浮頭式冷凝器的設計畢業(yè)設計

1、<p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　設計（論文）題目： 粗丙酮塔冷凝器的設計 </p><p>　　1．設計（論文）的主要任務及目標</p><p>　　1）根據工藝條件查閱有關文獻，寫出文獻綜述，確定設計方案，正確選型。</p><p>　　2）結構設計，材料選用，強度計算。</p><

2、p>　　3）設計圖紙不少于6張1號圖，設計說明書不少于40頁。</p><p>　　2．設計（論文）的主要內容</p><p><b>　　詳見設計工藝條件表</b></p><p>　　3．設計（論文）的基本要求</p><p>　　1）通過文獻綜述和外文文獻翻譯，提高查閱資料、閱讀、翻譯文獻的能力和專業(yè)外語水平

3、。</p><p>　　2）綜合運用已學的基礎課和專業(yè)課知識掌握壓力容器和化工設備的設計，熟練應用相關國家標準，部頒標準和規(guī)范，具有分析和解決工程實際問題的能力。</p><p>　　3）能夠較熟練掌握AutoCAD等計算機繪圖軟件，圖紙各項內容符合制圖標準，結構合理，視圖正確，尺寸齊全，圖表完備。</p><p>　　4）設計中力爭有創(chuàng)新，在設計中注重綜合能力素質

4、的培養(yǎng)，設計說明書要求論理正確，邏輯性強，文理通順，層次分明，表達確切，有自己的見解和觀點。</p><p><b>　　4．主要參考文獻</b></p><p>　　09版《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》、GB150《壓力容器》、GB151《管殼式換熱器》、HG20580《鋼制化工容器設計基礎規(guī)定》等六合一；其他相關標準及參考資料等。</p><

5、;p><b>　　5．進度安排</b></p><p>　　粗丙酮塔冷凝器的設計 </p><p>　　摘要：本設計說明書詳細介紹粗丙酮塔冷凝器的設計過程。首先根據工藝參數的要求，對換熱器的管程結構和殼程結構進行初步設計，設計是根據現(xiàn)有換熱器的結構標準進行參考和選擇，包括了換熱管、管程布置形式、前端管箱、折流板、浮頭鉤圈等零部件。確定浮頭式換熱器的結構后，然后依

6、據管程工作介質和殼程工作介質的特性對換熱器的各部分結構的制造材料進行一個合理的選擇。結構設計計算部分是根據GB150-2011《壓力容器》和GB151-1999《管殼式換熱器》等標準對筒體、管箱、橢圓封頭、球冠形封頭、平蓋、管板、浮頭法蘭、浮頭蓋等零件進行厚度計算和接管的開孔補強。此外還對管程、殼程進行水壓試驗計算及校核和介紹換熱器的制造和檢驗。最后設計出來的換熱器，以1張裝配圖，7張零部件圖表現(xiàn)出來。</p><p

7、>　　關鍵詞：管板；浮頭鉤圈；浮頭法蘭</p><p>　　Crude acetone column condenser design</p><p>　　ABSTRACT：The design specification describes the crude acetone column condenser design process . First, according to

8、 the requirements of process parameters, to do the preliminary design of tube structure and shell structure of the heat exchanger. Design is based on the existing heat exchanger structure reference and selection criteria

9、. Including some parts and components of floating head heat exchanger. such as tube, the arrangement of the pipe ,tube box structure, baffles , floating head hook an</p><p>　　KEY WORDS: Tube plate; floating

10、head hook ring; floating flange</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言（1）</b></p><p>　　第1章 緒論（2）</p><p>　　第2章 冷凝器的零部件結構（4）</p><p>

11、;　　第2.1節(jié) 管程結構（4）</p><p>　　2.1.1、換熱管（4）</p><p>　　2.1.2、布管（5）</p><p>　　2.1.3、分成隔板（5）</p><p>　　2.1.4、固定管板（6）</p><p>　　2.1.5、前端管箱（7）</p><p>

12、　　2.1.6、換熱管與管板連接（7）</p><p>　　第2.2節(jié) 殼程結構（8）</p><p>　　2.2.1、折流板、支持板（8）</p><p>　　2.2.2、拉桿、定距管（9）</p><p>　　2.2.3、防沖板（10）</p><p>　　2.2.4、滑道（10）</p>

13、<p>　　第2.3節(jié) 冷凝器后端結構（11）</p><p>　　2.3.1、鉤圈和浮動管板（11）</p><p>　　2.3.2、浮頭蓋及外頭蓋（12）</p><p>　　2.3.3、浮頭法蘭（12）</p><p>　　第2.4節(jié) 容器法蘭和管法蘭（12）</p><p>　　第2.5節(jié)

14、 支座（14）</p><p>　　第3章 冷凝器制造材料的選擇（16）</p><p>　　第3.1節(jié) 殼程材料的選擇（16）</p><p>　　第3.2節(jié) 管程材料的選擇（17）</p><p>　　第4章 冷凝器的結構設計計算（18）</p><p>　　第4.1節(jié) 殼體厚度計算（18）</p

15、><p>　　第4.2節(jié) 前端管箱結構計算（19）</p><p>　　4.2.1、短節(jié)的厚度計算（19）</p><p>　　4.2.2、平蓋的設計計算（20）</p><p>　　4.2.3、管箱法蘭（22）</p><p>　　第4.3節(jié) 外頭蓋結構計算（24）</p><p>　　

16、4.3.1、后端短節(jié)厚度計算（24）</p><p>　　4.3.2、外頭蓋封頭厚度計算（25）</p><p>　　4.3.3、外頭蓋側法蘭、外頭蓋法蘭（26）</p><p>　　第4.4節(jié) 管板的設計計算（28）</p><p>　　第4.5節(jié) 鉤圈式浮頭的設計算（34）</p><p>　　4.5.1

17、 、球冠形封頭厚度計算（34）</p><p>　　4.5.2、浮頭法蘭設計（35）</p><p>　　4.5.3 、B型鉤圈厚度計算（43）</p><p>　　第4.6節(jié) 殼體法蘭設計（44）</p><p>　　第4.7節(jié) 開孔補強（48）</p><p>　　4.7.1、殼體開孔補強（48）<

