蒸汽过热器毕业设计

PAGEPAGE35摘要本文依据国家相关规范、标准，严格遵循GB151-99和GB150-98，着重介绍了U型管式换热器的传热工艺的计算，及物料与结构因素对换热能力的影响和换热器的机械设计，包括工艺结构与机械结构设计和换热器受力元件如管板的受力计算和强度校核，以保证蒸汽过热器安全运行，其中，前者主要是确定有关部件的结构形式，结构尺寸和零件之间的连接，如封头、接管、管板、折流板等的结构形式和尺寸，管板与换热管、壳体、管箱的连接等。还介绍了U型管式换热器的制造、检验、安装和维修时应注意的事项。关键词：蒸汽过热器传热计算结构设计强度校核AbstractThisthesisisbasedonrelevantnational,standards,andstrictlyfollowstheGB151-99andGB150-98,emphaticallyintroducesthecalculationofheattechnologicprocessofU-tubeheatexchangers,theeffectwiththefluidsandstructureofheatexchanger,anddesignofkindsofmechanicalstructure,includingstructureoftechnologicprocessandmechanicalstructureandtheloadingconditionsofobjectsofheatexchangerandstrengthcheck,suchas,tubesheet,aimedtomaketheheatexchangersworksafely,theformerismostlyrelatedtocomponentstructuralformanddimension,suchasVesselHead,nozzle,tubesheet,andbaffleplate,andsoon.Anditalsoinvolvesconnectionbetweentubesheetandaccessories,shellandchannel.Besidesitalsointroducessomeeventstotakingintoaccountwhenmanufacturing,inspecting,installingandmaintaining.Keywords:Steamsuperheater;Calculationofheattransfer;Designofstructure;Strengthcheck目录TOC\o"1-3"\f\u摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1概述 11.2换热器在工业中的应用 11.3换热器研究现状及发展方向 21.3.1研究现状 21.3.2发展趋势 31.4设计任务及思想 41.4.1设计任务 41.4.2设计思想 4第2章工艺计算及结构设计 52.1确定物性参数 52.2确定热流量 72.2.1平均传热温差 72.2.2热流量 72.3工艺结构尺寸 82.3.1管径和管内流速 82.3.2管程数和传热管数 82.3.3平均传热温差校正 92.3.4传热管排列 92.3.5筒体 92.3.6折流板 102.3.7其他附件 112.3.8接管 112.3.9鞍座设计 122.4校核传热系数及换热面积 122.4.1壳程表面传热系数 122.4.2管内表面传热系数 122.4.3污垢热阻和管壁热阻 132.5换热器主要参数 14第3章结构及强度计算 153.1U型管换热器基本参数 153.1.1原始数据 153.1.2布管限定圆 153.2壳体设计及检验 153.2.1壳程筒体壁厚 153.2.2筒体壁厚检验 163.2.3壳程筒体封头厚度的计算 173.2.4折流板设计及检验 173.2.5验证U型管的尾部支撑 173.3管箱设计 183.3.1管箱短节设计 183.3.2管箱短节壁厚检验 183.3.3管箱封头设计 193.3.4管箱法兰设计 193.4管板设计计算 203.5分程隔板的设计 223.6拉杆与定距管的设计 223.7开孔和开孔补强设计 233.7.1壳程进出口接管补强计算 233.7.2管箱短节进出口接管补强计算 26第4章安装使用及维修 284.1安装 284.2维护和检修 294.3设备施工中常见错误的一些解决方案 304.3.1设备施工中管口错误的解决方案 304.3.2材料选择与代用 304.3.3试压 314.3.4容器加工 31结论 32参考文献 33致谢 34第1章绪论1.1概述蒸汽过热器是管壳式换热器的一种，是以煤为原料的合成氨氮肥装置中的主要设备。该设备用合成反应气来加热蒸汽，既便于合成反应气达到下一道工序的温度要求，同时使蒸汽的焓值升高，从而生成过热蒸汽，达到节能增效的目的。换热器在日常生活中随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。因此换热器的研究也备受世界各国政府及研究机构的高度重视。随着研究投入的加大，一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件也随之诞生。