1、遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙BIU800密封水換熱器設計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，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝氣器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。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。本設計是關于U形管換熱器的設計。U形管式換熱器的優(yōu)點是結構簡單，價格便宜承壓能力強等特點，并適用于高溫、高壓、腐蝕性大的場合。在設計的整個過程中，嚴格按照GB150-2011壓力容器和GB151999管殼式換熱器等標

2、準進行設計和計算以及對換熱器的強度、剛度和穩(wěn)定性的校核。U形管換熱器的主要結構包括管箱、筒體、封頭、換熱管、接管、折流板、防沖板和導流筒、防短路結構、支座及管殼程的其他附件等。U形管換熱器每根管子均彎成U形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側，封頭內(nèi)用隔板分成八室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。關鍵詞：設計，U形管換熱器，結構特點遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙AbstractThermal fluid heat exchanger is the part of the heat transfer fluid to cool the equipment, also kn

3、own as heat exchangers.Heat exchanger is widely used in daily life heating radiator heating, steam turbine plant in the Condenser and space rockets on the oil cooler, are heat exchangers. It is also widely used in chemical, petroleum, power and atomic energy and other industrial sectors. Its main fu

4、nction is to ensure that the required process to the media specific temperature, but also improve the energy efficiency of one of the main equipment.The design is about U-tube heat exchanger which is one structure of shell and U-tube heat exchanger. U-tube heat exchanger has the advantage of simple

5、structure, low cost and pressurized ability and it applies to hightemperature, high -pressure, corrosive occasions.In the whole design process, strictly in accordance with the GB150-2011 ”Steel Pressure Vessels"and GB151-1999 "shell and-tube heat exchanger system, it d esign and calculate

6、with the standard then strength, stiffness and stability of the heat exchanger are checked.U-tube heat exchanger main structure includes control box, cylinder, head, heat transfer tube, pipe, baffle, erosion control board and draft tube, anti-short-circuit structure, bearing and tube shell and other

7、 accessories . U-tube heat exchanger of each tube are bent U-shaped, fluid inlet and outlet were installed on the same side on bothii遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙sides, head in with a partition into two-bedroom and each tube is free to stretch, to solve the thermal compensation.Keywords: Design, U-tube h

8、eat exchanger, Structure characteristicIII遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙目錄1說明部分 11.1 緒論 11.1.1 換熱器的概述 21.1.2 換熱器的分類及應用 21.1.3 U形管換熱器的介紹 71.1.4 U形管換熱器的機械設計步驟 81.2 換熱器結構形式的選擇 91.2.1 封頭 101.2.2 開孔補強設計 111.2.3 法蘭 111.3 設備材料的選擇 121.4 設備之間的連接 131.5 設備的制造 141.6 設備的安裝 151.7 設備的檢測 161.8 設備的密封 172 U形管換熱器的結構設計 192.1

9、 筒體 192.2 開孔與接管 19IV遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙2.3 換熱管 202.4 U 形管 202.5 折流板 212.6 拉桿 212.7 鞍座 222.8 接管 223 U形管換熱器設計計算及強度校核 233.1 筒體、封頭的厚度計算及壓力試驗校核 233.1.1 筒體厚度計算 233.1.2 前端管箱筒體計算 243.1.3 前端管箱封頭計算 253.1.4 后端殼體封頭計算 263.2 水壓試驗校核 273.2.1 筒體及后端筒體封頭的水壓試驗校核 273.2.2 前端管箱及前端管箱封頭的水壓試驗校核 283.2.3 封頭的最小厚度校核 303.3 法

10、蘭和螺栓 303.3.1 墊片的選擇和計算 313.3.2 螺栓的選擇及強度校核 313.3.3 法蘭的選擇 34遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙3.3.4 法蘭的校核及應力計算 343.4 開孔補強計算 383.5 管板及換熱管的選擇計算 413.5.1 換熱管的選擇計算 413.5.2 管板厚度計算 413.5.3 管子的校核 43謝辭47參考文獻48VI遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙1說明部分1.1 緒論化工廠常需在高溫或低溫下對介質(zhì)進行處理，即需要對介質(zhì)進行加熱或冷卻 的單元操作。將實施這個單元操作的設備，即一般的傳熱裝置稱為廣義的換熱器。 U形管換熱

11、器是管殼式換熱器的一種，它是將傳熱管彎成U形，管的兩端固定在同 一個管板上，具優(yōu)點是不產(chǎn)生熱應力，管外壁可以清掃，結構簡單，易于制造。換熱器是以兩種不同溫度的流體進行熱量交換的設備，又稱熱交換器。它即 可是一種單獨的設備，也可是某一工藝設備的組成部分。換熱器在工、農(nóng)業(yè)的各 領域應用十分廣泛，在日常生活中傳熱設備也隨處可見，是不可缺少的工藝設備 之一。換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，是在石油、化工、石油 化工、冶金電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應用的一種工藝設備。隨著節(jié)能技術的 發(fā)展，應用領域不斷擴大，利用換熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經(jīng) 濟效益。目前，在換熱設備中，使用量最大