18、;/p><p>　　4.7.2、前端管箱開孔補強（50）</p><p>　　第5章 壓力試驗（52）</p><p>　　第5.1節(jié) 殼程水壓試驗（52）</p><p>　　第5.2節(jié) 管程水壓試驗（52）</p><p>　　第6章 冷凝器的制造、檢驗和驗收（53）</p><p>

19、　　第6.1節(jié) 零部件的制造工藝及要求（53）</p><p>　　第6.2節(jié) 檢驗和驗收（55）</p><p><b>　　結 論（56）</b></p><p><b>　　參考文獻（57）</b></p><p><b>　　致 謝（59）</b></p

20、><p><b>　　附 錄（60）</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　本次畢業(yè)設計的是粗丙酮塔冷凝器，題目來自生產實踐。設計的冷凝器的功能是將粗丙酮塔中的丙酮、異丙苯等蒸汽介質冷凝成液體。粗丙酮塔冷凝器是屬于管殼式換熱器的范疇。</p><p>　　粗丙酮塔冷凝

21、器的結構設計是根據設計任務委托書中的工藝參數進行的。給定工藝參數主要有以下：設計溫度，設計壓力，換熱面積，換熱器的公稱直徑，熱管的規(guī)格、排列方式及長度，折流板數量，冷凝器簡圖，管口表等。</p><p>　　常見的管殼式換熱器有固定管板、U形管板、浮頭式、填料函式、釜式重沸器這幾種類型。本次設計的冷凝器，采用的換熱類型為浮頭式換熱器。出于結構可操作性、經濟合理性及使用安全性，設計的過程中盡量采用國家標準，其中主要

22、參考的標準文獻有GB151-1999《管殼式換熱器》和GB150-2011《壓力容器》 。為了了解與本課題相關的換熱器領域的知識和一些新的設計理念，本人查閱了一定數量的國內外文獻。這些文獻涉及到換熱器的設計、制造、安裝與維護等內容。</p><p>　　設計的主要內容包括結構論證、強度計算，畫出冷凝器的裝配圖和零件圖。在滿足工藝需求的前提下設計出的冷凝器還要達到結構安全可靠，便于制造、安裝、操作和維修，經濟上合理

23、等要求。</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　換熱器是生產中占有重要地位的通用設備，其廣泛用于化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門領域。比如，在化工廠總投資中換熱設備占10%～20%，在煉油廠總投資中換熱器占35%～40%。所謂的換熱器就是用于不同溫度下介質之間熱量交換的裝置設備。工業(yè)生產中，換熱器的結構類型繁多，一般是按照用途、

24、傳熱特性等來劃分換熱器的類型。按照傳熱的特征不同，可將換熱器分為混合式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器[1]。按照用途，換熱器可分為預熱換熱器（或加熱器）、冷卻換熱器、冷凝換熱器、蒸發(fā)換熱器、再沸換熱器[2]。近幾十年來，在能源緊缺和市場競爭的推動下，研究和開發(fā)出了一系新型高效換熱器，如氣動噴涂翅片管換熱器、焊接式板式換熱器、螺旋折流板換熱器、新型麻花管換熱器、螺旋折流板換熱器[3]。管殼式換熱器歸類為間壁式換熱器，它是目前應用最廣泛

25、的換熱設備。</p><p>　　管殼式換熱器具有結構簡單、操作可靠、適用范圍廣等優(yōu)點，其在高溫、高壓大型的換熱器中占主導地位。管殼式換熱器主要由筒體、管束、管箱、管板、等零部件組成，按照結構特點分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U型管式換熱器、填料函式換熱器和釜式重沸器[4]。</p><p>　　管殼式換熱器盡管有很多的優(yōu)點，但是由于自身結構限制等因素，仍存在諸多的不足。管殼式換熱器

26、存在的缺陷：流體誘導管束振動造成換熱器內部結構的破壞；折流板和管板存在“死區(qū)”和“短路”，導致?lián)Q熱器整體換熱率低；渦流區(qū)內容易積垢，影響換熱器的壽命[5]。換熱器的低流速區(qū)或者死區(qū)，這些區(qū)域是容易結垢發(fā)生腐蝕[6]。換熱管與折流板間有相互碰撞的地方采用彈性緩沖件來防止破壞[7]?？梢栽跉こ塘黧w進口設檔板，出口設置防渦流裝置或采取導流筒結構來防止管束振動[8]。為了降低短路區(qū)域，可以設置如旁路擋板、擋管、中間檔板等防短路結構。控制管程、殼

27、程入口的流體流速，可以減少管殼換熱器的污垢腐蝕[9]。</p><p>　　為了提高換熱器的熱傳遞效率，對于管殼式換熱器，是從管程和殼程兩方面做傳熱強化。管程強化熱，主要是采用各種異形換熱管取代原來的光滑管[10]。螺旋槽紋管、縮放管、橫紋管、螺旋扁管、內插物管等，都是通過擴展表傳熱面積來達到強化傳熱的異形換熱管。殼程的強化傳熱主要是通過改進殼程管束的支撐和改變擋板結構來實現(xiàn)的，如螺旋折流式支撐結構、多弓形折流板

28、等。雖然出現(xiàn)了這些新型的結構，但是出于加工制造成本以及使用時的穩(wěn)定性等因素，沒有得到推廣。</p><p>　　本次設計的冷凝器，由于殼程和管程溫差較大，此外殼程介質丙酮具有可燃性，殼程容易結垢，除了采用浮頭式換熱器外，其他類型的管殼式換熱器都不是很適合。所謂的浮頭式換熱器，就是兩端管板中一端與殼體固定，而另一端可以相對殼體在軸向上能夠自由移動。在浮頭換熱器中，能夠移動的部位為浮頭，它是由浮動管板、勾圈、浮頭蓋組

29、成。由于浮頭能夠移動，所以殼體和管束不會產生熱應力。管束能夠從殼體抽出，清洗和維修很方便。</p><p>　　粗丙酮塔冷凝器中的設計要考慮的因素很多，除了考慮是否滿足工藝要求外，還要考慮到制造材料的選擇、傳熱效果、換熱器運行中將出現(xiàn)的故障等。換熱管規(guī)格大小、管間距大小、擋板形狀和數量等, 這些參數都影響到冷凝器的傳熱效果[11]。對于分析故障問題，可以通過建立浮頭式換熱器故障樹[12]，對換熱器存在的故障進行分

