F220浮頭式柴油冷卻器設計摘 要換熱器是一種十分重要的節(jié)能設備，廣泛應用于石油、化工、動力、冶金等各個領域，在國民經(jīng)濟生產(chǎn)中占據(jù)著特別重要的位置，尤其是在世界能源危機爆發(fā)后，換熱器在緩解能源緊缺的應用中顯得尤為重要，國內外各研究機構、高等院校對換熱器的研究一直非常重視。此說明書是關于F220浮頭式換熱器的設計，主要為換熱器的工藝計算、換熱器的結構以及強度的設計。此次設計的主要過程分兩個部分，一是工藝計算部分，主要是由給定的參數(shù)來估算換熱面積，進行換熱器的選型、校核傳熱系數(shù)、計算出實際的換熱面積，最后進行壓力降和壁溫的計算；另一部分是關于結構以及強度的設計，主要是由已經(jīng)選定的換熱器型式進行設備內各部件的設計，包括：材料的選擇、具體尺寸的確定、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。關鍵詞：管殼式換熱器；浮頭式換熱器；結構設計；強度 ABSTRACTThe design specification is for the design of heat exchanger floating head F220, is mainly for the design of structure and strength process calculation of heat exchanger, heat exchanger. The design process is divided into two parts, one part is the main part of the process calculation, according to the given design parameters to estimate the heat exchanger area, for the selection of heat exchanger, check heat transfer coefficient, calculate the actual heat transfer area, the pressure drop and wall temperature calculation; design of structure and strength the other part, is mainly based on the type of heat exchanger has selected components within the device (such as a pipe, a baffle plate and spacer tube, circle hook tube boxes) design, including: the choice of materials, identify specific size, determine the specific position, the thickness calculation of tube sheet, floating head cover and floating head flange thickness, opening reinforcement calculation etc.Key words: Shell and tube heat exchanger; heat exchangers; The structure design; The intensity目 錄摘要1Abstract21 緒論51.1換熱器介紹51.2換熱器分類51.3浮頭式換熱器的構造原理和特點91.4浮頭式換熱器的優(yōu)缺點92 工藝計算102.1設計參數(shù)102.2核算換熱器傳熱面積102.3壓力降的計算142.4 換熱器壁溫計算173 換熱器結構設計與強度計算193.1殼體與管箱厚度的確定193.2開孔補強計算203.3換熱管253.4管板設計273.5折流板323.6拉桿與定距管333.7防沖板343.8保溫層353.9法蘭與墊片353.10鉤圈式浮頭373.11分程隔板433.12鞍座433.13接管的最小位置454 換熱器的腐蝕、制造與檢驗464.1換熱器的腐蝕464.2換熱器的制造與檢驗46結論51參考文獻52致謝53641緒論1.1換熱器介紹換熱器是化學，石油，制藥和能源工業(yè)應用的單位設備。如今,熱交換器的應用在現(xiàn)代化工行中越來越多，在煉油廠中換熱器占了大約占了總工藝設備的百分之40。上世紀60年代發(fā)生的全世界能源危機,有力地加快了傳熱技術的發(fā)展。為了節(jié)約能源,提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益,需要為不同的工業(yè)過程開發(fā)高效的能源交換設備。在國內外，已經(jīng)研發(fā)了一系列新的換熱器，各種新型換熱器的優(yōu)點，例如緊湊、低操作成本等，已被人們所認可。1.2換熱器分類 在工業(yè)生產(chǎn)中，由于不同的用途、工作條件和材料特性，開發(fā)了各種形式以及結構的換熱器。