12、的是管殼式換熱器。進入 20世紀90 年代以來，隨著裝置大型化的發(fā)展要求大型換熱器的使用需求增加。近年來國內(nèi) 在節(jié)能、增效等方面改進換熱器性能，在提高傳熱效率，減少傳熱面積，降低壓 降，提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績。換熱器是化工，石油，動力，食品及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位.在化工生產(chǎn)中換熱器 可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等 ，應用更加廣泛。換熱器種類 很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混 合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應用最多。遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙1.1.1 換熱器的

13、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。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它 們是上述這些行業(yè)的通用設備，占有十分重要的地位。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構改進以及傳熱機理的研究

14、十分活躍，一些新 型高效換熱器相繼問世。1.1.2 換熱器的分類及應用列管式換熱器分類列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼 體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器。優(yōu)點：單位體積設備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選 用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。結構：殼體、管束、管板、折流擋板和封頭。一種流體在管內(nèi)流動，具行程遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。列管式換熱器，按材質(zhì)分為碳鋼列管式換熱器，不

15、銹鋼列管式換熱器和碳鋼 與不銹鋼混合列管式換熱器三種，按形式分為固定管板式、浮頭式、U形管式換熱器，按結構分為單管程、雙管程和多管程，傳熱面積1500mz可根據(jù)用戶需要定制。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一 端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接 管處流出，這稱為殼程。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結構來分，主要有以 下幾種：浮頭式換熱器、固定式換熱器、U形管換熱器、填料函式換熱器等。（1）浮頭式換熱器浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱 管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差

16、應力。圖1浮頭式換熱器新型浮頭式換熱器浮頭端結構，（如圖1）它包括圓筒、外頭蓋側法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側法蘭內(nèi)側面設凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側鉆孔并套絲或焊遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙設多個螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關零部件，浮頭管板密封槽為原凹型 槽并另在同一端面開一個以該管板中心為圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型 凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通；在凹型 和梯型凹槽之間鉆孔并套絲或焊設多個螺桿均布，設浮頭法蘭為凸型和梯型凸臺雙密封，分程隔板與梯型凸臺相通并位于同一端面的寬面法蘭，且

17、凸型和梯型凸臺及分程隔板分別與浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相對 應匹配，該浮頭法蘭與無折邊球面封頭組配焊接為浮頭蓋，其法蘭螺孔與浮 頭管板的絲孔或螺桿相組配，用螺栓或螺帽緊固壓緊浮頭管板凹型和梯型凹 槽及分程凹槽及其墊片，該結構必要時可適當加大浮頭管板的厚度和直徑及 圓筒的內(nèi)徑，同時相應變更加大相關零部件的尺寸；另配置一無外力輔助鋼 圈，其圈體內(nèi)徑大于浮頭管板外徑，鋼圈一端設法蘭與外頭蓋側法蘭內(nèi)側面 凹型或梯型密封面連接并密封，另一端設法蘭或其他結構與浮頭管板原凹型 槽及其墊片或外圓密封。浮頭換熱器的特點：浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間,另一端管板可以在殼 體內(nèi)自由移動，這個特

18、點在現(xiàn)場能看出來。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)易結垢的條件。（2）固定管板式換熱器遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈（或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。如圖2所示，固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等 部件組成。固定管板式換熱器的結構

19、特點是在殼體中設置有管束，管束兩端 用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程 的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設置了若干塊折 流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置 一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管 外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁

20、與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹 不同，產(chǎn)生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞 換熱器。遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙圖2固定管板式換熱器為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50 C以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在 殼壁與管壁溫差低于 6070C和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過 0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就應考慮其他結構。固定管板式換熱器的優(yōu)點是：旁路滲流較??；造價低；無內(nèi)漏。固定管板式換熱器的缺點是：殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程

21、無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報廢，設備壽命較低，不適用于殼程易 結垢場合。遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計(論文)用紙(3)U形管式換熱器圖3 U形管式換熱器如圖3所示，這類換熱器只有一個管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清 洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排 列的管子少。(4)填料函式換熱器：這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。 但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。1.1.3 U形管換熱器的介紹U形管式換熱器是管殼式換熱器的一種，屬石油化工設備，由管箱、殼體及管 束等主要部件組成，因其