30、析，從而從設計上做改進。冷凝器常見的故障主要有振動和腐蝕。振動破壞的形式有碰撞破壞、疲勞損壞、折流板的切割破壞、接頭泄漏[13]。引起換熱器振動并不是流體失穩(wěn)，而是渦流脫落和流體湍流[14]。湍流顫振與折流板和換熱管有很大的關系。管子長度和布置方式，影響到管子的固有頻率、殼程流體流速，以及流體通過管束的流型[15]。選擇合理管子布置和折流板形式，尤為重要。還有管子腐蝕是浮頭式換熱器常見的問題，可以在固定管板設置伸出管板的“犧牲部分管子”

31、來解決這個問題[16]。</p><p>　　浮頭法蘭和管板是浮頭式換熱器設計中關鍵的地方。浮頭法蘭設計的重點則是厚度的計算，在滿足要求的提前下，算出的法蘭厚度越薄就越經濟。法蘭的結構設計和厚度計算受到法蘭偏心力臂的影響[17]。只要求出法蘭最佳偏心力臂，就可以實現(xiàn)法蘭的優(yōu)化設計。國外學者C. Nadarajah, L.T. Foo[18]，使用有限元分析的方法對浮頭法蘭進行分析設計，并且取得了很好的成果。管板的

32、計算很復雜，因為受到的內力繁多。管板計算的力學模型是把管板的布管區(qū)視為彈性基礎上受管孔均布削弱的圓平板，管板外周不布管區(qū)視為環(huán)板，整個管板周邊簡支，承受均布載荷[19]。管板與換熱管的連接結構也是換熱器設計的一個關鍵地方。換熱器的失效，很大程度上是由管板與換熱管連接部位失效造成的[20]。合理設計管板和換熱管的連接方式是非常重要。</p><p>　　第2章 冷凝器的零部件結構</p><p&

33、gt;　　常規(guī)設計中，換熱器的零、部件都可以根據設計壓力、設計溫度、換熱器的公稱內徑等設計參數，查標準來選。只要算出筒體，短節(jié)，管板，封頭，平蓋，浮頭法蘭等的厚度，換熱器的結構基本能確定下。</p><p>　　第2.1節(jié) 管程結構</p><p><b>　　2.1.1、換熱管</b></p><p>　　換熱管常用的規(guī)格（外徑壁厚，單位:m

34、m）有、、、等，標準長有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0、12.0m等系列。在管板上換熱管的排列方式有正三角形、轉角三角形、正方形、轉正方形[21]。在相同管板面積的情況下，正三角形排列能夠排的管束最多，但此排列的管束不易清洗。為了清洗方便，可以采用正方形或者轉角正方形的管束排列。</p><p>　　根據換熱面積和換熱器的公稱內徑選管子的規(guī)格。根據殼程的介質是液態(tài)或者氣態(tài)以及換熱管的根數來確定管子

35、的排列方式。設計的粗丙酮塔冷凝器工藝給定的換熱管規(guī)格為，標準管長為6m，排列方式是正三角形。</p><p>　　圖2·1 換熱管標準排列的幾種形式</p><p><b>　　2.1.2、布管</b></p><p>　　設計的浮頭式換熱器，管程數4，殼程數為1。4管程的分法，有十字形，平形，工字形。平行分法的優(yōu)點就是，接管的位置容

36、易設置，管箱內殘液能放盡，但是排的管子數量，沒有十字形和工字形的多。設計要求的換熱管根數為2308根，在一一對比這3種4管程的布置后，僅有十字形布置滿足要求。按照，GB151-1999，5.6.3節(jié)的要求布管。</p><p>　　前端管箱管板 后端管箱管板</p><p>　　圖2·2 4管程十字形布管圖</p&

37、gt;<p>　　2.1.3、分成隔板</p><p>　　根據GB151-1999，5.2.3節(jié)表6，可知公稱直徑DN=1400mm的換熱器，碳素鋼及低合金鋼材料的分成隔板最小厚度為14mm，高合金鋼材料的分成隔板最小厚度為10mm。厚度大于10mm的分成隔板，密封面處要削邊至10mm。分成隔板的結構尺寸還待確定管箱、法蘭、封頭后才知。</p><p>　　圖2·

38、3 分程隔板及管板分程隔板槽圖</p><p>　　2.1.4、固定管板</p><p>　　浮頭式換熱器的管板是通過墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接，出于管束抽出筒體進行清洗或者維修的考慮而采用這種連接方式。固定管板的密封面是根據所選的法蘭結構及類型而確定的。管板的厚度在設計計算部分得出。</p><p>　　圖2·4 固定管板

39、 圖4·5 管板的連接方式圖 </p><p>　　2.1.5、前端管箱</p><p>　　對于浮頭換熱器，前端管箱的型式有平蓋管箱、封頭管箱、用于可拆管束與管板制成一體的管箱，其中平蓋管箱和封頭管箱用得最廣泛。根據GB/T4714-1992，4.6節(jié)的規(guī)定：DN不大于400mm時，采用平蓋管箱；DN在500mm和800范圍內時，可用平蓋

40、管箱或者封頭管箱，推薦使用浮頭管箱；DN大于900mm時，采用浮頭管箱[22]。橢圓封頭比平蓋厚度要薄，經濟成本低。使用平蓋在后續(xù)的檢修，試壓方面都很方便。GB/T4714-1992，并不是強行規(guī)定的，在GB151-1999，GB150-2011，都沒有規(guī)定采用哪一種管箱。由于本次設計的換熱器，內徑大，管束多，出于后續(xù)的檢修成本考慮，故采用平蓋管箱。</p><p>　　圖2·6 平蓋管箱結構圖

41、 圖2·7 封頭管箱結構圖</p><p>　　2.1.6、換熱管與管板連接</p><p>　　根據GB151-1991，5.8節(jié)，換熱管與管板的連接方式主要有脹接、焊接、脹焊并用。為了提高密封性能和防止間隙腐蝕，提高使用壽命，選用脹焊并用的連接方法。脹焊并用分為強度脹加密封焊、強度焊加貼脹、強度焊加強度脹等幾種形式。</p><p>　