随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成就，社会效益得到了显著提高，缓解了能源紧张问题。换热设备是使热量从热流体传递到冷流体的设备，使化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、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%。1.2换热器在工业中的应用在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给稳到较低的流体，使流体温度达到工艺流程的指标，以满足工业流程上的需要。由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。近几十年来，紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等得到发展。目前国内使用的换热器多为列管换热器和螺旋板换热器。它的主要特点是管内外换热面积相等。这样当交换系数相差较大的交换介质在管内外进行热量交换时，由于其不平恒性而达不到理想的交换目的，换热效率相对较低。虽然现在出现大量结构紧凑高效的换热设备，例如：波纹板换热器、板翅式换热器、螺旋板换热器、伞板换热器等，但在各行业的换热设备中，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、高合金钢、铝材、铜材、钛材等)，换热表面清洗较方便，适应性强，处理能力大，特别是能承受高温和高压等特点，所以管壳式换热器被广泛应用于化工、炼油、石油化工、制药、印染以及其它许多工业中，它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等方面。管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。管壳式换热器在结构设计时，必须考虑许多因素，例如传热条件、材料、介质压力、温度、管壳程壁温温差、介质结垢情况、流体性质以及检修和清洗条件等等，从而确定一种适合的结构形式。对于同一种形式的换热器，由于各种不同工况，往往采用的结构并不相同。在工程设计中，应按其特定的条件进行分析设计，以满足工艺需要。新型换热设备结构及材料研究及过程装备CAD/CAE/CAM技术研究方向以工程流体力学、传热学、应用力学为理论基础，集过程、工艺、结构于一系统之中，进行了优化与综合研究，推出了传统挡板管壳式换热器的换代产品。首次系统地研究和论述了“纵流壳程换热器”的流体力学、传热性能及强化机理，组合结构的设计强度分析，强化换热管及管束制造，结构性能的模糊优化，管束的动力和计算机辅助设计及仿真模拟技术。从理论上为新型“纵流壳程换热器”技术的发展与工程应用奠定坚实基础。八十年代中至今，主要从事新型管壳式换热器的研究工作。由于传统的挡板式横向流壳程管壳式换热器，它的高度可靠性和广泛适应性，是其它板式高效换热器所不能替代的。因此，至今它仍在工业生产中占主要地位。在日本其产量占全部换热器的70％，在我国高达90％以上。但它却存在传热效率低、流体流动阻力大和易产生诱导振动等缺点。因此进一步研究开发新型高效节能管壳式换热器，无论在理论和在工程实践中均有重要意义。此项成果将直接产生巨大经济效益和社会效益。1.3换热器研究现状及发展方向20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用的提高。各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展、私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受关注。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高给换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。1.3.1研究现状美国传热研究公司（HeatTransferResearchInc.）即HTRI，是1962年发起组建的一个国际性、非赢利的合作研究机构。在传热机理、两相流、振动、污垢、模拟及测试技术方面做出了重要贡献。近年来，该公司在计算机应用软件开发上发展很快，所开发的网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算精度准确，不仅节省了人力，提高了效率，而且提高了技术经济性能。英国传热及流体服务中心（HeatTransferandFluidFlowService）即HTFS，于1967年成立，隶属于英国原子能管理局。该公司长期从事传热与流体课题的研究，所积累的经验和研究成果不仅广泛应用于原子能工业，而且用于一般工业。最大特点是与各大学和企业合作，进行专门的课题研究，研究成果显著。在传热与流体计算上更准确，开发的HTFS、TASC各类换热器微机计算软件备受欢迎。