毕业设计论文固定管板式换热器设计

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1、固定管板式换热器摘 要换热器是在工厂生产中最常见的过程设备之一，是用于物料之间进行热量传递的过程设备，使热量从热流体传递到冷流体的设备。通过这种设备使物料能达到指定的温度以满足工艺的要求。在目前大型化工及石油化工装置中，采用各种换热的组合，就能充分合理地利用各种等级的能量，使产品的单位能耗降低，从而降低产品的成本已获得好的经济效益。在化工厂中，换热器所占比例也有了明显提高，成为最重要的单元设备之一。在固定管板式换热器设计过程中，严格按照GB150-1998钢制压力容器和GB151-1999管壳式换热器等标准进行设计和计算。 本设计过程中，包括了三个部分：说明计算部分、绘图部分、翻译部分。说明部

2、分主要讲述了对各部分零件的制造工艺过程、零部件材料的选择、及换热器设备的发展趋势，最后对换热器的制造进行了检验和检测。计算部分主要是对筒体、封头、管板和管板与换热管连接进行了校核，并且对筒体和封头进行了水压试验和强度校核。除此之外，还参阅相关的设计手册及大量的文献，完成了一张总装配图和四张零件图的绘制，还对一篇外文进行了翻译等工作。关键词：固定管板式换热器，校核。AbstractHeat exchanger is used in the materials to carry on the thermal transmission the process. Through this kind o

3、f equipment，materials achieve assignment the temperature to satisfy the craft the request. At present, in large-scale chemical industry and in the petroleum chemical industry installment, each kind of heat transfer the combination can reasonably use each rank fully the energy, cause the production t

4、he unit energy consumption to reduce, thus reduce the production the cost to obtain the high economic efficiency. Thus, in the large-scale chemical industry and in the petroleum chemical industry production process, the heat exchanger obtains the more and more widespread application. In the chemical

5、 plant, the heat exchanger accounted for the proportion also to have the distinct enhancement, became one of most important unit equipment. In the fixed head heat exchanger design process, the design and the calculations. carry on strictly according to GB150-1998 Steel Pressure vessel and GB151-1999

6、 Tubular heat exchangers the standards.In this design process, including three parts: explanation calculations part, cartography part, translation part. Explanation computation the part mainly elaborated to various part of components manufacture technological process, the spare part material selecti

7、ng, and the heat exchanger equipment development trend, finally it has carried on the examination and the test for the heat exchanger manufacture. The calculations part mainly was to the tube body, the shell cover, the tube plate and the tube plate and the heat transfer pipe coupling has been carrie

8、d on the examination, and has been carried on the hydraulic pressure test and the intensity examination to the tube body and the shell cover. In addition, referring the related design handbook and the massive literature, it has completed an assembly drawing and four detail drawing plan, and has carr

9、ied on work and one translations.Keyword：fixed head heat exchanger， check.64目录目录21前言61.1 换热器的概述61.1.1 换热设备的应用61.1.2 换热器设备的分类22 固定管板式换热器52.1 设计参数的确定52.1.1 设计压力52.1.2 计算压力52.1.3 设计温度62.1.4 厚度及厚度附加量62.1.5 焊接接头系数72.1.6 许用应力72.2 材料的选取92.2.1 化学成分92.2.2 力学与性能102.2.3 制造工艺性能102.3 管程结构112.3.1 换热管112.3.2 管板122

10、.3.3 管箱132.3.4 管束分程132.3.5 换热管与管板连接142.4 壳程结构162.4.1 壳体162.4.2 折流板172.4.3 折流杆182.4.4 防短路结构192.4.5 壳程分程202.5 开孔和开孔补强设计202.5.1 补强结构202.5.2 开孔补强设计准则212.5.3 允许不另行补强的最大开孔直径222.6 密封装置设计222.6.1 密封机理232.7 焊接接头结构232.7.1 焊接接头形式242.7.2 坡口形式252.7.3 压力容器焊接接头分类253换热器结构计算263.1 壳程圆筒计算263.1.1 圆筒厚度计算263.1.2 液压试验校核273

11、.1.3 压力及应力计算283.2 前端管箱筒体计算283.2.1 厚度计算283.2.3 压力及应力计算303.3 后端管箱筒体计算313.3.1 厚度计算313.3.2 液压试验校核323.3.3 压力及应力计算333.4 前端管箱封头计算343.4.1 垫片343.4.2 螺栓353.4.3 计算封头厚度373.5 后端管箱封头计算383.5.1 垫片383.5.2 螺栓393.5.3 计算封头厚度413.6 管板设计计算423.6.1 结构尺寸及材料选取423.6.2 管箱433.6.3 换热管稳定许用应力433.6.4 壳程圆筒内直径横截面积443.6.5 管板开孔后的面积443.6

