毕业设计论文—乙烯塔回流过冷器改进设计

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1、本科毕业设计说明书乙烯塔回流过冷器改进设计ETHYLENE TOWER REFLUX COOLING DEVICE IMPROVEMENT DESIGN学院（部）： 机械工程学院 专业班级： 过控 学生姓名： vvvvv 指导教师： vvvvvvvvv 2012 年 6 月 15 日乙烯塔回流过冷器改进设计摘要该设计为大庆石化60万吨/年乙烯装置设计乙烯塔回流过冷器。作为石油化工基础性原料，乙烯是石油化工的“龙头”，其生产的乙烯、丙烯、丁二烯和芳烃是所有化工产品的最基础原料。乙烯塔回流过冷器是一种换热器，通常采用釜式换热器，也是一种管壳式换热器。在乙烯塔装置中占有较重要的地位，它直接影响产品的

2、质量和产量。本次设计的乙烯塔回流过冷器的型号为BKU。由于设计温度极低，对材料的要求较高。本次设计主要是根据给定的设计条件，依据GB150-1998钢制压力容器和GB151-1999管壳式换热器等标准，对换热器进行了结构和强度的设计。 关键词：过冷器，釜式重沸器，换热器，乙烯ETHYLENE TOWER REFLUX COOLING DEVICE IMPROVEMENT DESIGNABSTRACTThe design for the Daqing Petrochemical 600,000 tons / year ethylene plant ethylene tower reflux co

3、oling device design As the basic petrochemical raw materials, petrochemical ethylene is bibcock, its production of ethylene, propylene, butadiene and aromatic hydrocarbons are all the basic raw materials of chemical products. Ethylene tower reflux cooling device is a heat exchanger, usually in a ket

4、tle type heat exchanger, which is also a kind of shell and tube heat exchanger. It occupies an important position in the ethylene tower unit and directly affects the product quality and yield. The model of the ethylene tower reflux cooler designed is BKU. Because the design temperature is very low,

5、the requirements of the material are high.The design is based on the given design conditions, basis of GB150-1998 steel pressure vessel and GB151-1999 shell and tube heat exchanger and other standards, the design of the structure and intensity of the heat exchanger.KEYWARDS： Supercooling apparatus,

6、kettle-type reboiler, heat exchanger, ethylene 目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1 引言11.2 换热器的基本要求及选型时需要考虑的因素11.3 管壳式换热器的研究现状21.4 釜式重沸器32换热器材料选择32.1材料的确定43 换热器主要部件设计43.1 换热管设计43.1.1换热管的形式53.1.2管径53.1.3管长53.1.4管子的排列方式53.1.5换热管的根数63.1.6换热管中心距63.2壳体结构与强度设计63.2.1小端壳体直径的计算63.2.2大端壳体直径的确定73.2.3壳体的壁厚73.2.4强度校核73.3封头设计8

7、3.3.1封头的型式83.3.2封头的壁厚83.4 管板设计93.4.1管板连接设计93.4.2管板设计计算103.5管箱设计133.5.1管箱短节133.5.2管箱封头144.换热器其他各部件设计154.1进出口接管设计154.1.1管箱进出口接管设计与开孔补强计算164.1.2壳程进口接管设计与开孔补强计算174.1.3壳程出口接管设计与开孔补强计算174.2接管法兰设计194.2.1 接管法兰的选取194.2.2 垫片的选取214.2.3 紧固件的选用224.2 设备法兰设计234.2.1 法兰的选取234.2.2垫片的选取254.2.3螺柱的选取254.3 支持板264.3.1 支持板

8、的尺寸264.3.2支持板的布置274.3.3支持板的固定284.4 拉杆与定距管294.4.1 拉杆的结构形式294.4.2拉杆的直径和数量294.4.3 拉杆的尺寸294.4.4拉杆的布置304.4.5 定距管尺寸304.5 滑道结构304.6 鞍座的选取315换热器的制造、检验、安装与维修315.1换热器的制造、检验与验收315.1.1筒体315.1.2换热管325.1.3管板325.1.4支持板325.1.5管束的组装325.1.6换热器的组装325.1.7压力试验335.2换热器的安装与维护335.2.1安装335.2.3维护33总结34参考文献35致谢361绪论1.1 引言化工生产

