固定管板换热器设计

1.换热器壳体壁厚计算

(1)选择钢材:壳程介质为煤油,煤油为易燃易爆液体,危害毒性为轻度(IV

级),根据SH3075-1995《石油化工钢制压力容器材料选用标准》中表4.1.1选Q235-B钢材作为壳体材料。

(2)确定各设计参数:根据GB151-1999 《管壳式换热器》3.12.1的规定选取设计温度t=110℃;查GB150.2-2011《压力容器》第二部分材料表D.1并进行差值计算得Q235-B的许用应力「」t=112MP;按表2-10,面对接焊采用双面局部无损探伤,焊接接头系数=0.85;, 根据GB151-1999 《管壳式换热器》查钢板厚度负偏差C1=0.8㎜(假设其钢板名义厚度为8~25㎜),腐蚀裕量C2=2

㎜,厚度附加量C= C1 + C2 =2.6㎜;取Pc =1.1Pw, Pw=0.1P,可得:Pc =1.1×0.1=0.11MPa

(3)计算壁厚:

=PD2[]tPc5.78mm

有效厚度nC1C25.782.88.58mm

按钢板厚度规格向上圆整后,取壳体名义厚度为10mm,此值在初始假设厚度

范围,故得n10mm

2.换热器封头的壁厚计算

由于Di/2hi=2时,椭圆形封头的应力分布较好,且封头的壁厚与相连的筒体

厚度大致相等,便于焊接,经济,合理,适用于低压容器,所以选择标准椭圆形封头,其形状系数K=1.0。

KPD1.00.111000由公式得: δ5.779mm t21120.85-0.50.112[σ]φ0.5Pc

有效壁厚: nC5.7792.88.579mm

按钢板厚度规格向上圆整后取得名义厚度n10mm

根据JB/T25198-2010标准,标准椭圆形封头为DN1000×10,曲面高度h1

=275mm,直边高度h2 =40mm,如图所示,材料选用Q235-B。

椭圆形封头直边高度h的选用

3压力试验及其强度校核

根据公式确定水压试验压力:

PT1.25PC1.250.1110.1375MP t

再根据公式校核壳体强度:

TPT(Die) 0.9s 2e

钢板在试验压力下的屈服极限s245MPa

可计算出:

1000102.8PT(Die)0.13759.603MPa T2e2102.80.9s0.20.90.85245187.425MPa

由于T0.9S,所以液压试验时壳体强度满足要求。

4.换热器压力容器法兰的选择与计算

公称压力的原则, 就进(1)由壳体的设计压力Pc=0.11MPa,按照设计压力

确定法兰公称压力为0.25MP,为保证安全,所以就进提高一个公称压力等级,暂

定法兰公称压力为0.6MPa。

(2)根据容器法兰公称直径等于其相连的壳体内径,可得法兰的公称直径

DN=1000mm,同时由设计温度t=110℃和以上的初定的公称压力PN=0.6MPa,根据

JB/T4700-2000《压力容器法兰分类与技术条件》表1初步选取甲型平焊法兰。

(3)根据介质特性及壳体材料确定法兰材料为Q235-B,并根据t=110℃和

PN=0.6MP,根据NB/T47020-2012《压力容器法兰分类与技术条件》表6,查得其

最大允许工作压力为0.4MP。

(4)由于0.4MP>0.11MP即法兰最大允许工作压力大于设计压力,所以选择

公称直径DN=1000mm,公称压力PN=0.6MP,材料为Q235-B的甲型平焊法兰。

(5)由于工作介质为煤油,根据《过程设备设计》表4-11选择突面密封面,

确定垫片为耐油橡胶石棉板。根据NB/T 47020-2012《压力容器法兰分类与技术

条件》表2选取螺栓材料为20号钢,螺柱材料为35号钢。

图3-2 容器法兰(图面形式) (6)压力容器法兰标记为:法兰-FM1000-0.6 JB/T 4703-2000

5 管板的选择与尺寸计算

管程工作压力为0.1,可算管程的设计压力Pt=1.1Pw=0.11MPa(取管板的公

称压力为0.6MPa)的管板,材料为16Mn。

根据《换热器设计手册》表1-6-9,可查得:在公称直径DN=1000mm,壳程公

称压力Ps=1.0MPa=Pt下的管板尺寸如下表所示:

6 分程隔板的选择

根据《化工单元过程及设备课程设计》表4-1查得1200≥DN>600时,隔板最小厚度为10mm。材料为Q235-B。根据GB151-1999中5.6.6.2确定分程隔板槽深5mm,宽12mm。拐角处倒成圆角4mm× 45°。

7 膨胀节的选用与计算

固定管板式换热器在换热过程中,管束与壳体有一定的温差存在,而管板、

管束与壳体是刚性连接在一起,当温差达到某一个温度直时,由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏和管束的弯曲,需设置补偿装置,如膨胀节。膨胀节是安装在固定管板式换热器上的挠性构件,对管束与壳体间的变形差进行补偿,以此来消除壳体与管束间因温差而引起的温差应力。

膨胀节的型式较多,通常有波形膨胀节、平板膨胀节、形膨胀节等。而在

生产实践中,应用最多的,最普遍的是波形膨胀节。

根据GB151-1999附录F的计算方法进行换热管壁温的计算,从设备的具体操作情况,可以假定K、rd、q和a保持不变,进行简化计算:

热流体的平均温度Tm为:Tm11TiTo1003567.522

冷流体的平均温度tm为:

tttm11tito254032.5oC22 则: 11Tmtm67.532.550oCo22即换热管壁温为50 C。

t圆筒壁温s的计算:应外部有良好的保温,故壳体壁温可取壳层流体的平均

温度:tstm32.5oC

oottt51.2532.518.75C50C ts管壳层温差:

由于管束与壳体温差小于50℃,所以不需要设置膨胀节。

8 折流板的设计与计算

在壳程管束中,一般都装有横向折流板,用以引导流体横向流过管束,增加

流体速度,以增强传热;同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。

圆缺形折流挡板在流动中死区较少,比较优越,结构比较简单,所以采用圆

缺形折流挡板,去折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为:

h0.251000250,故可取h250mm。

取折流板间距B=0.3D,则 B0.31000300mm,可取B为300mm。 折流板数目NB传热管长90001129 折流板间距300

根据GB151-1999表34查得:折流板最小厚度为16mm;由表41查得:折流

板名义外径为DN-6=964mm,材料为Q235-B.

折流板圆缺面水平装配,见图

9 接管的选择

(1)管程接管的选择与计算:

Shc x=1000x P

[]=1000x 0.11=7.53 146

所以根据《过程装备成套技术设计指南》表9-8应选用Shc.10系列的管子,

其设计压力为0.11MPa,材料为20号钢,其公称直径DN150,查表得外径为168.3mm,壁厚为5mm。根据《换热器设计手册》表1-6-6查得管子的外伸长度为200mm。

(2)壳程接管的选择与计算:

Shc x=1000x P

[]=1000x 0.11=7.53 146

根据《过程装备成套技术设计指南》表9-8应选用Shc.10系列,公称直径DN100,外径为114.3mm,壁厚为4.5 mm的管子。根据《换热器设计手册》表1-6-6查得管子的外伸长度为150mm。

10 接管法兰的选择与计算

管程接管法兰的选择与计算:

(1)接管法兰的公称直径DN= 150mm。

(2)根据介质特性,设计温度t=150℃和接管材料,选定接管法兰材料为

Q235-A。

(3)根据管法兰的材质和温度t=150℃,按照设计压力不得高于对应工作温度

下无冲击工作压力的原则,根据《化工设备机械基础》查表10-29(D)最高无冲击工作压力得:管法兰的公称压力为2.5MPa。

(4)根据PN=2.5 MPa和DN=150mm查《化工设备》表4-6确定法兰类型为板

式平焊法兰;查表4-14确定垫片为石棉橡胶板垫片,由表4-15和表4-16,螺栓为A2-50六角螺栓、螺母为I型六角螺母。

(5)PN=2.5 MPa和DN=150mm,查标准HG20593-1997,确定法兰的结构尺寸。查压力容器设计手册表3-2-5得:DN=150mm接管外径A=159mm 法兰外径D=285mm 螺孔中心圆直径K=240mm螺孔直径L=22mm 螺孔数量n=8螺纹Th=M20mm 法兰内径B=161mm 法兰厚度C=24mm 法兰质量 7.61Kg。管法兰标记:HG20593-1997 法兰 PL150-2.5 RF Q235-A