12、.6 圆筒壳壁金属横截面积443.6.7 管板布管区面积443.7 U型膨胀节设计计算443.8 开孔补强计算493.8.1 管箱开孔补强计算493.8.2 封头上开孔补强计算523.8.3 壳程开孔补强计算553.8.4 壳程开孔补强计算58结束语62参考文献63谢 辞641前言1.1 换热器的概述 1.1.1 换热设备的应用 许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%-20%；在炼油厂中，约占总投资的35%-40%。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量又温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此

13、外，换热设备也是回收余热，废热特别是低位热能的有效装置。例如，烟道气，高炉炉气，需要冷却的化学反应工艺气等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热，供气，发电，和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。 1.1.2 换热器设备的分类按作用原理或传热方式分类 (1) 直接接触式换热器这类换热器又称混合式换热器，它是利用冷，热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。如冷却塔，冷却冷凝器等。为增加两流体的接触面积，以达到充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构 (2) 蓄热式换热器这类换热器又称回热式换热器，它是借助于固体构成的蓄热体与热流体

14、和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。在换热器内首先由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由流体通过，由蓄热体把热量释放给冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两种流体少量混合。若两种流体不允许有混合，则不嫩采用蓄热式换热器。 (3) 间壁式换热器这类换热器又称表面式换热器。它是利用间壁将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。 (4) 中间载流体式换热器这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载流体

15、连接起来的换热器。载流体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体，如热管式换热器。间壁式换热器的分类 (1) 管式换热器 这类换热器都是通过管子壁面传热的换热器，按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器，套管式换热器，缠绕管式换热器和管壳式换热器。蛇管式换热器一般由金属或非金属管子，按需要弯曲成所需的形状，如圆盘形，螺旋形和长的蛇行等。它是最早出现的一种换热设备，具有结构简单和操作方便等优点。按使用状态不同，蛇管式换热器又可分为沉浸式蛇管和喷淋式蛇管两种。套管式换热器是由两种不同大小直径的管子组装成同心管，两端用U形弯管将

16、他们连接成排，并根据实际需要，排列组合成传热单元，换热时，一种流体走内管，另一种流体走内外管间的环隙，内管的壁面为传热面，一般按逆流方式进行换热。两种流体都可以在较高的温度，压力，流速下进行换热。套管式换热器的优点是结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体均可提高流速，使传热面的两侧都可有较高的传热系数；缺点是单位传热面的金属消耗量大，检修，清洗，和拆卸都较麻烦，在可拆连接 处容易造成泄漏。管壳式换热器是目前应用最为广泛的换热设备。在圆筒形壳体中放置了许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。为了增加流体在管外空间的流速并支撑管子，改善传热性能，在筒体

17、内间隔安装多块折流板，用拉杆和顶距管将其与管子组装在一起。换热器的壳体上和两侧的端盖上装有流体的进出口，有时还在其上装设检查孔，为了安置测试仪表用的接口管，排液孔和排气孔等。缠绕管式换热器是芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋闲形状交替缠绕而成，相邻两成螺旋状传热管的螺旋方向相反，采用一定形状的定距管使之保持一定的距离。缠绕状传热管可以采用单根绕制，也可采用两根或多跟组焊后一起绕制。管内可以通过一种介质，称通道型缠绕管式换热器；也可分别通过几种不同的介质，而每种介质所通过的传热管均汇集在各自的管板上，构成多通道型缠绕管式换热器。缠绕管式换热器适用于同时处理多种介质等场合。 (2) 板面式换热器

18、这类换热器都是通过板面进行传热的换热器。板面式换热器按传热板面的结构形式可分为以下五种：螺旋板式换热器，板式换热器，板翅式换热器，板壳是换热器和伞式换热器。板面式换热器的传热性能要比管式换热器优越，由于结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面是换热器采用板材制作，在大规模组织生产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。 (3) 其他形式换热器这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器一般是为满足工艺特殊要求而设计的，如石墨换热器，聚四氟乙烯换热器和热管式换热器等。 2 固定管板式换热器2.1 设计参数的确定压力容器设计参数主要有设计压力，设计温度，厚度，及其

19、附加量，焊接接头系数和许用应力等。2.1.1 设计压力 为压力容器的设计载荷之一，其值不低于最高工作压力。最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。设计压力应视内压和外压容器分别取值。当内压容器上装有安全泄放装置时，其设计压力应根据不同形式的安全泄放装置确定。装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不应低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的1.05-1.10倍；装设爆破片时，设计压力不得低于爆破片的爆破压力。对于盛装液化气体的容器，由于容器内介质压力为液化气体的饱和蒸汽压，在规定的装量系数范围内，与体积无关，仅拒绝于温度的变化，故设计压力

20、与周围的大气环境温度密切相关。此外还要考虑容器外壁有否保冷设施，可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响，即设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。2.1.2 计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。2.1.3 设计温度设计温度也为压力容器的设计载荷条件之一，它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度。当元件金属温度不低于0时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金属温度低于0时，其值不得高于元件金属可