42、　考慮到連接的密封性能，抗拉脫強度的焊接，消除換熱管與管孔間的間隙，使用強度焊加貼脹適宜。強度焊加貼脹的結構如下圖，其中強度焊接結構部分按GB151-1999，表33的規(guī)定，根據換熱管規(guī)格為mm，查得 。</p><p>　　圖2·8 強度脹加貼脹圖 圖2·9 強度焊圖</p><p>　　第2.2節(jié) 殼程結構

43、</p><p>　　2.2.1、折流板、支持板</p><p>　　在管殼式換熱器中，為了能夠改善傳熱性能和減少污垢，在殼體內設置折流板。折流板在臥式換熱器中還起到了支撐管束的作用。浮頭式換熱器的鉤圈浮頭部位較重，并且殼程內的管束長，為了防止換熱管無支撐跨距較長而容易變形，則要設置支持板。弓形、圓盤-圓環(huán)形是折流板和支持板常用的兩種形式。弓形折流板可分為單、雙、三，三種弓形結構。弓形折流

44、板缺口高度取0.20到0.45倍的圓筒內徑。折流板缺切在管排中心線以下，或切與兩排管孔的小橋之間。對于殼程介質為氣態(tài)的浮頭式換熱器，折流板缺口垂直左右布置，折流板最低出開通液口。浮頭式換熱器的浮頭端宜設置環(huán)板支持板，支持板的名義外直徑和折流板一樣，厚度和折流板一樣或者比折流板厚。</p><p>　　設計的冷凝器，采用單弓形折流板。折流板、支持板的最小厚度，根據GB151-1999，表34的規(guī)定，得出δ=10mm

45、。又根據GB151-1999，表44得折流板的名義直徑為DN-8，即為1392mm。折流板之間的間距取L=580mm，管束兩端的折流板靠近殼程進、出接管。</p><p>　　圖2·10 折流板切口位置 圖2·11 單弓形折流板</p><p>　　2.2.2、拉桿、定距管</p><p>　　拉桿與定距管的作用是固定折流板與折

46、流板之間的距離,減少無支承長度，減少管板厚度。常用的拉桿形式有拉桿與定距管結構，拉桿與折流板電焊結構。換熱管外徑大于或者等于19mm時，采用拉桿與定距管結構，小于或者等于14mm時，采用拉桿與折流板電焊結構。拉桿設置在布管區(qū)的換熱管邊緣、設置防沖板邊緣以及折流板缺口處。</p><p>　　根據所設計換熱的公稱內徑DN=1400mm，換熱管規(guī)格mm，查GB151-1999，表43表44，得拉桿的數量為12根，公稱

47、直徑為12mm。查GB151-1999，表45可到拉桿的具體尺寸，，</p><p>　　圖2·12拉桿定距管結構圖 圖2·13 拉桿結構圖</p><p><b>　　2.2.3、防沖板</b></p><p>　　防沖板設計的位置、邊長、厚度、固定形式，要符合GB151-

48、1999，5.7.4節(jié)的要求。本設計的防沖板，焊在兩側的定居管上。</p><p><b>　　2.2.4、滑道</b></p><p>　　冷凝器設置滑道的目的是為了方便維修或者清洗時將管束從殼體的抽出，此外滑道具有旁路擋板的作用。常見的滑道結構有滑板、滾輪、滑條?；宓慕Y構簡單，制造加工方便，成本低，而且安裝也容易。滑板與管束為一體，它焊接在折流板和支持板的槽內，

49、徑向高出折流板0.5mm到1mm。</p><p>　　圖2·14 (a) 滑板布置位置和結構圖</p><p>　　圖2·14 (b) 滑板布置位置和結構圖</p><p>　　第2.3節(jié) 冷凝器后端結構</p><p>　　圖2·15 鉤圈浮頭圖</p><p>　　2.3.1、鉤

50、圈和浮動管板</p><p>　　浮頭式換熱器的鉤圈形式有A型和B型兩種。A型鉤圈厚度是按照活套法蘭公式計算，鉤圈底部距浮動管板較遠，雙頭螺柱長，剛性差，殼程介質流動的死區(qū)大。B型鉤圈厚度是根據浮頭管板的厚度加經驗值（經驗值一般取16mm）確定。較A型鉤圈B型鉤圈厚度薄，死區(qū)少，但加工要求高。為了便于拆裝，鉤圈采用對開的結構形式?；谏鲜龇治觯x用B型鉤圈。浮動管板的厚度取與固定管板的厚度一樣，其密封面寬度取5m

51、m，與鉤圈配合的部位見下圖。根據GB151-1999，5.14.1節(jié)確定鉤圈的外徑和內徑。</p><p>　　圖2·16 B形鉤圈與浮動管板配合尺寸</p><p>　　2.3.2、浮頭蓋及外頭蓋</p><p>　　因為球冠形浮頭的結構簡單易壓制，占據空間少，用材少，最關鍵的是與浮頭法蘭的焊接方便，所以浮頭蓋采用球冠形浮頭。外頭蓋采用標準橢圓形封頭，

52、橢圓形浮頭應力分布均勻，容易加工成型。</p><p>　　2.3.3、浮頭法蘭</p><p>　　根據GB151-1999，5.14.1節(jié)確定浮頭法蘭的外徑和內徑，具體見計算部分，厚度則要經過計算確定。</p><p>　　第2.4節(jié) 容器法蘭和管法蘭 </p><p>　　法蘭優(yōu)先選取標準法蘭，在標準里選不到滿足條件的法蘭時再進行設計計

53、算。我國的標準容器法蘭有甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭﹑長頸對焊法蘭這三種[23]。根據公稱直徑、設計壓力、設計溫度、工作介質特性、法蘭的材料，查標準JB/T4700~4707-2000《壓力容器法蘭》來選用法蘭。處于安全性的考慮，選用長頸對焊法蘭。在JB/T4700~4707-2000《壓力容器法蘭》標準里，還給出了與法蘭相應墊片、螺栓形式。</p><p>　　根據設計任務書，給的管法蘭，采用的是美洲標準體系[2

