浮頭式換熱器設計說明書.doc

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武漢工程大學郵電與信息工程學院 畢業(yè)設計 武漢工程大學郵電與信息工程學院 畢業(yè)設計（ 論 文）說明書 論文題目 BES-900-1.0-165-4.5/25-2Ⅱ浮頭式換熱器設計 學 號 1002050314 學生姓名 劉成 專業(yè)班級 10過程裝備與控制工程03班 指導教師 劉麗芳 總評成績 2014年 6 月 1 日 目錄 摘要 2 Abstract 3 緒論 4 一 換熱器的簡單介紹 4 二 換熱器的應用 4 三 管殼式換熱器的分類及其特點 4 四 換熱器在化學工業(yè)中的應用 5 五 換熱器的選型 7 第一章 結(jié)構及強度計算 8 1.1筒體的計算 8 1.2管箱的結(jié)構設計 9 1.3 浮頭蓋的設計 14 1.4管板的計算 27 1.5外頭蓋的計算 32 1.6開孔補強計算 33 1.7其他零部件設計 36 第二章 浮頭式換熱器的制造工藝 41 2.1 總體制造工藝 41 2.2 管箱、殼體、頭蓋的制造工藝 41 2.3 換熱管的制造工藝 41 2.4 管板與折流板的制造工藝 41 第三章 浮頭式換熱器的檢驗、安裝、使用和維修 43 3.1換熱管的水壓試驗 43 3.2安裝 43 3.3使用 44 3.4維護 44 設計總結(jié) 45 致謝 46 參考文獻 47 附錄 48 1 摘要 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。 換熱器的應用廣泛，它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。換熱器既可是一種單獨的設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。 本設計說明書是關于浮頭式換熱器的設計，主要是進行了換熱器的結(jié)構和強度設計。這部分主要是根據(jù)設計課題和課題給定條件進行設備內(nèi)各零部件（如管箱、浮頭鉤圈、管板、接管、折流板、隔板、定距管等）的設計，包括：材料的選擇、具體尺寸確定、確定具體位置、管板厚度的計算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計算、開孔補強計算等。 材料選用方面：對于主要承壓元件選用Q345R為材料。由于介質(zhì)是空氣和水，所以選用20鋼為換熱管的材料。材料的選用和制造成本緊密相連，所以應該在保證設計要求的前提下盡量降低成本。 關于浮頭式換熱器設計的各個環(huán)節(jié)，設計說明書中都有詳細的說明。 關鍵詞：換熱器；管板；折流板；浮頭法蘭 53 Abstract Heat exchanger is part of the thermal fluid heat transfer to cold fluid equipment, also called heat exchanger. Heat exchanger is used widely, its main function is to ensure that required by the specific process of medium temperature, and is also one of the main equipment of energy efficiency.Heat exchanger is but a single device, such as heater, cooler and steam condenser, etc.;But also a part of the process equipment, such as ammonia synthetic towers heat exchanger. This design manual is about the design of floating head heat exchanger, mainly on the structure and intensity of the heat exchanger design.This part mainly according to the design task and task within the given conditions of equipment parts, such as pipe boxes, floating head hook ring, tube plate, takeover, baffle, baffle plate and spacer pipe, etc.) design, including: the choice of materials, the determination of the specific size, determine the specific location, the thickness of the tube sheet calculation, calculation of floating head cover and floating head flange thickness, opening reinforcement calculation, etc. Aspects: material selection for the selection of main pressure elements Q345R for