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完整版变换气水冷却器检测毕业设计论文
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摘要
现在化工产业是我国经济发展的支柱产业，这一现象还将会持续很久，换热设备是化工设备中的一种典型而且非常重要的设备。
换热器在化工生产中发挥着巨大的作用，固定管板式换热器是一种十分典型的管壳式换热设备，是当今使用非常广泛的一种换热设备。
选用这样结构紧凑、简单的换热器可靠性很高，适应性也很广，而且具有换热表面的清洗方便，生产成本也非常低，选用的材料范围很广泛的优点。
在高温高压和大型换热器中，这种换热器有很大优势。
这次设计的题目是年产50万吨合成氨项目变换气水冷器设备设计
：
该设备的换热面积为247.5mm2，工艺结构尺寸的计算：
管程数（1管程），管程和壳程压力降的计算（小于等于10MPa），换热管的尺寸和数量（内径：
20mm数量：
504根），壳体内径计算得（900mm），壳程数计算得（1壳程），折流板的选型（弓形折流板，19块）等。
换热器的强度计算在经过水压试验以及压力校核之后对管箱和筒体厚度的计算和校核，对壳体和管箱开孔的补强，对法兰的计算以及法兰强度的核算。
所得出的结果全部是符合标准的。
关键词：
换热器，工艺，结构，强度
Abstract
The chemicalindustry isstillthe pillarindustryofChina'seconomicdevelopment, andthe mentionof chemicalequipment willtheheatexchangeequipment. Heatexchanger playsathechemicalproduction, fixedtubeplatecostisalso verylow, theadvantagesof awiderangeof materialselection. Inthetopicis 400000tons PVCproject crude vinylchloride purification,compression deviceof for （ofprocess dimensions:
tubenumber （1 tubes）, calculationof tubesideandshellside pressuredrop （lessthanorequalto0.4MPa）, changethe sizeandquantityof of baffle（baffle, block）.
Heatexchanger strengthcalculation after waterpressuretest andpressurecheckonthe tubeboxand tube thicknesscalculation andverification, the shelland tubebox opening reinforcement, calculationand strengthofflange toflange calculation. Theresults are consistentwith thestandard.
（B:
flange flange）, baffle, and specification.
Keywords:
=504根
每根换热管管壁的横截面积是
开孔强度削弱系数（单程）
选取L=5920mm为两管板之间的换热管的有效长度
计算系数K
K=5.37
按管板简支考虑，依K值查图得
管板最大应力
管子最大应力
或
筒体内径截面积
管板上管孔所占的总截面积
系数
系数
系数
管子与筒体的刚度比
壳程压力,管程压力
当量压差
管板采用Q345R锻
换热管才用20号碳素钢
管板、管子强度校核：
管计算厚度满足强度要求。
考虑管板双面腐蚀取，隔板槽深取4mm，实际管板厚度为30mm计算壳程圆筒内直径横截面
圆筒壳壁金属的横截面积
一根换热管管壁金属的横截面积
两管板间换热管有效长度
（估计管板厚度为）
管束模数
根据查得（换热管材料为）
管子回转半径
管子受压失稳当量长度
由,确定
取
管子稳定许用压应力
根据查得
由公式得为
管板开孔后面积
管板布管区面积
管板布管区的当量直径
计算得：
系数、、
图3-3固定管板换热器管板结构
表3-4管板尺寸
公称直径DN
D1
D2
δ1
δ2
d
m
f
900
900
876
40
30
5
12
6
管板与换热管以强度焊的形式连接。
3.1.3换热管的选择
3.1.3.1换热管的规格和尺寸
换热器的管子材料选择应根据具体设计参数，如：
压力、温度、介质的腐蚀性等条件。
此次选换热管为；。
3.1.3.2换热管材料的选择
常用的换热器材料有低合金钢、铜、碳素钢、铝合金、不锈钢、钛、同镍合金等。
除此之外，还有一些非金属材料，如陶瓷、石墨等。
根据温度、工作压力和介质的腐蚀性等，本装置选用的是20号热轧碳素钢管。
3.1.3.3换热管的排列方式
1）换热管的排列型式
换热管的排列型式主要有以下四种。
换热管的排列形式第二章已经确定，在此不再做探究。
2）中心距
在第二章已经计算出管中心距，此计算结果同时符合GB规定
图3-5分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn
3）排列原则
换热管在排列时应该做到将整个管束保持完全的对称性，且在满足距离要求的情况下应该满满的全部布满管板。
