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论文方法介绍-汽油冷却器设计

2021-03-24 11:26:24

   在石油化工等各式各样的工业生产中,换热器是一种应用极其广泛的设备。本次设计的任务是年处理30万吨/年的汽油冷却器。壳程介质为汽油,管程介质为冷却水。壳程进口温度150℃,出口温度90℃。管程进口温度30℃,出口温度70℃。壳程工作压力为2.42Mpa,管程工作压力为1.98MPa,工作过程无相变。进行换热器的设计,首先是根据工艺要求选择恰当的类型,在本次设计中,选用的是固定管板式换热器,主要参考了GB151-2014《热交换器》和GB150-2011《压力容器》等国家标准。设计流程包含三个部分,分别是工艺计算,结构设计和强度校核。换热器的工艺计算中,由任务书确定工艺流程,由给定工况下的物性参数确定传热面积、进行换热管的初步选择等。结构设计部分中,在相关标准中选择各类标准件如法兰、支座等,而其他非标准件则单独进行设计。为减少流动死区,防止短路,进行了假管与旁路挡板的设计。由于管程壳程介质的温差相对较大,进行了热应力计算,计算可知不需设计膨胀节。强度校核部分中,需校核各个部件厚度是否满足设计与使用要求,进行开孔补强计算来判断是否需要进行补强,最后,要对换热器的六种危险工况下是否满足应力要求进行校核。设计步骤完成后,整理出相应的设计说明书,并绘制给出相关换热器图纸。

 
  1.1换热器的技术概况
 
  换热器又称做热交换器,用于实现冷流体与热流体之间置换热量的设备。
 
  换热器设备是广泛应用于动力工程、石油化工、制冷、冶金、医药等各行各业的一种通用设备[1]p1。换热器的性能对产品质量以及工艺流程的能量利用率和经济可靠性有着重要的影响,甚至起着决定性作用。随社会和经济的不断发展,世界上的各个国家普遍已把能源的更完全利用和石油化工的更深度加工视为发展的重中之重,在化工厂,换热器的费用约占总费用的10%~20%,在炼油厂约占总费用的的35%~40%[2]p49。热交换器的发展可以说是飞速的,一些应用新工艺、新技术的换热器相继出现并用于实际生产中。人们在不断提高换热器设备热效率的同时,促进换热器向结构紧凑、高温、高压、大型化,产品专业化和标准化的趋势发展。
 
  1.2换热器的发展与应用
 
  受到科学技术水平和制造工艺的限制,早期的典型蛇管式换热器只有相对较简单的结构,并且有整体笨重、传热效率低等缺点。随着时代发展的脚步,管壳式换热器在工业生产中逐步占据首要位置,它在单位体积上的传热面积大,且传热效果良好,成为一种使用最为广泛的典型换热器。
 
  近年来,常规能源日益减少,全球能源形势日渐紧张,人们越来越重视节能减排。在工业加工和生产过程中,热交换器是用于调节过程介质温度以满足工艺需求并回收过程余热以实现节能的关键设备,工业生产效率和节能水平与换热器的热交换性能和功耗息息相关,整个生产系统的资产耗费由它的重量和成本决定。因此,全球科研人员和工程技术人员越来越热衷于研究换热器的传热效率强化和提升各方面的综合性能。
 
  在各个生产领域中,换热器的应用极为普遍,按照用途可以分为省煤器、空气预热器,凝汽器、冷水塔、蒸发器、冷凝器等。
 
  1.3设计方案
 
  1.3.1换热器类型的选择
 
  不同的场合适用不同类型的换热器,而列管式换热器在生产中应用十分广泛。管壳式换热器按结构特点进行分类可分为四种。
 
  其中,固定管板式换热器的两端与壳体焊接在一起,壳体直径相同的情况下,它的排管数量最多,结构较为紧凑。固定管板式换热器适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高以及壳程结垢不严重或能用化学清洗的场合[1]p5。
 
  本次设计选取固定管板式换热器。
 
  1.3.2流程的安排
 
  流程安排需要综合考虑各个方面来设置管壳程流体,使得传热效果好、结构简单、检修与清洗方便需要。
 
  本设计中无相变,且冷却水易结垢,对流传热系数通常较大,故设置为汽油走换热器的壳程,冷却水走管程。
 
  无特殊要求,一般选取平均温差较大的逆流方式。故本次设计中选择逆流。
 
  2工艺计算
 
  2.1物性参数
 
  已知的换热器参数如下表1.1。
 
  表2.1换热器的相关参数
 
  参数管程壳程
 
  出口进口出口进口
 
  物料冷却水汽油
 
  流量(Kg/h)37878.79
 
  工作压力(MPa)1.98 2.42
 
  操作温度(℃)70 30 90 150
 
  定性温度:流体在入口处和出口处温度的平均值
 
  汽油定性温度:
 
  (2.1-1)
 
  循环水定性温度:
 
  (2.1-2)
 
