密封性，还要考虑安装的方便。螺栓个数多，垫片受力均匀，密封效果好，但螺栓个数太多，螺栓间距变小，可能放不下扳手，引起装拆困难，法兰环上两个螺栓孔中心距 应在 的范围，若螺栓间距太大，在螺栓孔之间将引起附加的法兰弯距，且垫片受力不均导致密封性下降。为此，螺栓间距不超过下式所确定的数值。

Lmax?2dB?6?fm?0.5

式中：dB 螺栓公称直径,mm

?f 法兰有效厚度,mm

?6?f=2?20+

则 Lmax?2dB?m?0.5 ?Db3.14?700L???80mm

n286?34=121.6mm

2?0.5知3.5dB

?M0?347776?0.08?27822N?m

3.11.3应力计算

输入法兰厚度δf = 30 mm时， 法兰应力校核 轴向应力：

?1?fMo1.0?27822??128MPa 22??1Di0.701?0.022?0.6t <1.5 [?]f?162MPa 结论：校核合格

青海大学化工机械系

37 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计

径向应力： ?3?(1.33?f?e?1)M0??f2Di?1.318?27811?98MPa

0.701?0.0222?0.6?1.0[?]tf?108MPa

结论：校核合格

0切向应力： ?2??2D?Z?R?0.0222?0.6?4.84?18.01?10MPa

fi

MY27822?9.39?1.0[?]tf?108MPa

结论：校核合格

综合应力： 0.5(?1??2)?0.5(128?98)?113MPa

?1.0[?]tf?162MPa

结论：校核合格 法兰校核结果：校核合格

3.12钩圈设计[12]

材料 16Mn 类型 B型 n??2YM140mm t?2C2?Dfi[?]f钩圈对保证浮头端的密封，防止介质间的泄漏起重要作用。其一般为对开式结构，要求密封可靠，结构简单，紧凑便于安装和拆卸方便。 钩圈与浮头管板推荐尺寸： 材料 公称直径Dg 16MnR

700mm 580mm 530mm 492mm 464mm 490mm 462mm D1 D2 D3 D4 D5 D6 3.13浮头计算[13]

在设计时必须考虑浮头处的管板外径应小于壳体内径，

一般推荐浮头管板与壳体内壁之间隙不小于5mm。

3.13.1设计条件

计算压力 Pc = 1.3MPa

38 青海大学化工机械系

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