壳程接管法兰的选择与计算:

(1)接管法兰的公称直径DN=200mm。

(2)根据介质特性,设计温度t=150℃和接管材料,选定接管法兰材料为Q235-A。

(3)根据管法兰的材质和t=150℃,按照设计压力不得高于对应工作温度下无冲击工作压力的原则,根据《化工设备机械基础》查表10-29(D)最高无冲击工作压力得:管法兰的公称压力为2.5MPa。

(4)根据PN=2.5MPa和DN=200mm查《化工设备》表4-6确定法兰类型为板式平焊法兰;查表4-14确定垫片为石棉橡胶板垫片,由表4-15和表4-16,螺栓为A2-50六角螺栓、螺母为I型六角螺母。

(5)PN=2.5 MPa和DN=200mm,查标准HG20593-1997,确定法兰的结构尺寸。查压力容器设计手册表3-2-5得:DN=200mm接管外径A=219mm 法兰外径D=320mm 螺孔中心圆直径K=280mm螺孔直径L=18mm 螺孔数量n=8螺纹Th=M16mm 法兰内径B=222mm 法兰厚度C=22mm 法兰质量 4.57Kg。管法兰标记:HG20593-1997 法兰 PL200-2.5 RF Q235-A

11 接管开孔补强的计算

开孔补强的有关计算参数如下:

(1)计算开孔所需补强的面积A

Ad2et(1fr) 83.60.85571.478mm2

式中:A 由于开孔所削弱的金属截面积,mm。

d 开孔直径,圆形孔,d=di+2C=200+2x(0.1x5+2)=205,di为管内径mm。 圆筒或球壳开孔处的计算厚度,mm。et 接管有效厚度,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,当2fr1.0时,取fr=1.0。fr=146>1,故取1.0。 112

计算筒体的壁厚:

pcDi0.111000 5.7mm8 t21120.850.112pc

补强面积:Ad2055.781184.9mm 2

(2)有效补强范围

有效宽度:

B2d2205410mm

或Bd2n2nt20521025235mm

两者取最大值 B=410mm

有效高度:

外侧高度:

h132.02mm

或h1=接管实际外伸高度=200mm

两者取较小值h132.02mm

内侧高度:

h232.02mm

或h2接管实际内伸高度0mm

两者取较小值0mm

(3)有效补强面积

计算筒体有效厚度:

enC10(0.82)7.2mm

选择与筒体相同的材料(Q235-B)进行补偿,故fr=1,所以

A1(Bd)(e)2nt(e)(1f)

(410205)(7.25.7

1.mm12 8)029

接管多余金属的截面积A2:

接管计算厚度:tpcdi150

2tp1.84

c21460.850.111.11mm

接管多余金属面积A22h1(ett)f2h2(etC2)f

2h1(mCt)f0

232.02(2.51.1)

84.056mm2

接管区内焊缝截面积A3:

A1

3223.53.512.25mm2(接管与壳体采用插入式焊接,

0.7n=3.5mm) 焊脚取

有效补强面积Aε:

AeA1A2A3291.184.05612.25387.406mm2

因为AeA,所以需要补强

所需另行补强截面积A4:

A4AAe1184.9387.406797.494mm2

(4)补强圈厚度'(补强圈内径Did(612)210mm,外径Do400) 'A4797.4944.197mm DoDi400210

考虑钢板负偏差并圆整,实取补强厚度6mm,补强材料与壳体材料相同为Q235B。

12 管箱的选择与计算

(1)管程接管位置的最小尺寸:

D150L2hhfC3032137mm (C≥4S,S为壳体壁厚) 22

所以:L2取

150mm

管程接管位置

(2)壳程接管位置的最小尺寸:

d200L1hhfC3032162mm (C≥4S,S为壳体壁厚) 22

所以:L1取200mm

(3)根据管程接管到管板的位置最小尺寸为137mm,可确定管箱的长度300mm。

13 拉杆和定距管的选用

拉杆的结构形式有两种,换热管大于或等于19mm的管束,采用图(a)所示的拉杆定距杆结构,换热器外径小于等于14mm的管束,采用图(b)所示的点焊结构,当管板较薄时,也可采用其他的结构形式。

图(a) 拉杆定距管结构

图 (b) 点焊结构

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,根据换热器设计手册,定距管的尺寸同换热管的尺寸相同,材料选用碳钢Q235-B。外径为ø19mm×2mm。

折流杆换热器结构较紧凑,折流外圈,内径差值小,在选用GB 151-1999 《管壳式换

热器》所给定的拉杆总截面积的前提下,改变拉杆直径和数量,通常的做法是采用较多的拉杆数量和较小的直径,但直径不得小于10mm,数量不得小于4根。

根据《换热器设计手册》查表1-6-37与表1-6-38得:拉杆的直径为12mm,拉杆的数量为10根。

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘,对大直径的换热器,在布管区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3个支承点。

根据折流板的间距为300mm,初步确定折流板的块数为29个,可计算出拉杆长度为8400mm。

根据《换热器设计手册》查表1-6-36得拉杆的连接尺寸按下表确定,定距管长度按需要而定。

14 选择换热器支座并核算承载能力

卧式换热器选用鞍式支座(JB/T4712-1992)按照壳体公称直径DN=1000选用重型带加强垫板的鞍座一对(其中F型和S型各一个),支座高度H=200mm,标记为:

JB/T4712-1992鞍座BⅠ450-F

JB/T4712-1992鞍座BⅡ450-S

壳体总重包括筒体内的料重、水压试验的水重、筒体、封头、换热管重量和附件的重量。

根据《化工设备概论课程设计指导书》查附录1,可查得:公称直径的DN=1000mm的筒体每立方米的容积VT=0.785 m3;查附录2,可查得:公称直径为

1000mm的椭圆形封头的容积Vf=0.1505 m3。

由上换热器的容积约为:V=VT+Vf=0.785×10+0.1505×2=8.151 m3

水压试验是筒体内的水重W1=7987.98㎏

查附录1,可查得:公称直径DN=1000mm,壁厚n=8mm的筒体每立方长的重量为197.192㎏;查附录3,可查得:封头的重量为72.1㎏。可算出壳体重量为:W2=197.192×10+72.1×2=2166.12㎏

估计其他附件的重量为200㎏。

换热器的总重量W总=WI+W2+W3=7987.98+2166.12+300=10454.1㎏,其总重Q为

1045.41KN。

根据《化工设备机械基础》由表13-4,可查得:重型带加强垫板的鞍座允许载荷Q=555KN,故选择一对满足强度要求。

综上所诉所选择的鞍座结构如下表:

15.管板与壳体的连接

壳体与管板的连接采用焊接形式,随壳体直径、承受的压力及流体的物性变化,所选用的焊接方法也有所不同。延长部分兼作法兰连接时,由于壳体壁厚 n8mm<12mm,壳程设计压力P=0.11MPa<1 MPa其连接形式如3-10图所示:

图3-10 管板与壳体的连接

管子与管板的连接

管子与管板的连接,在工程生产中主要有强度胀接、强度焊接、胀焊结合等

几种形式。强度焊接目前是换热管与管板连接应用较为广泛的一种形式。焊接结构强度高,抗拉脱力强,当焊接部分由泄露时,可补焊,如需要更换换热管,可

采用专用刀具拆卸,比胀接方便。其一般焊接结构如3-11图所示

图3-11 换热管强度焊结构形式和尺寸

表3-5 换热管外伸长度

管板与容器法兰的连接

固定管板式换热器的管板兼作法兰,与管箱法兰连接型式比较简单,除了满足工艺上的要求,选择一定密封面型式,按压力、温度来选用法兰的结构型式。其连接结构简图如3-12所示:

图3-12 管板与法兰连接

1.换热器壳体壁厚计算

(1)选择钢材:壳程介质为煤油,煤油为易燃易爆液体,危害毒性为轻度(IV

级),根据SH3075-1995《石油化工钢制压力容器材料选用标准》中表4.1.1选Q235-B钢材作为壳体材料。

(2)确定各设计参数:根据GB151-1999 《管壳式换热器》3.12.1的规定选取设计温度t=110℃;查GB150.2-2011《压力容器》第二部分材料表D.1并进行差值计算得Q235-B的许用应力「」t=112MP;按表2-10,面对接焊采用双面局部无损探伤,焊接接头系数=0.85;, 根据GB151-1999 《管壳式换热器》查钢板厚度负偏差C1=0.8㎜(假设其钢板名义厚度为8~25㎜),腐蚀裕量C2=2

㎜,厚度附加量C= C1 + C2 =2.6㎜;取Pc =1.1Pw, Pw=0.1P,可得:Pc =1.1×0.1=0.11MPa

(3)计算壁厚:

=PD2[]tPc5.78mm

有效厚度nC1C25.782.88.58mm

按钢板厚度规格向上圆整后,取壳体名义厚度为10mm,此值在初始假设厚度

范围,故得n10mm

2.换热器封头的壁厚计算

由于Di/2hi=2时,椭圆形封头的应力分布较好,且封头的壁厚与相连的筒体

厚度大致相等,便于焊接,经济,合理,适用于低压容器,所以选择标准椭圆形封头,其形状系数K=1.0。

KPD1.00.111000由公式得: δ5.779mm t21120.85-0.50.112[σ]φ0.5Pc

有效壁厚: nC5.7792.88.579mm

按钢板厚度规格向上圆整后取得名义厚度n10mm

根据JB/T25198-2010标准,标准椭圆形封头为DN1000×10,曲面高度h1

=275mm,直边高度h2 =40mm,如图所示,材料选用Q235-B。

椭圆形封头直边高度h的选用

3压力试验及其强度校核

根据公式确定水压试验压力:

PT1.25PC1.250.1110.1375MP t

再根据公式校核壳体强度:

TPT(Die) 0.9s 2e

钢板在试验压力下的屈服极限s245MPa

可计算出:

1000102.8PT(Die)0.13759.603MPa T2e2102.80.9s0.20.90.85245187.425MPa

由于T0.9S,所以液压试验时壳体强度满足要求。

4.换热器压力容器法兰的选择与计算

公称压力的原则, 就进(1)由壳体的设计压力Pc=0.11MPa,按照设计压力

确定法兰公称压力为0.25MP,为保证安全,所以就进提高一个公称压力等级,暂

定法兰公称压力为0.6MPa。

(2)根据容器法兰公称直径等于其相连的壳体内径,可得法兰的公称直径

DN=1000mm,同时由设计温度t=110℃和以上的初定的公称压力PN=0.6MPa,根据

JB/T4700-2000《压力容器法兰分类与技术条件》表1初步选取甲型平焊法兰。

(3)根据介质特性及壳体材料确定法兰材料为Q235-B,并根据t=110℃和

PN=0.6MP,根据NB/T47020-2012《压力容器法兰分类与技术条件》表6,查得其

最大允许工作压力为0.4MP。

(4)由于0.4MP>0.11MP即法兰最大允许工作压力大于设计压力,所以选择

公称直径DN=1000mm,公称压力PN=0.6MP,材料为Q235-B的甲型平焊法兰。

(5)由于工作介质为煤油,根据《过程设备设计》表4-11选择突面密封面,

确定垫片为耐油橡胶石棉板。根据NB/T 47020-2012《压力容器法兰分类与技术

条件》表2选取螺栓材料为20号钢,螺柱材料为35号钢。

图3-2 容器法兰(图面形式) (6)压力容器法兰标记为:法兰-FM1000-0.6 JB/T 4703-2000

5 管板的选择与尺寸计算

管程工作压力为0.1,可算管程的设计压力Pt=1.1Pw=0.11MPa(取管板的公

称压力为0.6MPa)的管板,材料为16Mn。

根据《换热器设计手册》表1-6-9,可查得:在公称直径DN=1000mm,壳程公

称压力Ps=1.0MPa=Pt下的管板尺寸如下表所示:

6 分程隔板的选择

根据《化工单元过程及设备课程设计》表4-1查得1200≥DN>600时,隔板最小厚度为10mm。材料为Q235-B。根据GB151-1999中5.6.6.2确定分程隔板槽深5mm,宽12mm。拐角处倒成圆角4mm× 45°。

7 膨胀节的选用与计算

固定管板式换热器在换热过程中,管束与壳体有一定的温差存在,而管板、

管束与壳体是刚性连接在一起,当温差达到某一个温度直时,由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏和管束的弯曲,需设置补偿装置,如膨胀节。膨胀节是安装在固定管板式换热器上的挠性构件,对管束与壳体间的变形差进行补偿,以此来消除壳体与管束间因温差而引起的温差应力。

膨胀节的型式较多,通常有波形膨胀节、平板膨胀节、形膨胀节等。而在

生产实践中,应用最多的,最普遍的是波形膨胀节。

根据GB151-1999附录F的计算方法进行换热管壁温的计算,从设备的具体操作情况,可以假定K、rd、q和a保持不变,进行简化计算:

热流体的平均温度Tm为:Tm11TiTo1003567.522

冷流体的平均温度tm为:

tttm11tito254032.5oC22 则: 11Tmtm67.532.550oCo22即换热管壁温为50 C。

t圆筒壁温s的计算:应外部有良好的保温,故壳体壁温可取壳层流体的平均

温度:tstm32.5oC

oottt51.2532.518.75C50C ts管壳层温差:

由于管束与壳体温差小于50℃,所以不需要设置膨胀节。

8 折流板的设计与计算

在壳程管束中,一般都装有横向折流板,用以引导流体横向流过管束,增加

流体速度,以增强传热;同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。

圆缺形折流挡板在流动中死区较少,比较优越,结构比较简单,所以采用圆

缺形折流挡板,去折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为:

h0.251000250,故可取h250mm。

取折流板间距B=0.3D,则 B0.31000300mm,可取B为300mm。 折流板数目NB传热管长90001129 折流板间距300

根据GB151-1999表34查得:折流板最小厚度为16mm;由表41查得:折流

板名义外径为DN-6=964mm,材料为Q235-B.

折流板圆缺面水平装配,见图

9 接管的选择

(1)管程接管的选择与计算:

Shc x=1000x P

[]=1000x 0.11=7.53 146

所以根据《过程装备成套技术设计指南》表9-8应选用Shc.10系列的管子,

其设计压力为0.11MPa,材料为20号钢,其公称直径DN150,查表得外径为168.3mm,壁厚为5mm。根据《换热器设计手册》表1-6-6查得管子的外伸长度为200mm。

(2)壳程接管的选择与计算:

Shc x=1000x P

[]=1000x 0.11=7.53 146

根据《过程装备成套技术设计指南》表9-8应选用Shc.10系列,公称直径DN100,外径为114.3mm,壁厚为4.5 mm的管子。根据《换热器设计手册》表1-6-6查得管子的外伸长度为150mm。

10 接管法兰的选择与计算

管程接管法兰的选择与计算:

(1)接管法兰的公称直径DN= 150mm。

(2)根据介质特性,设计温度t=150℃和接管材料,选定接管法兰材料为

Q235-A。

(3)根据管法兰的材质和温度t=150℃,按照设计压力不得高于对应工作温度

下无冲击工作压力的原则,根据《化工设备机械基础》查表10-29(D)最高无冲击工作压力得:管法兰的公称压力为2.5MPa。

(4)根据PN=2.5 MPa和DN=150mm查《化工设备》表4-6确定法兰类型为板

式平焊法兰;查表4-14确定垫片为石棉橡胶板垫片,由表4-15和表4-16,螺栓为A2-50六角螺栓、螺母为I型六角螺母。

(5)PN=2.5 MPa和DN=150mm,查标准HG20593-1997,确定法兰的结构尺寸。查压力容器设计手册表3-2-5得:DN=150mm接管外径A=159mm 法兰外径D=285mm 螺孔中心圆直径K=240mm螺孔直径L=22mm 螺孔数量n=8螺纹Th=M20mm 法兰内径B=161mm 法兰厚度C=24mm 法兰质量 7.61Kg。管法兰标记:HG20593-1997 法兰 PL150-2.5 RF Q235-A