  由上述温度查取物性数据,如表1.2所示[3]。
 
  表2.2流体性质
 
  密度ρ(kg/m³)粘度µ(Pa·s)导热系数
 
  λ[W/(m·k)]比热容CP[kJ/kg·℃]
 
  汽油780 0.000536 0.138 2.20
 
  循环水988 0.000549 0.643 4.18
 
  2.2总传热系数
 
  2.2.1流量
 
  热流量:
 
  =1136.4kW
 
  冷却水流量:
 
  2.2.2计算两流体的平均对数温差
 
  选择的是逆流操作,平均温度差:
 
  2.2.3传热面积
 
  K可由《化工原理课程设计》查表,取估计值K=500[2]p64。
 
  再加上18.84%的面积余量,那么,S=1.1532.47=37.34m²。
 
  2.3选取换热管并确定管束
 
  2.3.1换热管直径和流速
 
  选择标准换热管规格,初选为φ25mm2.5mm的碳钢管,内径为20mm;管内流速取ui=1.1m/s[2]p54。
 
  2.3.2管程的数目和传热管的数目
 
  单程的传热管的数目:
 
  换热管长度:
 
  如果按照单程管,传热管长度太长,不适用于实际生产。在这里,我们选用多管程结构。按标准选取传热管l=6m,那么,管程数的值为:
 
  总根数:N=204=80根。
 
  2.3.3壳程数
 
  校正系数:
 
  单壳程,管程数为4的换热器:
 
  代入数据得,平均传热温差为=0.9170=64℃。
 
  平均传热温差校正系数>0.8,壳程流体的流量相对来说也比较大,因此,单壳程适宜本次设计。
 
  2.3.4传热管排列
 
  在本设计中,选择组合排列换热管,传热管排列为正三角形,处在隔板两侧的传热管排列为正方形。那么,管心距:
 
  a=1.25d0=1.2525=31.2532mm(2.3-7)
 
  则管心距32mm,隔板槽相邻的两个换热管中心距44mm。
 
  管束中心线横过的管数:
 
  nc=1.19=1.1912(2.3-7)(2.3-8)
 
  2.3.5壳体内径
 
  多管程,壳体内径估算:
 
  (2.3-9)
 
  式中:η________管板利用率。管程数为4,正三角形排列:η=0.60.8。
 
  取η=0.7,则:
 
  圆整之后,取=400mm。
 
  2.3.6接管
 
  管程进出口接管水的流速u=2m/s
 
  接管内径:
 
  (2.3-11)
 
  壳程进出口接管汽油流速u=1.5m/s,
 
  接管的内径:
 
  (2.3-12)
 
  2.3.7折流板
 
  在此设计中,选单弓形折流板,则h=0.25Di400=100mm。
 
  间距B=0.3D,所以间距B=0.3400=120mm,考虑整体取B=150mm。
 
  折流板数:NB=块,取NB=38块。
 
  折流板缺口面装配方式:水平。
 
  2.4总传热系数校核
 
  2.4.1管程对流传热系数
 
  流通截面积:
 
  流速:
 
  普朗特数:
 
  雷诺数
 
  则:
 
  2.4.1壳程对流传热系数
 
  (2.4-7)
 
  当量直径:
 
  流通的截面积:
 
  流速:
 
  普朗特数:
 
  雷诺数:
 
  修正粘度,取那么最终可得
 
  2.4.3传热系数K
 
  在上式中:di,do,dm_________内径、外径及平均直径,m;
 
  K_________总传热系数,W/(m2·℃);
 
  Rsi,Rso__________传热管内、外侧污垢热阻,W/(m2·℃);
 
  b_________壁厚,m;
 
  ai,ao_________传热管内、外侧流体的对流传热系数,W/(m2·℃);
 
  λ_________管壁热导率,W/(m2·℃)。
 
  代入数据得:
 
  解得:
 
  W/(m2·℃)
 
  2.4.4传热面积A
 
  实际面积:
 
  面积余量:
 
  在15%~35%之间,面积裕度合适,足够满足生产任务要求。
 
  2.5流体流动的阻力
 
  2.5.1壳程压强降
 
  在工程计算中,Esso法最为常用:
 
  (2.5-1)
 
  其中,
 
  式中,NB _______折流挡板数;
 
  NS _______壳程数;
 
  B _______折流板间距,m;
 
  Ft _______结垢校正系数,对液体,Ft取1.15;
 
  uo _______流速,m/s;
 
  F _______校正系数,正三角形排列,F=0.5;
 
  fo _______流体摩擦系数,,;
 
  nc _______壳体径向上的管数;
 
  ρ_______流体的密度,kg/m3。
 
  D _______筒体内径,m;
 
  2.5.2管程压强降
 
  一般情况下,进出口阻力损失可以忽略不列入计算当中,多管程列管换热器的管程阻力损失总和即压强降为:
 
  (2.5-7)
 
  式中,Ns_________管箱数Ns=1;
 
  Ft_________结垢校正系数,本设计Ft取1.4;
 