54、4]，即HG20615-2009，選用的是帶頸對焊法蘭，突面密封。根據HG20615-2009表8.2.4，由PN=20，DN查得各接管的參數如下：</p><p>　　表2·1 接管法蘭參數</p><p>　　圖2·17帶頸對焊鋼制法蘭(WN)尺寸 圖2·18 突面法蘭(RF)的密封面尺寸</p><p><

55、b>　　第2.5節(jié) 支座</b></p><p>　　設計的浮頭換熱器是臥式的，所以選用鞍式支座[25]。根據JB/T4712-2007，選用的是DN100mm-2000mm級別，120o包角，重型帶墊板鞍座支座。鞍座的具體參數見JB/T4712-2007，表7。</p><p>　　表2·3 鞍座尺寸參數</p><p>　　圖2&#

56、183;19 鞍座的結構圖</p><p>　　第3章 冷凝器制造材料的選擇</p><p>　　本設計的粗丙酮塔冷卻器，殼程工作介質是丙酮、異丙苯等，管程工作介質是冷卻水。殼程設計溫度為150℃，設計壓力為0.35MPa；管程設計溫度為60℃，設計壓力為0.8MPa。丙酮具有腐蝕性，所以殼程選的材料為不銹鋼，冷卻水沒有腐蝕性，管程可以選低合金鋼或者碳素鋼。浮頭換熱器的附件材料，主要根據管

57、程、殼程的材料而選與之匹配性質的材料，如焊接性能，強度等。緊固件件螺栓螺母，密封件墊片，則根據所選的法蘭類型及材料來定。</p><p>　　第3.1節(jié) 殼程材料的選擇</p><p>　　不銹鋼的種類繁多，按照組織狀態(tài)主要分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和奧氏體鐵素體不銹鋼。根據殼程的工作介質，設計溫度，設計壓力，選奧氏體不銹鋼最為合適。奧氏體不銹鋼具有良好的塑性、韌性、焊接

58、性和冷加工性，能夠抵抗氧化性酸和大氣、水、蒸汽等介質的腐蝕。設計任務書推薦的材料為00Cr17Ni14Mo2（S31603），它是一種超低碳奧氏體不銹鋼。S31603不銹鋼的焊接性能良好，適合多層焊，焊后無刀口腐蝕傾向，對丙酮酸良好的耐蝕性。適合制造容器、管道及結構件，在化學工業(yè)設備用得比較廣泛。</p><p>　　設計的換熱器公稱內徑為1400mm，殼體、后管箱短節(jié)、外頭蓋封頭、浮頭法蘭封頭采用的是板材，均選

59、S31603鋼板，鋼板標準號為GB 24511。</p><p>　　浮頭法蘭、鉤圈、管板、殼程管法蘭、殼程接管選S31603鍛件，鍛件標準號為NB/T 47010。</p><p>　　換熱管、定距管、殼程接管選S31603鋼管，鋼管標準號為GB13296。</p><p>　　殼體法蘭、外頭蓋側法蘭選用16Mn鍛件，鍛件級別為Ⅱ級，鋼鍛件標準號NB/T47008

60、。對于有腐蝕的介質，法蘭要加襯環(huán)，襯環(huán)的材料選S30408。</p><p>　　鋼的標準、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、無損檢測標準及檢測項目要滿足GB150-2011第二部分材料所規(guī)定的要求。</p><p>　　第3.2節(jié) 管程材料的選擇</p><p>　　管程的工作壓力是屬低壓，溫度不是很高，工作介質也無毒無害，對于材料的要求不是很高，處于經濟性的考慮，選擇碳素鋼

61、或者低合金就能滿足要求。低合金鋼是在碳素鋼里加入一種或幾種含量低于3.5%的合金元素。低合金在強度，焊接性能，耐溫，耐腐蝕性及成型性等各個方面優(yōu)于碳素鋼。Q345R是壓力容器常用的低合金鋼鋼板，其屈服強度為345MPa，主要用于制造中低壓壓力容器筒體和短節(jié)。它的綜合力學性能和制造工藝性能都非常良好，普遍用于壓力容器制造行業(yè)。碳錳鋼16Mn也是屬于低合金鋼，含碳量為0.16%，合金含量少，故焊接性能好，具有良好的綜合力學性能和低溫沖擊韌性

62、，此外在冷沖壓可切削性方面均良好。20號鋼是優(yōu)質低碳碳素鋼，其強度低，在韌性、塑性和焊接性方面較好，而且價格低廉，在用于制造壓力容器的一些零部件非常廣泛。在一些沒有腐蝕或者腐蝕很低的場合的接管可選用選用20號鋼管。</p><p>　　前端管箱的短節(jié)、分成隔板選用Q345R鋼板，鋼板標準號為GB713。</p><p>　　管箱法蘭、平蓋以及管程管法蘭選用16Mn鍛件，鍛件標準號為NB/T

63、 47008，鍛件的制造檢測檢測級別Ⅱ級。</p><p>　　管程接管選用20號鋼管，鋼管標準號為GB6479。</p><p>　　鋼的標準、冶煉方法、熱處理狀態(tài)、無損檢測標準及檢測項目要滿足GB150-2011第二部分材料所規(guī)定的要求。</p><p>　　第4章 冷凝器的結構設計計算</p><p>　　第4.1節(jié) 殼體厚度計算<

64、;/p><p>　　筒體材料：S31603（GB24511） 鋼板卷制圓筒</p><p>　　設計溫度：℃ 公稱直徑：</p><p>　　接接頭系數： 腐蝕裕量： </p><p>　　鋼板負偏差： ( GB24511-2009 表2)</p><p>　

65、　筒體材料設計溫度下的許用應力： （GB150.2-2011 表5）</p><p>　　設計壓力：，器承受的液柱靜壓力小于5%設計壓力，可以略[26]。</p><p>　　計算壓力：（受內壓） （受外壓）</p><p>　　圓筒體的厚度分別按內壓和外壓計算，取大者為計算厚度。</p><p><b>　　按內壓計算：&l

66、t;/b></p><p>　　計算厚度： （4·1）</p><p>　　設計厚度： （4·2）</p><p>　　名義厚度： （4·3）</p><p><b>　　注:（⊕為圓整）