1.2.1換熱器的種類及特性熱交換器可根據(jù)傳熱方法分為三種：（1）直接接觸式換熱器也被稱為混合熱交換器，它是熱量與混合冷熱流體的直接接觸交換。這種熱交換器既簡單又便宜，通常被制成塔狀，但僅限于允許兩種流體混合的過程。（2）蓄熱式換熱器在熱交換器中，傳熱是由蓄熱體完成的，如格子磚或填料。由于兩種流體轉換的輸入，不可避免地會有少量的流體與流體相互交錯，造成“污染”。蓄熱式換熱器結構緊湊、價錢便宜，傳熱面較大，適用于氣體換熱場合。（3）間壁式換熱器這是行業(yè)中使用最廣泛的熱交換器。冷、熱的流體由一堵間壁隔開，熱量通過間壁傳遞。它按熱傳遞表面的形狀和結構分為：管式換熱器：如套管式、螺旋管式、管殼式等；擴展表面式換熱器：如板翅式、管翅式等。板面式換熱器：如板式、螺旋板式、板殼式等；1.2.2管殼式換熱器的分類及特點由于此次設計題目是浮頭式換熱器的設計，而浮頭式屬于管殼式換熱器，故重點介紹管殼式換熱器的主要類型。管殼式換熱器是當前用十分廣泛的換熱器，主要由殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件組成，結構的細節(jié)如圖1所示。殼體大多是圓筒形，管子的兩端固定在管板上，管子中軸與殼軸是平行的。進行換熱的流體，在管內流動的被稱為管程流體；在管外流動的被稱為殼程流體。為了提高殼程殼體的速度，提高熱傳遞的速度，在殼中安裝了折流板。流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次就稱為一個殼程。為了提高管子里的流體速度，在盒子的兩邊設置擋板，將所有的管子分成幾個組。這樣就使得流體要在管束中多次往返，這稱為多管程；同樣的為提高管外流速，可以在外殼中安裝縱向屏障，迫使流體多次穿過殼體，這稱為多殼程。這種換熱器的結構簡單,成本不高,可以選擇各種各樣的結構材料,管清洗方便,容量大,高溫高壓條件也可以應用,但傳熱效率的結構,緊湊,單位傳熱表面損失的金屬量還有待改進。如果兩種流體的溫度差別很大，熱應力就會在熱交換器中產(chǎn)生，從而使管道彎曲、斷裂或從管子中脫出,所以要采取適當?shù)难a償措施,消除或減少熱應力。根據(jù)補償措施的不同，管殼式換熱器一般可以分為如下幾種類型：圖1 單殼程單管程換熱器（1）固定管板換熱器:其結構如圖2所示。由于不存在彎管部分，如果管道泄漏或損壞,也便于觀察壁管或管的變化,但不可以在管道的外表面使用機械清洗,不適合處理腐蝕性介質。（2）浮頭式換熱器：其結構如圖3所示。管子一端鎖定在固定的管板上，螺栓固定在固定的管板上。管另一端鎖定在了浮動管板上,形成在殼內可以自由移動的浮頭。浮動頭部分的浮動頭端蓋是可拆卸連接,所以可以很容易地拿出來，因此既可以執(zhí)行管外清洗,也能進行管內清洗，同時還便于維護。圖2固定管板式換熱器圖3浮頭式換熱器（3）U型管式換熱器：其結構可參見圖4。因為管子與外殼是分離的，當受熱膨脹時，溫差就會被消除。它的結構很簡單,便宜,管束可抽出,所以管外清洗十分的方便,但管內清潔是困難的,因此最好讓不容易板結的材料通過管內。由于彎管側壁的彎曲很薄，并且中心部分空隙較大，所以U管換熱器的承載能力較差，且傳熱能力差。圖4 U型管式換熱器（4）雙重管式換熱器：其結構可以參看圖5。管程流體從管箱進口流入,通過插管進入外套管的底部,流過插管與套管之間,然后從出管口流出。它的特點是內管和外罩之間沒有約束，因此，它適用于兩種溫差較大流體的傳熱。但是管流的阻力更大，設備也更貴。（5）填料函式換熱器：圖6為填料函式換熱器的結構。在拆卸管箱和填料壓蓋后，可以將管束從套管中抽出，以方便清洗管道。與浮動式熱交換器具有同樣的優(yōu)點。圖5雙重管式換熱器圖6填料函式換熱器1.3浮頭式換熱器的構造原理和特點浮頭換熱器兩端的管板，沒有連接殼體的一端被稱作浮頭。當管道中被加熱后，管束以及浮頭可以沿著軸自由伸縮，這樣可以消除大部分溫差應力。殼和管束可以自由地進行熱膨脹，所以當兩種介質的溫差更大時，管和殼之間就沒有溫差應力。浮動頭的設計是可卸的，便于插入或提取管道，使得維修和清洗更加方便。1.4浮頭式換熱器的優(yōu)缺點1.4.1優(yōu)點 管可以被抽出來便于清洗管道和套管； 介質間溫差不受限制； 可在高溫下工作，一般溫度小于等于450度； 可用于結垢比較嚴重的場合； 可用于管程易腐蝕場合。1.4.2缺點 小浮頭易發(fā)生內漏； 金屬材料消耗量比較大； 結構復雜。2 工藝計算2.1設計參數(shù)擬設計一單殼程雙管程浮頭式換熱器，用于柴油冷卻。給定設計參數(shù)如下：管程介質：柴油 殼程介質：原油管程設計壓力：1.45MPa 殼程設計壓力：1.20MPa管程設計溫度：260 殼程設計溫度：130 腐蝕余量：自定 換熱面積：220m2 2.2核算換熱器傳熱面積2.2.1流動空間的確定為了減少熱應力，選擇讓被冷卻的流體通過殼程，而傳熱系數(shù)大的流體通過管程，這樣便能最大程度的降低管壁的溫差。2.2.2初算換熱器傳熱面積（1）傳熱計算（熱負荷計算）熱負荷： (1)式中：分別為冷流體以及熱流體的質量和流量，單位為kg/s；冷熱流體的定壓比熱，單位J/(kgk)；分別為冷流體的進口和出口溫度，單位為k；分別為熱流體的進口和出口溫度，單位為k。