material.Since the medium is water and air, so choose material of 20 steel for heat exchange tube.The selection of materials and manufacturing cost is closely linked, so should as far as possible on the premise of guarantee the design requirements to reduce costs. Each link of floating head heat exchanger design, design specification has a detailed description. Key words: heat exchanger;Tube plate;Baffle plate;Floating head flange 緒論 一.換熱器概述 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。 在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的區(qū)別。 在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常用作把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。換熱器既可是一種單元設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設備，根據(jù)統(tǒng)計，熱交換器的噸位約占整個工藝設備的20%有的甚至高達30%，其重要性可想而知。 2. 換熱器的應用 在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是將能量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，是流體溫度達到工藝流程規(guī)定的指標，以滿足工藝流程上的需要。此外，換熱器也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，高爐爐氣（約1500℃）的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供汽、供熱等的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益。 隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結(jié)構改進及傳熱極力的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼面世。 三.管殼式換熱器的分類及其特點 根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構特點，可以將管殼式換熱器分為固定管板是換熱器、U型管式換熱器、浮頭式換熱器、填料函式換熱器、釜式重沸器五類。 特點： 1. 固定管板式換熱器：它的特點是結(jié)構簡單，沒有殼側(cè)密封連接，相同的殼體內(nèi)徑排管最多，造價最低，因而得到廣泛應用。這種換熱器的缺點是：殼程清洗困難，有溫差應力存在，熱膨脹會引起管子拉彎。 2. U形管式換熱器：結(jié)構簡單，只有一個管板，密封面少，運行可靠，造價低；管束可抽出，管間（殼程）清洗方便。質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。缺點是管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料，由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板利用率低。 3. 浮頭式換熱器：其浮頭不與外殼相連。優(yōu)點是這種換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。其缺點是結(jié)構復雜，造價高（比固定管板高20%），在運行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的條件。 4. 填料函式換熱器：由于采用填料函式密封結(jié)構，使得管束在殼體軸向可以自由伸縮，不會產(chǎn)生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應力。其結(jié)構較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價比較低廉，且管束從殼體內(nèi)可以抽出，管內(nèi)、管間都能進行清洗，維修方便。因填料處易產(chǎn)生泄漏，填料函式換熱器一般適用于4MPa以下的工作條件，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度也受填料的物性限制。填料函式換熱器現(xiàn)在已很少采用。 5. 釜式重沸器：它具有浮頭式、U形管換熱器的特點。在結(jié)構上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設置一個蒸發(fā)空間，蒸發(fā)空間的大小由產(chǎn)氣量和所要求的蒸氣品質(zhì)所決定。