67、</b></p><p><b>　　按外壓計算： </b></p><p><b>　　假設厚度： </b></p><p>　　有效厚度： （4·4）</p><p>　　圓筒外徑： （4·5）</p>&l

68、t;p><b>　　圓筒計算長度：</b></p><p>　　由 </p><p>　　查GB150.3-2011圖4-2得　 查GB150.3-2011圖4-11 得 ，許用外壓力 滿足設計要求，故 合適。</p><p>　　所以圓筒體厚度取，滿足GB151-1999 ，5.3.2表9 公稱直徑為140

69、0mm不銹鋼圓筒的最小厚度為。</p><p>　　第4.2節(jié) 前端管箱結構計算</p><p>　　4.2.1、短節(jié)的厚度計算</p><p>　　設計壓力： 計算壓力：</p><p>　　設計溫度：℃ 焊接接頭系數：</p><p>　　鋼板負偏差：

70、 腐蝕余量：</p><p>　　材料：Q345R 板材（GB713）</p><p>　　設計溫度下的許用應力：（GB150.2-2011 表2）</p><p>　　計算厚度： （4·6）</p><p>　　設計厚度： （4·7）</p>&l

71、t;p>　　名義厚度： （4·8）</p><p>　　根據GB151-1999， 5.3.2 表8 圓筒的厚度不小于，故，由于規(guī)格的不常見，所以取。</p><p>　　4.2.2、平蓋的設計計算</p><p>　　材料選16MN Ⅱ鍛件（NB/T 47008），設計溫度t=60℃，查GB150.2-2011表9得，

72、設計溫度下平蓋材料的許用應力 ，常溫下平蓋材料許用應力，查GB150.2-2011表B.13得鋼材的彈性模量。</p><p>　　墊片選用纏繞式 B51—1400—1.0 JB/T4705—2000 墊片系數m=3.0 比壓y=69MPa。</p><p>　　螺栓的規(guī)格為M24，數量為44，螺紋小徑，螺栓材料40Cr，查GB150.2-2011 表12，知設計溫度下40Cr的許

73、用應力，常溫下的許用應力</p><p>　　墊片壓降力作用中心圓直徑</p><p>　　墊片接觸面寬寬度： </p><p>　　基本密封寬度 ： </p><p><b>　　當時， </b></p><p>　　（墊片接觸的外徑，即管箱法蘭的）</p>&l

74、t;p><b>　　螺栓載荷</b></p><p>　　預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷</p><p><b>　?。?·9）</b></p><p>　　操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷</p><p><b>　　（4·10）</b></p>

75、;<p><b>　　螺栓面積</b></p><p>　　預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積</p><p><b>　　（4·11）</b></p><p>　　操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積</p><p><b>　?。?·12）</b><

76、;/p><p><b>　　需要的螺栓面積</b></p><p>　　實際使用的螺栓總截面積</p><p><b>　?。?·13）</b></p><p><b>　　螺栓設計載荷</b></p><p>　　預緊狀態(tài)下螺栓設計載荷</

77、p><p><b>　　（4·14）</b></p><p>　　操作狀態(tài)下螺栓設計載荷</p><p><b>　　結構特征系數</b></p><p>　　墊片壓緊力臂 （4·15）</p><p>　　操作時 （4·

78、16）</p><p>　　預緊時 （4·17）</p><p><b>　　,平蓋中心撓度 </b></p><p><b>　　平蓋計算厚度</b></p><p>　　預緊時 （4·18）</p>&

79、lt;p>　　操作時 （4·19）</p><p>　　有隔板時 </p><p><b>　?。?·20）</b></p><p><b>　　平蓋計算厚度 </

80、b></p><p><b>　　平蓋名義厚度 取</b></p><p>　　4.2.3、管箱法蘭</p><p><b>　　法蘭的選用</b></p><p>　　法蘭材料為16Mn鍛件，鍛件其級別不得低于Ⅱ級。選用長頸對焊法蘭，凹面封。由DN=1400 mm ，PN=0.8MPa（按

81、PN=1.0MPa） 查JB/T4703-2000得到法蘭的參數。</p><p>　　圖4·1 管箱法蘭結構尺寸 </p><p>　　表4·1 管箱法蘭參數（單位：mm）</p><p>　　法蘭質量213.9 kg</p><p>　　法蘭標記： 法蘭—RF 1400—1.0—1400 JB/T4703—2000

82、 </p><p><b>　　墊片的選用</b></p><p>　　查JB/T4700—2000 表2，根據法蘭類型和法蘭材料，選用的墊片為纏繞式柔性石墨填充帶，0Cr13金屬帶材料。法蘭為凹凸密封，所以墊片帶內加強環(huán)。由DN=1400 mm ，PN=1.0MPa 查JB/T4705—2000，得墊片的參數</p><p>　　=1400

83、mm，=1415mm，=1455mm</p><p>　　墊片標記：B51—1400—1.0 JB/T4705—2000</p><p>　　查GB150.3-2011，表7-2選墊片系數m=3.0，比壓y=69MPa</p><p>　　圖4·2 纏繞墊片</p><p><b>　　螺栓、螺母的選用</b&g

84、t;</p><p>　　查JB/T4700—2000 表2，螺柱材料選用40Cr，螺母材料選用45鋼。選用等長雙頭螺柱，B型螺柱。由JB/T4707—2000查得 =24mm =24mm </p><p>　　=3mm =60mm</p><p>　　圖4·3 等長雙頭螺柱</p><p>　　第4.3節(jié) 外頭蓋結構計算<

85、;/p><p>　　4.3.1、后端短節(jié)厚度計算</p><p>　　按內壓計算 </p><p>　　不滿足GB151-1999 ，5.3.2表9 公稱直徑為1500mm不銹鋼圓筒最小厚度為。出于保守設計取。</p><p><b>　　按外壓計算 </b>&

86、lt;/p><p><b>　　假設厚度：</b></p><p><b>　　有效厚度：</b></p><p><b>　　短節(jié)外徑：</b></p><p><b>　　短節(jié)計算長度：</b></p><p>　　根據、 查GB