21、能达到的最低温度。GB150规定设计温度等于或低于-20的容器属于低温容器。元件的金属温度可以通过传热计算或实测得到，也可按内部介质的最高温度确定，或在基准上增加（或减少）一定数值。设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。2.1.4 厚度及厚度附加量设计时要考虑厚度附加量C由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2组成，C=C1+C2 ,不包括加工减薄量C3。计算厚度（）是按有关公式采用计算压力得到的厚度。设计厚度（）系计算厚度与腐蚀裕量之和。名义厚度（）指设计厚度加

22、上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。有效厚度（）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。腐蚀裕量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀，机械磨损而导致厚度消弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体，封头，接管，等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定。在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，C2 不小于1mm；对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取C2=0。2.1.5 焊接接头系数通过焊接制成的容器，焊缝中可能存在夹渣，未熔透，裂纹，气孔等焊接缺陷，且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使母材强度或塑性有所降低，因

23、此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体的强度削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数。焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。 2.1.6 许用应力许用应力是容器壳体，封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数之比，设计时必须合理的选择材料的许用应力，采用过小的许用应力，会使设计的部分过分笨重而浪费的材料，反之则使部件过于单薄而容易破损。材料强度失效判据的极限值可以用各种不同的方式表示，如屈服点，抗拉强度，持久强度，蠕变极限等。应根据失效类型来确定极限值。在蠕变温度以下通常取材料常温下最低抗拉强度，常温或设计温度下的

24、屈服点或三者除以各自的材料设计系数后所得到的最小值，作为压力容器受压元件设计时的许用应力，即按下式取值 =min，也即是说设计受压元件时，以抗拉强度和屈服点同时来控制许用应力。因为对韧性材料制作的容器，按弹性失效设计准则，容器总体部位的最大应力强度应低于材料的屈服点，故许用应力应以屈服点为基准。目前在压力容器设计中，不少规范同时用抗拉强度作为计算许用应力的基准，其目的是为能在一定程度上防止断裂失效。当碳素钢和低合金钢的设计温度超过420，铬钼合金钢的设计温度高于450，奥氏体不锈钢设计温度高于550时，有可能产生蠕变，因而必须同时考虑基于高温蠕变极限或持久强度的许用应力。材料设计系数的一个强度

25、保险系数，主要是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量，其大小与应力计算的精确性，材料性能的均匀性，载荷的确切程度，制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系。材料设计系数数值的确定，不仅需要一定的理论分析更需要长期实践经验积累。近年来，随着生产的发展和科学研究的深入，对压力容器设计，制造，检验和使用的认识日益全面，深刻，材料设计系数也逐步降低。例如，20实际50年代中国取4.0，3，0，而现在则为3.0，1.6.GB150给出了钢板，钢管，锻件以及螺栓材料在设计温度下的许用应力同时也列出了确定钢材许用应力的依据。螺栓的许用应力应根据材料的不同状态和直径大小而定。为保证螺栓法兰连

26、接结构的密封性，必须严格控制螺栓的弹性变形。一般情况下，螺栓材料的许用应力取值比其他受压元件材料低；同时为防止小直径螺栓在安装时断裂，小直径螺栓的许用应力也比大直径的低。2.2 材料的选取压力容器材料的选取，压力容器材料费用占总成本的比例很大，一般超过30%。材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。选材不当，不仅会增加总成本，而且有可能导致压力容器破坏事故。因此，合理选材是压力容器设计的关键之一。压力容器用料多种多样，有钢，有金属，非金属，复合材料等，压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性，韧性，制造性能和与介质形容性。改善钢材性能的途径主要有化学成分的设计，组织结构的改变和零件

27、表面改性。2.2.1 化学成分钢材的化学成分对其性能和热处理有较大的影响。提高碳含量可能使强度增加，但是可焊性变差，焊接时易在热影响区出现裂纹。因此，压力容器用钢的含碳量一般不大于0.25%。在钢中加入钒，钛，铌等元素，可提高钢的强度和韧性。硫和磷是钢中最主要的有害元素。硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑料和韧性降低。磷能使高钢的强度，使会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性，抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能，抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对磷，硫，氢等有害杂质元素含量的控制更加严格。

28、例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0，020%和0.030%。随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在0.002%以内。另外，化学成分对热处理也有决定性的影响，如果对成分控制不严，就达不到预期的热处理效果。2.2.2 力学与性能由于载荷和应力状态的不同，以及钢材在受力状态下所处的工作环境的不同，钢材受力后所表现出的不同行为，称为材料的力学行为。例如，低碳钢拉伸试件缩颈中心部位处于三向应力状态，出现的是大体上与载荷方向垂直的纤维状断后，而边缘区域接近平面应力状态，产生的是与载荷成45的剪切唇。因此，钢材的力学行为，不仅与钢材的化学成分，组织结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有