在理論中，=，但由于實際上的熱量損失，所以熱負荷一般應該取max（，）。 ；故。（2）有效平均溫差的計算 因為 ，故采用對數(shù)平均溫度差，則 ; (2)（3）按經(jīng)驗值初選總傳熱系數(shù)查表選得=180W/（）；（4）初算出所需的傳熱面積 ； (3)考慮到熱傳遞計算的精確程度和其他的不可預測的因素，選擇的熱交換器應該留有裕度10%-25%，故有，數(shù)據(jù)符合參數(shù)的要求，通過結論查看選型手冊，可供選則的換熱器為：，為了達到設計所要求的換熱面積，要同時使用三臺一樣類型的換熱器進行串聯(lián)。2.2.3總傳熱系數(shù)K的校驗管殼式換熱器的面積是以傳熱管外表面為基準，使用算式計算總傳熱系數(shù)時也必須以管外表面積為基準，因此得出總的傳熱系數(shù)K的計算公式為： (4)式中：K總傳熱系數(shù)，W/（K）； 、管程傳熱膜系數(shù)以及殼程流體傳熱膜系數(shù)，W/（K）； 、管程的污垢熱阻和殼程的污垢熱阻，K/w； 、傳熱管內徑、外徑和平均直徑，m； 傳熱管壁材料導熱系數(shù)，單位W/（K）； 傳熱管壁厚，單位m。（1）管程流體傳熱膜系數(shù)其計算過程如下：；可知流體處于過渡流狀態(tài)；在管內流動的流體是過渡流的時候和對流傳熱系數(shù)一般按湍流的公式計算,最后計算結果再乘以修正系數(shù)，從而得到過渡流對流傳熱膜系數(shù)。先計算校正系數(shù)：；而湍流情況下的計算如下：由于，所以原油是高黏度的流體，應該使用Sieder-Tate關聯(lián)式進行計算：液體被加熱時，取，而液體被冷卻時，取，被加熱的是管程流體原油，所以 W/（K）；故管內流體傳熱膜系數(shù)為：W/（K）；（2）殼程流體傳熱膜系數(shù)：其計算過程如下：由于換熱器內要安裝折流板，由GB151-1999可得，折流板最小的間距不得小于圓筒內直徑的1/5，而且最小不小于，因此由換熱器折流板間距的系列標準，可取折流板的間距。由GB150-1999確定殼體的內徑為。管間的流速是由流體流過管間時最大截面積計算： (5)其中：管外徑，為25， 是換熱管的中心距，查GB151-1999得。；當換熱管為方形排列時，為同時：；故可用Kern法求，即： ；，已算出，查鋼管壁熱導率，則故，合適。2.2.4校核平均溫差與平均溫差相關的參數(shù)如下所計算： (6)(7) 根據(jù)R、P值，查溫度校正系數(shù)圖可以知道溫度校正系數(shù)為，所以有效平均溫度差是： 。 (8)2.2.5 校核換熱面積：實際傳熱面積： ； (9)校核： ； (10)為了確保換熱器的可靠性，一般要使換熱器的面積裕度為15%-25%，由計算可得所選換熱器的面積已經(jīng)滿足要求。2.3壓力降的計算流體通過換熱器而引起的壓力降，可通過計算管程壓力降以及殼程壓力降來分別得出。2.3.1管程壓力降管程壓力降一共由三部分組成，可通過下列公式進行計算得出： (11)其中：為流體通過直管時由摩擦阻力所產(chǎn)生的壓力降，Pa； 為流體通過回彎管中由摩擦阻力所產(chǎn)生的壓力降，Pa； 為流體通過管箱進出口所產(chǎn)生的壓力降，Pa； 對的管子，取為1.4；對的管子，取為1.5； 管程數(shù)； 串聯(lián)的殼程數(shù)。其中，、的計算式如下： (12) (13) ； (14)式中：管內流速，；管內徑，；管長，；摩擦系數(shù)，無量綱，可由下列公式獲得；管內流體密度，。因為，在范圍內，因此可使用以下公式求得： (15)所以 Mpa； Mpa； Mpa；經(jīng)查，每臺換熱器最佳的壓力降為Pa，因此可得上述壓力降滿足了要求。2.3.2殼程的壓力降管外流體為錯流和平行流的耦合，即使管束是直管，流動也會變得復雜化。并且流體在沖刷換熱管時產(chǎn)生的旋渦，同時使流動變得更加復雜。因為流動的復雜性，要想準確地分析出影響這種復雜流動的不同因素，并準確地計算出壓力降是十分的困難。下面通過埃索法來計算： (15)式中：流體流過管束時產(chǎn)生的的壓力降，單位Pa； 流體流過折流板缺口時產(chǎn)生的的壓力降，單位Pa； 殼程壓力降結垢修正系數(shù)。其中： (16) ； (17)管子排列方法對壓力降的修正系數(shù)； 殼程摩擦系數(shù)，當時，取； 通過管束中心線的管子數(shù)； 通過殼程流通截面計算出來的流速，； 折流板的數(shù)量。其中：；因此；，取整為19。則有： Pa， Pa；所以這時的壓力降處于合理范圍。2.4 換熱器壁溫計算2.4.1換熱管壁溫計算符號說明：總傳熱系數(shù)， W/（m）； 污垢熱阻，單位/w； 分別為熱流體以及冷流體的平均溫度，單位； 分別為熱流體的進口和出口溫度，單位； 分別為冷流體的進口溫度和出口溫度，單位； 為流體的有效平均溫差，單位；傳熱系數(shù)，由熱交換器的表面面積計算，單位 W/（m）。熱流體側的壁溫： ；冷流體側的壁溫： ；所以。2.4.2圓筒壁溫的計算由于圓筒外面有很好的絕緣層，所以外殼的壁溫的平均溫度是：。