22、換熱管成 U形而得名。U形管式換熱器僅有一個管板, 管子兩端均固定于同一管板上。此類換熱器的特點是管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應 力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓 能力強；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結構簡單，造價便宜。但管 內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小， 在管板中心部分布管不緊凄，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙， 使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。止匕外，為了彌補彎管后管壁的減薄，直管 部分需用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大， 或殼程介質(zhì)易結

23、垢而管程介質(zhì)清潔及不易結垢，高溫、高壓、腐蝕性強的情形。遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計(論文)用紙這類換熱器型式與基本參數(shù)已系列化，JB/T4717-92、及中石化浮頭式換熱 器、冷凝器U形管式換熱器系列-型式與參數(shù)(第三版)2006.8 ,設計制造應 遵循GB151-1999管殼式換熱器等標準。1.1.4 U形管換熱器的機械設計步驟A、U形管換熱器的目的設計(a)確定操作目的(b)確定在整個工廠設備中該換熱器的安裝位置和所承擔的任務。B、U形管換熱器的材料設計一般化工設備的材料設計目的是降低材料費、加工費、保全費等幾方面的總 費用。同時還必須考慮耐壓、耐熱、耐腐蝕等方面的因素。G U形

24、管換熱器的工藝設計(1)確定給定條件(2)主要參數(shù)的的確定及說明(3) U形管換熱器結構選擇及論證(a) U形管換熱器整體結構及特點(b)前管箱、殼體及后端蓋結構形式及特點(c)管束分程和分程隔板的布置及特點(d)管子尺寸及排列、數(shù)量、偏差和總傳熱面積的確定(e)折流板、拉桿、定距管等零件的結構及特點(f)管子與管板的連接說明遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計(論文)用紙(g)接管、法蘭、管箱法蘭、外頭蓋法蘭及浮頭法蘭的結構及特點(h)支耳、支座、排氣管、排液管的結構及作用(1) U形管換熱器密封結構形式及密封點的說明D U形管換熱器零部件的強度計算及校核(a)封頭、殼體厚度計算(b)管板強

25、度計算與校核(c)開孔補強計算(d)法蘭強度計算與校核(e)鞍座強度校核1.2 換熱器結構形式的選擇本設計采用管殼式換熱器在換熱器設備中應用最為廣泛的是管殼式換熱器。它具有選材范圍廣，換熱 表面清洗比較方便，適用性較強，處理能力大，能承受高溫和底壓等特點。管殼 式換熱器的結構設計，必須考慮諸多因素，如：材料、壓力、溫度、壁溫差、結 垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等。管殼式換熱器是一種傳統(tǒng)的、應用最廣泛的換熱器設備。由于它結構堅固， 且能選用多種材料制造，故適用性極強，尤其在高溫、高壓和大型裝置中得到普 遍應用。GB151 JB1154 JB1164等國家標準中，比較詳細的規(guī)定了管殼式換熱器 的

26、標準形式、基本參數(shù)、以便各行業(yè)在應用設計中廣泛應用。結構形式和主要特 點：管殼式換熱器主要有三大組合部分組成：前端管箱、中間殼體、后端管箱。遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙管殼式換熱器包括固定管板式、U形管式、浮頭式、填料函式換熱器和釜使重沸器 等。U形管換熱器的特點：只有一塊管板，管束由多根 U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管 子可以自由伸縮。當殼體與換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應力。由于受彎管半徑的限制，具換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板 的利用率較低，殼程流體易發(fā)生短路，對傳熱不利。當管子泄露損壞時，只有管 束外圍的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換

27、，只能堵死，而壞一根U形管相當于兩根管，報廢率較高。U形管式換熱器結構簡單，價格便宜，承受壓力能力強，適用于管、殼壁溫差 大或殼程介質(zhì)易結垢需要清洗，又不適于采用浮頭式和固定管板式的場合。特別 適用于管內(nèi)走清潔而不宜結垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。1.2.1 封頭壓力容器封頭的種類較多，采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求、制造 的難易程度和材料的消耗等情況來決定。對受均勻內(nèi)壓封頭的強度計算，由于封頭和圓筒的連接，所以不僅需要考慮 封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應力，還要考慮與圓筒連接處的不連續(xù)應力。連接處 總應力的大小與封頭的幾何形狀和尺寸，封頭與圓筒厚度的比值大小有關。封頭設計時，一般應優(yōu)先選

28、用封頭標準中推薦的形式與參數(shù)，然后根據(jù)受壓 情況進行強度或穩(wěn)定性計算，確定合適的厚度。10遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙在本設計中，選用標準橢圓形封頭。1.2.2 開孔補強設計開孔補強設計就是指采取適當增加殼體或接管厚度的方法將應力集中系數(shù)減 小到某一允許數(shù)值。目前通用的、也是最早的開孔補強設計準則是基于彈性失效 設計準則的等面積補強法。等面積補強設計方法主要用于補強圈結構的補強計算， 基本原則就是使有效補強的金屬面積等于或大于開孔所削弱的金屬面積。1.2.3 法蘭法蘭材料的選取通常與換熱器殼體材料一致，有時法蘭對強度的要求比較高， 可以選用與殼體不一致的鋼材。通常所用的鋼材