產(chǎn)氣量大、蒸氣品質(zhì)要求高者蒸發(fā)空間大，否則可以小些。此種換熱器與浮頭式、U形管式換熱器一樣，清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)構的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。 四.換熱器在化學工業(yè)中的應用 在工業(yè)生產(chǎn)中，為了實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設備，統(tǒng)稱為換熱器。它是化工、煉油、動力、原子能和其它許多工業(yè)部門廣泛應用的一種通用工藝設備。對于迅速發(fā)展的化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。通常在化工生產(chǎn)的建設中，換熱器約占總投資的10～20%。 在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等。換熱器就是用來進行這些傳遞過程的設備，通過這種設備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。換熱器隨著使用目的的不同，可以把它分成為：熱交換器、加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。由于使用的條件不同，換熱設備又有各樣的形式和結(jié)構。另外，在化工生產(chǎn)中有時換熱器作為一個單獨的化工設備，有時則把它作為某一工藝設備中的組成部分，如氨合成塔中的下部熱交換器、精餾塔底部的再沸器和頂部的回流冷凝器或分凝器等。其它如回收排放出去的高溫氣體中的廢熱所用的廢熱鍋爐，有時在生產(chǎn)中也是不可缺少的?？傊?，換熱器在化工生產(chǎn)中的應用是十分廣泛的，任何化工生產(chǎn)工藝幾乎都離不開它。 在換熱設備中，應用最廣泛的是管殼式換熱器。目前這種換熱器被當作為一種傳統(tǒng)的標準換熱器，在許多工業(yè)部門中被大量地使用。尤其在化工生產(chǎn)中，無論是國內(nèi)還是國外，它在所有的換熱設備中，仍占主導地位。同時在近代的許多化工生產(chǎn)中，如裂解、合成及聚合等，大都要求在高溫和高壓下進行。如高壓聚乙烯要求操作壓力高達250MPa左右，新“德士古”制氫法要求操作溫度在750～1500范圍。這些條件下，要進行熱交換是很不容易的，尤其在有腐蝕存在的情況下，實現(xiàn)熱交換更是困難。而管殼式結(jié)構，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便，適應性強，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點。因此，能不斷擴大它的使用范圍。由于現(xiàn)代化工廠的生產(chǎn)規(guī)模日益增大，換熱設備也相應向大型化方向發(fā)展，以降低動力消耗，減少占地面積和金屬消耗。管殼式結(jié)構的換熱器也能滿足這一要求。 近十余年來，另一種高效、緊湊式的新型換熱設備之一，即板式換熱器，已發(fā)展成為一種重要的化工設備。雖然目前它還處于發(fā)展階段，但它在化工和石油化工生產(chǎn)中已推廣應用。它適用的介質(zhì)相當廣泛，從水到高粘度的非牛頓型液體，從含有小直徑固體顆粒的物料到含有纖維的物料，均可處理。從生產(chǎn)工藝上說，它可以用作液體的加熱、冷卻、冷凝或蒸發(fā)，單體的氣提，溶液的濃縮、聚合、脫氣、混合和乳膠的干燥等。 近年來，由于鋁及鋁合金釬焊技術的發(fā)展和不斷完善，促使另一種高效、緊湊式的新型換熱器，即板翅式換熱器得到廣泛的應用。雖然首先采用這種形式的換熱器是為了滿足飛機上中間冷卻器的要求，但由于它具有體積小，質(zhì)量輕，效率高和適應的溫度范圍廣等突出的優(yōu)點，從而在化工、石油化工和其它許多工業(yè)部門中，也得到了迅速地推廣應用。現(xiàn)在，板翅式換熱器又成功地應用于天然氣加工過程中，如進料氣冷卻器、部分冷凝器、底部蒸發(fā)器和壓縮機的中間冷卻器等。其它在航空、車輛和船舶等方面亦已開始推廣應用。 目前螺旋板換熱器在化工生產(chǎn)中的應用也日趨廣泛。在磷酸生產(chǎn)流程中，由于使用了這種形式的換熱器，在清洗時可不停車，每次清洗只需切換磷酸和水的通道即可。螺旋板換熱器在國內(nèi)首先較普遍地用在小化肥生產(chǎn)中半水煤氣的預熱器和氨合成塔下部的換熱器，目前已逐步推廣應用的到其它化工生產(chǎn)工藝中，在很多焦化廠中已經(jīng)開始普及用螺旋板式換熱器來作為貧富油換熱器了。 在化工生產(chǎn)過程中，除了遇到高溫、高壓、高真空和深冷等一些操作條妥善地解決這個問題，而提出和使用了一些新型材料的換熱器。如玻璃、石墨和聚四氟乙烯等非金屬材料以及鈦、鉭和鋯等稀有金屬材料制作的換熱器，以達到耐熱，耐壓和防腐的效果。玻璃換熱器應用于生產(chǎn)中，目前還剛剛開始，并已推廣應用到制藥工業(yè)中。石墨換熱器已在許多國家中得到廣泛地應用，如用來處理鹽酸、硫酸等腐蝕性介質(zhì)。此外，還可用于化肥、有機合成和農(nóng)藥等多種工業(yè)中。 在其它新型換熱器的應用中，值得提出的為熱管。它是一種新型的傳熱元件，在六十年代中才開始應用于宇宙航行，但目前它的發(fā)展已日趨完善，且逐步推廣應用于其它工業(yè)部門。