  Np_________管程数,Np=4。
 
  上式,为直管压强降;为回弯压强降。
 
  校核结果是安全的。
 
  3结构设计
 
  3.1壳体和管箱
 
  3.1.1换热器的设计参数
 
  表3.1换热器的设计参数
 
  设计温度(℃)设计压力(MPa)
 
  管程90 2.18
 
  壳程170 2.66
 
  3.1.2圆筒壳体厚度
 
  根据HG/T 20581-2011,在刚度或结构设计的场合宜选用普通碳素钢,圆筒材料本次选择的是Q345R[4]。壳体公称直径400,属于较小的直径,查阅相关国家标准资料,宜选择全熔透对接接头,在此处焊接系数0.85[5]p9,负偏差C1=0.3mm,腐蚀余量C2=2mm[6]p21。由设计任务书可知,壳体工作压力为2.42Mpa(厚度范围在3-16mm之间),取设计压力ps=2.66MPa。查阅国标《压力容器》可知,在170℃时,Q345R的许用应力为187MPa[7]p43。
 
  壳体厚度:
 
  (3.1-1)
 
  则名义厚度:
 
  δn>δ+C1+C2=3.38+0.3+2=5.68mm(3.1-2)
 
  查GB151-2014,可取的最小厚度为6.0mm,取6mm[5]p50。
 
  3.1.3封头
 
  查阅标准,并考虑到同体的材料,此封头选用Q345R,因为封头承受的压力十分复杂,为保证焊接强度,选择双面焊,焊接系数1。短节也和封头采取一样的双面焊焊接形式,无需进行100%的无损探伤检测,焊缝系数0.85[5]p9,腐蚀余量C2=2mm,负偏差C1=0.3mm[6]p21。由设计任务书可知,管程的工作压力为1.98Mpa(厚度为3-16mm时),取设计压力pt=2.18MPa。查阅国标《压力容器》可知,90℃时,Q345R的许用应力为196.2MPa[7]p43。
 
  封头的厚度计算:
 
  (3.1-3)
 
  δn>δ+C1+C2=2.23+0.3+2=4.53mm(3.1-4)
 
  因此,封头的名义厚度可以取跟壳体的相同,即δn=6mm。
 
  封头的选用查根据GB-T 25198-2010可得具体参数[8]
 
  如表3.2
 
  表3.2 DN400标准椭圆封头参数
 
  公称直径DN(mm)内表面积A(m2)深度
 
  H(mm)名义厚度
 
  δn(mm)容积
 
  V(m3)封头质量(kg)
 
  400 0.2049 125 6 0.0115 9.7
 
  短节厚度:
 
  mm(3.1-5)
 
  δn>δ+C1+C2=2.63+0.3+2=4.93mm,名义δn=6mm,最小δmin=4mm,比Q345R要求的最小厚度3mm大,可以满足要求。
 
  3.2换热管结构设计
 
  3.2.1排列换热管
 
  在各种换热管排布方式中,正三角形排列最为常用,管板面积相同的情况下,管子排列数最多,声振小,传热效果较好,管板的划线与钻孔也十分方便。故选择正三角形排列。
 
  图3.1正三角形排列方式
 
  3.2.2换热管规格和管心距
 
  材料选择为20号钢,工作条件一般,为节约成本,选择II级管束。换热管规格φ25mm2.5mm,管长l=6m。本次设计是四管程,分程隔板两侧的管心距,必须大于隔板槽密封面的宽度加中心距,才能有足够的强度来支持胀接。故中心距S=32,分程隔板处管心距取44mm。
 
  表3.3换热管
 
  壁厚(mm)外径(mm)中心距(mm)长度(m)
 
  2.5 25 32 6
 
  3.2.3管板与换热管的连接
 
  查阅《换热器设计手册》,管板与换热管之间的连接主要有胀接、焊接和胀焊结合三种方式,本设计的设计压力为2.18 Mpa<2.5 Mpa,,换热管材料20钢,可以选用强度胀接的方式,具体如图3.2,开槽深度K=0.5mm,伸出长度l1=3+2mm。
 
  图3.2强度胀接
 
  3.2.4布管限定圆
 
  查阅资料,得b3=8mm[5]p18,
 
  布管限定圆直径为:
 
  DL-Di×2b3=400-2×8=384mm(3.2-1)
 