壳程接管法兰的选择与计算:

(1)接管法兰的公称直径DN=200mm。

(2)根据介质特性,设计温度t=150℃和接管材料,选定接管法兰材料为Q235-A。

(3)根据管法兰的材质和t=150℃,按照设计压力不得高于对应工作温度下无冲击工作压力的原则,根据《化工设备机械基础》查表10-29(D)最高无冲击工作压力得:管法兰的公称压力为2.5MPa。

(4)根据PN=2.5MPa和DN=200mm查《化工设备》表4-6确定法兰类型为板式平焊法兰;查表4-14确定垫片为石棉橡胶板垫片,由表4-15和表4-16,螺栓为A2-50六角螺栓、螺母为I型六角螺母。

(5)PN=2.5 MPa和DN=200mm,查标准HG20593-1997,确定法兰的结构尺寸。查压力容器设计手册表3-2-5得:DN=200mm接管外径A=219mm 法兰外径D=320mm 螺孔中心圆直径K=280mm螺孔直径L=18mm 螺孔数量n=8螺纹Th=M16mm 法兰内径B=222mm 法兰厚度C=22mm 法兰质量 4.57Kg。管法兰标记:HG20593-1997 法兰 PL200-2.5 RF Q235-A

11 接管开孔补强的计算

开孔补强的有关计算参数如下:

(1)计算开孔所需补强的面积A

Ad2et(1fr) 83.60.85571.478mm2

式中:A 由于开孔所削弱的金属截面积,mm。

d 开孔直径,圆形孔,d=di+2C=200+2x(0.1x5+2)=205,di为管内径mm。 圆筒或球壳开孔处的计算厚度,mm。et 接管有效厚度,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,当2fr1.0时,取fr=1.0。fr=146>1,故取1.0。 112

计算筒体的壁厚:

pcDi0.111000 5.7mm8 t21120.850.112pc

补强面积:Ad2055.781184.9mm 2

(2)有效补强范围

有效宽度:

B2d2205410mm

或Bd2n2nt20521025235mm

两者取最大值 B=410mm

有效高度:

外侧高度:

h132.02mm

或h1=接管实际外伸高度=200mm

两者取较小值h132.02mm

内侧高度:

h232.02mm

或h2接管实际内伸高度0mm

两者取较小值0mm

(3)有效补强面积

计算筒体有效厚度:

enC10(0.82)7.2mm

选择与筒体相同的材料(Q235-B)进行补偿,故fr=1,所以

A1(Bd)(e)2nt(e)(1f)

(410205)(7.25.7

1.mm12 8)029

接管多余金属的截面积A2:

接管计算厚度:tpcdi150

2tp1.84

c21460.850.111.11mm

接管多余金属面积A22h1(ett)f2h2(etC2)f

2h1(mCt)f0

232.02(2.51.1)

84.056mm2

接管区内焊缝截面积A3:

A1

3223.53.512.25mm2(接管与壳体采用插入式焊接,

0.7n=3.5mm) 焊脚取

有效补强面积Aε:

AeA1A2A3291.184.05612.25387.406mm2

因为AeA,所以需要补强

所需另行补强截面积A4:

A4AAe1184.9387.406797.494mm2

(4)补强圈厚度'(补强圈内径Did(612)210mm,外径Do400) 'A4797.4944.197mm DoDi400210

考虑钢板负偏差并圆整,实取补强厚度6mm,补强材料与壳体材料相同为Q235B。

12 管箱的选择与计算

(1)管程接管位置的最小尺寸:

D150L2hhfC3032137mm (C≥4S,S为壳体壁厚) 22

所以:L2取

150mm

管程接管位置

(2)壳程接管位置的最小尺寸:

d200L1hhfC3032162mm (C≥4S,S为壳体壁厚) 22

所以:L1取200mm

(3)根据管程接管到管板的位置最小尺寸为137mm,可确定管箱的长度300mm。

13 拉杆和定距管的选用

拉杆的结构形式有两种,换热管大于或等于19mm的管束,采用图(a)所示的拉杆定距杆结构,换热器外径小于等于14mm的管束,采用图(b)所示的点焊结构,当管板较薄时,也可采用其他的结构形式。

图(a) 拉杆定距管结构

图 (b) 点焊结构

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,根据换热器设计手册,定距管的尺寸同换热管的尺寸相同,材料选用碳钢Q235-B。外径为ø19mm×2mm。

折流杆换热器结构较紧凑,折流外圈,内径差值小,在选用GB 151-1999 《管壳式换

热器》所给定的拉杆总截面积的前提下,改变拉杆直径和数量,通常的做法是采用较多的拉杆数量和较小的直径,但直径不得小于10mm,数量不得小于4根。

根据《换热器设计手册》查表1-6-37与表1-6-38得:拉杆的直径为12mm,拉杆的数量为10根。

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘,对大直径的换热器,在布管区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3个支承点。

根据折流板的间距为300mm,初步确定折流板的块数为29个,可计算出拉杆长度为8400mm。

根据《换热器设计手册》查表1-6-36得拉杆的连接尺寸按下表确定,定距管长度按需要而定。

14 选择换热器支座并核算承载能力

卧式换热器选用鞍式支座(JB/T4712-1992)按照壳体公称直径DN=1000选用重型带加强垫板的鞍座一对(其中F型和S型各一个),支座高度H=200mm,标记为:

JB/T4712-1992鞍座BⅠ450-F

JB/T4712-1992鞍座BⅡ450-S

壳体总重包括筒体内的料重、水压试验的水重、筒体、封头、换热管重量和附件的重量。

根据《化工设备概论课程设计指导书》查附录1,可查得:公称直径的DN=1000mm的筒体每立方米的容积VT=0.785 m3;查附录2,可查得:公称直径为

1000mm的椭圆形封头的容积Vf=0.1505 m3。

由上换热器的容积约为:V=VT+Vf=0.785×10+0.1505×2=8.151 m3

水压试验是筒体内的水重W1=7987.98㎏

查附录1,可查得:公称直径DN=1000mm,壁厚n=8mm的筒体每立方长的重量为197.192㎏;查附录3,可查得:封头的重量为72.1㎏。可算出壳体重量为:W2=197.192×10+72.1×2=2166.12㎏

估计其他附件的重量为200㎏。

换热器的总重量W总=WI+W2+W3=7987.98+2166.12+300=10454.1㎏,其总重Q为

1045.41KN。

根据《化工设备机械基础》由表13-4,可查得:重型带加强垫板的鞍座允许载荷Q=555KN,故选择一对满足强度要求。

综上所诉所选择的鞍座结构如下表:

15.管板与壳体的连接

壳体与管板的连接采用焊接形式,随壳体直径、承受的压力及流体的物性变化,所选用的焊接方法也有所不同。延长部分兼作法兰连接时,由于壳体壁厚 n8mm<12mm,壳程设计压力P=0.11MPa<1 MPa其连接形式如3-10图所示:

图3-10 管板与壳体的连接

管子与管板的连接

管子与管板的连接,在工程生产中主要有强度胀接、强度焊接、胀焊结合等

几种形式。强度焊接目前是换热管与管板连接应用较为广泛的一种形式。焊接结构强度高,抗拉脱力强,当焊接部分由泄露时,可补焊,如需要更换换热管,可

采用专用刀具拆卸,比胀接方便。其一般焊接结构如3-11图所示

图3-11 换热管强度焊结构形式和尺寸

表3-5 换热管外伸长度

管板与容器法兰的连接

固定管板式换热器的管板兼作法兰,与管箱法兰连接型式比较简单,除了满足工艺上的要求,选择一定密封面型式,按压力、温度来选用法兰的结构型式。其连接结构简图如3-12所示:

图3-12 管板与法兰连接


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