9、中，绝大多数的工艺过程都有加热、冷却、汽化和冷凝的过程，这些过程总称为传热过程。传热过程需要通过一定的设备来完成，这些使传热过程得以实现的设备称之为换热设备。它是化工、炼油、食品、轻工、能源、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备，在生产中占有重要地位。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同的介质、工况、温度和压力的换热器，其结构和形式也都不相同。按热传递原理或传热方式进行分类，换热器可分为直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器和中间载热体式换热器，其中间壁式换热器在工业生产中应用最为广泛。根据间壁的形状，间壁式换热器大体上分为“管式”和“板面式”两大类

10、。如套管式、螺旋管式、管壳式都属于管式；板片式、螺旋板式、板壳式等都属于板面式。其中管壳式换热器具有悠久的使用历史，虽然在传热效率、紧凑性及金属耗量等方面不如近年来出现的其他新型换热器，但其具有结构坚固、可承受较高的压力、制造工艺成熟、适应性强及选材范围广等优点，目前，仍是化工生产中应用最广泛的一种间壁式换热器。而本次设计的就是有相变传热的釜式重沸器，它也是管壳式换热器的一种，广泛应用于石油及化工领域。1.2 换热器的基本要求及选型时需要考虑的因素换热器的基本要求有以下几点：（1）热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热效率高，单位传热面上能传递的热量多。在一定的热负荷下、即每小时要求传

11、递热量一定时，传热效率(通常用传热系数表示)越高，需要的传热面积越小。（2）换热器的结构能适应所规定的工艺操作条件，运转安全可靠，密封性好，清洗、检修方便，流体阻力小。（3）价格便宜，维护容易，使用时间长。在化工生产中所使用的换热设备往往需要频繁的清洗和检修，停车的时间多，造成的经济损失有时会比换热器价格更大。因此，如果换热器能够设计得合理，可以保证连续运转的时间长，同时能减少功率消耗，则换热器本身价格虽然略高一些，但总的经济核算也可能是有利的。换热设备的类型很多，各种形式都有它特定的应用范围。在某一种场合下性能很好的换热器，如果换到另一种场合则可能传热效果和性能会有很大的改变。选型时需要考虑

12、的因素也是多方面的。 （1）流体的性质对换热器类型的选择上往往会产生重大影响，如流体的物理性质(比热、导热系数、粘度)，化学性质(如腐蚀性、热敏性)，结垢情况以及是否有磨蚀性颗粒等因素都对设备的选型有影响。例如硝酸加热器，由于流体的强腐蚀性决定了设备的结构和材料。如对于热敏性大的液体，能否精确控制它在加热过程中的温度和停留时间往往就成为选型的主要前提。流体的洁净程度和是否易结垢，有时在选型上也起决定性的作用，如对于需要经常清洗换热面的物料就不能选用高效的板翅式或其他不可拆卸的结构。（2）换热介质的流量、操作温度、压力等参数在选型时也很重要，例如板式换热器虽然高效紧凑，性能很好，但是由于受结构和

13、垫片性能的限制，当压力或温度稍高时，或者流量很大时这种型式就不适用了。 （3）随着生产技术的发展，各种换热器的适用范围也在不断的发展。如对于高温高压的换热过程，以前主要选用结构简单的蛇管或套管换热器。但由于其流体处理量小，价格高，不能适应现代大型化装置的需要，因此随着结构材料和制造工艺的发展，正在把管壳换热器逐步推广到高温高压的场合下应用，目前国外这种换热器的最高使用压力为84MPa，温度达1000。1.3 管壳式换热器的研究现状管壳式换热器是石油、化工装置中应用最广泛的换热设备。由于管壳式换热器结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。虽然现在出

14、现了波纹板换热器、板壳式换热器、螺旋板换热器、伞板换热器等结构紧凑、高效的换热设备，但管壳式换热器仍占据着主导地位。因为许多工艺过程都具有高温、高压、高真空、有腐蚀性等特点，而管壳式换热器具有选材范围广（可为碳钢、低合金钢、铝材、铜材等），换热表面清洗方便，适应性强，处理能力大，特别是能承受高温和高压等特点，所以管壳式换热器广泛应用，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等方面。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定着换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的