3 換熱器結構設計與強度計算3.1殼體與管箱厚度的確定根據(jù)給定的數(shù)據(jù)流體設計溫度為130；設計壓力為1.2Mpa。3.1.1殼體和管箱材料的選擇因為換熱器屬于常規(guī)的容器設計,所以綜合成本,使用條件等的考慮,選擇16 MNR為殼體材料。16MNR是低碳低合金鋼，具有良好的制造工藝性能，而且使用低碳合金鋼可以減少容器的重量，減輕厚度，節(jié)省材料。3.1.2圓筒殼體厚度的計算焊接方式：使用雙面焊對接接頭，并用100%無損探傷，所以其焊接系數(shù)；查GB6654壓力容器用鋼板以及GB3531低溫壓力容器用低合金鋼板可知道16MnR鋼板的。假定材料的許用應力Mpa（厚度是616mm時），殼體的計算厚度通過下列公式計算為：； (18)設計厚度；名義厚度（其中的為向上圓整量）；查得Min厚度為8mm，這時厚度已經(jīng)滿足要求，且通過復查，沒有變化，所以是合適的。3.1.3管箱厚度計算管箱是兩部分組成：封頭與短節(jié)；而且因為前端管箱和后端管箱的形式不一樣，所以這時把前端管箱的厚度與后端管箱的厚度計算分開。（1）前端管箱厚度計算前端管箱是一個橢圓形的管箱，這是因為其上的應力分布是比較均勻的，而且深度比半球形封頭要小很多，便于沖壓。這時使用標準橢圓形封頭，所以，得到封頭的計算厚度是：； (19)設計厚度；名義厚度（為向上圓整量）；經(jīng)檢查，沒有變化，故合適查JB/T47462002鋼制壓力容器用封頭可知道封頭的型號參數(shù)如下：DN(mm)總深度H(mm)內表面積A()容積(m3)封頭質量（）6001750.43740.035334.6短節(jié)部分的厚度為10mm。（2）后端管箱厚度計算浮頭式換熱器的后端管箱為浮頭管箱。浮頭管箱的內直徑是700mm，這個數(shù)據(jù)能在“浮頭蓋計算”的部分看到。標準橢圓形封頭，計算厚度是： ； (20)設計厚度；名義厚度（為向上圓整量）；經(jīng)檢查，沒有變化，故合適。查JB/T47462002鋼制壓力容器用封頭可知道封頭的型號參數(shù)如下：表2 DN700標準橢圓形封頭參數(shù)DN(mm)總深度H(mm)內表面積A()容積(m3)封頭質量（）7002000.58610.054541.33.2開孔補強計算在這臺浮頭式換熱器中，殼程流體的進出管口在殼體上，而后端管箱上有排氣口和排污口，所以要在換熱器上開孔。開孔之后，在接管與殼體的連接處因為結構的連接性被損壞，使換熱器存在安全隱患。所以這時要進行開孔補強的計算。殼程和管程出入口公稱直徑都是150mm，選擇管的規(guī)格是，接管材質選定為20號鋼。3.2.1殼體上開孔補強計算（1）補強及補強方法判別：根據(jù)表GB150，不另行補強的最大接管外徑是，本設計開孔外徑是159mm，所以需要考慮它的補強。開孔直徑 ，滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，所以適用等面積法來計算開孔補強。（2）開孔所需補強面積計算：強度削弱系數(shù)f=86125=0.688 接管有效厚度；開孔所需補強面積計算： (21)（3）有效補強范圍有效寬度B：有效高度：（a）外側有效高度為：；（b）內側有效高度為：；（4）有效補強面積殼體多余金屬面積： 殼體有效厚度：則多余的金屬面積為：接管多余金屬面積：接管計算厚度： (22)接管多余金屬面積：接管區(qū)的焊縫面積：；有效補強面積：；（5）另需補強面積；擬采用補強圈補強由接管公稱直徑DN150來確定補強圈外徑，內徑。因為，所以補強圈處于有效補強范圍。補強圈的厚度為： ； (23)3.2.2前端管箱開孔補強計算（1）補強及補強方法判別：補強判別：不另行補強的最大接管外徑是，本開孔外徑為159mm，另行考慮其補強。開孔直徑，（2）開孔所需補強面積計算：強度削弱系數(shù)； 接管有效厚度；開孔所需補強面積由下式可得：；（3）有效補強范圍有效寬度：有效高度：（a）外側有效高度為：；（b）內側有效高度為：；（4）有效補強面積管箱多余金屬面積： 管箱有效厚度：則多余的金屬面積為：；接管多余金屬面積：接管計算厚度：；接管多余金屬面積：；接管區(qū)焊縫面積：；有效補強面積：；（5）另需補強面積擬采用補強圈補強由接管公稱直徑DN150取補強圈外徑為，內徑為。由，所以補強圈處于有效范圍內。補強圈的厚度為：；由于鋼板負偏差，選擇管箱和殼體上補強圈的名義厚度為6mm，即。3.2.3外頭蓋開孔補強計算外頭蓋上的排污口與排氣口主要是通過采用厚壁接管進行補強。（1）開孔所需補強面積其開孔直徑；強度削弱系數(shù)； 接管有效厚度；開孔所需補強面積：；（2）有效補強范圍有效寬度：有效高度：（a）外側有效高度為：；（b）內側有效高度為：；（3）有效補強面積外頭蓋多余金屬面積： 外頭蓋有效厚度：則多余的金屬面積為：；接管多余金屬面積：接管計算厚度：；接管多余金屬面積：；接管區(qū)焊縫面積：；有效補強面積：由數(shù)據(jù)可得已達到了補強的目的。