29、密切的关系。钢材的力学性能主要的表征强度，韧性，塑性变形能力的判据，是近些设计时选材和强度计算的主要依据。压力容器设计中，常用的强度判据包括抗拉强度，屈服点，持久强度，蠕变极限和疲劳极限；塑性判据包括延伸率，断面收缩率；韧性判据包括吸收功AKV，韧脆转变温度，断裂韧性等。韧性对压力容器安全运行具有重要意义。在载荷作用下，压力容器中的缺陷常会发生扩展，当裂纹扩展到某一临界尺寸时将会引起断裂事故，此临近裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性。如果钢的韧性高，压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大，安全性也越高。因此，为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展，压力容器常选用韧性好的钢材。2.2.3 制造工艺性能材料制

30、造工艺性能的要求与容器结构形式和使用条件紧密相关。制造过程中进行冷卷，冷冲压加工的零部件，要求钢材有良好的冷加工成型性能和塑性，其延伸率应在15%-20%以上。为检验钢板承受弯曲变形能力，一般应根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角度为180的弯曲实验。试样外表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。压力容器各零件间主要采用焊接连接，良好的可焊性是压力容器用钢一项极其重要的指标。可焊性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的可焊性主要取决于它的化学成分，其中影响最大的是碳含量。含碳量越低，越不容易产生裂纹，可焊性越好。2.3 管程结构流体流经换热管内的通道及与其相

31、通部分称为管程。2.3.1 换热管（1） 换热管形式除光管外，换热管还可采用各种各样的强化换热管，如翅片管，螺旋槽管，螺纹管等。当管内外两侧给热系数相差较大时，翅片管的翅片应布置在给热系数低的一侧。换热管尺寸换热管尺寸主要为 19mm2mm, 25mm2.5mm, 38mm2.5mm,无缝钢管以及25mm2mm, 38mm2.5mm的不锈钢管。标准管长有1.5，2.0,3.0,4.5,6.0,9.0m等。采用小管径，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。据估算，将同直径换热器的换热管有25mm改为19mm，其传热面积可增加40%左右，节约金属20%以上。但小管径流体

32、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，小直径管子用于较清洁的流体。（2） 换热管材料常用材料有碳素钢，低合金钢，不锈钢，铜铜镍合金，铝合金，钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨，陶瓷，聚四氟乙烯等。设计时应根据工作压力，温度和介质腐蚀性等选用合适材料。（3） 换热管排列形式及中心距换热管在管板上的排列形式主要有正三角形，正方形和转角三角形，转角正方形。正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用的最为普遍，但管外不一清洗。为便于管外清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。2.3.2 管板管板是管壳式换热器最重要的零件之一，用来排布换热管，将管程和壳程

33、的流体分隔开来，避免冷热流体混合，并同时受管程，壳程压力和温度的作用。（1） 管板材料在选择管板材料时除力学性能外，还应考虑管程和 壳程的流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。当流体物腐蚀性或有轻微腐蚀时，管板一般采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造。 当流体腐蚀性较强时，管板应采用不锈钢，铜，铝，钛等耐腐蚀材料。但对于较厚的管板，若整体采用价格昂贵的耐腐蚀性，造价很高。例如，高温，高压换热器中，管板厚度达300mm以上，有的甚至达到50mm。为节约耐腐蚀材料，工程上常采用不锈钢+钢，钛+钢，铜+钢等符合板，或堆焊衬里。（2） 管板结构当换热器承受高温，高压时，高温和高

34、压对管板的要求的矛盾的。增大管板厚度，可以提高承受能力，但当管板两侧流体温差很大时，管板内部沿厚度方向的热应力。当迅速停车或进气温度突然变化时，热应力往往会导致管板和换热管在连接处发生破坏。因此，在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。薄管板顾名思义是指相对于采用标准，规范计算所得的管板厚度要薄很多的管板，一般厚度为8-20mm。 当要求严格禁止管程和壳程中的介质互相混合时，可采用双管板结构。在双管板结构中管子分别固定在两块管板上，两块管板保持一定距离，如果管子与管板连接处有少量流体漏出，可让其从连管板之间的空隙泄放之外界，也可利用一薄壁圆筒将此空隙封闭起来，充入惰性气体，使其压力高于管程和壳

35、程的压力，达到避免两种介质混合的目的。2.3.3 管箱壳体直径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱位于管壳式换热器的两端，管箱的作用是把管道输送来的流体均匀的分布到各换热管的把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起改变流体流向的作用。管箱的结构形式主要以换热器是否需要清洗或管束是否需要分程等原因来决定。2.3.4 管束分程在管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。在管壳式换热器中，最简单最常用的是单管程的换热器。如果根据换热器工艺设计要求，需要加大换热器面积时，可以采用增加管长或者管数的方法。但前者受到加工，运输，安装以及维修等当面的限制，故经常采用后一种方法。增加