29、有Q235 Q235F 16Mn 15MnV20、1Cr18Ni9Ti 等。因法蘭是主要的受力元件之一，故需有較高的強度。故法蘭材料選用低合金高強度鋼16Mn16Mn鋼是345Mpaa的低合金結構鋼。它具有良好的綜合機械性能、焊接性能、 工藝性能及低溫沖擊性韌性，中溫（4500c ）和低溫（-45oC以上）機械性能均 優(yōu)于Q234-A 12、20等碳鋼，是一種十分成熟的鋼種，質(zhì)量穩(wěn)定。 它有如下特點： （1）高的強度和屈強比。（2）高韌度。（3）良好的焊接性能和冷、熱加工性能。 （4）有一定的抗腐蝕能力。 o鍛造工藝性能及其他性能：始鍛溫度12200c ,終鍛溫度8000c ,鍛后900 C正

30、 火再冷卻，無回火脆性。焊接要求：焊接性尚屬良好，鍛件焊前應預熱100 1500c ,焊后，電弧焊需11遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙600 6500c回火，電渣焊焊后需900 9300c正火，600 6500c回火消除熱應力。焊條：手工焊焊條結 502, 506, 507 。自動焊焊絲用 H10Mn2, H10MnSiA,焊齊I431;電渣焊焊絲用 H08MnMoA431, 360使用溫度：-40°C 4750c 。用途舉例：大、中、小型鍛件，如管板、法蘭，化工工業(yè)小型合成氨廠高壓設備可焊接鍛件，筒體、頂部、底部。A、對法蘭連接的基本要求法蘭連接從結構功能和一般設

31、計準則出發(fā)，應滿足下列基本要求；工作條件下法蘭泄漏量，被控制在允許范圍之內(nèi)；在各種情況中（裝配、開車和操作），能經(jīng)受一定的外載和內(nèi)力，具有足夠的強度，便于多次拆裝而又不致影響其密封性 能；結構簡單，成本低廉，適合大批量生產(chǎn)；對于管法蘭，由于被連接的對象是 標準件（管子、管件和閥門），因此還應該特別突出互換性的要求。B、法蘭的型式換熱器常采用的法蘭結構型式為：平焊法蘭及對焊法蘭。法蘭的密封面型式： 平面、凹凸面、樺槽面。1.3 設備材料的選擇壓力材料費用占總成本的比例很大，一般超過30%勺材料性能對壓力容器運行 的安全性有顯著的影響。選才不當，不僅會增加總成本，而且有可能導致壓力容 器破壞事故。

32、因此，合理選材是壓力容器設計的關鍵之一。壓力容器材料多種多樣，有鋼、有色金屬、非金屬、復合材料等。選擇材料12遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計(論文)用紙應考慮使用條件，焊接性能，制造工藝以及經(jīng)濟合理性符合相應的標準?；ぴO備材料選用的一般規(guī)則：(1)材料的使用性能原則 不同的物件所要求的使用性能是不同的。有的要 求高強度，有的要求耐腐蝕高溫或耐低溫。有的要求高硬度耐磨損。因此，選材 時，首先必須準確的判斷構件所需的使用性能。分析構件的工作條件。構件的受 力情況。構件的工作環(huán)境。構件的特殊要求(如傳熱快、防震、重量輕)等。通 過失效分析，確定構件的主要使用性能。從構件性能要求提出對材料使用

33、性能的 要求。(2)材質(zhì)加工工藝性能原則選材時必須考慮加工性能的好壞，好的加工工藝性能不僅要求工藝簡單，而且容易加工，能源消耗少，材料利用率高，加工質(zhì) 量好。(3)材料經(jīng)濟性能原則 在滿足構件使用性能，加工性能要求的前提下，經(jīng) 濟性能業(yè)師必須考慮的主要因素。一般的機械產(chǎn)品注重“成批”，化工設備強調(diào)“成 套”?？紤]到工藝流程的需要，化工設備設計開始前往往統(tǒng)一規(guī)定，在壓力等級， 溫度，材質(zhì)，防腐等方面提出統(tǒng)一的規(guī)定。1.4 設備之間的連接(1)管子與管板之間的連接管子與管板的固定是管殼式換熱器設計、制造中最主要的問題之一，是換熱 器事故率最多的部位，所以換熱管與管板連接質(zhì)量的好壞，直接影響換熱器的