3.3換熱管3.3.1換熱管的排列方式換熱管的各種排列方式如圖7所示，每種都有各自的特點：正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；正方形排列：給熱效果不好，但容易清洗；正方形錯列：可以提高給熱系數(shù)。圖7 各種排列方式本次設計，選擇正方形排列，主要是因為此種排列方式便于進行清洗。查GB151-1999可知，換熱管中心距S=32mm。而且，因為換熱管管間要進行機械清洗，所以相鄰兩管間的凈空距離（S-d）不應該小于6mm。3.3.2布管限定圓最外層換熱管中心圓直徑：查GB151-1999可知，b=5，b1=3，bn=12，故b2= bn+1.5=13.5，則。3.3.3排管拉桿要放置在管束的外邊緣，在靠近折流板缺邊處布置拉桿，間距700mm。拉桿中心到折流板缺邊的距離一定要控制在換熱管中心距的（0.51.5）范圍內。相對誤差計算：； (24)其中：各程的平均管數(shù)；各程中最小或者最大的管數(shù)。不同管程的布管數(shù)量分別是38，56，56，38，各個管程的平均數(shù)是47，由此可得各程管數(shù)相對誤差為：3.3.4換熱管束的分程管箱有改變流體流向的作用,所確定的換熱器為雙管程，所以管箱安置形式選擇為多程隔板。關于換熱管束的分程，為了接管時的方便，較為合適的分發(fā)為平行分法，同時平行分法還可使管箱內殘液放盡。3.3.5換熱管與管板的連接連接方式有強度脹、強度焊和脹焊等可選。因為強度焊焊接結構強度高、加工簡單，在高溫高壓的條件想也可以保證連接處的抗拉脫能力。再由設計溫度、設計壓力、設計溫度選擇連接方式為強度焊。3.4管板設計3.4.1管板與殼體的連接換熱器固定端的管板連接方式選擇為可拆式，這樣使管束能夠很方便地從殼體中抽出來以便進行維修和清洗3.4.2管板計算符號說明：在布管區(qū)范圍內未能被換熱管支承的面積，對正方形排列，； (25)隔板槽一側的排管根數(shù)；換熱管中心距；隔板槽兩側鄰管的中心距；管板布管區(qū)的面積，；對于多管程正方形排列的換熱器，；布管區(qū)內開孔后面積，； (26)管板墊片壓緊力作用直徑，；依據(jù)所選墊片的大小，選擇其壓緊面型式為GB150表9-1的1a，可得到密封面寬度；，所以；管板布管區(qū)當量直徑，；換熱管外徑，；管板材料的彈性模量，Mpa；換熱管材料彈性模量，Mpa；系數(shù)，按和查GB151圖24；管束模數(shù)，Mpa； 管束無量綱剛度，Mpa；換熱管的有效長度，；換熱管與管板脹接長度或焊腳高度，；換熱管根數(shù)；無量綱壓力，；當量壓力組合；Mpa；管板設計壓力，Mpa；殼程設計壓力，Mpa；管程設計壓力，Mpa；換熱管與管板連接拉脫力，Mpa；許用拉脫力，查GB151，Mpa；系數(shù)，；管板計算厚度，；換熱管管壁厚度，；管板剛度削弱系數(shù)，一般可取值；管板強度削弱系數(shù)，一般??；系數(shù)，；換熱管軸向應力，Mpa；穩(wěn)定許用壓應力，Mpa；設計管板材料的許用應力，Mpa；設計換熱管材料許用應力，Mpa；管板厚度計算過程如下：（1）管板名義厚度計算：；查GB150可知；公式中L是換熱管有效長度，因為管板厚度還沒有計算，暫取管板厚度50mm進行試算，等管板厚度算出時用有效長度核算，。當中的的計算如下： ； (27)；查GB151-1999可知，則，由于換熱管的材料為20號鋼，；因為這時保證不了與在任何時候都能同時作用，所以??；則，則；由=1.36和查GB151圖可得，管板計算厚度為： ； (28)管板的名義厚度應不小于下列三部分之和，即h1則是指殼程側管板結構槽深，為0；h2是指管程隔板槽深，為4mm。由得到的管板名義厚度，重復之前的步驟，讓管子有效長度能對應于管板厚度。 (29)；故=1.39，查圖可知，則，；（2）換熱管的軸向應力管程設計壓力，殼程設計壓力：；明顯地，；殼程設計壓力，管程設計壓力：；明顯地，；管程設計壓力與殼程設計壓力同時作用：；明顯地，。所以由以上三種情況可得，換熱管軸向應力符合要求。（3）換熱管與管板連接拉脫力；式中，其中：換熱管最小伸出長度； 最小坡口深度，；許用拉脫力3.5折流板設置折流板的目的在于提高殼程流體的速度，增加湍動程度，并且在臥式換熱器中還有支起管束的工用。常見的折流板形式有弓形和圓盤圓環(huán)形兩種。3.5.1折流板的型式和尺寸為了方便選擇材料，折流板材料選定16MnR，由前面可知道，弓形缺口高度是150mm，折流板距離為300mm， 19塊，查GB151-1999可得折流板最小厚度為5mm，所以這時選則它的厚度為6mm。查得折流板名義外直徑是。3.5.2折流板排列折流板排列示意圖如圖8所示：圖8 折流板排列3.5.3折流板的布置最好讓管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進口管以及出口管，其余的折流板則按相同間距布置： ； (30)接管位置的最小尺寸，mm； 管板的名義厚度，mm； 防沖板的長度，如沒有防沖板時，是接管的內徑，mm；3.5.4折流板重量計算符號說明如下：折流板質量，kg；折流板外圓直徑，；折流板切去部分的弓形面積，系數(shù)，由查表求??；弓形高度，mm；管孔直徑，mm；拉桿孔直徑，mm；管孔數(shù)量；拉桿孔數(shù)量；折流板厚度，mm。