国内各研究机构和高等院校研究成果不断陈列出新，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等；天津大学在流路分析法、振动等方面研究成果显著；清华大学在板片传热方面有深入的研究；在强度软件方面化工设备设计技术中心站开发出SW6等；这些技术成果为国民经济快速发展，为中国炼油、化工工业的发展起到了重要作用，也使中国的传热技术水平步入国际先进水平。1.3.2发展趋势物性模拟研究换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟。其基础来源于实验室实际工况的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。有时实验室与实际工况差别较大，为此，要求物性模拟在实验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器设计更加精确，材料更节省。分析设计的研究分析设计是近代发展的一门新兴学科，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，使得给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动。大型化及能耗的研究换热器将随装置大型化而大型化，紧凑型换热器将越来越受到欢迎。当今换热器的发展将振动损失逐渐克服，高温、高压、安装、可靠地换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。强化技术研究各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术，微生物传热技术、磁场动力传热技术在新的世纪得到研究和发展。新材料研究材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。控制结垢即腐蚀的研究随着节能、增效要求提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。通过对污垢的形成机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这将传热效率的提高将带来重大突破。1.4设计任务及思想1.4.1设计任务设计一台蒸汽过热器，设计条件如下：壳程管程物料名称蒸汽合成反应气介质性质无毒易燃易爆，中度毒性设计压力（MPa）4.66工作压力（MPa）3.755.5工作温度（ºC）248.2/400443.1/416.3设计温度（ºC）400450换热面积（m2）105程数12使用寿命12年结构型式BIU1.4.2设计思想设计应遵循优质、高产、安全、低耗的原则，尽可能采用先进的技术、最新的国家与行业标准，以满足技术先进，经济合理之要求，具体可概括为：（1）根据GB151-1999《钢制压力容器》与压力容器用钢等国家标准进行设计。（2）满足工艺和操作要求。所设计的流程和设备应确保得到质量稳定的产品，同时所设计的流程与设备要具有一定的操作弹性，以期方便地对流量和传热量进行调节。（3）满足经济上的要求。设计省热能和电能的消耗，减少设备与基础的费用，选择合适的回流比，节省水蒸汽，设计时要全面考虑，力求总费用尽可能的低。（4）保证生产安全。所设计的换热器应具有一定的刚度和强度，设计中应根据设计压力确定壁厚,再校核其他零件的强度,进行水压试验，并保证容器具有足够的腐蚀裕度。第2章工艺计算及结构设计2.1确定物性参数定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值[1]。故壳程蒸汽的定性温度为：℃管程合成反应气的定性温度为：℃根据定性温度，分别查取计算壳程和管程流体的有关物性数据合成反应气的组分及比例见表2-1。表2-1合成反应气组分比例表组分合计含量%11.783.2744.3316.160.2724.19100根据表2-1以及化学化工物性数据手册[2]查得各组分在定性温度下的物性参数，见表2-2。表2-2物性参数表组分比热密度粘度导热系数1042.2294.130.0491112.1457.820.050146043.860.331096.2557.850.0513974.9133.690.112838.941.340.0766根据查得的物性参数及常用化工单元设备的设计[3]关于混合气体的计算公式计算合成反应气的各项物性参数。的摩尔分率为：的摩尔分率为：的摩尔分率为：的摩尔分率为：的摩尔分率为：的摩尔分率为：合成反应气物性参数计算公式为：（2-1）（2-2）（2-3）（2-4）按式（2-1）计算得出合成反应气密度为：按式（2-2）计算得出合成反应气粘度为：按式（2-3）计算得出合成反应气比热为：按式（2-4）计算得出合成反应气导热系数为：则有：蒸汽在324.1℃，4.6下的物性数据如下：密度定压比热容导热系数粘度合成反应气在429.7℃，6下的物性数据如下：密度定压比热容导热系数粘度2.2确定热流量2.2.1平均传热温差先按照纯逆流计算，根据式（2-5）计算（2-5）得：℃2.2.2热流量为求得热流量，需先求出传热系数K，而K值又与给热系数、污垢热阻等有关。在换热器的直径、流速等参数均未确定时，给热系数也无法计算，所以只能进行试算。