  实际布管图如下图3.3,由图可知,换热管总根数88根,符合要求。
 
  图3.3管板处实际布管图
 
  3.3拉杆和定距管
 
  3.3.1拉杆的结构
 
  本设计换热管外径25mm>19mm,L2>La,选用拉杆定距管。具体结构形式如图3.4。
 
  图3.4拉杆定距管
 
  3.3.2拉杆
 
  查阅相关资料,换热管外径25mm,所对应的拉杆直径应该为16mm[1]p189。
 
  表3.4拉杆连接
 
  La Lb b拉杆直径d拉杆螺纹公称直径dn
 
  22≥60 2.0 16 16
 
  图3.5拉杆
 
  3.4管板
 
  在选用管板时,应该同时考虑到结构设计和强度要求。因为介质的腐蚀性很弱,所以管板材料可以选择16Mn锻件。
 
  3.4.1管孔开槽尺寸
 
  查国家标准可知,25mm换热管,Ⅱ级管束,允许偏差:+0.10,-0.10,管孔直径:25.30[5]p23。
 
  3.4.2管板结构
 
  壳程ps=2.66Mpa,管程pt=2.18Mpa,壳体圆筒公称直径DN=400mm,查阅资料可得,管板尺寸和结构如下表3.5和图3.6[1]p146。
 
  表3.5管板尺寸
 
  b
 
  (mm)bf
 
  (mm)d2
 
  (mm)D5
 
  (mm)D4
 
  (mm)D3
 
  (mm)D2
 
  (mm)D1
 
  (mm)D
 
  (mm)螺栓
 
  数量螺栓
 
  规格
 
  50 36 23 400 452 400 465 500 540 20 M20
 
  图3.6管板结构
 
  3.4.3拉杆孔
 
  换热管外径25mm>19mm,选择拉杆定距管固定折流板。管板和拉杆连接如图3.7。
 
  螺纹深度计算:
 
  L2=1.5dn=1.5×16=24mm(3.4-1)
 
  La=20mm,因为L2>La,故拉杆孔直径:d1=dn=17mm。
 
  图3.7管板拉杆螺纹连接
 
  3.4.4管板的重量
 
  管板重量:
 
  (3.4-2)
 
  3.5接管及接管法兰
 
  3.5.1布置接管原则
 
  (1)接管的端面要和壳体的表面布置在同一水平面上。
 
  (2)接管的布置方向可选择沿轴向或者径向。
 
  (3)如果换热器自身排放气有一些困难,此时应该设置排液口,排气口,排气液口DNmin=20mm。
 
  3.5.3管程接管
 
  取接管内液体流速为2m/s,则接管内径为:
 
  mm(3.5-1)
 
  接管内径为65mm,由HG/T20553-2011取标准管φ76mm×4mm,DN=65mm。查表可得接管外伸长度取150mm。
 
  3.5.2壳程接管
 
  接管20号钢,取接管内流速为1.5m/s
 
  则接管内径为:
 
  (3.5-2)
 
  接管内径107mm,由HG/T20553-2011取标准管φ133mm×5mm,DN=125mm[9]。查表可得接管外伸长度取200mm[1]p142。
 
  3.5.4接管放置位置
 
  管程:
 
  mm(3.5-3)
 
  向上取L2=300mm
 
  式中,
 
  图3.8管程接管布置
 
  3.5.5壳程接管最小位置
 
  无膨胀节:
 
  (3.5-4)
 
  上式中,
 
  由GB 150.4可知组装筒体中,任何单个筒节的长度不得小于300mm,故筒节长400mm。
 
  图3.9壳程接管布置
 
  3.5.6管法兰选定
 
  本设计管法兰选用板式平焊法兰,16Mn,密封面类型突面,查阅国家标准确定具体型号,尺寸如下表3.6,图3.10[10]。
 
  表3.6接管管法兰
 
  法兰内径
 
  B(mm)法兰外径D(mm)螺栓孔直径L(mm)螺栓孔中心圆直径
 
  K(mm)螺栓Th螺栓孔数
 
  n坡口宽度
 
  b(mm)法兰厚度
 
  C(mm)
 
  排气、液口接管管法兰26 105 14 75 M12 4 4 16
 
  壳程接管
 
  管法兰135 270 26 220 M24 8 6 28
 
  管箱接管
 
  管法兰78 185 18 145 M16 8 6 22
 
  图3.10板式平焊法兰
 
  3.5.7接管和法兰焊接接头和坡口尺寸
 
  管箱接管管法兰的坡口宽度b=6mm。
 
  壳体接管管法兰的坡口宽度b=6mm。
 
  3.6容器法兰
 
  3.6.2法兰尺寸
 
  按照国家标准选择容器法兰,尺寸如下表3.8[11]。
 
  表3.7长颈对焊法兰
 
  公称直径法兰,mm
 
  DN(mm)D h H a d R
 
  400 36 452 455 465 500 540 25 95 22 12 14 17 23 12
 
  对接筒体螺柱
 
  最小厚度,mm规格数量
 
  8 M20 20
 
  容器法兰的质量为32kg。
 
  图3.11长颈对焊法兰
 
  3.6.2容器法兰配件选用
 
  由国家标准选用螺母和垫片的材料,如下表3.7[12]。
 
  表3.8匹配材料表
 
  法兰类型法兰材料螺柱材料垫片螺母材料
 
  长颈对焊法兰锻件NB/T47008
 
  12Cr2Mo1 40MnVB铜金属包垫片45
 
  3.6.3法兰垫片
 
  查找标准NB/T 47026-2012得,容器法兰的垫片外径、内径、厚度分别为:Do=454mm,Di=422mm,t=3mm[13]。
 
  3.7折流板
 
  换热器中常用的有弓形折流板,圆盘-圆环形折流板,本次设计采用的是单弓形折流板。
 
  3.7.1折流板尺寸
 
  本次设计的卧式换热器,它的壳程流体汽油为单相液体,采取上下布置折流板缺口。选取折流板材料Q235-A,缺口h=100mm。由国家标准可知,碳钢最大无支撑跨距为1850mm[5]p34。选用厚度为12mm,折流板的名义外直径为DN=400-3.5=396.5mm。
 