36、管数可以增加换热面积，但介质在管束中的流速随着换热管数的增多而下降，结果反而使流体的传热系数降低，故不能仅采用增加换热管数的方法来达到提高传热系数的目的。未解决这个问题，使流体在管束中保持较大的流速，可将管束分成若干程数，使流体一次流过各程管子，以增加流体速度，提高传热系数。管束分程可采用多种不同的组合方式，对于每一程中的管数应大致相等，且程与程之间温度差不易过大，温差以不超过20左右为宜，否则在管束与管板中将产生很大的热应力。对4程分法来说。有平行和工字形两种，一般为了接管方便，选用平行分法较合适，同时平行分法亦可使管箱内残液放尽。工字型排列的优点是比平行法密封线短，且可排列更多管子。2.3

37、.5 换热管与管板连接换热管与管板连接时管壳式换热器设计，制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。所以换热管与管板连接质量的好坏，直接影响换热器的寿命。换热管与管板的链接方法主要有强度胀接，强度焊和胀焊并用。（1） 强度胀接是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。常用的胀接有非均匀胀接和均匀胀接两大类。强度胀接的结构形式和尺寸见图4。图中l1为换热管伸出管板的长度，K为槽深，它们随换热管外径的大小而改变；l为最小胀接长度，其值与管板名义厚度有关。机械滚珠胀接为最早的胀接方法，目前热在大量使用。他利用滚胀管深入插在管板孔中的管子的端部，旋转胀管器使管子直径增大并产生塑性变形

38、，而管板只产生弹性变形。取出胀管器后，管板弹性恢复，使馆板与管子间产生一定的挤压力而贴合在一起，从而达到紧固的密封的目的。 液压胀接与液袋胀接的基本原理相同，都是利用液体压力使换热管产生塑性变形。橡胶胀接是利用机械压力是特种橡胶长度缩短，直径变大，从而带动管热管扩张达到胀接目的这些胀接方法具有生产率高，劳动强度低，密封性能好等优点。强度胀接主要适用于设计压力小于等于4.0MPa；设计温度小于等于300；操作中无剧烈震动，无过大温度波动及无明显应力腐蚀等场合。（2） 强度焊是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。由于管孔不需要退火和磨光，因此结构简单。焊接结构强度高，抗拉脱力强。在

39、高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。管子焊接处如有渗漏可以补焊或利用专用工具拆卸后予以更换。当换热管与管板连接处的焊接之后，管板与管子中存在的残余热应力与应力集中，在运行时可能引起应力腐蚀与疲劳。此外，管子与管板孔之间的间隙中存在的不流动的液体与间隙的液体有着浓度上的差别，还容易产生间隙腐蚀。除有较大振动及有间隙腐蚀的场合，只要材料可焊性好，强度焊可用其他任何场合。管子与薄管板的连接应采用焊接方法。（3） 胀焊并用胀接与焊接方法都有各自的优点和缺点，在有些情况下，例如高温，高压换热器管子与管板的连接处，在操作中受到反复热变形，热冲击，腐蚀及介质压力的作用，工作环境极其苛刻，很容易发

40、生破坏。无论单独采用焊接或是胀接都难以解决问题。如果采用胀焊并用的方法，不仅能改善连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。因此目前胀接并用方法已得到比较广泛的应用。胀焊并用的方法，从加工工艺过程来看，主要有强度焊+密封焊，强度焊+贴胀，强度焊+强度胀等几种形式。这里所说的密封焊是指保证换热管与管板连接密封性能的焊接，不保证强度；贴胀是指为消除换热管与管孔间隙并不承担拉托力的轻度胀接。如强度胀和密封焊相结合，则胀接承受拉脱力，焊接保证紧密性。如强度焊与贴胀相结合，则焊接承受拉脱力，胀接消除管子与管板间的间隙。至于胀焊的先后顺序，虽无统一规定，但一般认为以先焊后胀为宜。因

41、为当采用胀管器时需用润滑油，胀后难以洗净，在焊接时存在于缝隙中的油污在高温下生成气体从焊面逸出，导致焊缝产生气孔，严重影响焊缝的质量。胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动或疲劳载荷；有间隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。2.4 壳程结构壳程主要由壳体，折流板或折流杆，支持板，纵向隔板，拉杆，防冲挡板，防短路结构等元件组成2.4.1 壳体壳体一般是一个圆筒，在壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。为防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处常装有防冲挡板，或称缓冲板。当壳体法兰采用高颈法兰或壳程进出口接管直径较大或采用活动管板时，壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区

42、过大，靠近两端管板的传热面积利用率很低，为克服这一缺点，可采用导流筒结构。导流筒除可以减小流体停滞区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率外，还起防冲挡板的作用，保护管束免受冲击。2.4.2 折流板设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结构。在卧式换热器中，折流板还起支撑管束的作用。当工艺上无需折流板要求，而换热管有比较细长时，以及浮头式换热器的浮头端重量较重时或U形管换热器的管束较长，则应考虑设置支持板，以起到防止换热管变形的目的。常用的折流板形式有弓形和圆盘-圆环形两种，其中弓形折