假设，则估算的热流量根据式（2-6）计算（2-6）为：根据热流量可求出壳程蒸汽及管程合成气的流量分别为：2.3工艺结构尺寸2.3.1管径和管内流速换热管有光管、焊接管、螺纹管、波节管、波纹管、三维内外肋管等。在没有特殊要求的情况下，一般选用光管因为光管加工方便、价格便宜，本装置采用光管。选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过规定的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有及两种规格的管子。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。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。我国生产的标准钢管长度为，当选取管长时，应根据钢管长度规格，合理裁减，避免材料的浪费。本装置的换热管采用的光管。取管内流速。2.3.2管程数和传热管数可依据传热管内径和流速按式（2-7）确定（2-7）则单程传热管数：（根）所需的传热管长度按式（2-8）确定（2-8）为：根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长。2.3.3平均传热温差校正平均温差校正系数有：，根据单壳程，双管程结构，查GB150[4]得：则平均传热温差为：℃2.3.4传热管排列换热管外径为，查GB151[5]得最小换热管最小弯曲半径为，取离分程隔板最近一排的换热管弯曲半径为，由分程隔板向上每一排布管的弯曲半径相等。U型换热管段弯曲前的最小壁厚按式（2-9）确定（2-9）有：换热管采用正方形排列。取管心距，则，换热管排列方式见装配图中的布管图。2.3.5筒体（1）一般来说，换热器的壳体和管箱公称直径大于400mm时，其筒体使用板材卷制。当换热器的公称直径小于等于400mm时，其筒体使用管材制作。（2）壁厚的确定筒体壁厚应按照文献[4]进行强度计算。规定壳体最小厚度的目的是为了增加壳体刚性，减少变形，以利于管板和管束的安装，尤其是浮头换热器的壳体由于得不到管板的加强又需要拆卸，故保证最小厚度更为重要。筒体的有效厚度及名义厚度在强度计算中确定。由于本过热器采用双管程结构，壳体内径可按下式估算。取管板利用率，则壳体内径按式（2-10）计算（2-10）为：按U型管换热器壳体标准直径系列，可取。2.3.6折流板列管式换热器的壳程流体流通截面积大，在壳程流体属对流传热条件时，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需要设置折流板。折流板有横向折流板和纵向折流板两类[6]，单壳程的换热器仅需设置折流板，横向折流板同时兼有支承传热管，防止产生振动作用。管壳式换热器中常用的折流板形式如图2-1：图2-1常用折流板形式管壳式换热器常用的有弓形和盘环形。在弓形折流板中，流体在板间错流冲刷管子，而流经折流板弓形缺口时是顺流经过管子后进入下一板间，改变方向，流动中死区较少，比较优越，结构比较简单，一般标准换热器中只采用这种。盘环形折流板制造不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。而且要求介质必须是清洁的，否则沉淀物将会沉积在圆环后面，是传热面积失效，此外，如有惰性气体活溶解气体放出是，不能有效地从圆环上部排出，所以一般用于压力比较高而又清洁的介质。因此，采用单弓形折流板。去弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：，可取。取折流板间间距为：，取。折流板数目：其中一个折流板不去圆缺，如装配图中所示。按化工单元过程及设备课程设计中关于折流板厚度的规定，取折流板厚度为8。2.3.7其他附件查文献[5]中关于拉杆与定距管的相关规定，选择拉杆直径，本换热器壳体内径为700，拉杆数量取为6根。根据文献[5]设置中间挡板2块，中间挡板设置在U型管束的中间通道处，并与折流板点焊固定。见装配图。2.3.8接管接管内径按式（2-11）计算：（2-11）壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为，则接管内径为圆整后取管内径为。管程流体进出口接管：取接管内气体流速，则接管内径为圆整后取管内径为。2.3.9鞍座设计该设备为卧式换热器，由于筒体直径，根据JB/T4712[7]选BI型重型鞍式支座：BI700-F/S，材料选用Q235-B。安装尺寸根据JB/T4717[8]中相关规定取值，其中，，根据文献[5]中相关规定，取，。见装配图。2.4校核传热系数及换热面积2.4.1壳程表面传热系数用克恩法[9]按式（2-12）计算：（2-12）当量直径为：壳程流通截面积为：壳程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数为：粘度校正 根据（2-12）计算出壳程表面传热系数有：2.4.2管内表面传热系数根据式（2-13）计算：（2-13）管程流体流通截面积为：管程流体流速及雷诺数为：普朗特数为：根据式（2-18）计算出管程表面传热系数为：2.4.3污垢热阻和管壁热阻取管外侧污垢热阻，管内侧污垢热阻。