  3.7.2折流板的放置
 
  管板和折流板之间的距离:
 
  mm(3.8-1)
 
  取L=250mm,其余板间距为150mm。
 
  图3.13管板侧的折流板的间距
 
  3.7.3折流板质量
 
  查阅资料,公式如下[1]p184:
 
  (3.7-2)
 
  ha/Da=100/396.5=0.25221,查到c=0.15528。
 
  Af=Da2C=396.5²×0.15528=24411.9mm2(3.7-3)
 
  (3.7-4)
 
  3.8旁路挡板和假管
 
  3.8.1旁路挡板
 
  旁路挡板又叫做密封条,它主要是为了防止外圈管子与壳体之间的间隙较大,以避免形成短路。根据国家标准可知,两块折流板之间的缺口距离如果大于6个换热管管心距,那么就要在此设置一对旁路挡板[5]P36。
 
  由实际布管图可知本换热器无需进行旁路挡板的设置。
 
  3.8.2假管
 
  在换热器中为了防止短路,减少流动死区,常设置假管,又叫做挡管。由于此次设计采用的四管程的换热器,需在分程隔板背面的管束中间设置假管,挡管可以是为一端或者两端堵死的管子。挡管设置方式为在两块折流板缺口之间,相距4~6个管心距设置1根,如图3.12所示。挡管伸出最外侧的折流板长度最好在50mm之内。挡管需要焊接在某一块折流板上。
 
  图3.12挡管布置
 
  3.9膨胀节
 
  膨胀节是一种挠性构件,安装在壳体上,利用它易变形的特性,来补偿壳体和管束之间产生的不同步变形,消除温差应力。在设计时,需要计算相关数据来判断是否需要设置膨胀节。
 
  (3.9-1)
 
  (3.9-2)
 
  式中:
 
  (3.9-3)
 
  (3.9-4)
 
  (3.9-5)
 
  式中,
 
  所以:
 
  (3.9-6)
 
  (3.9-7)
 
  n——管数;
 
  di、do——管子内外径,mm;
 
  Di——内径,mm。
 
  除了温度产生的热应力,也要考虑内压的作用。管程和壳程会在自身工作压力下产生变形,因为工作压力的不同,变形可能会不一致不协调。
 
  管板受到管间压力产生的力:
 
  (3.9-8)
 
  管板受到管内压力产生的力:
 
  (3.9-9)
 
  顶盖受到管内压力的力:
 
  (3.9-10)
 
  轴向载荷总和:
 
  (3.9-11)
 
  F2——圆筒上压力,N:
 
  (3.9-12)
 
  F3——管子上压力,N:
 
  (3.9-13)
 
  应力作用下:
 
  (3.9-14)
 
  (3.9-15)
 
  温差作用下:
 
  (3.9-16)
 
  (3.9-17)
 
  应力合成:
 
  管子受压:
 
  (3.9-18)
 
  壳体受压:
 
  (3.9-19)
 
  比较应力条件:
 
  取焊缝系数=1,若满足下列条件,则无需设置膨胀节。
 
  本设计对以上条件都满足,所以没有必要设置膨胀节。
 
  3.10防冲板
 
  壳程的进口处,流速v=2m/s:
 
  v2=780×1.52<2230kg/(ms2)(3.10-1)
 
  壳程内的流体为清洁液体,单相液体,对管束基本没有冲刷作用,不用设置防冲板。
 
  3.11支座
 
  3.11.1支座型式
 
  根据国家相关支座标准进行选取。选用支座材料Q235-B,相关数据如下[14]。
 
  表3.9鞍式支座
 
  垫板包角筋板数型式支座尺寸
 
  有120°1重型B焊制见图
 
  F型
 
  S型
 
  图3.13鞍式支座
 
  表3.10鞍式支座的相关尺寸
 
  允许载荷
 
  Q KN鞍座高度
 
  h公称直径
 
  DN筋板底板腹板
 
  b3δ2 l1 b1δ1δ2
 
  60 200 400 96 8 380 120 8 8
 
  鞍座质量kg螺栓间距垫板每增加
 
  100mm
 
  增加的质量
 
  带垫板不带垫板l2弧长b4δ4 e
 
  16 10 260 480 200 6 48 3
 
  接管法兰需要一定安装高度,需要加垫板使得鞍座高度比标准件高100mm。
 
  3.11.2支座位置
 
  (1)管长L≤300mm时,两个鞍座之间的距离;
 
  (2)L>300mm时,两个鞍座之间的距离;
 
  (3)Lc和Lc'的值最好相近相等。
 
  L=6000mm,本设计取La=3600mm,Lc=1200mm,Lc'=1200mm。
 
  支座结构如图3.14:
 