15、承压能力及操作运行的安全可靠性。管壳式换热器中换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两种不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，实现了两流体换热的工艺目的。一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性：（1）耐高温高压，坚固、可靠、耐用；（2）制造应用历史悠久，制造工艺及操作、维修、检验技术成熟；（3）选材广泛，适用范围大。从间壁式换热器的发展史来看，管壳式换热器的技术提高受到下列因素的限制：（1）流体热附面层热阻的限制。即使是湍流流动，在流体与固体壁之间也要生一

16、层附面层（又称边界层）,而其中接触固体壁的一层称为层流底层，其流动性质为层流流动，它是靠分子扩散进行传导传热的，传热速率很小。这一厚度仅为3-5 mm的薄层，其热阻几乎占了整个附面层热阻的80。进一步减薄、破碎、分离和清除这个薄层，都可以逐步提高换热器的传热量，它是提高换热器技术的关键之一。(2）流体压力损失的限制。通过提高流体速度，可以减薄附面层的厚度，从而提高传输的热量。但是，提高流体速度却引起一个矛盾的后果，流体的压力损失增加，其增加的速率巨大，所以不得不降低流速来接受较低的传热系数。(3）扩大传热面积的限制。扩大传热面积是提高预热温度和增加热回收率的简单而有效的办法，但却受到换热器成本

17、和价格提高、换热器尺寸扩大与安装重量加大、换热器体积庞大与运输车辆超重等等的限制。1.4 釜式重沸器 釜式重沸器是一种管壳式换热器，在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否则可以小些。 釜式重沸器与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。管束有的采用浮头式，有的采用U型管束。实践证明气体精馏塔底再沸器采用U型管束，其使用性能比浮头式好。浮头式在开工过程中，常因管束受热不均引起金属伸缩不匀，容易造成小浮头的垫片泄漏。因此本次设计的是U形管束釜

18、式重沸器。2换热器材料选择元件名称材料状态标准号供货状态壳体S30408板材GB 24511-2009固溶换热管0Cr18Ni9管材GB 14976-2002固溶管板S30408锻件NB/T 47010-2010固溶管箱S30408板材GB 24511-2009固溶管箱法兰S30408锻件NB/T 47010-2010固溶壳程接管S30408锻件NB/T 47010-2010固溶壳程管法兰S30408锻件NB/T 47010-2010固溶管程接管S30408锻件NB/T 47010-2010固溶管程管法兰S30408锻件NB/T 47010-2010固溶 在进行换热器设计时，对换热器各种零部件

19、的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但对于材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。如在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切的关系。2.1材料的确定由于过冷器的设计温度为-90，属于低温管壳式换热器，换热器用钢的标准、冶炼方法、热处理状态、许用应力、无损检测标准及检测项目均主要按GB150-1998第四章及其附录A和

20、GB151-1999附录A的规定。另一方面过冷器所装载的主要是混合碳二和乙烯这两种气体，所以选择材料主要依据自然就是这两种介质的性质。首先，混合碳二是介于壳程中的介质，对材料的要求较低，只需一定的防腐蚀能力，再加上设计温度极低等多方面的考虑，筒体外壳的选材最终定为比较常用的高合金钢S30408。而在管程方面，乙烯没有腐蚀性，再加上设计温度极低等多方面的考虑，因此封头的材料选择也定为与壳体相同的S30408。在重要零部件的材料选择上，由于设计温度极低，对材料要求较高，材料均取为S30408。换热器主要部件的材料选择见表2-1。表2-1主要材料3 换热器主要部件设计3.1 换热管设计3.1.1换热

21、管的形式换热管形式有光管、各种翅片管、螺纹管、异形管等。光管是作为管壳式换热器的传统形式，当前应用非常普遍，廉价，易于制造、安装、检修、清洗方便。随着节约材料，节约能源的强化传热技术研究的发展，光管不断受到冲击，但是依据本设计的技术参数和考虑制造成本，依然选用光管。3.1.2管径采用标准管径的换热管。小管径可使单位体积的传热面积增大，结构紧凑，金属耗量减少，传热系数提高。但小管径流体阻力大，不便清洗，易结垢，堵塞。一般大直径管子用于粘性大或污浊的流体，而乙烯气体比较纯净，故选用19mm2mm的无缝钢管。3.1.3管长 无相变换热时，管子较长则传热系数也增加。在相同的传热面积情况下，采用长管则流