34、使 用壽命。換熱管與管板的主要連接形式有：強度脹接、強度焊接、脹焊并用結構。13遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計(論文)用紙本設計管子與管板采用的是強度焊接，因為管孔不須開槽，換熱管端部無需 退火，所以制造加工方便。焊接結構強度高，抗拉托力強。強度焊適用的壓力和 溫度一般不限制，但不適用于有震動或間隙、應力腐蝕的場合。(2)管板與殼體的連接管板與殼體的連接型式，分為兩類：一是不可拆式的，如固定管板式換熱器，管板與殼體用焊接連接；一是可拆式的，如U形管式、浮頭式及填料函式和滑動管板式的換熱器，一般采用管板本身不直接與殼體連接，而通過殼體上的法蘭和 管箱法蘭夾持固定?？紤]本設計的換熱器的管束要

35、拆卸進行清洗，使用可拆式管板，選用 a型連 接方式。此連接在制造上較為簡單，裝卸也比較方便，結構省才、質(zhì)量輕，特別 適用于臥式換熱器。此形式是管箱法蘭、殼體法蘭將管板夾持固定。1.5 設備的制造管殼式換熱器是一種傳統(tǒng)的設備，它在工業(yè)上的應用具有悠久的歷史。在長 期的使用中其結構形式得到不斷的改進而基本定型。(1)筒體換熱器筒體的橢圓度要求較高，因需保證殼體與折流板之間有合適的間隙。如太大就會影響到換熱效果，太小就要增加裝配的困難。因此，殼體在下料和輾 壓過程中必須大小謹慎，下料正確。(2)封頭和管箱封頭和管箱的厚度一般不小于殼體的最小厚度，且接管管孔往往采用整體加14遼寧石油化工大學順華能源學

36、院畢業(yè)設計(論文)用紙強而不用加強板。管程如為腐蝕性介質(zhì)，則管箱及封頭可采用復合板或耐腐蝕合 金板襯里，在法蘭內(nèi)壁及端面可采用對焊。在換熱器制造過程中，管子的加工、管板的加工、管板的制造、管子與管板 的連接為換熱器的特有部分，是換熱器制造過程中最重要的一環(huán)。(3)管子直管一律采用整根管子而不允許有接縫，U形管可以拼接，其對焊焊接接頭應 符合要求且檢查合格。1.6 設備的安裝換熱器的安裝基礎必須足以使換熱器不發(fā)生下沉，或使管道把過大變形傳到 換熱器的接管上?；A一般分為兩種：一種為磚砌的鞍形基礎，換熱器上沒有鞍 式支座而直接放在鞍形基礎上，換熱器與基礎不加固定，可以隨著熱膨脹的需要 自由移動。另

37、一種為混凝土基礎，換熱器通過鞍式支座由地腳螺栓將其與基礎牢 周地連接起來。安裝換熱器之前應嚴格地進行基礎質(zhì)量的檢查和驗收工作。主要項目如下： 基礎表面狀況；基礎標高、平面位置、形狀和主要尺寸以及預留孔是否符合設計 要求；地腳螺栓的位置是否正確；螺紋情況是否良好；螺帽和墊圈是否齊全；放 置墊鐵的基礎表面是否平整等?；A驗收完畢后，在安裝換熱器之前應在基礎上放置墊鐵，放置墊鐵處的基 礎表面必須鏟平，使兩者能很好的接觸。墊鐵厚度可以調(diào)整，使換熱器達到設計 的水平和標高。墊鐵放置后可增加換熱器在基礎上的穩(wěn)定性，并將其重量通過墊15遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙鐵均勻地傳遞到基礎上。墊

38、鐵可分為平墊鐵、斜墊鐵和開口墊鐵。其中斜墊鐵必 須成對使用。地腳螺栓兩側均應有墊鐵，墊鐵的安裝不應妨礙換熱器的熱膨脹。換熱器就位后需用水平儀對換熱器找平，這樣可使各接管都能在不受理的情 況下連接管道。找平后，斜墊鐵可與支座焊牢，但不得與下面的平焊板和滑板焊 死。當兩以上重疊式換熱器安裝時，應在下部換熱器找正完畢，并用地腳螺栓充 分固定后，再安裝上部換熱器?？沙楣苁鴵Q熱器安裝前應抽芯檢查、清掃，抽束 應注意保護密封盒折流板。移動和起吊管束時應將管束放置在專用的支承結構上， 以免損傷換熱器。根據(jù)換熱器的結構形式，應在換熱器的兩端留有足夠的空間來滿足操作、清 洗、維修的需要。浮頭式換熱器的固定端蓋應