87、150.3-2011圖4-2得　外壓應變系數 由A查GB150.3-2011圖4-11 查得外壓應力系數 。故，許用外壓力 滿足設計要求， 合適。</p><p>　　4.3.2、外頭蓋封頭厚度計算</p><p>　　選用標準橢圓形封頭，即，橢圓封頭形狀系數，。</p><p><b>　　按內壓計算 </b></p>&l

88、t;p>　　計算厚度： （4·21）</p><p><b>　　設計厚度：</b></p><p><b>　　名義厚度：</b></p><p><b>　　按外壓計算 </b></p><p>　　假設厚度 ，則有效厚度</p><

89、p><b>　　封頭外徑</b></p><p>　　橢圓封頭當量球殼外半徑 </p><p><b>　　外壓應變系數 </b></p><p>　　由A查GB150.3-2011圖4-11 查得外壓應力系數 </p><p>　　許用外壓力 ，假設厚度滿足要求。</p>&

90、lt;p>　　參考GB151-1999 ，5.3.2表9以及短節(jié)的厚度，最終選封頭的厚度。</p><p>　　查GB/T25198—2010 附錄C，得EHA橢圓形封頭的型號參數如下：</p><p>　　表4·1 EHA封頭參數</p><p>　　查GB/T25198—2010 附錄J，EHA封頭厚度減薄率為14%（，），封頭的最小厚度為 圓

91、整得。</p><p>　　4.3.3、外頭蓋側法蘭、外頭蓋法蘭</p><p><b>　　外頭蓋側法蘭</b></p><p>　　選法蘭材料為16MN鍛件，根據JB4721—92，選長頸對焊法蘭，凸面密封，考慮到殼程工作介質具有腐蝕性，選襯環(huán)法蘭。由DN=1400mm</p><p>　　PN=0.35MPa（按0

92、.6MPa）查得以下法蘭的參數：</p><p>　　表4·2 外頭蓋側法蘭參數（單位 mm）</p><p>　　法蘭的質量331.0kg，襯環(huán)質量31.0kg</p><p>　　圖4·4 襯環(huán)凸面密封外頭蓋側法蘭</p><p>　　筒體的厚度為10mm，法蘭不滿足要求，因此要對法蘭的總高度H進行修正，根據JB/T4

93、703—2000表3，在對接圓筒厚度10mm，PN=0.6MPa，DN=1400mm的情況下，修正后法蘭的總高度H=150mm。</p><p>　　法蘭標記：側法蘭C—T 1400—0.6—150 JB4721—92</p><p><b>　　外頭蓋法蘭</b></p><p>　　根據配合外頭蓋側法蘭的型號，選擇凹面密封，長頸對焊法蘭

94、，帶襯環(huán)。外頭蓋內徑為1500mm，查JB/T4703-2000，得以下的法蘭結構尺寸。</p><p>　　表4·3 外頭蓋法蘭參數（單位mm）</p><p>　　法蘭質量235.8kg，襯環(huán)質量11.0kg。</p><p>　　短節(jié)的厚度為10mm，故修正法蘭的總高H=155mm。</p><p>　　法蘭標記：法蘭C—FM

95、 1500—0.6—155 JB/T4703—2000</p><p>　　圖4·5 襯環(huán)凹面外頭蓋法蘭</p><p><b>　　墊片、螺栓、螺母</b></p><p>　　選用纏繞墊片，帶內加強環(huán)，根據DN=1500 mm，PN=1MPa，查JB/T4705—2000，得=1500mm，=1515mm，=1555mm。墊片

96、的其他參數同管箱法蘭墊片。螺栓、螺母的規(guī)格及材料同管箱法蘭所選。</p><p>　　第4.4節(jié) 管板的設計計算</p><p><b>　　設計溫度及設計壓力</b></p><p>　　因為不能保證，在任何情況下同時作用，取</p><p>　　按GB150—1999,3.12.1規(guī)定，應取不低于元件的金屬溫度，但在

97、管板計算中無法保證管、殼程介質同時作用，且管板的金屬溫度很難計算，故一般取較高側的設計溫度為管板設計溫度，即t=150℃。</p><p><b>　　管板、換熱管</b></p><p>　　考慮到拆裝清、洗方便，管板的類型按GB151—1991，5.7選用a型，即管板通過墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接。結構如圖</p><p>　　圖 4&#

98、183;6 管板與殼體、管箱的連接方式</p><p>　　管板材料選用S31603鍛件 NB/T 47010，設計溫度下許用應力，設計溫度下的彈性模量</p><p>　　換熱管材料S31603 GB/T14976，設計溫度下許用應力</p><p>　　管子設計溫度下屈服點，管子設計溫度下彈性模量。換熱管規(guī)格，根數，換熱管排列方式為正角形。根據GB151—1

99、999表12，換熱管中心距，分成隔板兩側相鄰管中心距。采用十字形4管程。</p><p>　　結構參數及系數的確定</p><p>　　墊片壓緊力作用中心圓直徑</p><p>　　墊片接觸面寬寬度 </p><p>　　基本密封寬度 </p><p><b>　　當時， </b&g

100、t;</p><p>　　（墊片接觸的外徑，即管箱法蘭的）</p><p>　　因設置隔板或者拉桿而未能被換熱管支撐的面積</p><p><b>　　（4·22）</b></p><p><b>　　管板布管區(qū)面子</b></p><p><b>　?。?/p>

101、4·23）</b></p><p>　　管板布管區(qū)內開孔后的面積</p><p><b>　?。?·24）</b></p><p><b>　　管子金屬總面積</b></p><p>　　從GB151-1999附錄J查得換熱管金屬橫截面積</p><

102、;p><b>　　布管當量直徑</b></p><p><b>　?。?·25）</b></p><p><b>　　管子的有效長度</b></p><p>　　設管板名義厚度，由GB151-1999表33，取換熱管的伸出長度為1.5mm。</p><p>&l

103、t;b>　　系數計算</b></p><p><b>　?。?·26）</b></p><p>　　管束模數 （4·27）</p><p>　　按GB151-1999 5.7.2.1，管板強度削弱系數，管板鋼板削弱系數。</p><p>　　管束無量綱