22、动截面积小，流速大，管程数少，从而可减少流体在换热器中的回弯次数，因而压力降也较小；而且采用长管时，每平方米传热面的比价也低。但是，管子过长给制造带来困难。因此，一般选用管长为46m。对于传热面积大，或无相变的换热器可选用89m的管长。对于卧式设备，管长与壳体直径之比应在610范围内，本设计采用标准管长4500mm。3.1.4管子的排列方式换热管的排列方式主要有以下四种方式：图3-1 换热管的排列方式正三角形排列用得最普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列最多的管子数，而且便于管板的划线与钻孔。但管间不易清洗，TEMA标准规定，壳程需用机械清洗时，不得采用三角形排列型式。在壳程需

23、要机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的，且要保证6mm的清洗通道。图3-1（a）和（d）两种排列方式，在折流板或支持板间距相同的情况下，其流通截面要比（b）、（c）两种的小，有利于提高流速，故更合理些。本设计采用正三角形排列。3.1.5换热管的根数用下面的公式计算管子总数NT : NT =Apd0l （3-1） =1890.0194.5=703.6704（根）采用正三角形排列，管子排列面积是一个正六边形，排在正六边形内的换热管数为 NT=3a(a+1)+1 （3-2）若设b为正六边形对角线上管子数目，则 b=2a+1 （3-3）式中:NT管子的排列数目； a正六边形的

24、个数。经计算a=15时，NT=721，满足条件，此时b=31。3.1.6换热管中心距换热管的中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，根据GB151-1999表12，取换热管中心距为S=25mm，取分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn=38mm。管束直径Dd=S(b-1)=25(31-1)=750mm。3.2壳体结构与强度设计3.2.1小端壳体直径的计算小端壳体的内径可由下面的公式计算D=S(b-1)+2e （3-4）式中: D壳体计算内径，mm；S管心距，mm；b最外层的六角形对角线上的管数，b=29；e六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取e=（11.5)d0。则D=25（31-1）+21.219

25、=795.6mm但根据圆筒的内径标准系列，只能取Di1=800mm。3.2.2大端壳体直径的确定釜式换热器是需要在壳体的上部设置适当的蒸发空间，同时时兼有蒸汽室的作用。大端直径和小段直径之比为1.52倍，锥形过渡段为30。因此取大端直径为1.5倍于小端直径，即为Di2=1200mm。则由此可以得到锥体的长度为l=400csc30=693mm。3.2.3壳体的壁厚根据GB150-1998式(5-1)，壳体的计算厚度为 =PcDi2t-Pc （3-5） 式中： 计算厚度，mm； Pc计算压力，MPa，取Pc等于设计压力，即Pc=3.3MPa； Di圆筒内径，mm； t许用应力，MPa，当厚度为26

26、0mm时，S30408在20以下的许用应力为137MPa。 焊接接头系数，=1.0。代入数值，得小端壳体的计算厚度为1=3.380021371.0-3.3=9.75mm大端壳体的计算厚度为2=3.3120021371.0-3.3=14.63mm 对于S30408，钢板负偏差C1=0.3mm，又腐蚀裕度C2=0，则 设计厚度： d1=1+C2=9.75+0=9.75mmd2=2+C2=14.63+0=14.63mm 名义厚度：n1=d1+C1=9.75+0.3=10.05mm，经圆整取n1=12mmn2=d2+C1=14.63+0.3=14.93mm，经圆整取n2=16mm因此小端壳体、大端壳体

27、的名义厚度分别可取n1=12mm，n2=16mm。为制造方便和考虑经济成本，小端和大端壳体厚度以及斜锥壳都取n=16mm。3.2.4强度校核由已知条件，壳程水压试验压力PT=4.13MPa，则根据GB150-1998式（3-7）水压试验的应力为 T=PT（Di+e）2e （3-6）式中：T试验压力下圆筒的应力，MPa； Di圆筒内直径，mm；PT试验压力，MPa；e圆筒的有效厚度，e=n-C1- C2=16-0.3-0=15.7mm。s材料的屈服强度，s=520MPa。则T=4.13（1200+15.7）215.7MPa=159.90MPaT0.15%Di=0.15%1200=1.8mm椭圆形