39、留出足夠的空間以便能從殼體內(nèi)抽 出管束，外頭端蓋必須留出一米以上的位置以便拆裝外頭蓋和浮頭蓋。固定管板 式換熱器的兩端應留出足夠的空間能抽出和更換管子。并且，用機械法清洗管內(nèi) 時，兩端都可以對管子進行刷洗操作。U形管束，也可在其相對的一端留出足夠的 空間以便拆卸殼體。1.7 設備的檢測換熱器不得在超過銘牌規(guī)定的條件下進行。應經(jīng)常對管、殼程的介質(zhì)溫度及 壓降進行監(jiān)督，分析換熱器的泄漏和結垢情況。管殼式換熱器就是利用管子使其 內(nèi)外的物料進行熱交換、冷卻、冷凝、加熱及蒸發(fā)等過程。與其他設備相比較， 其與腐蝕介質(zhì)的接觸面積就顯非常大，發(fā)生腐蝕穿孔及接合處松弛泄漏的危險性 很高。因此，對換熱器的放腐蝕和

40、防漏的方法也比其他設備要多加考慮。16遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙水壓試驗：管殼式換熱器由于其殼程和管程壓力不同，因而試驗時具有不同于一般容器 的特殊性。試壓時，應在管子外側加壓力，這樣在管板面處很容易發(fā)現(xiàn)管子泄漏 處。如管子內(nèi)部加壓力，管板面封在換熱器內(nèi)部。因而如有泄漏，雖然也能發(fā)現(xiàn)， 但卻很難找到泄漏的具體位置。當管子在外側加壓力時，需注意不能大于殼體能 承受的壓力，即水壓時扣除附加量后，殼體材料在試驗溫度下的平均一次應力小 于90%勺材料屈服極限。在殼程壓力低于管程壓力時的殼體設計須考慮次因素，但由于僅處于水壓試驗的需要，故不可扣除腐裕度，也有采用先在殼程以相應壓力

41、的試驗壓力進行水壓試驗。1.8 設備的密封流體在密封孔有泄漏有兩條途徑，一是“滲透泄漏”，即通過墊片本體毛細管 的滲透泄漏，除了受介質(zhì)壓力、溫度、粘度、分子結構等流體狀態(tài)性質(zhì)影響外， 主要與墊片的結構和材料性質(zhì)有關，可通過對滲透性墊片材料添加某些填充劑進 行改良，或與不滲透性材料組合成型來避免；二是“界面泄漏”，即沿著墊片與壓 緊面之間的泄漏，泄漏量大小主要與界面間隙尺寸有關。根據(jù)獲得密封比壓力方法的不同，壓力容器密封可分為強制式密封和自緊式 密封兩種。按被密封介質(zhì)的壓力大小，壓力容器密封又可分為中低壓密封和高壓 密封。硬影響密封性能的主要參數(shù)：螺栓預緊力、墊片性能、壓緊面質(zhì)量、法蘭剛 度、操

42、作條件。高壓密封特點：一般采用金屬密封元件、采用窄面或線接觸密封、17遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙盡可能采用自緊或半自緊密封18遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙2U形管換熱器的結構設計2.1 筒體常見的筒體材料有20R 16MnR Q235B Q345RQ345R是屈服強度340Mpsa的壓力容器專用鋼板，它具有良好的綜合力學性能和工藝性能，磷、硫含量比較低，除抗拉強度延伸率要求要比普通16Mnffi有所提高外，還要求保證沖擊韌性。根據(jù)GB150-2011和GB151-1999的規(guī)定，圓筒直徑大于400mm所以圓筒不用 鋼管制造，選用鋼板彎卷成型。Q345F

43、M有良好的綜合力學性能和工藝性能，且具 有成熟的使用經(jīng)驗。主要性能如下：切削加工冷沖壓性能良好，加工溫度較寬。熱沖壓加熱溫度10000c11000c ,終壓溫度7500c8500c ,熱沖壓后一般不需熱處理。焊接性能良好，焊前一般不預熱，只有當擋板厚度大于38mm時須預熱1000c150°C。焊接后當擋板厚度大于 32mmM電弧火1焊后6000c6500c回火， 電渣焊焊后9000c9300c正火再以6000c6500c回火以消除殘余應力。綜上所 述，筒體材料選Q345R.2.2 開孔與接管由于工藝要求和檢修的需要，常在壓力容器的筒體或封頭上開設各種大小的 孔或安裝接管，如人孔、物料