管壁热阻按式（2-14）计算：（2-14）根据文献[3]，碳钢在该条件下的热导率为，根据文献[9]按式（2-15）计算传热系数（2-15）为：校核传热系数有：，K值符合条件。校核传热面积，计算传热面积为：该换热器的实际传热面积为：该换热器的面积裕度为：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.5换热器主要参数换热器主要结构尺寸及参数见表2-1：表2-1换热器参数参数管程壳程进/出口温度/℃443.1/416.3248.2/400压力/MPa64.6物性参数定性温度/℃429.7324.1密度/（kg/m3）8.4518.68定压比热容/[kj/（kg•k）]13.422.76粘度/（Pa•s）热导率（W/m•k）0.280.054普朗特数1.0691.071设备结构参数形式U型管式壳程数1壳体内径/㎜700台数1管径/㎜Φ25×2.5管心距/㎜32管长/㎜6000管子排列正方形管数目/根129折流板数/个12传热面积/㎡121.5折流板间距/㎜450管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）16.533.86表面传热系数/[W/（㎡•k）]3960337污垢热阻/（㎡•k/W）0.000520.00009热流量/KW2024.19传热温差/K87.2传热系数/[W/（㎡•K）]231裕度/%20.9%第3章结构及强度计算3.1U型管换热器基本参数3.1.1原始数据蒸汽过热器设计原始数据见表3-1：表3-1原始数据名称设计压力MPa设计温度℃焊接系数腐蚀裕量mm换热面积m2容器类型管程645012105Ⅱ壳程4.640012根据第一章计算结果，参照换热器设计手册[10]，选择标准换热器，型号为，基本参数见下表3-2：表3-2换热器基本参数筒体公称直径DNmm换热管根数n换热管外dmm中心排管数管程流通面积m2传热面积m2管程数N70012925190.411119.42实际换热面积为。3.1.2布管限定圆查文献[5]可知布管限定圆直径按式（3-1）计算：（3-1）其中，但一般不小于8mm，故取，则有：，取。3.2壳体设计及检验3.2.1壳程筒体壁厚由工艺设计选择设计温度400℃，设计压力4.6MPa，选用低合金结构钢板16卷制，查得材料在400℃时许用应力，；焊缝系数=1，腐蚀裕度；对16钢板的负偏差，根据过程设备设计[11]内压圆筒计算厚度公式（3-2）计算：=（3-2）有下列结果：计算厚度：；设计厚度：；名义厚度：，圆整取；有效厚度：。3.2.2筒体壁厚检验应力校核设计温度下壳体圆筒的计算应力按式（3-3）计算（3-3）为：而由于，故筒体名义厚度满足条件。设计温度下最大允许工作作压力校核设计温度下圆筒的最大允许工作压力按式（3-4）计算（3-4）为：由于，故筒体名义厚度满足条件。水压试验应力校核：查得实验温度下的许用应力为，试验压力按式（3-5）计算：（3-5）有：圆筒的薄膜应力按式（3-6）计算（3-6）有：而由于，故水压试验合格。3.2.3壳程筒体封头厚度的计算查标准JB/T4746[12]中表1，得公称直径，选用标准椭圆形封头，长短轴比值为2，根据文献[4]按式（3-7）计算椭圆形封头厚度：（3-7）有：焊缝系数=1，腐蚀裕度；对16钢板的负偏差，则有：封头的名义厚度为：；取封头名义厚度与壳体名义厚度相等，取为。封头参数见表3-3：表3-3封头参数表公称直径DNmm总深度Hmm内表面积A容积质量Kg7002000.58610.054575.33.2.4折流板设计及检验根据2.3.6有，折流板数目为12，间距，根据文献[3]中关于换热管最大无支撑跨距的规定，外径为25的换热管最大无支撑跨距为1850mm，，且有，满足要求。折流板材料选用，此时折流板的最小厚度为5mm，取折流板的厚度为6mm，满足要求。3.2.5验证U型管的尾部支撑根据文献[5]中U型管换热器规定，靠近弯管段起支撑作用的折流板，如下图，结构尺寸A+B+C之和应不大于最大无支撑跨距，超过表中数值时，应在弯管部分加特殊支撑。图3-1U型管的尾部支撑参照本设计U型管换热器装配图有：，，；则有：，故满足条件，不需要另行设置特殊支撑。3.3管箱设计3.3.1管箱短节设计管箱壁厚计算：管箱材料取为，查文献[4]得，。焊缝系数=1，腐蚀裕度，钢板的负偏差。则有：计算厚度：；设计厚度：；名义厚度：，圆整取；有效厚度：。3.3.2管箱短节壁厚检验应力校核设计温度下管箱短节的计算应力按式（3-3）计算为：由于，故筒体名义厚度满足条件。设计温度下最大允许工作作压力校核设计温度下圆筒的最大允许工作压力按式（3-4）计算为：由于，故筒体名义厚度满足条件。水压试验应力校核：查得实验温度下的许用应力为，试验压力按式（3-5）计算：圆筒的薄膜应力按式（3-6）计算由于，故水压试验合格。3.3.3管箱封头设计选用标准椭圆形封头，长短轴比值为2，公称直径，封头材料选用，，，焊缝系数=1，腐蚀裕度，钢板的负偏差。根据式（3-7）计算：则有封头的名义厚度为：；取封头名义厚度与管箱筒体名义厚度相等，取为。