計算過程如下：查得； 3.6拉桿與定距管3.6拉桿與定距管3.6.1拉桿的結構形式常用拉桿的形式有兩種：拉桿定距管結構，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束，（按GB151-1999表45規(guī)定）；折流板和拉桿點焊結構，一般用于換熱管外徑14mm的管束，；當管板比較薄時，也能使用別的結構進行連接。由于此時換熱管的外徑為25mm，因此選用拉桿定距管結構。3.6.2拉桿的直徑、數(shù)量及布置其具體尺寸如圖9所示：圖9 拉桿具體尺寸表3 拉桿的參數(shù)拉桿的直徑d拉桿螺紋公稱直徑dn ab b拉桿的數(shù)量16 16 206024其中拉桿的長度L按需要確定。拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣。若對于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內或靠近折流板缺口處應布置適當數(shù)量的拉桿，任何折流板應不少于3個支承點。對于本臺換熱器拉桿的布置可參照零件圖。3.6.4定距管定距管的規(guī)格同換熱管，其長度同實際需要確定。本臺換熱器定距管的布置可以參照部件圖。3.7防沖板由于殼程流體的，管程換熱管流體的流速，因此在本臺換熱器的殼程與管程都不需要設置防沖板。3.8保溫層根據(jù)設計溫度選保溫層材料為脲甲醛泡沫塑料，其物性參數(shù)如表4：表4 保溫層物性參數(shù)密度（kgm3）導熱系數(shù)（kcalmh）吸水率抗壓強度（kgm）適用溫度（）13200.01190.02612%0.250.5-190+5003.9法蘭與墊片換熱器中的法蘭包括管箱法蘭、殼體法蘭、外頭蓋法蘭、外頭蓋側法蘭、浮頭蓋法蘭以及接管法蘭，另浮頭蓋法蘭將在下節(jié)進行計算，在此不作討論。墊片則包括了管箱墊片和外頭蓋墊片。3.9.1固定端的殼體法蘭、管箱法蘭與管箱墊片（1）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，材料為鍛件20MnMo，其具體尺寸如下：（單位為mm）圖10 法蘭具體尺寸（2）此時查JB4700-2000壓力容器法蘭，根據(jù)設計溫度可選擇墊片型式為金屬包墊片，材料為0Cr18Ni9，其尺寸為：表5 管箱墊片尺寸PN(Mpa)DN(mm)外徑D(mm)內徑d(mm)墊片厚度反包厚度2.5600665625343.9.2外頭蓋側法蘭、外頭蓋法蘭與外頭蓋墊片、浮頭墊片（1）外頭蓋法蘭的型式與尺寸、材料均同上殼體法蘭，凹密封面，查JB4700-2000壓力容器法蘭可知其具體尺寸如下所示：（單位為mm）。表6 外頭蓋法蘭尺寸DD1D2D3D4Hhaa1Rd8608157767667635012035211816261227（2）外頭蓋側法蘭選用凸密封面，材料為鍛件20MnMo，查JB/4721-92可知其具體尺寸如下表：表7 外頭蓋側法蘭尺寸DD1D2D3D4Hha1Rd86081577676676348150721816401227（3）查JB/T4718-92選外頭蓋墊片的型式為金屬包墊片，其外徑D為765mm，內徑d為725mm且查JB/T4718-92也選浮頭墊片的型式為金屬包墊片，則其外徑D為592mm，內徑d為568mm，兩者材料均為0Cr18Ni9。3.9.3接管法蘭型式與尺寸根據(jù)接管的公稱直徑，公稱壓力可查HG205922063597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，其具體尺寸如下表所示：表8 帶頸對焊鋼制管法蘭g公稱通徑DN鋼管外徑（法蘭焊端外徑）A1連接尺寸法蘭厚度C法蘭頸法蘭高度H法蘭理論重量（）法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑螺栓孔數(shù)量n螺紋Th2533.73211585144M121646463.264401.26150168.3159300250268M24281901906.31287512.73.10鉤圈式浮頭本臺浮頭式換熱器浮頭端采用B型鉤圈式浮頭，其詳細結構如下圖所示，而浮頭蓋采用了球冠形封頭。圖11 B型鉤圈式浮頭結構3.10.1浮頭蓋的設計計算球冠形封頭、浮頭法蘭應分別按管程壓力作用下和殼程壓力作用下進行內壓和外壓的設計計算，取其大者為計算厚度。符號說明如下：換熱器圓筒內直徑，mm；浮頭法蘭與鉤圈的內直徑， ，mm； (31)浮頭法蘭與鉤圈的外直徑，mm ，mm；外頭蓋內直徑，mm， mm；浮頭管板外直徑，mm， mm；螺栓中心圓直徑，mm ，mm；墊片壓緊力作用中心圓直徑，；作用在法蘭環(huán)內側封頭壓力載荷引起的軸向分力，N；作用在法蘭環(huán)內側封頭壓力載荷引起的徑向分力，N；計算壓力，Mpa；分別取管程壓力（內壓）和殼程壓力（外壓）；封頭球面內半徑，mm；按GB151表46選取mm；螺栓中心至法蘭環(huán)內側的徑向距離，mm；對法蘭環(huán)截面形心的力臂，mm；封頭邊緣處球殼中面切線與法蘭環(huán)的夾角，（）；球冠形封頭的計算厚度，mm；球冠形封頭的名義厚度，mm；封頭材料在設計溫度下的許用應力，Mpa；焊接接頭系數(shù)。