它能利用小的表面積傳遞大的熱量，因此它能充分體現(xiàn)換熱器的一種優(yōu)良的設計。 5. 換熱器的選型 換熱設備有多種多樣的形式，每種結(jié)構形式的換熱設備都有其本身的結(jié)構特點和工作特性。有些結(jié)構形式，在某種情況下使用最好，但是另外的情況下，卻不要太合適，或是根本不能使用。只有熟悉和掌握這些特點，并根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體情況，才能進行合理的選型和正確的設計。 換熱器選型時需要考慮的因素很多，主要包括流體的介質(zhì)、壓力、溫度、壓降及其可允許范圍；對清洗、維修的要求；材料價格及制造成本；動力消耗費；現(xiàn)場安裝和檢修的方便程度；壁面工作溫度；使用壽命和可靠性等。 要使一臺呼熱氣完全滿足上述全部條件是不可能的。一般情況下，在滿足生產(chǎn)工藝條件的前提下，僅考慮一個或幾個相對重要的影響因素就可以進行選型了。其基本的選擇標準為： 1. 所選換熱器必須滿足工藝過程要求，流體經(jīng)過換熱器換熱以后必須能夠以要求的參數(shù)進入下個工藝流程； 2. 換熱器本身必須能夠在所要求的工程實際環(huán)境下正常工作，換熱器需要能夠抗工程環(huán)境和介質(zhì)的腐蝕，并且具有合理的抗結(jié)垢性能； 3. 換熱器應容易維護，這就要求換熱器容易清理，對于容易腐蝕、振動等破壞的元件應易于更換，換熱器應滿足工程實際場地的要求； 4. 換熱器應盡可能的經(jīng)濟。選用時應綜合考慮換熱器的安裝費用、維護費用等，應使換熱器盡可能地經(jīng)濟； 5. 選用換熱器時要根據(jù)場地的限制考慮換熱器的直徑、長度、重量和換熱管的結(jié)構等。 流體的種類、熱導率、黏度等物理性質(zhì)，以及腐蝕性、熱敏性等化學性質(zhì)，對換熱器選型有很大的影響。例如冷卻濕氯氣時，濕氯氣的強腐蝕性決定了設備必須選用聚四氟乙烯等耐腐蝕材料，限制了可能采用的結(jié)構范圍。對于處理熱敏性流體的換熱器，要求能有效地控制加熱過程中的溫度和停留時間。對于一結(jié)構的流體，應選用易清洗的換熱器。 換熱介質(zhì)的壓力、溫度等參數(shù)對選型也有影響。如在高溫和高壓條件下操作的大型換熱器，需要承受高溫、高壓，可選用管殼式換熱器。若操作溫度和壓力都不高，處理的量又不大，處理的物料具有腐蝕性、可選用板面式換熱器。因為板面式換熱器具有傳熱效率高，結(jié)構緊湊和金屬材料消耗低等優(yōu)點。 在換熱器選型時，還應考慮材料的價格、制造技術、動力消耗費和使用壽命等因素，力求使換熱器在整個使用壽命內(nèi)最經(jīng)濟地運行。 第1章 結(jié)構及強度計算 換熱器主體結(jié)構以及零部件的設計和強度計算，主要包括殼體和封頭的厚度計算、材料的選擇、管板厚度的計算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計算、開孔補強計算，還有主要構件的設計（如管箱、殼體、折流板、拉桿等）和主要連接（包括管板與管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接等），具體計算如下。 1.1 筒體的計算 1.1.1 筒體結(jié)構的計算 設計課題為BES900—1—165—4.5/25—2Ⅱ浮頭式換熱器 (1) 設計壓力的確定 由設計課題給定的設計壓力P為1MPa，暫取計算壓力 。 (2)設計溫度的確定 由設計課題給定的設計溫度為。 1.1.2 筒體的厚度計算 (1)筒體材料的確定 介質(zhì)空氣與水，筒體材料選用Q345R,由GB150-2011壓力容器第二部分材料查表2如下： 表1-1 筒體材料許用應力 鋼號 鋼板標準 使用狀態(tài) 厚度 mm 常溫強度指標 設計溫度下許用應力 MPa MPa MPa Q345R GB713 熱軋 3~16 510 345 189 （2） 筒體厚度的計算 焊接方式：選為雙面焊對接接頭，100%無損探傷，故焊接系數(shù)。 筒體厚度計算式為 ----設計壓力. MPa ----殼體內(nèi)徑.mm ----計算厚度.mm ----焊接接頭系數(shù). ----材料在設計溫度的許用應力. MPa 根據(jù)GB6654《壓力容器用鋼板》規(guī)定：對于Q345R鋼板可取厚度負偏差,在無特殊腐蝕情況下，對于碳素鋼和低合金鋼，腐蝕裕量不小于，取腐蝕裕量。 設計厚度δd的確定,根據(jù)GB151-1999的規(guī)定, 向上圓整且滿足于GB151-1999中浮頭式換熱器對于材料為低碳鋼和低合金鋼的最小厚度不小于10mm的規(guī)定，取其名義厚度為 其有效厚度為 設計溫度下圓筒的計算應力 滿足要求 設計溫度下圓筒的最大允許工作壓力 [PW]= = 筒體水壓試驗校核 筒體水壓試驗壓力Pt=1.25Pc 取各元件許用應力比的最小值，為單向拉伸應力，其值等于材料的屈服應力，即 校核試驗時圓筒的薄膜應力： 故滿足水壓試驗的強度要求。 1.2 管箱的結(jié)構設計 1.2.2管箱封頭的材料及形式選擇 管箱封頭的材料擇用20MnMo，封頭選用標準橢圓形封頭，這是因為橢圓形封頭的應力分布比較均勻，且其深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型。標準橢圓形封頭是由半個橢球面和短圓筒組成，斷面形狀選以內(nèi)徑為基準的類型代號EHA，其型式參數(shù)關系為，。如圖1-1所示： 圖1-1 橢圓形封頭斷面形狀 1.2.2管箱的計算 a.