43、流板有单弓形，双弓形和三弓形三种，根据需要也可采用其他形式的折流板与支持板，如堰形折流板。弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时与横向流过管束时的流速相近。缺口大小用切去的弓形弦高占壳体内直径的百分比来确定。如单弓形折流板，缺口弦高宜取0.20-0.45倍的壳体内直径，最常用的是0.25倍壳体内直径。对于卧式换热器，壳程为单相清洁液体时，折流板缺口应水平上下布置。若气体中含有少量液体时，则在缺口朝上的折流板最低处开设通液口，若液体中含有少量气体，则应在缺口朝下的折流板最高处开通气口。卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口。折流板一

44、般应按等间距布置，管束两端的折流板应尽量靠近壳程进出口接管。折流板最小间距宜不下于内直径的1/5，且不小于50mm；最大间距应不大于恰提内直径。折流板上管孔与换热管之间的间隙以及折流板与壳体内壁之间的间隙应合乎要求，间隙过大，泄漏严重，对传热不利，还易引起振动；间隙过小，安装困难。从传热角度考虑，有些换热器使不需要设置折流板的。但是为了增加换热管的刚度，防止产生过大的挠度或引起管子振动，当换热器物之承跨距超过了标准中的规定值时，必须设置一定数量的支持板，其形状与尺寸均按折流板规定来处理。折流板与支持板一般用拉杆和定距管连接在一起，在大直径的换热器中，如折流板的间距较大，流体绕道折流板背后接近壳

45、体处，会有一部分流体停滞起来，形成了对传热不利的死去。为了消除这个弊病，宜采用多弓形折流板。如双弓形折流板，因流体分为两股流动，在折流板之间的流速相同时，其间距只有单弓形的一半。不仅减少了传热死去，而且提高了传热效率。2.4.3 折流杆传统的装有折流板的管壳式换热器存在着影响传热的死区，流体阻力大，且易发生换热管振动与破坏。为了解决传统折流板换热器中换热管与折流板的切割破坏和流体诱导振动，并且强化传热提高传热效率，近年来开发了一种新型的管束支撑结构折流杆支撑结构。该支撑结构有折流圈和焊在折流圈上的支承杆所组成。折流圈可有棒材或板材加工而成，支承杆可有圆钢或扁钢制成。一半4块折流圈为一组，也可采

46、用2块折流圈为一组。支承杆的直径等于或小于管子之间的间隙。因而能牢固地将换热管支承住，提高管束的刚性。2.4.4 防短路结构为了防止壳程流体流动在某些区域发生短路，降低传热效率，需要采用放短路机构。常用的放短路结构主要有旁路挡板，挡板，中间挡板。（1） 旁路挡板为了防止壳程边缘介质短路而降低传热效率，需增设旁路挡板，以迫使壳程流体通过管束与管程流体进行换热。旁路挡板可用钢板或扁钢制成，其厚度一般与折流板相同。旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊接，通常当壳体公称直径DN500mm，增设一对旁路挡板；DN=500mm时，增设两对挡板；DN1000mm时，增设三对旁路挡板。（2） 挡管当换热器采用

47、多管程时，为了安排管箱分程隔板，在管中心不排列换热管，导致管间短路，影响传热效率。为此，在换热器分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管。挡管一般与换热管的规格相同，可与折流板电焊固定，也可用拉杆代替。挡管每隔3-4排换热管设置一根但不应设置在折流板缺口处。挡管伸出第一块及最近一块折流板或支持板的长度应不大于50mm。（3） 中间挡板在U形管式换热器中，U形管束中心部分存在较大间隙，流体宜走短路而影响传热效率。为此在U形管束的中间通道处设置中间挡板。中间挡板一般与折流板电焊固定。通常当壳体公称直径DN500mm时，设置一块挡板；500mmDN1000mm时，设置两块挡板；DN500m

48、m时，设置不少于三块挡板。2.4.5 壳程分程根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器壳程分为多程结构。2.5 开孔和开孔补强设计由于各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器上开孔并安装接管。开孔以后，除消弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作到来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。2.5.1 补强结构压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构主要有补强圈补强，厚壁接管补强和整锻件补强三种形式。（1） 补强圈补强这是中低压容器应用最多的补强结构，补强圈补强贴焊在壳体与接管连接处。它结构简单，制造方便，使用

49、经验丰富，但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热结果差，在中温以上使用时，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强局部区域产生较大的热应力；另外，补强圈去壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。这种补强结构一般使用在静载，常温，中低压，材料的标准抗拉强度低于540MPa，补强圈厚度小于等于1.5，壳体名义厚度不大于38mm的场合。（2） 厚壁接管补强即在开孔处焊上一段厚壁接管。由于接管的加厚部分正处于最大应力区域内，故比补强圈更能有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检查，因此补强效果较好。高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但