3.3.4管箱法兰设计长颈对焊法兰与壳体之间为对接焊缝，连接强度很好，且可以采用各种方法进行焊缝质量检查，加之有颈部支撑，使其具有较好的刚性，不易变形而发生泄露，本设计采用此种法兰。参考JB4703-2000[13]采用带颈对焊法兰，凹凸面密封，参数见下表3-4：表3-4法兰参数表N法兰DD1D2D3D4HhaRd7009508808298198169018048262326421839螺柱采用M36,数量为32个；管箱法兰垫片根据JB/T4704-2000[14]选型，基本参数见表3-5：表3-5垫片尺寸公称压力MPa4公称直径mmDd700787737图3-2管箱法兰3.4管板设计计算管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体连接外，还是换热器中的一个主要受压元件。它或者与筒体直接相焊（固定管板式换热器），或者被夹持在两法兰之间，起着管、壳程之间隔板和固定管板换热的双重作用。对管板的设计，除了满足强度要求外，同时应合理的考虑其结构设计。管板与壳程圆筒、管箱圆筒之间可以有不同的连接方式，本U型管换热器采用a型连接方式。管板材料采用16MnR，查得在设计温度下的许用应力为：，。按照文献[3]中关于U型管换热器a型连接方式的计算步骤计算有：壳程圆筒壁厚，管箱圆筒壁厚为，换热管管长，中心排管数为19，换热管外径，排列方式为正方形。（a）根据布管尺寸计算，根据法兰密封面形式和垫片尺寸计算计算。按式（3-8）进行计算（3-8）根据垫片尺寸及法兰密封面可知，，则根据公式（3-8）计算得：（b）按式（3-9）计算（3-9）以查表得根据文献[5]中表22查得。（c）确定管板设计压力，管程与壳程压力同时作用下，有：。（d）按式（3-10）计算管板计算厚度：（3-10）厚度附加量，则名义厚度为：圆整为。（e）计算换热管轴向应力换热管材料选用20号碳素钢钢管，其在设计温度下的需用应力为，换热管与管板间采用强度焊接连接。换热管轴向应力按式（3-11）计算：（3-11）其中：按下列三种工况分布计算换热管的轴向应力：只有壳程设计压力，管程的设计压力为时，根据公式（3-11）：只有管程设计压力，壳程设计压力时，根据公式（3-11）：壳程设计压力和管程设计压力同时作用时，根据公式（3-11）：不同工况下的计算结果均满足，故换热管满足轴向应力强度要求。（f）换热管与管板连接的拉脱力按式（3-12）进行计算：（3-12）取不同工况下换热管的最大轴向应力计算，若最大轴向应力满足要求则换热管与管板的拉脱离满足强度要求，有：按文献[5]中关于的规定，有：，根据计算结果有，则换热管与管板连接的拉脱力满足强度要求。3.5分程隔板的设计管箱隔板一边与管箱封头进行配合，另一边与固定管板的槽面进行连接。他起着改变介质流向，缩小单程流通面积，延长流动距离，增加换热时间的作用。根据文献[3]中关于分程隔板的规定，规定隔板最小厚度为10mm，取隔板厚度为12mm。3.6拉杆与定距管的设计拉杆的作用是与定距管配合将换热器的管束上的折流板连接固定起来，防止窜动。拉杆的一端靠螺扣旋入管板中固定，它从数块折流板中间的拉杆孔中穿过，另一端用螺母固定在支持板上。拉杆结构见图3-3。为了使各块折流板间距符合设计要求，均匀受力，保证折流板与换热管垂直，就需要在一个管束中布置一定数量的拉杆。但拉杆又位于布管区内，一根拉杆就要占一跟换热管的位置。因此拉杆的布置既要合理，数量又不能太多。拉杆直径的选择与换热管外径有关，拉杆数量则视换热器的直径而定。拉杆应尽量布置在管束的边缘，对于大直径的换热器，不布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于三个支承点。由2.3.7知拉杆直径，拉杆数量取为6根。拉杆尺寸见下表3-6：表3-6拉杆尺寸表拉杆直径d拉杆螺纹公称直径dnLaLbb161620602.0拉杆孔直径为。定距管的作用是将折流板之间的距离固定下来，并保持它与换热管垂直。当换热管外径大于等于19mm时，定距管外径与换热管相同。取25mm。3.7开孔和开孔补强设计由2.3.8知，壳程进出口接管管内径为，管箱短节处进出口接管管内径为。选用20号碳素钢，查得个接管管口法兰尺寸见表3-7：表3-7接管管口法兰参数DN钢管外径连接尺寸法兰厚度法兰高度法兰颈高法兰理论重量法兰外径螺栓孔中心圆直径螺纹规格螺栓孔数量200219340295M20824621631.3250273395350M201226701635.4图3-3拉杆结构图3.7.1壳程进出口接管补强计算壳体进出口接管开孔，外伸高度为150mm。计算压力4.6MPa，设计温度400℃。壳体型式为圆形筒体，壳体材料为16MnR,壳体开孔处焊缝街头系数为1mm。壳体内直径为700mm。壳体开孔处名义厚度为16mm。壳体厚度负偏差C1为0，腐蚀裕量C2为2mm，接管材料20号碳素钢。其在设计温度下的许用应力为。接管腐蚀裕量2mm。开孔直径为，由于，故可采用等面积法进行补强计算。