（1）管程壓力作用下（內壓）浮頭蓋的計算：球冠形封頭計算厚度按下式計算： ； (32)為方便選材，故可將浮頭蓋的材料選擇為16MnR，故=125Mpa，選擇為雙面焊對接接頭，100%無損探傷，故，則浮頭法蘭計算厚度計算：首先根據(jù)所選的浮頭墊片可先確定：；根據(jù)經(jīng)驗值選定螺栓數(shù)目為16，則可通過計算螺栓的根徑，從而知道螺栓的規(guī)格：故將其圓整為規(guī)格為M24的螺柱，其根徑為20.752mm。關于浮頭法蘭厚度的計算按GB151-1999的格式制作成一張表格，這樣比較清晰明了，具體如下表所示：表9 浮頭法蘭厚度計算表設計條件墊片及螺栓計算pc=2.5Mpa墊片材料：0Cr18Ni9N=12mmy=62.1Mpa溫度t=400外徑內徑厚度：5925683b=6mmm=3.75法蘭材料：鍛件JB/T4726 20MnMo螺栓直徑螺栓數(shù)量n=16許用應力設螺栓材料：25Cr2MoVA許用應力或（取兩者中較大值）=4651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，故，則。（2）殼程壓力作用下（外壓）浮頭蓋的計算球冠形封頭GB150-1998第6章“外壓圓筒和外壓球殼”進行外壓計算，即將球冠形封頭當作球殼進行計算，具體過程如下：假設，腐蝕裕量，則；，故；所以查GB150可知，此時許用外壓力為：故合適。浮頭法蘭厚度的計算可按上表進行，由于管程與殼程的設計壓力相等，所以大部分的數(shù)據(jù)都與內壓情況下相同，只是此時，表中的應改為：則此時操作狀態(tài)下： ；所以此時；根據(jù)上述內壓與外壓的計算可知浮頭法蘭的計算厚度應為，則圓整后其名義厚度為。3.10.2鉤圈鉤圈的型式查GB151可知選為B型鉤圈，其圖示如下：圖12 B型鉤圈而其設計厚度可按下式計算：其中：鉤圈設計厚度，mm；浮動管板厚度，mm；則。3.11分程隔板由于是多管程換熱器，故此處需要用到分程隔板。查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深，槽寬為12mm，且分程隔板的最小厚度為8mm。3.12鞍座選擇鞍座應首先計算支座反力，再根據(jù)支反力選擇合適的鞍座。3.12.1支反力計算如下：管板的質量：；圓筒的質量：；式中：是指換熱器中相當于圓筒的部分的總長度，包括了殼體的有效長度與前后端管箱的短節(jié)部分； 是指材料的密度，由于殼體與管箱的材料均選用16MnR，故。封頭的質量：；保溫層的質量：附件（如接管、法蘭、浮頭蓋等）質量取為全部質量的20%：圓筒的體積：；封頭的體積：； 故總體積為：；由于水的密度比油品與原油的密度均大，故鞍座應在水壓試驗時所受支反力較大，即如下：水壓試驗時充液重量：；水壓試驗時總質量：；水壓試驗時單位長度載荷：；水壓試驗時支座反力：；3.12.1鞍座的型號及尺寸根據(jù)支反力查JB/T4712-92選擇鞍座的型號為：DN600、120包角重型帶墊板鞍式支座。 3.13接管的最小位置在換熱器設計中，為了使傳熱面積得以充分利用，殼程流體進、出口接管應盡量接近兩端管板，而管箱進、出口接管盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱、殼體長度，減輕設備重量。然而，為了保證設備的制造安裝，管口距地的距離也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。3.13.1殼程接管位置的最小尺寸接管帶補強圈，故應按下式計算： (33)式中：殼程接管位置最小尺寸，mm； 補強圈外邊緣至管板與殼體連接焊縫之間的距離，計算中，?。⊿為殼體厚度，mm），且； 補強圈外圓直徑，mm； 管板厚度，mm。；經(jīng)過實際畫圖后，滿足最小位置的要求。3.13.2管箱接管位置的最小尺寸 帶補強圈的接管，應按下式計算： (34)式中：法蘭高度，為75mm則經(jīng)過實際畫圖后，滿足最小位置的要求。4 換熱器的腐蝕、制造與檢驗4.1換熱器的腐蝕換熱器腐蝕的主要部位是換熱管、管子與管板連接處、管子與折流板交界處、殼體等。腐蝕原因如下所述。4.1.1換熱管腐蝕由于介質中污垢、水垢以及入口介質的渦流磨損，易使管子產(chǎn)生腐蝕，特別是在管子入口端的4050mm處的管端腐蝕，這主要是由于流體在死角處產(chǎn)生渦流擾動有關。4.1.2管子與管板、折流板連接處的腐蝕換熱管與管板連接部位及管子與折流板交界處都有應力集中，容易在張脹管部位出現(xiàn)裂紋，當管子與管板存在間隙十，易產(chǎn)生Cl+的聚積及氧的濃差，從而容易在換熱管表面形成點坑或間隙腐蝕。管子與折流板交界處的破裂，往往是由于管子長，折流板多，管子稍有彎曲，容易造成管壁與折流板處產(chǎn)生局部應力集中，加之間隙的存在，故其交界處成為應力腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)。