44、進出口接管等。筒體或封頭開孔后，開孔部位的強度被削弱，并使該處的應力增大。這種削弱 程度隨開孔直徑的增大而加大，因而容器上應盡量減少開孔的數(shù)量，尤其要避免 開大孔。對容器上已開設的孔，還應進行開孔補強設計，以確保所需的強度。19遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計(論文)用紙本設計中的接管，均選用無縫鋼管。2.3 換熱管換熱管屬于壓力管道，壓力管道對材料性能有以下要求：1)足夠的強度，良好的塑性和韌性；2)良好的冷加工成型性能；3)與條件環(huán)境相協(xié)調(diào)，有適當?shù)?耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性等。換熱器常用的材料：10鋼、20鋼。在本設計中，選用20鋼。20鋼為含碳量較低的優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼，具有適當?shù)膹姸?/p>

45、、良好的塑性和焊接 性能。它的拉伸強度和屈服強度較低，強度也較低，但塑性和韌性很好，再冷狀 態(tài)下，有良好的塑性，容易模壓成型。它的切削性能優(yōu)異，無回火脆性傾向，焊 接性能很好，可用來彎曲、鍛粗、熱沖、冷沖或拉絲等方法制造各種零件。為提 高表面強度可進行滲碳和氟化處理。用這種鋼軋制的無縫鋼管可用于壓力容器和 鍋爐中。2.4 U形管常用換熱器一般用下列標準選用：(1)GB/T1527銅及銅合金拉制管，(2)GB/T3625換熱器及冷凝器用鐵及鐵合金管，(3)GB/T6893工業(yè)用鋁及鋁合金拉(軋)制管l )(4)GB/T8163(輸送流體用無縫鋼管)；(5)GB/T8890熱交換器用銅合金管；(6

46、)GB9948石 第化用無縫鋼管；20遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙（7）GB13296（鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管；（8）GB/T14976流體輸送用不銹鋼無縫鋼管在本設計中，根據(jù)以上標準選用奧氏體不銹鋼焊接鋼管可用作換熱管，適用于：（1）不得用于極度危害介質(zhì)的工況。（2）設計壓力不大于6.4Mpa。（3）使用 溫度與相應鋼號的無縫管相同。當有成熟使用經(jīng)驗時，也可選用其他牌號或其他材料的換熱管。2.5 折流板折流板及旁路擋板材料選用Q235B折流板的結構設計，要根據(jù)工藝設計及要求來確定，它主要為了增加管間流 速，增加湍動程度，并使殼程流體垂直沖刷管束改善傳熱增大殼程流體

47、的傳熱系 數(shù)以提高傳熱效果，同時減少結垢。在臥式換熱器中，還可以起到支撐管束的作 用。常用的折流板形式有弓形和圓盤環(huán)形兩種。其中弓形折流板有單弓形、雙弓 形和三弓形的折流板，現(xiàn)在根據(jù)需要初步選定單弓形，豎直缺口。2.6 拉桿拉桿要求有足夠的強度和良好的焊接性，選擇 Q235B可滿足要求。定距管則選用20鋼。拉桿常用形式有兩種：一種為拉桿和折流板焊接形式，一般用于換熱管的外 徑小于或等于14mm勺管束；另一種拉桿定距管的形式，用于換熱管的外徑大于或 等于18mm勺管束。本設計換熱管的外徑為19mm所以采用拉桿定距管的結構形式。21遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計(論文)用紙拉桿的一端用螺紋擰

48、入管板，中間用定距管將折流板固定，最后一塊折流板(或 支持板)用兩螺母鎖緊固定。2.7 鞍座鞍座是換熱器受載元件之一，要求有足夠的強度和良好的焊接性能。故取低 合金強度鋼16MnR£碳素2構鋼Q235-B都能滿足要求。2.8 接管接管的結構設計應符合GB 150-2011第8章和附錄J的有關規(guī)定。接管(或接口)的一般要求(a)接管宜與殼體內(nèi)表面平齊；(b)接管應盡量沿換熱器的徑向或軸向設置；(c)設計溫度高于或等于300c時，應采用對焊法蘭；(d)必要時應設置溫度計接口，壓力表接口及液面計接口；(e)對于不能利用接管(或接口)進行放氣和排液的換熱器，應在管程和 殼程 的最高點設置放氣

49、口，最低點設置排液口，其最小公稱直徑為20mm ;(f) 立式換熱器可設置溢流口。22遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙3U形管換熱器設計計算及強度校核設計參數(shù):田殼程設計溫度1600c60oC設計壓力9Mpa0.6Mpa介 質(zhì)密、封水循環(huán)冷卻水程 數(shù)81內(nèi) 徑Di = 800mm3.1 筒體、封頭的厚度計算及壓力試驗校核3.1.1 筒體厚度計算根據(jù)操作介質(zhì)、設計壓力、設計溫度選取筒體材料為Q345R設計壓力pc =0.6Mpa、設計溫度T =60oC、內(nèi)徑Di =800mm、鋼板負偏差C1 = 0.3mm、腐蝕裕量C2=3.0mm、設計溫度下的許用應力 kt=189Mpa、焊接