  图3.14支座安装位置
 
  4换热器强度校核
 
  4.1水压实验
 
  为了保证产品在投入生产后能安全运行,确保换热器强度与密封性能可靠,水压试验要在比工作压力更高的状态下进行,水的不可压缩性非常适合用于做介质进行试验,水压试验时应该排尽空气。
 
  4.1.1壳程
 
  试验压力:
 
  MPa(4.1-1)
 
  薄膜应力:
 
  (4.1-2)
 
  4.1.2管程
 
  试验压力:
 
  MPa(4.1-3)
 
  薄膜应力:
 
  MPa(4.1-4)
 
  因为σT<0.9Rel=0.9×0.85×345=263.93MPa
 
  4.2厚度校核
 
  4.2.1校核壳体厚度
 
  设计温度下,壳体的
 
  计算应力:
 
  MPa(4.1-5)
 
  σt<[σ]t=189×0.85=160.7MPa,所以计算应力满足要求。
 
  工作压力最大值:
 
  MPa(4.1-6)
 
  因为[pw]>,所以满足设计要求。
 
  4.2.2校核封头厚度
 
  此换热器选取的是标准椭圆封头,液柱静压忽略不计,。取焊接接头系数=1。
 
  设计温度下,
 
  MPa(4.2-1)
 
  σt<[σ]t=189×1=189MPa,所以计算应力满足要求。
 
  封头的最大允许工作压力为:
 
  MPa(4.2-2)
 
  因为[pw]>pc,所以满足设计要求。
 
  4.3校核接管厚度
 
  4.3.1壳箱接管
 
  接管外径do=133mm,pc=2.66MPa,取焊接接头系数=1。由GB 150.2-2011《压力容器》知在设计温度下其许用应力[σ]t=136MPa[7]p52。
 
  (4.3-1)
 
  向上圆整,取壁厚4mm,可满足。
 
  4.3.2管箱接管
 
  接管外径do=76mm,pc=2.18MPa,取焊接接头系数=1。由GB 150.2-2011《压力容器》知在设计温度下其许用应力[σ]t=147MPa[7]p52。
 
  mm(4.3-2)
 
  向上圆整,取壁厚10mm,可满足。
 
  4.4开孔补强
 
  当开孔直径小于等于89mm时,可以不另外补强,因此本设计中,排液、气口和管程接管都不需要开孔补强,而壳程接管则需要进行计算来确认是否需要补强。
 
  4.4.1补强方式
 
  开孔直径:
 
  d=di+2C=123+2×2.3=127.6mm(4.4-1)
 
  由GB150.2-2011,P152可知,壳体上的圆形开孔可采用等面积法。孔的长短径比值应该小于等于2.0。当Di≤1500mm时,开孔直径dmax≤0.5Di=0.5×400=200mm,且d≤520mm。
 
  4.4.2壳程开孔补强
 
  (1)开孔补强所需的面积
 
  筒体δ=3.38mm,壳程tc=170℃,Q345R许用应力[σ]t=189MPa,接管20钢许用应力为[σ]t=136MPa。
 
  强度削弱系数:
 
  (4.4-2)
 
  有效厚度:
 
  δet=δnt-C1-C2=5-2.3=2.7mm(4.4-3)
 
  所需补强:
 
  mm2(4.4-4)
 
  (2)有效补强范围
 
  有效宽度:
 
  mm(4.4-5)
 
  mm(4.4-6)
 
  取值更大者,故B=255.2mm。
 
  内侧有效高度:
 
  mm(4.4-7)
 
  h2=0(实际内伸长度)(4.4-8)
 
  取小者,h2=0。
 
  外侧有效高度:
 
  mm(4.4-9)
 
  h1=200mm(实际外伸长度)(4.4-10)
 
  取小者,h1=35.72mm
 
  (3)有效补强面积
 
  接管处:
 
  计算厚度:
 
  (4.4-11)
 
  多余面积A2
 
  (4.4-14)
 
  壳体处:
 
  有效厚度:
 
  (4.4-12)
 
  多余面积A1:
 
  (4.4-13)
 
  焊缝:
 
  取焊脚6mm,故:
 
  (4.4-15)
 
  有效补强为:
 
  (4.4-16)
 
  因为有效补强面积大于所需补强面积,壳程开孔不用另外补强。
 
  4.5管板强度
 
  此换热器中,管板连接为e型连接方式。
 
  4.5.1各元件尺寸
 
  换热管:n=88根,δt=2.5mm,S=32mm,L=6000mm,。
 
  管箱法兰Df=540mm,厚度δf’=95mm;
 
  管箱厚度δh=6mm;壳程厚度δs=6mm;圆筒Di=400mm;
 
  4.5.2结构参数
 
  As—壳壁截面积,mm2:
 
  (4.5-1)
 
  A—圆筒横截面内直径面积,mm2:
 
  (4.5-2)
 
  a—换热管横截面积,mm2:
 
  (4.5-3)
 
  Al—管板除去开孔面积,mm2:
 
  (4.5-4)
 
  At—布管区面积,mm2:
 
  (4.5-5)
 
  λ——系数:
 