50、必须保证焊缝全熔透。（3） 整锻件补强该补强结构是将接管和部分壳体连同补强部分金属集中开孔应力最大部位，能有效地降低应力集中系数；可采用对焊焊缝，并使焊缝极其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低10%-15%。缺点是锻件供应困难，制造成本较高，所以只在重要压力容器中应用，如核容器，材料屈服点在500MPa,以上的开孔及受低温，高温，疲劳载荷容器的大直径开孔等。2.5.2 开孔补强设计准则开孔补强设计就是指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减少到某一允许值。目前通用的，也是最早的开孔补强设计准则是基于弹性失效设计准则的等面积补强法。但随着各国对开孔补强研究的深入，出现

51、了许多新的设计思想，形成了新的设计准则，如建立了以塑性失效准则为基础的极限分析方法。设计时，对于不同的使用场合和载荷性质可采用不同的设计方法。设计时，对于不同的使用场合和载荷性质可采用不同设计方法。（1） 等面积补强认为壳体因开孔倍消弱的承载面积，须有补强材料在离开空变一定距离范围内予以等面积补偿。该方法时以双向受拉伸的无限的大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则，故对小直径的开孔安全可靠。由于该补强法未计及开孔处的应力集中的影响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安全裕量，因此有时显得富裕，有时显得不

52、足。 等面积补强准则的优点是有长期的实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全，因此不少国家的容器设计规范主要采用该方法，如ASME-1和GB150等。（2） 极限分析补强该法要求带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。2.5.3 允许不另行补强的最大开孔直径压力容器常常存在各种强度裕量，例如接管和壳体实际厚度往往大于强度需要的厚度；接管根部有填角焊缝；焊接接头系数小于1但开孔位置不再焊缝上。这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔出的最大应力。因此，对

53、于满足一定条件的开孔接管，可以不予接管。GB150规定，当在设计压力小于或等于3.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm时，只要接管最小厚度满足要求就可不另行补强。2.6 密封装置设计压力容器的可拆密封装置形式很多，如中低压容器中的螺纹连接，承插式连接和螺栓法兰连接等，其中以结构简单，装备比较方便的螺栓法兰连接最为普通。螺栓法兰连接主要由法兰，螺栓和垫片组成，螺栓作用有两个：一是提供预紧力实现初始密封，并承担内压产生的轴向力；二是使螺栓法兰连接变成可拆连接。垫片装在两个法兰中间，作用是防止容器发生泄漏。法兰上有螺栓孔，以容纳螺栓。螺栓

54、力，垫片反力与作用在筒体中面上的压力载荷不再同一直线上，法兰受到弯矩的作用，会发生弯曲变形。螺栓法兰连接设计的一般目的是：对于已知的垫片特性，确定安全，经济的法兰和螺栓尺寸，使接头的泄漏率在工艺和环境允许范围内，使接头内的应力在材料允许范围内，即确保密封性和结构完整性。2.6.1 密封机理 流体在密封口泄漏有两条途径，一是渗透泄漏，即通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏，除了受介质压力，温度，粘度，分子结构等流体状态性质影响外，主要与垫片的结构与材料性质有关，可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来避免渗透泄漏；二十界面泄漏，即沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主

55、要与界面间隙尺寸有关。压紧面就是指上，下法兰与垫片的接触面。加工时压紧面上凹凸不平的间隙及压紧力不足时造成界面泄漏的直接原因。界面泄漏时密封失效的主要途径。防止流体泄漏的基本方法是密封口增加流体流动的阻力，当介质通过密封口的阻力越大，约有利于密封。螺栓法兰连接的整个工作过程可用尚未预紧工况，预紧工况与操作工况来说明。2.7 焊接接头结构压力容器各受压部件的组装大多采用焊接方式，焊缝的接头形式和坡口形式的计算直接影响到焊接的质量与容器的安全，因而必须对容器焊接接头的结构进行合理设计。2.7.1 焊接接头形式 焊缝系指焊件经焊接所形成的结合部分，而焊接接头时焊缝，熔合线和热影响区的总称。焊接接头形

56、式一般由被焊接两金属件的相互结构位置来决定，通常分为对接接头，角接接头及T字接头，搭接接头。（1） 对接接头系两个相互连接零件在接头处的中间处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。这种焊接接头受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证，因此，是压力容器中最常用的焊接结构形式。（2） 角接接头和T型接头系两个相互连接零件在接头处的中间相互垂直或相交成某一角度进行焊接的接头。两构件成T字形焊接在一起的接头，叫T型接头。角接接头和T字接头都形成角焊缝。角接接头和T型接头，在街头处构件结构是不连续的，承载后受力状态不如对连接头，应力集中比较严重，且焊接质量也不易得到保证。但是在容器的某些特