104、 （4·28）</p><p>　　無量綱壓力 （4·29）</p><p><b>　　按，，查</b></p><p>　　GB151-1999圖23 ，圖24，得 </p><p><b>　　換熱管穩(wěn)定許用應力</b></

105、p><p>　　系數 （4·30）</p><p><b>　　管子回轉半徑</b></p><p><b>　　（4·31）</b></p><p>　　換熱管受壓失穩(wěn)當量長度</p><p>　　查GB151-1999，圖32知

106、</p><p>　　根據GB151-1999，5.7.4.2規(guī)定 </p><p><b>　?。?·32）</b></p><p>　　管板計算厚度及名義厚度</p><p><b>　?。?·33）</b></p><p><b>　　管

107、板的最小厚度</b></p><p>　　由GB151-1999，5.6.1要求，換熱管外徑時，</p><p>　　管側結構槽深，腐蝕余量；殼側結構槽深，腐蝕余量</p><p><b>　?。?·33）</b></p><p>　　原設，計算值為，應重復假設計算。</p><

108、p><b>　　假設，</b></p><p><b>　　，，查</b></p><p>　　GB151-1999圖23 ，圖24得，</p><p>　　，圓整取，接近假設值，故合適。</p><p>　　換熱管的軸向應力校核</p><p>　　根據GB151-1

109、999，5.7.2.2，按以下的三種工況分別校核</p><p>　　只有管程設計壓力，殼程設計壓力</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　?。?·34）</b></p><p><b>　　由，</b></p><p&

110、gt;　　查GB151-1999圖24，得。</p><p><b>　　（4·35）</b></p><p><b>　　當時，合格</b></p><p>　　只有殼程設計壓力，管程設計壓力</p><p><b>　　，</b></p><p

111、><b>　　由，</b></p><p>　　查GB151-1999圖24，得。</p><p><b>　　當時，合格</b></p><p>　　管程設計壓力，殼程設計壓力，同時作用</p><p><b>　　由，</b></p><p>

112、　　查GB151-1999圖24，得</p><p><b>　　當時，合格</b></p><p>　　換熱管與管板的拉脫力校核</p><p>　　本設計采用換熱管與管板強度焊接連接，換熱管焊縫尺寸取</p><p>　　由GB151-1999，5.7.5，知，許用拉脫力</p><p>　　

113、取三種工況絕對值的最大值，。</p><p><b>　?。?·36）</b></p><p><b>　　故滿足要求</b></p><p>　　第4.5節(jié) 鉤圈式浮頭的設計算</p><p>　　4.5.1、 球冠形封頭厚度計算</p><p>　　材料：S31

114、603 鋼板（GB24511） 焊縫系數：</p><p>　　腐蝕余量： 負偏差： </p><p>　　設計溫度為金屬壁溫，但為了計算方便，取管程和殼程設計溫度的平均值，即</p><p>　　℃，設計溫度下的許用應力：。</p><p>　　球冠形封頭球面內半徑按GB151-1999表46選

115、取，DN=1400m取。封頭式換熱器球冠形封頭厚度按管程壓力（內壓）和殼程壓力（外壓）計算，取大值。</p><p><b>　　按內壓計算 </b></p><p><b>　?。?·38）</b></p><p><b>　　按外壓計算 </b></p><p>

116、;<b>　　假設厚度為 ，</b></p><p><b>　　有效厚度 </b></p><p>　　球面有效外徑 （4·39）</p><p><b>　　外壓應變系數 </b></p><p>　　由A查GB150.3-2011圖4-11得B=75M

117、Pa，此時許用外壓力</p><p><b>　　，顯然滿足要求</b></p><p>　　根據內壓、外壓計算出的結果取</p><p>　　4.5.2、浮頭法蘭設計</p><p><b>　　法蘭</b></p><p>　　法蘭材料選S31603鍛件NB/T47010

118、，查GB150.2-2011表11，根據設計溫度t=150℃，取設計溫度許用應力，室溫下許用應力。</p><p><b>　　墊片</b></p><p>　　選用鐵皮包石棉墊片，按JB/T 4718-1992，根據DN=1400，PN=0.8MPa （PN=1MPa）選。墊片型號 F73—1400—1.0—4，墊片尺寸，墊片厚度。</p><

119、p>　　查GB150.3-2011，表7-2取墊片系數，比壓</p><p><b>　　墊片基本密封寬度</b></p><p><b>　　墊片有效密封寬度</b></p><p><b>　　當時， </b></p><p>　　墊片壓降力作用中心圓直徑<

120、/p><p><b>　　螺栓</b></p><p>　　選用等長雙頭螺栓，材料為S30408 （GB/T 1220），對應的螺母材料為S30408</p><p>　　取螺栓的規(guī)格為M24，數量n=44，M24螺栓根徑d=20.8mm。螺栓按150℃保守設計，查GB150.2-2011，表16得：</p><p>　　螺

121、栓設計溫度許用應力 </p><p><b>　　室溫許用應力。</b></p><p><b>　　基本結構尺寸</b></p><p>　　按GB151-1999，5.14.1確定以下的尺寸，根據GB151-1999，表15取，。</p><p>　　浮頭法蘭和鉤圈的外直徑</p&g

122、t;<p>　　浮頭法蘭和鉤圈的內直徑</p><p><b>　?。?·40）</b></p><p><b>　　浮動管板外直徑</b></p><p><b>　?。?·41）</b></p><p><b>　　螺栓中心圓直徑

123、</b></p><p><b>　　（4·42）</b></p><p>　　浮頭法蘭分別按管程壓力作用和殼程壓力作用進行內壓和外壓的設 </p><p>　　計計算，取大者為計算厚度，根據GB151-1999表47進行以下的計算</p><p>　　表4·7

124、內壓浮頭法蘭厚度計算（，）</p><p>　　表4·8外壓浮頭法蘭厚度計算（，）</p><p>　　綜合內壓及外壓的計算結果取</p><p>　　4.5.3、 B型鉤圈厚度計算</p><p>　　為了方便安裝和拆卸，鉤圈設置為兩個半圓環(huán)結構。兩個半圓環(huán)合在一起，與浮頭法蘭用螺栓相聯(lián)接，夾持住浮動管板。鉤圈的材質一般與浮動管板