28、封头的最大允许工作力按GB150-1998式（7-3）计算：Pw=2teKDi+0.5e （3-8）对于标准椭圆形封头应力增强系数K=1，则Pw=2137115.711200+0.515.7=3.56MPaPwPwmax=0.4MPa该封头满足压力要求，故取名义厚度n=16mm合适。根据JB/T 4746-2002 钢制压力容器用封头 ，封头的标记为EHA 120016-S30408 JB/T 47463.4 管板设计管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管、将管程与壳程的流体分开，避免冷热流体混合，并同时受管程压力、壳程压力和温度的作用。管板还是换热器中的一个重要受压元件。对管板

29、的设计除了要满足强度要求外，同时应合理的考虑其结构设计。管板的合理设计对于正确选用和节约材料、减少加工制造的困难、降低成本、确保使用安全都具有重要意义。管板的最小厚度除满足强度设计要求外，当管板和换热器采用焊接时，应满足结构设计和制造的要求，且不小于12mm.若管板采用复合钢板，其复合层的厚度应不小于3mm。3.4.1管板连接设计（1）管板与壳体、管箱的连接管板与壳体的连接形式分为两类：一种是可拆式，一种是不可拆式。 U型管束换热器仅有一块管板，采用可拆式连接，本设计中管板通过垫片与壳体法兰、管箱法兰的连接，连接方式如下图3-2：图3-2管板与壳体、管箱的连接方式（2）换热管与管板的连接形式

30、换热管与换热管的连接在管壳式换热器的设计中是一个比较重要的结构部分，它不仅给加工工作量大，而且必须使每个连接处在设备运行中，保证无泄漏及能承受介质压力。从制造工况以及经济等方面考虑，本设计采用了强度焊加贴胀。3.4.2管板设计计算（1）换热器设计条件壳程设计压力Ps=3.3 MPa；管程设计压力Pt=2.54 MPa管板设计温度-90壳程腐蚀裕量C2=0mm：管程腐蚀裕量C2=0mm管程程数为2换热器小端公称直径DN=800mm换热管外径d=19mm换热管壁厚t=2mm加持管板的壳程法兰与管箱法兰采用特殊设计的长颈对焊法兰环形密封面垫片为八角垫环900840，垫片基本密封宽度0，按GB150-

31、1998表9-1选压紧面形状6，则0=8=308=3.75mm壳程侧隔板槽深h4mm；管程侧隔板槽深4mm，管板强度削弱系数=0.4符号： Ad在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，mm2； S换热管中心距，mm； Sn隔板槽两侧相邻管中心距，mm； n沿隔板槽一侧的排管根数，n=31； nU型管的数量，n=704/2=352；At管板布管区面积，mm2；Dt管板布管区当量直径，mm2；DG垫片压紧作用圆直径，mm；Cc系数，由1/t查GB151-1999图19；Pd管板的设计压力，MPa；nU形管根数，管板开孔数为2n；d换热管外径，mm；ps壳程设计压力，

32、MPa；Pt管程设计压力，MPa；pd管板设计压力，MPa；a一根换热管管壁金属的横截面积，mm2； tt设计温度下，换热管许用应力，tt=137MPa；rt设计温度下，管板材料的许用应力，rt=137MPa；q管热管与管板连接的拉脱力，MPa；q许用拉脱力，由2知,q=0.5tt=0.5137MPa=68.5MPa；l换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm；t换热管壁厚，mm；R半径，mm；管板强度削弱系数，一般可取=0.4 Ps壳程设计压力，MPa；Pt管程设计压力，MPa。（2）计算a)根据布管尺寸计算Ad 、At、Dt；根据法兰连接密封面型式和垫片尺寸计算DG。由GB151-1999第5

33、章知，双管程管板，对于三角形排列，Ad=nS(Sn-0.866S) （3-9）= 3125(38-0.86625)=12671.25mm2管板布管区面积为 At=1.732nS2+Ad （3-10）=1.732352252+12671.25=393711.15mm2管板布管区当量直径Dt=4At （3-11）=4393711.15/=708.02mm根据GB150-1998第9.5.1条，0=3.75mm6.4mm，则垫片有效密封宽度b=b0=3.75mm,DG等于垫片接触的平均直径，即DG=900+8402=870mm。b)计算t，以1/t查表22得c，或以1/t查图19，由纵坐标轴上直接查