50、系數(shù)4=0.85計算厚度：二22 LPc23遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙=0.6 X8002X189 X0.85 0.6=1.50mm設計厚度：'d 二二 C2=1.50 3.0=4.5mm名義厚度：I = 'P，G 二=4.5 0.3 .：=12mm有效厚度：-e ='：n -C2 -C1 =12-3-0.3=8.7 mm3.1.2前端管箱筒體計算設計壓力 R=9Mpa、設計溫度T =160°C、內(nèi)徑Di = 800mm鋼板負偏差C1 = 0.3mm、腐蝕裕量 C2 = 3.0mm、焊接系數(shù)1 =1 ,設計溫度下的許用應力卜 t =180

51、.4Mpa。計算厚度：, PcDi2 !二卜 - Pc=9X8002X180.4X19=20.47mm設計厚度：24遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙'd 二二 C2=20,47 3.0=23.47mm名義厚度：,n ='：d，Ci =23,47 0.3 .：=28mm有效厚度：'e = n -C2 -Ci=28 -3-0.3=24.7mm3.1.3前端管箱封頭計算設計壓力FC =9Mpa、設計溫度T =160oC、材料 Q345R內(nèi)徑Dj =800mm、 鋼板負偏差Ci =0.3mm、腐蝕裕量C2 =3,0mm、焊接系數(shù)* =1 ,設計溫度下的許 用應力

52、 k t =180.4Mpa。選用標準橢圓形封頭，則形狀系數(shù) K=10此時，D/2hi =2 ,則曲面高度 h = 200mm。計算厚度：卜卬 2t t -0.5FC _1 9 8002 180.4 1 -0.5 9 =20.21mm設計厚度：25遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計（論文）用紙=20,21 3.0=23.21mm名義厚度：n = ' P . G .=26 mm有效厚度：,e = 1 -C=22.7mm3.1.4后端殼體封頭計算材料為Q345R設計壓力Pc =0.6Mpa、設計溫度T =60°C、內(nèi)徑Di = 800mm、 鋼板負偏差C1 =0,3mm、腐蝕裕

53、量C2 =3,0mm、焊接系數(shù)1 =1 ,設計溫度下的許 用應力 k J =189Mpa。選用標準橢圓形封頭，則形狀系數(shù)K=10此時，D/2hi =2 ,則曲面高度h = 200mm。計算厚度：、.kPcDi_2 t J -0.5Pc_1 X0.6X8002 M89 M -0.5X0.6 = 1.27mm設計厚度：% =C2=1.27 3.0=4.27mm26遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計(論文)用紙名義厚度：n -GY=12mm有效厚度：,e = 1 -C=8.7 mm3.2水壓試驗校核3.2.1 筒體及后端筒體封頭的水壓試驗校核操作溫度下的許用應力 %】=189Mpa,設計壓力Pc=

54、0.6Mpa ,設計溫度下的 許用應力卜】=189Mpa,內(nèi)徑Di=800mm,焊接系數(shù)巾=1,常溫下的屈服極限， 筒體的有效厚度&m.7mm。(1)試驗壓力值PtLPt =1.25P1.25 0.61891890.75 Mpa壓力試驗前圓筒的薄膜應力二TPt Di e2、；e。75 800 8.72 8.734.86 Mpa27遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計(論文)用紙因為 C-T ：二 0.9 二s =0.9 1 340 =306Mpa所以，該設計選材合格(2)壓力及應力計算圓筒的最大允許工作壓力PW12、J 1D 、e2 189 8.7 1一 800 8.7=4.07Mpa

55、因為 Pw 1 Pc =0.6Mpa所以，滿足條件。(3)設計溫度下圓筒的計算應力a1_1桂Di飛=2、：e=0.6父(800 8.7)2 8.7=27.89 Mpa因為二1 ：二！二 1 =189 1 =189Mpa所以，滿足強度校核條件。3.2.2前端管箱及前端管箱封頭的水壓試驗校核設計壓力FC =9Mpa、設計溫度T =160oC、內(nèi)徑D =800mm、焊接系數(shù)1=1、有效厚度露=22.7mm、操作溫度下的許用應力 卜】=189Mpa、設計溫度下的許用28遼寧石油化工大學順華能源學院畢業(yè)設計(論文)用紙應力k】=187.8Mpa、常溫下的屈服極限(1) 試驗壓力值PttPt =-25P與189I .25 9 -187.8-11.32Mpa壓力試驗前圓筒的薄膜應力ChPtU 、e2、：eII .32 800 22.7一 2 22.7= 205.1Mpa因為；：T 二0.9 二s =0.9 1 340-306Mpa所