计算中符号：—开孔削弱所需要的补强截面积，；—补强面积，；—壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，；—接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，；—焊缝金属面积，；—补强有效宽度，—开孔直径，圆形孔取接管内径加两倍厚度附加量，—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值，当该比值大于1.0时，取；—接管外侧有效补强高度，；—接管内侧有效补强高度，；—壳体开孔处的计算厚度，；—壳体开孔处的有效厚度，；—接管有效厚度，；—壳体开孔处的名义厚度，；—接管名义厚度，；—接管计算厚度，；—设计温度下接管材料的许用应力，；—设计温度下壳体材料的许用应力，。补强面积按式（3-13）计算：（3-13）式中：壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数根据式（3-13）有：有效补强范围：有效宽度B按下式计算，取二者最大值由以上计算B取5内外侧有效高度分别按下式计算并去其中最小者：取取壳体多余金属面积为：接管多余金属面积为：焊脚取6焊缝金属面积为：则有效补强面积为：因为，所以开孔需另行补强另行补强面积为补强圈设计：根据接管公称直径选补强圈，参照补强圈标准JB/T4736[15]取补强圈外径内径，因，补强圈在有效补强范围内。补强圈厚度按式（3-14）计算：（3-14）取实际补强圈厚度，满足补强面积要求。3.7.2管箱短节进出口接管补强计算管箱短节处进出口接管开孔，外伸高度为150mm。计算压力6MPa，设计温度450℃。壳体型式为圆形筒体，壳体材料为，壳体开孔处焊缝街头系数为1mm。壳体内直径为700mm。壳体开孔处名义厚度为20mm。壳体厚度负偏差C1为0，腐蚀裕量C2为2mm，接管材料20号碳素钢。其在设计温度下的许用应力为。接管腐蚀裕量2mm。由于，故可采用等面积法进行补强计算：式中：壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数接管计算厚度按式（3-17）有：。有效补强范围：有效宽度B按下式计算，取二者最大值由以上计算B取4内外侧有效高度分别按下式计算并去其中最小者：取取壳体多余金属面积为：接管多余金属面积为：焊脚取6焊缝金属面积为：则有效补强面积为：因为，所以开孔需另行补强另行补强面积为补强圈设计：根据接管公称直径选补强圈，参照文献[15]取补强圈外径内径，因，补强圈在有效补强范围内。根据式（3-14）计算得补强圈厚度为：取实际补强圈厚度与筒体等候，，满足补强面积要求。第4章安装使用及维修4.1安装安装换热器的基础必须足以使换热器不发生下沉，或使管道把过大的变形传到换热器的接管上。基础一般分为两种：一种为砖砌的鞍形基础，换热器上没有鞍式支座而直接放在鞍形基础上，换热器与基础不加固定，可以随着热膨胀的需要而自由移动。另一种为混凝土基础，换热器通过鞍式支座由地脚螺栓将其与基础牢固地连接起来。在安装换热器之前应严格地进行基础质量的检查和验收工作，主要项目如下:基础表面概况、基础标高、平面位置、形状和主要尺寸以及预留孔是否符合设计要求，地脚螺栓的位置是否正确，螺纹情况是否良好，螺帽和垫圈是否齐全，放置热铁的基础表面是否平整等。基础验收完毕后，在安装换热器之前应在基础上放垫铁，安放垫铁处的基础表面必须铲平，使两者能很好接触。垫铁厚度可以调整，使换热器能达到设计的水平度和标高。垫铁放置后可增加换热器在基础上的稳定性，并将其重量通过垫铁均匀地传递到基础上去。垫铁可分为平垫铁、斜垫铁和开口垫铁。其中，斜垫铁必须成对使用。地脚螺栓两侧均应有垫铁，垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。换热器就位后需用水平仪对换热器找平，这样可使各接管都能在不受力的情况下连接管道。找平后，斜垫铁可与支座焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。当两个以上重叠式换热器安装时。应在下部换热器找正完毕，并用地脚螺栓充分固定后，再安装上部换热器。可抽管束换热器安装前应抽芯检查、清扫，抽管束时应注意保护密封面和折流扳。移动和起吊管束时应将管束放置在专用的支承结构上，以避免损伤换热管。根据换热器的结构形式，应在换热器的两端留有足够的空间来满足操作、清洗、维修的需要。浮头式换热器的固定头盖端应留出足够的空间以便能从壳体内抽出管束。外头盖端必须也留出一米以上的位置以便装拆外头盖和浮头盖。固定管板式换热器的两端应留出足够的空间以便能抽出和更换管子。并且，用机械法清洗管内时，两端都可对管子进行刷洗操作。U形管式换热器的固定头盖应留出足够的空间以便抽出管束。也可在其相对的一端留出足够的空间以便能拆卸壳体。换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。应经常对管、壳程介质的温度及压降进行监督，分析换热器的泄漏和结垢情况。管壳式换热器就是利用管子使其内外的物料进行热交换、冷却、冷凝、加热及蒸发等过程，与其它设备相比较，其与腐蚀介质接触的表面积就显得非常大，发生腐蚀穿孔及接合处松弛泄漏的危险性很高，因此对换热器的防腐蚀和防漏的方法也比其它没备要多加考虑。当换热器用蒸汽来加热或用冷水来冷却时，水中的溶解物在加热后，大部分溶解度都会有所提高，而硫酸钙类型的物质则几乎没有变化。