34、得c。R=DG2=8702=435mm t=Dt2R （3-12）=708.022435=0.814则1t=1.229,利用插值法查GB151-1999表22，得Cc=0.2750c)确定管板设计压力 取下列两者中的较大者： Pd=|Ps|或Pd=|Pt| 根据已知条件Ps=3.3 MPa，Pt=2.54 MPa,则Pd=3.3 MPad)管板计算厚度由GB151-1999式（19），得=0.82DGcPdrt （3-13） =0.828700.27503.30.4137=91.80mm根据GB151一1999管板的名义厚度不小于下列三者之和：i、管板的计算厚度或最小厚度，取大者；ii、壳程腐

35、蚀裕量或结构开槽深度，取大者；iii、管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度，取大者：所以，n=MAX(,min )+MAX(C2，h1)MAX(C2,h2） =91.80+4+4=99.80mm圆整取n=100mm整体管板的有效厚度指分程隔板槽底部的管板厚度减去下列二者之和i、管程腐蚀裕量超出管程隔板槽深度的部分；ii、壳程腐蚀裕度与管板在壳程侧的结构开槽深度二者中的较大值。e)换热管轴向应力一根换热管管壁金属的横截面积a为t(d-t) （3-14）= 219-2=106.81mmt=-ps-ptd24a-pt （3-15）按三种工况分别计算换热管的轴向应力： 只有壳程设计压力ps=3.3MPa，管程

36、设计压力pt=0，此时t=-3.3-01924106.81-0=-8.76MPa 只有管程设计压力pt=2.54MPa，壳程设计压力为ps=0，此时t=-0-2.541924106.81-2.54=4.20MPa 壳程设计压力ps和管程设计压力pt同时作用，此时t=-0-2.541924106.81-2.54=4.20MPa以上三种工况下计算值的绝对值均小于换热管设计温度下的许用应力tt=112MPa。f)换热管与管板连接的拉脱力q=tadl （3-16）其中t取三种工况的绝对值最大者，即t=-8.76MPa根据GB151-1999第5.8.4的规定，取l=3mm，由此得：q=-8.76106

37、.81193=5.23MPaq=68.5MPa满足要求。3.5管箱设计管箱的作用是把从管道输送来的流体均匀地分布到各换热管内，和把管内流体汇集在一起送出换热器，在多管程换热器中，管箱还起到改变介质的流向的作用，本设计选用封头管箱。3.5.1管箱短节管箱短节计算按GB150-1998第5章的有关规定。管箱圆筒的最小厚度按GB151-1999的5.3.2规定。管箱直径与筒体小端相同，为800mm。设计温度为-90，取设计压力pc=pt=2.54MPa，查材料表，得S30408在20的许用应力t=137MPa。焊接为双面对焊，100%无损检测，焊缝接头系数=1，腐蚀余量C2=0，钢板负偏差C1=0.

38、3mm。 计算厚度： =PcDi2t-Pc=2.5480021371-2.54=7.49mm 设计厚度： d=+C2=7.49+0=7.49mm 名义厚度： n=d+C1=7.49+0.3=7.79mm，经圆整取n=12mm 有效厚度： e=n-C1-C2=12-0.3-0=11.7mm水压试验压力由GB150-1998式（3-3），得 pT=1.25pt （3-17） =1.252.541=3.175MPa材料屈服应力： s=520MPa水压试验应力由GB150-1998式（3-7），得T=PTDi+e2e （3-18）=3.175(800+11.7)211.7=110.13MPa水压试验校

39、核：T=110.13MPa0.15%Di=0.15%800=1.2mm椭圆形封头的最大允许工作力按GB150-1998式（7-3）计算：Pw=2teKDi+0.5e （3-19）对于标准椭圆形封头应力增强系数K=1，则 Pw=2137111.71800+0.511.7=3.98MPa PwPwmax=0.4MPa该封头满足压力要求，故取名义厚度n=12mm合适。由JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头，封头的标记为EHA 80012- S30408 JB/T 47464.换热器其他各部件设计4.1进出口接管设计符号：A开孔削弱所需的补强面积，m；B补强有效宽度，mm；C厚度附加量，mm