管箱圓筒短節(jié)的計算： 管箱材料選用Q345R，其厚度計算式為： 同樣，考慮腐蝕裕和最小厚度要求，取厚度負偏差，腐蝕裕量，名義厚度，圓整后取。 b.管箱封頭的選取 選用標準橢圓形封頭，其材料與筒體材料相同為Q345R，則封頭厚度： 公式中：應力增強系數(shù)K=1（采用標準橢圓形封頭） 取其名義厚度也為。 查JB/T4746—2002《鋼制壓力容器用封頭》附錄B可得封頭的型號參數(shù)如下： 表1-2 標準橢圓形封頭參數(shù) 公稱直徑DN（mm） 總深度H （mm） 內(nèi)表面積A （㎡） 容積V （m） 封頭質(zhì)量M （kg） 900 250 0.9487 0.1113 89.3 由型式參數(shù)關系計算可得：。 標記： c.管箱法蘭的選擇 查JB4700-2000壓力容器法蘭可選固定端的殼體法蘭和管箱法蘭為長頸對焊法蘭，凹凸密封面，法蘭材料為鍛件20MnMo。 根據(jù)HG20583-1998《鋼制化工容器結(jié)構設計規(guī)定》，法蘭結(jié)構采用凹凸密封面連接，其型式為FM。其具體尺寸如圖1-2所示： 圖1-2管箱法蘭結(jié)構 查JB/T4703-2000表1，由可查得如下參數(shù)： 表1-3 管箱法蘭數(shù)據(jù)（單位：mm） 1040 1000 965 955 952 54 110 25 17 14 12 22 12 23 對應的螺柱規(guī)格M20，數(shù)量36，對接筒體最小厚度。 由JB/T4700-2000,表2，法蘭選用Q345R，質(zhì)量為96.6Kg。 標記：法蘭-FM 900-1.0/54-110 JB/T4703-2000 d.管箱短節(jié)長度的確定 管箱短節(jié)長度既要保證換熱器組裝尺寸的要求，又要保證使開孔不受影響，根據(jù)組裝尺寸和法蘭厚度。取管箱短節(jié)長度為L1= 300 mm。 1.2.3管箱墊片選用[8] 查JB/T4705-2000，選用纏繞墊片，種類為特制石棉填充帶，代號1； 查JB/T4705-2000，選用金屬帶為0Cr13，代號為5； 查JB/T4706-2000，當DN=900，PN=1.0，查得D=954，d=922； 查JB/T4706-2000，圖1，P70，墊片的厚度為4.5mm，見下圖： 查GB150-1998，表9-2，選用不銹鋼墊片材料，墊片系數(shù)m=3.50，比壓力y=44.8MPa。 圖1-3 管箱纏繞墊片 表1-4 管箱墊片尺寸 PN（MPa) DN（mm） 外徑D（mm） 內(nèi)徑d（mm） 墊片厚度 1 900 954 922 4.5 標記： 墊片 B 51—900—1.0 JB/T4705-2000 1.2.4管箱螺柱與螺母選用 螺柱選用等長雙頭螺柱, 查JB/T4700-2000，表2, 螺柱材料選用40Cr，螺母材料選用45鋼。查JB/T4707-2000，表1，選用B型螺柱M20, =20, =20，L0=50, C=2.5, =6，見下圖： 圖1-5 等長雙頭螺柱 1.2.5管箱法蘭計算 設計條件：設計壓力P=1.0MPa，設計溫度t=80℃ (1)墊片計算(參見GB150-1998, ) A. 墊片有效密封寬度： 由GB150-1998,表9-1, 得： 墊片接觸寬度 墊片基本密封寬度 則有效密封寬度 B. 墊片壓緊力作用中心圓直徑 因>6.4mm，則 C. 墊片壓緊力 a) 預緊狀態(tài)下需要的墊片壓緊力 b) 操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力 (2) 螺栓計算 A. 螺栓載荷 (a)預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 (b) 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 （3.3） B. 螺栓面積 (a) 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 查GB150-1998表4-7，螺栓材料選用40MnVB，鋼材標準為GB3077，使用狀態(tài)為調(diào)質(zhì) ，查的=210MPa；——常溫下螺栓材料的許用應力。 設計溫度80℃下螺栓材料的許用應力=200MPa，則預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 （b) 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 （c) 需要的螺栓面積 （d) 實際螺栓面積 滿足設計要求。 C. 螺栓設計載荷 （a) 預緊狀態(tài)下螺栓設計載荷 （b) 操作狀態(tài)下螺栓設計載荷 （3） 受內(nèi)壓管箱法蘭計算及校核 ① 法蘭力矩 (a) 預緊狀態(tài)下的法蘭力矩 力臂 其中，——螺栓中心圓直徑 = D1 =1000mm 則 (b) 操作狀態(tài)下的法蘭力矩 （3.4） 由GB150-1998,表9-4, ,得 ; 其中，——螺栓中心主法蘭頸部與法蘭背面交點的徑向距離,即 則 那么作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力 流體壓力引起的總軸向力與作用法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力之差 則 法蘭設計力矩 1.3 浮頭蓋的計算 1.3.1鉤圈式浮頭的結(jié)構尺寸計算 浮頭鉤圈采用B型鉤圈式浮頭，浮頭蓋采用球冠行封頭。 