  (4.5-6)
 
  ρt—系数:
 
  (4.5-7)
 
  Dt—布管区当量直径,mm:
 
  (4.5-8)
 
  Kt—管束模数,MPa:
 
  MPa(4.5-9)
 
  s—系数:
 
  (4.5-10)
 
  t—系数:
 
  (4.5-11)
 
  —系数:
 
  (4.5-12)
 
  Q—刚度比;Es壳程圆筒材料的弹性模量,MPa:
 
  由GB 150-2011,P84可知Es=193×103 MPa
 
  (4.5-13)
 
  Q=Qex(无膨胀节)
 
  4.5.3法兰力矩
 
  由国家标准可知,管板延长部分也用作做法兰的:
 
  (4.5-14)
 
  按GB 150.3-2011《压力容器》[15]p190:
 
  (4.5-15)
 
  (4.5-16)
 
  N:垫片接触宽度;
 
  bo:基本密封宽度;
 
  根据GB 150.3-2011《压力容器》[15]p192:
 
  当bo>6.4mm时,
 
  (4.5-17)
 
  (4.5-18)
 
  故:
 
  (4.5-19)
 
  (4.5-20)
 
  (4.5-21)
 
  (4.5-22)
 
  (4.5-23)
 
  查GB150.2-2011《压力容器》表12,P64,[σ]b=200MPa[7]p64。
 
  故:
 
  (4.5-24)
 
  (4.5-25)
 
  取Aa和Ap的较大值Am=2408.36mm2
 
  所以,
 
  (4.5-26)
 
  管程压力下法兰操作力矩Mp:
 
  M p=FD LD+FT LT+FG LG(4.5-27)
 
  (4.5-28)
 
  (4.5-29)
 
  (4.5-30)
 
  (4.5-31)
 
  由GB150.3-2011《压力容器》表7-3取LA=24mm[15]p193;
 
  (4.5-32)
 
  (4.5-33)
 
  (4.5-34)
 
  4.5.4系数计算
 
  初选管板厚度δ=50mm,壳体法兰厚度δf’=28mm。
 
  (4.5-35)
 
  (4.5-36)
 
  (4.5-37)
 
  (4.5-38)
 
  (4.5-39)
 
  (4.5-40)
 
  (4.5-41)
 
  (4.5-42)
 
  (4.5-43)
 
  (4.5-44)
 
  对于e型连接方式的管板,Kf=Kf’=31.32MPa
 
  (4.5-45)
 
  查GB/T 151-2014图7-12,由K=1.95,,得m1=0.06[5]p91,
 
  故:
 
  (4.5-46)
 
  同时,根据K=1.95,查图7-13,可知G2=1.3[5]p92。
 
  由Q=2.08,K=1.95,查图7-14,得m2=5.2[5]p93,则m2/Q=5.2/2.08=2.40.
 
  查GB/T 151-2014,图7-15,知G3=0.82[5]p95。
 
  (4.5-47)
 
  (4.5-48)
 
  (4.5-49)
 
  (4.5-50)
 
  4.5.5各种危险工况
 
  表4.1六种危险的计算工况
 
  危险工况1 2 3 4 5 6
 
  膨胀变形差γ0γ0γ0γ
 
  管程压力pt 0 0 pt pt pt pt
 
  壳程压力ps ps ps 0 0 ps ps
 
  边缘力矩系数延长部分兼做法兰
 
  不带法兰
 
  工况一:
 
  Ps=2.66MPa,Pt=0Mpa,
 
  (4.5-51)
 
  (4.5-52)
 
  (4.5-53)
 
  (4.5-54)
 
  (4.5-55)
 
  查GB/T 151-2014,当m≥0.9时,取fr=frb[5]p73
 
  (4.5-56)
 
  (4.5-57)
 
  (4.5-58)
 
  (4.5-59)
 
  (4.5-60)
 
  (4.5-61)
 
  (4.5-62)
 
  (4.5-63)
 
  综上,fr=frb=0.225
 
  G1—管板最大径向应力系数;
 
  (4.5-64)
 
  (4.5-65)
 
  (4.5-66)
 
  不计变形差,显然,则满足要求。
 
  (4.5-67)
 
  (4.5-68)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-69)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-70)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-71)
 
  根据GB/T 151-2014,许用拉脱力为[q]=4[5]p76。则|q|<[q],满足设计要求。
 
  :壳体法兰力矩系数:
 
  (4.5-72)
 
  :壳体法兰应力,MPa:
 
  (4.5-73)
 
  (4.5-74)
 
  (4.5-75)
 
  (4.5-76)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  工况二:
 
  Ps=2.66MPa,Pt=0MPa,
 
  (4.5-77)
 
  (4.5-78)
 
  (4.5-79)
 
  (4.5-80)
 
  (4.5-81)
 
  (4.5-82)
 
  (4.5-83)
 
  查GB/T 151-2014,当0.3≤m<0.9时,
 
  查表得,fri=-0.19
 
  (4.5-84)
 
  (4.5-85)
 
  (4.5-86)
 