40、；D壳体内直径，mm；d开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍厚度附加量，椭圆形或长圆形孔取所考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量）,mm；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，fr=ntt；h1接管外侧有效补强高度，mm；h2接管内侧有效补强高度，mm；pc计算压力，MPa；壳体开孔处的计算厚度，mm；e壳体开孔处的有效厚度，mm；et接管有效厚度，mm；n壳体开孔处的名义厚度，mm；nt接管名义厚度，mm；t接管计算厚度，mm；t设计温度下壳体材料的许用应力，MPa；b钢材标准抗拉强度下限值，MPa；s钢材标准屈服点，MPa；焊接接头系数。本设计采用等面积补强法。4

41、.1.1管箱进出口接管设计与开孔补强计算由于管程走的是乙烯，根据GB/T 17395-2008以及HG/T 20615-2009，设计管程进出口接管外径为168.3mm,壁厚为9mm,钢管公称直径为150mm。材料为S30408，20以下许用应力nt=137MPa，钢管负偏差C1=0.3mm,腐蚀余量C2=0。接管计算厚度按下列公式计算 t=pcdi2nt-pc （4-1） 式中：di接管内径，di=168.3-92=150.3mm； pc设计压力，取pc=pt=2.54MPa； 焊接接头系数，=1.0； nt材料的许用应力，MPa；则计算厚度 t=2.54150.321371-2.54=1.

42、41mm 名义厚度: nt=9mm有效厚度: et=nt-C1-C2=9-0.3-0=8.7mm 开孔直径：d=di+2C=150.3+20.3=150.9mm强度削弱系数:fr=ntt=137137=1.0开孔所需补强面积按GB150-1998式（8-1）计算：A=d+2et(1-fr) (4-2) =150.97.49+29.758.7(1-1.0) =1130.24mm2 有效宽度B按GB150-1998式（8-7）计算,取二者中较大值：B=2d=2150.9=301.8m （4-3） B=d+2n+2nt=150.9+212+29=192.9mm （4-4）故B=301.8mm接管外侧

43、有效补强高度: h1=dnt=150.99=36.85mm （4-5）接管内侧有效补强高度：h2=0管箱筒体多余金属面积： A1=B-de-2et(e-)(1-fr) （4-6） =（301.8-150.9）11.7-7.49-28.7(11.7-7.49)（1-1.0） =635.29mm2接管多余金属面积：A2=2h1et-tfr+2h2(et-C2)fr （4-7） =236.858.7-1.411.0+0 =537.27mm2 接管区焊缝面积（焊脚取6.0mm）：A3=2126.06.0=36.0mm2 有效补强面积：Ae=A1+A2+A3=635.29+537.27+36=1208.

44、56mm2由于AeA，则开孔后不需要另行补强。4.1.2壳程进口接管设计与开孔补强计算根据GB/T 17395-2008以及HG/T 20615-2009，设计壳程进口接管外径为48.3mm,壁厚为4mm,钢管公称直径为40mm。材料为S30408，20以下许用应力nt=137MPa，钢管负偏差C1=0.3mm,腐蚀余量C2=0。接管计算厚度按式（4-1）计算，其中设计压力pc=ps=3.3MPa, 接管内径di=48.3-42=40.3mm，则 t=3.340.321371-3.3=0.49mm名义厚度: nt=4mm有效厚度: et=nt-C1-C2=4-0.3-0=3.7mm根据GB15

45、0-1998第8.3条规定，可知不必补强。4.1.3壳程出口接管设计与开孔补强计算根据GB/T 17395-2008以及HG/T 20615-2009，设计壳程进口接管外径为139.7mm,壁厚为7mm,钢管公称直径为125mm。材料为S30408，20以下许用应力nt=137MPa，钢管负偏差C1=0.3mm,腐蚀余量C2=0。接管计算厚度按式（4-1）计算，其中设计压力pc=ps=3.3MPa, 接管内径di=139.7-72=125.7mm，则 t=3.3125.721371-3.3=1.53mm名义厚度: nt=7mm有效厚度: et=nt-C1-C2=7-0.3-0=6.7mm开孔直