鉤圈式浮頭的結(jié)構尺寸 參看[2]GB151-1999 ，其結(jié)構尺寸圖如下： 圖1-6 B型鉤圈式浮頭 圖1-7 ----據(jù)管束和殼體的伸縮量來確定 ----按GB151-1998 5.6.3.3的規(guī)定，其結(jié)構尺寸如圖1-7 查表14?。ó敃r，當時） 查表15，取墊片寬度；；（當時，，，當時，） 則 ----安裝及擰緊浮頭螺母所需空間尺寸，應考慮在各種情況熱膨脹量， 宜不小于60mm，取c=80mm； ----浮頭法蘭和內(nèi)直徑 ----浮頭法蘭和鉤圈外直徑, ----換熱器圓筒內(nèi)直徑, ----布管限定圓直徑,查GB151-1999 5.6.3.3表13，對于浮頭式有： ----外頭蓋內(nèi)直徑， ----浮動管板外直徑, 1.3.2浮頭墊片及螺栓計算 1.3.2.1浮頭墊片的選用及計算 查JB/T4700-2000表2，結(jié)合HG20580~20585-1998 附錄A，浮頭墊片選用纏繞墊片； 查JB/T4705-2002，浮頭選用材料0Cr13鋼帶+特制石棉，凸密封面應帶內(nèi)加強環(huán)； 查JB/T4705-2002，表4，，當DN=900，PN=1.0，查得如下結(jié)構尺寸(單位：mm)： 表1—5 浮頭墊片尺寸 D d d1 892 864 860 查JB/T4705-2000，圖1，墊片的金屬板材厚度為4.5mm，結(jié)構如下： 圖1-8 纏繞墊片（帶內(nèi)加強環(huán)） 查GB150-1998，表7-2，對于內(nèi)填石棉纏繞式金屬，墊片系數(shù)m=3，比壓力y=69MPa. 標記： 墊片 F 5 1—900—1.0 JB/T4705-2000 墊片有效密封寬度： 墊片外徑/內(nèi)徑/厚度為/4.5， 按GB150-1998 P91表9-1 壓緊面型式1a 則 ，那么有效密封寬度 墊片壓緊力作用中心圓直徑 因，則DG等于墊片接觸的外徑減去2b，即 C 墊片壓緊力 (a) 預緊狀態(tài)下需要的墊片壓緊力 (b) 操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力 1.3.2.2螺栓計算 螺栓選用等長雙頭螺栓，查JB/T4700-2000 表2 選用螺栓材料為40Cr，螺母材料為45； <1>螺栓載荷 (a) 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 (b) 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷 <2>螺栓面積 (a) 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 查GB150-1998表4-7，對于螺栓材料40Cr，其常溫下的螺栓材料的許用應力=196MPa； 設計溫度80℃下螺栓材料的許用應力=180MPa， 則預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 (b) 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 (c) 需要的螺栓面積 (d) 實際螺栓面積 滿足設計要求。 <3>螺栓設計載荷 (a) 預緊狀態(tài)下螺栓設計載荷 (b) 操作狀態(tài)下螺栓設計載荷 1.3.3浮頭法蘭的設計計算 浮頭法蘭計算中所用的符號意義及計算： ----法蘭外直徑, ----螺栓中心圓直徑. ---- 墊片壓緊力作用中心圓直徑. ----墊片有效密封寬度. ----法蘭內(nèi)直徑. ----作用在法蘭環(huán)側(cè)封頭壓力載荷引起的軸向分力. ----作用在法蘭環(huán)內(nèi)側(cè)封頭載荷引起的徑向分力. ----計算壓力.MPa 分別取管程壓力Pt(內(nèi)壓)和殼程壓力Ps(外壓) ----球形封頭內(nèi)半徑. LD----螺栓中心至法蘭環(huán)內(nèi)側(cè)的徑向距. Lr---- Fr對法蘭環(huán)截面形心的力臂. ----封頭邊緣處球殼中面切線與法蘭環(huán)的夾角. ----球冠形封頭計算厚度. ----浮頭法蘭有效厚度. ----封頭材料在設計溫度下的許用應力. ----焊接接頭系數(shù). ----螺栓直徑. ----墊片寬度. ----墊片密封比壓力. ----墊片系數(shù). ----常溫下法蘭材料的許用應力. ----設計溫度下法蘭材料的許用應力. ----操作狀態(tài)下,需要的最小墊片壓緊力. ----流體壓力引起的總軸向力. ----預緊狀態(tài)下,需要的最小螺栓載荷(預緊狀態(tài)下,需要的最小墊片壓緊力). ----常溫下螺栓材料的許用應力. ----設計溫度下螺栓材料的許用應力. ----需要的螺栓總截面積,取與之大者. ----預緊狀態(tài)下,需要的最小螺栓總截面積,以螺紋小徑或無螺紋部分的最小 直徑計算. ----操作狀態(tài)下,需要的螺栓總面積,以螺紋小徑或無螺紋部分最小直徑計算. ----操作狀態(tài)下,需要的最小螺栓載荷. ----實際使用的螺栓總截面積,以螺紋小徑或無螺紋部分的最小直算, 應不小于需要的螺栓面積. ----螺栓設計載荷. ----窄面法蘭墊片壓緊力,包括三種情況. ----流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體引起的軸向力之差. ----螺栓中心至FG作用位置的徑向距離. ----螺栓中心至FT作用位置處的徑向距離. ----法蘭預緊力矩. ----操作情況下法蘭力矩. 