4.1.3殼體腐蝕由于殼體及附件的焊縫質量不好也易發(fā)生腐蝕，當殼體介質為電解質，殼體材料為碳鋼，管束用折流板為銅合金時，易產(chǎn)生電化學腐蝕，把殼體腐蝕穿孔。4.2換熱器的制造與檢驗4.2.1總體制造工藝制造工藝：選取換熱設備的制造材料及牌號，進行材料的化學成分檢驗，機械性能合格后，對鋼板進行矯形，方法包括手工矯形、機械矯形及火焰矯形。具體過程為：備料劃線切割邊緣加工（探傷）成型組對焊接焊接質量檢驗組裝焊接壓力試驗。4.2.2換熱器質量檢驗化工設備不僅在制造之前對原材料進行檢驗，而且在制造過程中也要隨時進行檢查，即質量檢驗。設備制造過程中的檢驗，包括原材料的檢驗、工序間的檢驗及壓力試驗，具體內容如下：（1）原材料和設備零件尺寸和幾何形狀的檢驗；（2）原材料和焊縫的化學成分分析、力學性能分析試驗、金相組織試驗，總稱為破壞試驗；（3）原材料和焊縫內部缺陷的檢驗，其檢驗方法是無損檢測，它包括：射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測、滲透檢測等；（4）設備試壓，包括：水壓試驗、介質試驗、氣密性試驗等。4.2.3管箱、殼體、頭蓋的制造與檢驗（1）殼體在下料和輥壓過程中必須小心謹慎，因為筒體的橢圓度要求較高，這主要是為了保證殼體與折流板之間有合適的間隙；（2）管箱內的分程隔板兩側全長均應焊接，并應具有全焊透的焊縫；（3）用板材卷制圓筒時，內直徑允許偏差可通過外圓周長加以控制，其外圓周允許上偏差為10mm，下偏差為零；（4）圓筒同一斷面上，最大直徑與最小直徑之差為e0.5%DN，且由于DN1200mm，則其值5mm；（5） 圓筒直線度允許偏差為L/1000（L為圓筒總長），且由于此時L=6000mm，則其值4.5mm；（6） 殼體內壁凡有礙管束順利裝入或抽出的焊縫均應磨至與母材表面齊平；（7）在殼體上設置接管或其他附件而導致殼體變形較大，影響管束順利安裝時，應采取防止變形措施；（8）由于焊接后殘余應力較大，因此管箱和封頭法蘭等焊接后，須進行消除應力熱處理，最后再進行機械加工。4.2.4換熱管的制造與檢驗（1）加工步驟：下料校直除銹（清除氧化皮、鐵銹及污垢等雜質）；（2）換熱管為直管，因此應采用整根管子而不允許有接縫。 （3）因為換熱管的材料為20號鋼，所以管端的外表面也同樣需要除銹，而且因為采用的焊接方法，所以管外徑應大于管端清理長度，且不小于25mm。4.2.5管板與折流板的制造與檢驗（1）管板在拼接后應進行消除應力熱處理，且管板拼接焊縫須經(jīng)100%射線或超聲波探傷檢查；（2）由于換熱管與管板是采用焊接連接，則管孔表面粗糙度Ra值不大于25；（3）管板管孔加工步驟：下料校平車削平面外圓及壓緊面劃線定位孔加工鉆孔倒角；（4）管板鉆孔之后的抽查要求不小于60管板中心角區(qū)域內的管孔，在這一區(qū)域內內允許有4%的管孔上偏差比+0.20大0.15；（5）折流板管孔加工步驟：下料去毛刺校平重疊、壓緊沿周邊點焊鉆孔（必須使折流板的管孔與管板的管孔中心在同一直線上）劃線鉆拉桿加工外圓；（6）折流板外圓表面粗糙度Ra值不大于25。，外圓面兩側的尖角應倒鈍；（7）應去除管板與折流板上任何的毛刺。4.2.6換熱管與管板的連接（1）連接部位的換熱管以及管板孔的表面一定要清理干凈，不能有影響脹接或焊接連接質量的毛刺、鐵屑、油污等；（2）焊接連接時，焊渣及凸出于換熱管內壁的焊瘤均應清除。焊縫缺陷的返修，應清除缺陷后焊補。4.2.7管束的組裝（1）組裝過程：將活動管板、固定管板和折流板用拉桿和定距管組合。調整襯墊使管板面與組裝平臺垂直，并使固定管板、活動管板與折流板的中心線一致，然后一根一根地插入傳熱管。（2）組裝時應注意：兩管板相互平行，允許誤差不得大于1mm；兩管板之間長度誤差為2mm；管子與管板之間應垂直；拉桿上的螺母應擰緊，以免在裝入或抽出管束時，因折流板竄動而損傷換熱管；穿管時不應強行敲打，換熱管表面不應出現(xiàn)凹癟或劃傷；除換熱管與管板間以焊接連接外，其他任何零件均不準與換熱管相焊。4.2.8管箱、浮頭蓋的熱處理碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱和浮頭蓋以及管箱的側向開孔超過1/3圓筒內徑的管箱，在施焊后作消除應力的熱處理，設備法蘭密封面應在熱處理后加工。4.2.9換熱器水壓試驗水壓試驗的目的是為了檢驗換熱器管束單管有否破損，脹口有否松動，所有法蘭接口是否嚴密，而不同管殼式換熱器的水壓試驗的順序不一樣，因此在此特別說明一下浮頭式換熱器的水壓試驗順序：（1）用試驗壓環(huán)和浮頭專用試壓工具進行管頭試壓：管束裝入殼體后，在浮頭側裝入試壓環(huán)，在管箱側裝試壓法蘭或將管箱平蓋卸下用管箱代替也可以，然后對殼程試壓，檢查脹口是否泄漏，如果從管板的某個管口滴水，則該管已經(jīng)破損，由現(xiàn)場技術人員決定更換新管或堵死；（2）管程試壓：將浮頭側試壓環(huán)卸掉，清理凈浮頭封面，將浮頭上好，管箱側將管箱或平蓋清理換墊安裝，然后對管程加壓，檢查浮頭鉤圈密封及管箱法蘭結合處有無泄漏；（3）殼程試壓：安裝殼體封頭