46、径：d=di+2C=125.7+20.3=126.3mm强度削弱系数:fr=ntt=137137=1.0开孔所需补强面积按GB150-1998式（8-1）计算：A=d+2et(1-fr) =126.314.63+211.766.7(1-1.0) =1847.77mm2 有效宽度B按GB150-1998式（8-7）计算,取二者中较大值：B=2d=2126.3=252.6m B=d+2n+2nt=126.3+216+27=172.3mm故B=252.6mm接管外侧有效补强高度: h1=dnt=126.37=29.73mm 接管内侧有效补强高度：h2=0大端壳体多余金属面积：A1=B-de-2et(

47、e-)(1-fr ） =（252.6-126.3）15.7-14.63-26.7(15.7-14.63)（1-1.0） =135.14mm2接管多余金属面积：A2=2h1et-tfr+2h2(et-C2)fr =229.736.7-1.531.0+0 =307.41mm2 接管区焊缝面积（焊脚取6.0mm）：A3=2126.06.0=36.0mm2有效补强面积：Ae=A1+A2+A3=135.14+307.41+36=478.55mm2所需另行补强面积： A4=A-（A1+A2+A3）=1847.77-478.55=1369.22mm2采用补强圈补强。 根据接管公称直径DN125选补强圈，参照

48、补强圈标准JB/T 4736-2002 取补强圈外径D=250mm,内径d=143mm。因B=252.6mmD,补强圈在有效补强范围内。 补强圈厚度为=A4D-d=1369.22250-143=12.80mm2考虑钢板负偏差并经圆整，去补强圈名义厚度为14mm。但为便于制造时准备材料，补强圈名义厚度也可取为大端壳体的厚度，即=16mm。4.2接管法兰设计4.2.1 接管法兰的选取根据HG/T 20615-2009，管口规格以及接管法兰的选择见下表4-1。表4-1管口规格以及接管法兰的选择符号公称规格法兰连接标准型式密封面用途T1Class300 DN150HG/T 20615-2009WN-R

49、F管程进口T2Class300 DN150HG/T 20615-2009WN-RF管程出口S1Class300 DN40HG/T 20615-2009WN-RF壳程进口S2Class300 DN125HG/T 20615-2009WN-RF壳程出口根据HG/T 20615-2009，法兰密封面尺寸见图4-1和表4-2所示，选取接管法兰的结构参数见下表4-3。图4-1 Class300（PN50）突面法兰的密封面尺寸表4-2 突面法兰的密封面尺寸 （mm）DNNPS突台外径d突台高度f14011273.021255185.721506215.92图4-2 法兰的连接尺寸图4-3 带颈对焊钢制管法

50、兰（WN）尺寸 表4-3 接管法兰的结构参数 （mm）公称尺寸钢管外径（法兰焊端外径）A连接尺寸法兰厚度C法兰颈大端N法兰内径B法兰高度HDNNPS法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓Th螺栓孔数量n(个)4011248.3155114.322M20419.17041671255139.7280235.022M20833.4178127971506168.3320269.922M201235.0206154974.2.2 垫片的选取根据HG/T 20635-2009 钢制管法兰、垫片、紧固件选配规定,选用金属包覆垫片，金属包覆层材料为0Cr18Ni9，填充材料为柔性石墨。垫片的型式如图

51、4-4所示。图4-4 垫片的型式根据HG/T 20630-2009 钢制管法兰用金属包覆垫片,垫片的尺寸如下表4-4所示。表4-4 垫片的尺寸 (mm)公称尺寸垫片内径D1垫片外径D2垫片厚度TDNNPS401125492.53125515221315061902484.2.3 紧固件的选用根据HG/T 20635-2009 钢制管法兰、垫片、紧固件选配规定,选用全螺纹螺柱，材料为0Cr18Ni9。管法兰用全螺纹螺柱的型式如图4-5。图4-5 全螺纹螺柱根据HG/T 20634-2009钢制管法兰用紧固件，与全螺纹螺柱配合使用的螺母（管法兰专用螺母），其型式和尺寸分别如图4-6和表4-5所示。图4-6 管法兰专用螺母 表4-5 管法兰专用螺母尺寸 (mm)ddad