查JB/T4700-2000 表1 浮頭法蘭選用長頸對焊法蘭，其密封面型式為凸面。 查JB/T4700-2000 表7 法蘭材料選用Q345R時，其在1.0MPa 80 時 的 最大允許工作壓力為1.0MPa；其它設計條件： 計算壓力Pc=1.0MPa ；設計溫度t=80； 選用法蘭材料為鍛件16Mn 查GB150-1998表4-7法蘭材料Q345R在常溫下的許用應力 設計溫度下法蘭材料的許用應力 螺栓材料為40Cr，常溫下螺栓材料的許用應力 設計溫度下螺栓材料的許用應力 1.3.4管程壓力作用下（內(nèi)壓）浮頭蓋的計算 1.3.4.1球冠形封頭的計算 參看GB151-1999查JB/T4746-2002鋼制壓力容器用封頭，選擇要100%射線探傷，取。 球冠行封頭在內(nèi)壓作用下的厚度計算式為： （?。? 根據(jù)GB6654《壓力容器用鋼板》規(guī)定：對于Q345R的鋼板取厚度負偏差mm；在無特殊腐蝕情況下，對于碳素鋼和低合金鋼，腐蝕裕量不小于1mm, 取腐蝕裕量C2 = 2mm；厚度附加量。 設計厚度 mm； 名義厚度圓整后可取 mm 筒體的有效厚度 mm 1.3.4.2受外壓浮頭法蘭厚度計算 ? 法蘭力矩 （a）預緊狀態(tài)下的法蘭力矩 力臂 則 （b）操作狀態(tài)下的法蘭力矩 查JB/T4721-92 表1浮頭法蘭的厚度，因浮頭法蘭的計算厚度尚為計算出，先取，計算出后再進行校核。 查GB150—1998圖9—1，取焊角底高，則 那么作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力 流體壓力引起的總軸向力與作用法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力之差 則 法蘭設計力矩 ② 法蘭厚度計算 預緊狀態(tài) 操作狀態(tài) 預緊狀態(tài)下法蘭厚度 操作狀態(tài)下法蘭厚度 法蘭厚度取與之大者，且不小于球冠心封頭名義厚度的兩倍，則 圓整取=70mm 。 1.3.5殼程壓力Ps作用下（外壓）浮頭蓋的計算 參看[2]GB151-1999 P81 查JB/T4767-2002 鋼制壓力容器用封頭P33 要100%射線探傷，取Φ=1.0 1.3.5.1球冠形封頭厚度確定 a.球冠形封頭計算厚度 選用材料Q345R，則在設計溫度下的許用應力為 =189Mpa 參數(shù) 查GB150-98 P52 T圖7-5 得：Q=2.4 (取Ps=Pc) b. 外壓球殼所需的有效厚度的計算： 根據(jù)GB6654《壓力容器用鋼板》規(guī)定：對于Q345R鋼板可取厚度負偏差mm；在無特殊腐蝕情況下，對于碳素鋼和低合金鋼，腐蝕裕量不小于1mm,取腐蝕裕量C2 = 2mm；厚度附加量 假設 ，令； 而，則 那么系數(shù)，查GB150-1998圖6-5 得 B=142MPa； 許用外壓力，大于且接近， 上述名義厚度假設合適。 c. 受外壓時球冠形封頭的計算厚度確定 取a、b中的較大值，即，取名義厚度。 1.3.5.2受外壓浮頭法蘭厚度計算 因部分參數(shù)與受內(nèi)壓的參數(shù)相同，這里只就不同的參數(shù)加以計算說明： 因浮頭法蘭的計算厚度尚為計算出，先估取，計算出后再進行校核。 查GB150—1998圖9—1，P88，取焊角底高，則 ① 法蘭力矩 A．預緊狀態(tài)下的法蘭力矩 B．操作狀態(tài)下的法蘭力矩 ② 法蘭厚度計算 預緊狀態(tài) 操作狀態(tài) 預緊狀態(tài)下法蘭厚度 操作狀態(tài)下法蘭厚度 法蘭厚度取與之大者，且不小于球冠心封頭名義厚度的兩倍，則 圓整取=70mm 。 1.3.6 浮頭法蘭及球冠形封頭厚度確定 綜合上述兩種情況，根據(jù)GB151-1999 ，浮頭法蘭應分別在管程壓力Pt作用下和殼程壓力Ps作用下進行內(nèi)壓和外壓的設計計算，取其大者為計算厚度，即： 球冠形封頭厚度 mm；浮頭法蘭厚度 =70mm； 圖1-10 球冠行封頭斷面形狀 查JB/T4746—2002《鋼制壓力容器用封頭》選用法蘭材料為20MnMo，類型代號為PSH，型式參數(shù)關系為,查附錄B可得封頭的型號參數(shù)如下： 表1-6 球冠行封頭參數(shù) 公稱直徑DN（mm） 總深度H （mm） 內(nèi)表面積A （㎡） 容積V （m） 封頭質(zhì)量M （kg） 900 119 0.6721 0.0382 31.8687 標記： PSH 900 JB/T4746-2002 1.3.7法蘭應力的計算 法蘭應力 其中：——法蘭頸部小端有效厚度； ——法蘭頸部大端有效厚度 ——法蘭頸部高度 , 參數(shù) ——法蘭有效厚度， ； ； 查GB150-1998,表9-5,得： T=1.83, Z=5.26, Y=10.21, U=11.22 查GB150-1998, 圖9-3，得：整體法蘭系數(shù)=0.881， 則 查GB150-1998，圖9-4,得整體法蘭系數(shù)VI =0.352， 則參數(shù) , , 查GB150-1998，圖9-7， 得f =1.9 （a） 軸向應力 (b)徑向應力 (c)環(huán)向應力 （d）剪應力計算 預緊狀態(tài)下的剪切載荷 操作狀態(tài)下的剪切載荷 剪切面積 預緊狀態(tài)下的剪應力 操作狀態(tài)下的剪應力 1.3.5 法蘭應力校核 a. 