57、殊部位，由于结构的限制，不得不采用这种焊接结构，如接管，法兰，夹套，管板和凸缘的焊接，多为角接接头或T型接头。（3） 搭接接头系两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中间相互平行，进行焊接接头。搭接接头的焊缝属于角接缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受力情况较差。在压力容器中，搭接接头主要用于加强圈与壳体，支座垫板与器壁以及凸缘与容器的焊接。2.7.2 坡口形式为了保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般需将焊件连接处预先加工成各种形式，称为焊接坡口。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。其中的坡口形式有5种，即I形，V形，V单边形，U形和，J形，

58、基本坡口可以单独应用，也可以两种或两种以上组合使用，如X形坡口是由两个V形坡口和一个I形组成而成。压力容器用对接接头，角接接头和T型接头，施焊前，一般应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。2.7.3 压力容器焊接接头分类 为了对不同类别的焊接接头对口错边量，热处理，无损检测，焊缝尺寸等方面有针对性的提出不同的要求，GB150根据焊接接头在容器上的位置，即根据该焊接接头所连接两元件的结构类型以及由此而确定的应力水平，把压力容器中受压部位的焊接接头分成A,B,C,D四类。 圆筒部分的纵向接头，球形封头与圆筒连接的环向接头，各类凸形封头中的所有焊接接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头，均属类接

59、头。壳体部分的环向接头，锥形封头小端与接管连接接头，长颈法兰与接管连接的接头，均属类焊接接头，但已规定为A，C，D类的焊接接头除外。平盖，管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体，接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头。均属类焊接接头。接管，人孔，凸缘，补强圈等于壳体连接的接头，均属类焊接接头，但已规定为A，B类的焊接接头除外。 3换热器结构计算3.1 壳程圆筒计算 3.1.1 圆筒厚度计算筒体材料16MnR设计压力c2.06MPa设计温度T s=231.00壳程圆筒内径Di=900.00mm钢板负偏差C1=0.00mm腐蚀裕量C2=1.00mm焊接接头系数=0.8

60、5设计温度下许用应力t=161.32 MPa计算厚度设计厚度名义厚度n=d + C1+=7.81+0+=8.00mm由钢材标准规格可取n=8.00mm有效厚度e=n-C1-C2=7.00 mm3.1.2 液压试验校核内径Di=900.00mm焊接接头系数=0.85设计压力 c2.06MPa筒体有效厚度e=7.00mm操作温度下许用应力=170.00MPa设计温度下许用应力t=161.32MPa试验温度下屈服点s=345.00MP试验压力值压力试验允许通过的应力试验压力下圆筒的应力因为所以合格。3.1.3 压力及应力计算圆筒的最大许用压力因为=2.06MPa所以合格。设计温度下计算应力因为所以合

61、格。3.2 前端管箱筒体计算 3.2.1 厚度计算筒体材料Q235-B设计压力c0.10MPa设计温度T s=182.00壳程圆筒内径Di=900.00mm钢板负偏差C1=0.60mm腐蚀裕量C2=0.00mm焊接接头系数=0.85设计温度下许用应力t=107.88MPa计算厚度设计厚度d=+ C2=0.49+0.00=0.49mm名义厚度n=d + C1+=0.49+0.6+=2.00mm由钢材标准规格可取n=6.00mm有效厚度e=n-C1-C2=5.40 mm3.2.2 液压试验校核内径Di=900.00mm设计压力 c0.10MPa焊接接头系数=0.85筒体有效厚度e=5.40mm设计

62、温度下许用应力t=107.88MPa操作温度下许用应力=113.00MPa试验温度下屈服点s=235.00MPa试验压力值压力试验允许通过的应力试验压力下圆筒的应力因为所以合格。3.2.3 压力及应力计算圆筒的最大许用压力因为=0.10MPa所以合格。设计温度下计算应力因为所以合格。3.3 后端管箱筒体计算 3.3.1 厚度计算筒体材料Q235-B设计压力c0.10MPa设计温度T s=182.00壳程圆筒内径Di=900.00mm钢板负偏差C1=0.60mm腐蚀裕量C2=0.00mm焊接接头系数=1.00设计温度下许用应力t=107.88 MPa计算厚度设计厚度d=+ C2=0.42+0.00=0.42mm名义厚度n=d + C1+=0.42+0.60+=2.00mm由钢材标准规格可取n=6.00mm有效厚度e=n-C1-C2=5.40mm3.3.2 液压试验校核内径Di=900.00mm设计压力 c0.10MPa焊接接头系数=1.00筒体有效厚度e=5.40mm操作温度下许用应力=113.00MPa设计温度下许用应力t=107.88MPa试验温度下屈服点s=235.00MPa试验压力值压力试验允许通过的应力试验压力下圆筒的应力因为