  (4.5-87)
 
  (4.5-88)
 
  (4.5-89)
 
  (4.5-90)
 
  (4.5-91)
 
  综上,取fr=fri(|fri|>|frb|)=-0.19
 
  G1—管板最大径向应力系数;
 
  (4.5-92)
 
  (4.5-93)
 
  (4.5-94)
 
  计变形差,显然,则满足要求。
 
  (4.5-95)
 
  (4.5-96)
 
  计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-97)
 
  计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-98)
 
  计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-99)
 
  根据GB/T 151-2014,许用拉脱力为[q]=4。则|q|<[q],满足设计要求。
 
  :壳体法兰力矩系数:
 
  (4.5-100)
 
  :壳体法兰应力,MPa:
 
  (4.5-101)
 
  (4.5-102)
 
  (4.5-103)
 
  (4.5-104)
 
  计变形差,显然,满足要求。
 
  工况三:
 
  Ps=0MPa,Pt=2.18MPa
 
  (4.5-105)
 
  (4.5-106)
 
  (4.5-107)
 
  (4.5-108)
 
  (4.5-109)
 
  (4.5-110)
 
  (4.5-111)
 
  查GB/T 151-2014,当-3≤m<0.3时,查图7-16,取fr=fri=-1.05
 
  G1—管板最大径向应力系数;
 
  (4.5-112)
 
  (4.5-113)
 
  (4.5-114)
 
  不计变形差,显然,则满足要求。
 
  (4.5-115)
 
  (4.5-116)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-117)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-118)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-119)
 
  根据GB/T 151-2014,许用拉脱力为[q]=4。则|q|<[q],满足设计要求。
 
  :壳体法兰力矩系数:
 
  (4.5-120)
 
  :壳体法兰应力,MPa:
 
  (4.5-121)
 
  (4.5-122)
 
  (4.5-123)
 
  (4.5-124)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  工况四:
 
  Ps=0MPa,Pt=2.18MPa,
 
  (4.5-125)
 
  (4.5-126)
 
  (4.5-127)
 
  (4.5-128)
 
  (4.5-129)
 
  取
 
  (4.5-130)
 
  (4.5-131)
 
  查GB/T 151-2014,当0.3≤m≤0.9时,查图7-16,fr=fri=-0.42
 
  G1——管板最大径向应力系数;
 
  (4.5-132)
 
  (4.5-133)
 
  (4.5-134)
 
  不计变形差,显然,则满足要求。
 
  (4.5-135)
 
  (4.5-136)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-137)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-138)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-139)
 
  根据GB/T 151-2014,许用拉脱力为[q]=4。则|q|<[q],满足设计要求。
 
  :壳体法兰力矩系数:
 
  (4.5-140)
 
  :壳体法兰应力,MPa:
 
  (4.5-141)
 
  (4.5-142)
 
  (4.5-143)
 
  (4.5-144)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  工况五:
 
  Ps=2.66MPa,Pt=2.18MPa
 
  (4.5-145)
 
  (4.5-146)
 
  (4.5-147)
 
  (4.5-148)
 
  (4.5-149)
 
  (4.5-150)
 
  (4.5-151)
 
  查GB/T 151-2014,当m<-3时,取fr=m-0.7/K=-9.48-0.7/1.95=-9.84
 
  G1—管板最大径向应力系数;
 
  (4.5-152)
 
  (4.5-153)
 
  (4.5-154)
 
  不计变形差,显然,则满足要求。
 
  (4.5-155)
 
  (4.5-156)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-157)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-158)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-159)
 
  根据GB/T 151-2014,许用拉脱力为[q]=4。则|q|<[q],满足设计要求。
 
  :壳体法兰力矩系数:
 
  (4.5-160)
 
  :壳体法兰应力,MPa;
 
  (4.5-161)
 
  (4.5-162)
 
  (4.5-163)
 
  (4.5-164)
 
  不计变形差,显然,满足要求。
 
  工况六:
 
  Ps=2.66MPa,Pt=2.18MPa
 
  (4.5-165)
 
  (4.5-166)
 
  (4.5-167)
 
  (4.5-168)
 
  (4.5-169)
 
  (4.5-170)
 
  (4.5-171)
 
  (4.5-172)
 
  查GB/T 151-2014,当m≥0.9时,查图7-16,取,fr=frb=-0.5
 
  G1—管板最大径向应力系数;
 
  (4.5-173)
 
  (4.5-174)
 
  (4.5-175)
 
  计变形差,显然,则满足要求。
 
  (4.5-176)
 
  (4.5-177)
 
  计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-178)
 
  计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-179)
 
  计变形差,显然,满足要求。
 
  (4.5-180)
 
  根据GB/T 151-2014,许用拉脱力为[q]=4。则|q|<[q],满足设计要求。
 
  :壳体法兰力矩系数:
 
  (4.5-181)
 
  :壳体法兰应力,MPa:
 
  (4.5-182)
 
  (4.5-183)
 
  (4.5-184)
 
  (4.5-185)
 
  计变形差,显然,满足要求。