冷却水经常循环使用，由于水的蒸发，使盐类浓缩产生沉积或污垢。又因水中含有腐蚀性溶解气体及氯离子等引起设备腐蚀，腐蚀与结垢交替进行，激化了钢材的腐蚀。因此，必须通过清洗来改善换热器的性能。由于清洗的困难程度是随着垢层厚度或沉积物的增加而迅速增大的。所以清洗间隔时间不宜过长，应根据生产装置的特点、换热介质的性质、腐蚀速度及运行周期等情况定期进行检查、修理及清洗。4.2维护和检修为了保证换热器长久正常运行，提高其生产率，必须对设备进行维护与检修。应以预防性维修摆在首位，强调安全预防，以保证换热器连续稳定运转，减少任何可能发生的事故。检修应注意合理施工，检修之前需进行检查和清洗管子，并应拆开管子与管箱的连接处，再将整个管箱全部拆开以确定清洗或检修。应把换热器内的介质，特别是带有腐蚀性或形成聚合物的液体排出。在直立的固定管板换热器中，排液管接头应安装在管板底部，否则不能把壳程的流体全部排出。依据应排流体的性质，流体可排向大气或低压系统。换热器的排水应单独接出而不用支管排放。水平式换热器排污或放空应在折流板和管板底部开口，换热器上应安装阀门以提供反向冲洗。检修换热器时常常需要把换热管从壳体中抽出。但由于腐蚀、结垢等原因，换热管抽出比较用难。这就要求管束抽出装置有足够的抽出或推进力，能适应不同高度的位置变化，并能自动对中，能适应不同的换热器直径变化，机体轻、灵活方便、操作安全。其驱动方式有液压式和机械式。液压式机构体积小，拉或推力大，适合于管束开始抽出或推进时的高负荷。而机械式驱动速度快，适用于在管束抽出或推进一段距离后的快速操作，所以以液压和机械联合驱动为好。换热器由于腐蚀、冲击、振动、应力等原因会造成损坏，主要发生在换热管上。基本上有以下两种情况：（1）换热管出于外界因素而减薄或穿孔，当出现泄漏剑就必须更换管子。把损坏的换热管从管板上拆下来，一般可采用钻削或锐削的方法进行。注意不能损坏管板孔，否则，可能产生泄漏。因此，要采用比管孔直径略小的钻头。如用铣削的方法，则不能将管壁铣穿，留下很簿的一层管广外壁、不仅保护了管孔免受损伤，而且也便于将整根管子抽出。如果是胀接则应先钻孔，除掉胀管头，拔出坏管，然后插入新管再进行胀接。操作中要注意不能让异物嵌人管孔槽中，以免影响随后的胀接、在胀管时，对周围不需更换的管子的胀管处会有影响，听以对周围的管子可轻胀一下。如果是焊接则需先用专用刀具将焊缝刮下，然后拔出坏管。新管的两端应事先退火打磨，管子两端连接部位的内外表面均应清洗干净，管板孔的表面上也应保持干净，换上新管后即可进行胀接或焊接。更换管子是较麻烦的，尤其是开槽的胀管在更换管子时更是麻烦，因此当泄漏的管子不多，而且堵住这些管子对换热器的操作影响不大时。可以采用堵管的方法。最简单的堵管方法是将堵头焊接在泄漏的管子端部。管堵材料的硬度应低丁或等于管子的硬度。管堵的锥度在3-5之间，堵死的管于数量不得超过换热器管程管数的10%。除此之外还有一些更有效的堵管方法。例如，爆炸堵管就是利用炸药爆炸产生的强大冲击波，使堵塞与管子熔融在一起，达到堵死管子的目的；液压堵管的原理是堵头中心孔有充填介质的孔，采用一种特殊的枪对准堵头中心的孔发射一颗子弹。堵头中心的钻孔比子弹略小，当子弹射到孔中时，因为液体不可压缩，从而产生很高的液体静压，将堵头牢牢胀接在管子内壁上。而子弹则因失去能量而自动掉出来。堵头外表面加工有若干环形沟槽。有助于堵头与管子的固定，而且可以消除管子内表而可能腐蚀而产生的渗漏通道。（2）由于温度变化产生膨胀、收缩，换热管人口端介质的涡流磨损及由于管束振动等原因使管子与管板连接处松弛而泄漏。如果是胀接可用胀管器对管子进行补胀.由于胀管应力可能影响周围管子，故对其附近的管子也要轻胀一下。如果是焊接则需对泄漏处进行补焊。4.3设备施工中常见错误的一些解决方案4.3.1设备施工中管口错误的解决方案一、方位正确，但口开大了：用异径管对接；二、方位正确，但口开小了：再开大即可；三、管口和法兰焊好，但方位错了，且不影响周围的开孔：采用盲板封住法兰作备用口，重新开正确孔；四、接管开口方位错了，但管子未焊上去，要看具体情况了。五、如果采用封板封住开口的话，则封板应全焊透，焊后磨平并检测合格；六、管子和人孔等碰撞了：管子弯曲绕过被碰物。七、两个管子角度相差很小，法兰面相碰：降低一个管子的伸出长度或者增大一个管子的伸出长度，或者两者同时进行，但要考虑工艺情况。4.3.2材料选择与代用在材料相同相近的范畴内，一般可同意施工方以厚代薄、以高强度钢代替低强度钢，但具体要看情况。如，换热管则不可以厚代薄；碳钢管子不可用CrMo钢管，后者要求焊后热处理，要求比较高。（代用要求：1.代用钢材宜与被代用钢材有相同或相近的化学成分,交货状态,检验项目,性能指标。2.代用钢材的强度、塑性、韧性、化学成份和耐腐蚀性对设计条件的适应性。3.代用钢材对工艺的试用性:可焊性、可锻性、可铸性、可切削性及冷热冲压性能等,其中最重要的是焊接性能和压力加工性能。）衬里碳钢设备/不锈钢必须耐介质腐蚀新标准GB/T1591-94中材料已被Q345代替，对采用16MnR钢板的裙座或采用16Mn的地脚螺栓，可视使用的环境温度不同，采用Q345-A，B，C，D，E系列中相应等级材料。4.3.3试压一、水压用气压代