軸向應力 σH ≤1.5δ[σ]ft與1.5[σ]t之小值 [σ]t——筒體材料在設計溫度下的許用應力，[σ]t＝189MPa； [σ]ft——法蘭材料在設設計溫度下的許用應力，[σ]ft＝178MPa； σH=13.71MPa＜1.5[σ]ft=1.5178=267MPa 滿足要求 b.徑向應力 σR ≤[σ]ft 13.06MPa＜178MPa滿足要求 c.環(huán)向應力 σT≤[σ]ft 50.66＜178MPa滿足要求 d.組合應力 即 滿足要求 即 滿足要求 e.剪應力 在預緊和操作兩種狀態(tài)下的剪應力應分別小于或等于翻邊（或筒體）材料在常溫和設計溫度下的許用應力的0.8倍。 預緊： τ1=64.69MPa＜0.8178=142.4MPa符合要求 操作： τ2=26.61MPa＜0.8178=142.4MPa符合要求 根據(jù)浮頭法蘭計算按GB151-1999的格式制作成一張表格，這樣看起來比較清晰明了，具體如下表所示： 表1-7浮頭法蘭計算 設計條件 墊片及螺栓計算 計算壓力 墊 片 材料:不銹鋼包石棉 設計溫度 外徑x內(nèi)徑x厚度 892x864x4.5 法 蘭 材料 螺栓直徑 螺栓數(shù)量 許用 剪力 設 螺 栓 材料: 40Cr 許用 剪力 :或(取兩者中較大值) 操作情況下法蘭的受力 力臂 力矩 操作情況下法蘭總力矩 預緊螺栓時法蘭的受力 力臂 力矩 操作狀態(tài) 預緊狀態(tài) 法 蘭 厚 度 操作狀態(tài) 預緊狀態(tài) 法蘭厚度取與之大者,且不小于球冠形封頭 名義厚度的兩倍. 1.4 管板的計算 1.4.1換熱管的設計 （1）選材 換熱管選用20鋼，Φ252.5mm。 查GB151—1999，表33，得換熱管最小伸出長度 =2.5mm；最小坡口深度=2mm； 查GB150-1998 表4-3，得到鋼材的許用應力如下表： 表1-8 鋼管許用應力 鋼號 鋼板標準 壁厚 mm 常溫強度指標 設計溫度下許用應力 MPa MPa MPa 20 GB8163 3 410 245 148 查GB150-1998 表F5 ，得到 20號鋼在80的彈性模量為 （2）換熱管的排列方式 換熱管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形錯列三種排列方式。各種排列方式都有其各自的特點：①正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；②正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；③正方形錯列：可以提高給熱系數(shù)。 在此，選擇正三角形排列，主要是考慮這種排列在于在相同的管板面積上排列的管子最多。 （3）結(jié)構尺寸參數(shù)及設計數(shù)據(jù) 管子外徑 管子壁厚 管子根數(shù)n=472 管長 管心距 查GB151-1999，在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設置隔板槽和拉桿結(jié)構的需要，而未能被換熱管支撐的面積 (4.1) 其中：—沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)，查[25]《換熱器設計手冊》 表1-2-25 =17 —換熱管中心距 查GB151-1999 表12 —隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 查GB151-1999 管子金屬總截面積 換熱管的有效長度 =4500-238-21.5=4421mm 為管端伸出長度，查GB151-1999 表33 =1.5mm 管子設計溫度下的彈性模量 管子設計溫度下的許用應力=148 MPa 管子設計溫度下的屈服點 查 GB150-1998表F2 =220MPa 管子回轉(zhuǎn)半徑 管子受壓失穩(wěn)當量長度 查GB151-1999 圖32 系數(shù) (4.2) 當，則換熱管穩(wěn)定許用壓力 換熱管穩(wěn)定性合格。 （4）接管法蘭形式與尺寸 根據(jù)接管的公稱直徑，公稱壓力可以查HG20635-97中的表3-1鋼制管法蘭、墊片、緊固件，選擇帶頸對焊鋼制管法蘭，選用凹凸密封面，其具體形式以及尺寸如圖1-11： 圖1-11 殼程法蘭的公稱通徑：100； 對于A系列，鋼管外徑為114.3mm， 對于B系列，鋼管外徑為108mm，符合要求。 管程法蘭的公稱通徑選擇：125； 對于A系列，鋼管外徑為139.7mm， 對于B系列，鋼管外徑為133mm。 其中A系列為國際通用系列，即英制系列，B系列為國內(nèi)通用系列。在本設計中選擇B系列。 1.4.2換熱器管板設計 管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷、熱流體混合，并同時受管程、殼程壓力和溫度的作用。由于流體只具有輕微的腐蝕性，故采用工程上常用的Q345R整體管板。 （1）管板與殼體的連接 由于浮頭式換熱器要求管束能夠方便地從殼體中抽出進行清洗和維修，查GB151-1999，換熱器固定端的管板與殼體的連接采用可拆式連接方式，即把管板利用墊片夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間。其管板與殼體、管箱的連接具體下圖所示。 圖1-12 管板與殼體的連接形式