其中拉杆应尽可能的布置在管束的外边缘处，不影响内部换热管的排布方式，多管程在换热管排列时必须要注意将各程所排列的换热管数目保持近似相等，其相对误差应满足一定的要求：
10%<<20%
3.1.4接管的确定
在换热器的整体结构中，接管是不可缺少的一部分，其作用就是将换热器连接内外，通常一个换热器必须有壳程进出口接管，管程进出口接管，当然还可能配备着上下的排气管、排液管以及一些安全附件，如：
压力变、液位计等接管。
设置接管必须在壳体上开孔，因此在开孔上必然涉及到开孔补强的问题，在接管结构设计完成后，开孔补强设计是必不可少的。
3.1.4.1接管的一般要求
接管在设计中其结构形式、焊接结构、辅助配管都有要求，具体要求可参见《化工单元操作及设备课程设计》P104接管的一般要求。
3.1.4.2接管高度的确定
接管的外伸高度的主要受到接管法兰的形式，接管焊接时操作的可行性，拆装时螺栓的安放以及可能涉及的保温层厚度等影响。
按照下式计算值：
式中，
δ为保温层厚度；
。
图3-6壳程接管安装位置
图3-7管箱接管安装位置
上诉估算后应圆整到标准尺寸，常见接管高度为150mm、200mm、250mm、300mm，也可按表3-1参考选取。
卧式重叠换热器中间接管伸出长度主要与中间支座高度有关，有设计者根据具体情况确定。
表3-1
由上表可查出：
壳程流体进出口接管伸出长度为；
管程流体进出口接管伸出长度为。
3.1.4.3接管安装位置最小尺寸的确定
。
通常情况下爱还需要考虑焊缝对接管结构的影响，所以常取且。
壳程接管无带补强圈，所以其安装位置按下式计算：
带补强圈L1≥d02+（b-4）+C
L1≥286mm取L1=300mm
管程接管不带补强圈，所以请安装位置按下列式计算：
L2≥d02+=6
表3-10拉杆的尺寸
直径dmm
数量
拉杆螺纹
公称直径
mm
mm
管板上拉杆孔深
Ldmm
16
6
16
20
≥60
20
图3-14
3.1.7.3拉杆的布置
为了不影响管板式换热管内部的排列，一般将拉杆尽可能的安装在换热管管束的边缘处，对于大直径换热器，在布管区的中心部位或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆。
拉杆的结构型式采用拉杆定距管结构，按图3-13（b）样式连接；拉杆直径d=16mm，数量N=6；拉杆尺寸按照d=16mm在表3-9中相对应。
3.1.7．4拉杆材料的选取
Q235-A材料的钢管经过热轧处理后抗拉强度和力学性能相对很好，一般选作拉杆的材料比较合适。
3.1.7.5定距管的选取
由于换热管内径是20mm，选取的定距管尺寸是Ф25，材料是20。
3.1.8旁路挡板
管壳式换热器中，壳体内部布满了换热管管束，但通常情况下换热管不能完全布满整个换热器壳程筒体内部，在管束的边缘和分程部位会形成少部分空间，称为旁路。
壳程流体流经旁路时可能发生短路现象，这将不利于换热器的传热，为了防止这一现象的出现，在这些区域内设置挡板或者假管来占据这部分位置，使流体介质顺利通过。
旁路挡板或者假管的设置、设置数量已经具体安装部位等，都需要进行详细的设计。
设计中需要考虑的具体因素可以参考《化工单元操作及设备课程设计》书中P101。
旁路挡板数量推荐：
一对或者两对挡板安装的位置，如图3-16所示。
图3-16旁路挡板的安装位置
为了防止管程分程部位处发生短路，还可以设置挡管，（即为两头均堵死的一般管子），假管的规格可以和换热管相同，只需两端焊接堵死即可，有时也可以用拉杆来代替，通常是将假管设置在分程隔板槽背面的两管板之间。
3.1.9防冲板
防冲板的用途及其设置条件；
为了防止壳程进口处流体对换热管表面的直接冲刷，引起侵蚀及振动，应在流体入口处装置防冲板，以保护换热管。
其设置条件如下：
对有腐蚀或有磨损的气体和蒸汽（包括饱和蒸汽及汽液混合物料）应设置防冲板；
对于液体物料，当其值超过下列数值时，应设置防冲板或导流筒：
（1）非腐蚀、非磨损性的单相流体大于2230；
（2）其他各种液体，包括沸点下的液体，其大于740。
从《GB》中可了解到各式各样的防冲板基本形式结构，图3-17中是几种在换热器设计中较为常用的一些形式结构，图中（a）、（b）、（c）为防冲板直接焊在拉杆或者定距管上的，这种形式一般用于壳体内经大于700mm的上、下缺口折流板的换热器上。
（d）图是防冲板焊在壳体上，这种形式常用在壳体的内径大于325mm，其折流板为左、右缺口和壳体内径小于600mm时折流板为上、下缺口的换热器。
（e）、（f）是防冲板的开槽、孔的形式，但防冲板一般情况不宜开孔。
防冲板的位置和尺寸
防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁所形成的流通面积为壳程进口管截面积的1——1.25倍。
也就是接管与客体内表面形成的马鞍形和防冲板平面间形成圆柱形侧面积，实际上接管管径确定后，就是一个防冲板与壳体内壁的高度的确定，一般规定接管外径。
防冲板的直径或边长W、L（、【见图3-16（e）、（f）】应大于接管外径50mm。
防冲板的最小厚度：
当壳程进口接管直径小于300mm时，对碳钢，低合金钢取4.5mm；对不锈钢取3mm。
当壳程进口接管直径大于300mm时，对碳钢，低合金钢取6mm；对不锈钢取4mm。
图3-16防冲板的形式
本次设计采用图3-16（d）的工形防冲板结构形式。
3.2换热器的强度校核
3.2.1管箱短节开孔补强的校核
开孔补强采用等面积补强法，由于工艺设计给定的接管尺寸,为考虑实际情况选20号热轧碳素钢管,,腐蚀裕度
接管计算壁厚
接管有效壁厚
开孔直径
接管有效补强宽度
可以作为补强的面积为：
该接管强度足够，不需要另设补强结构
3.2.2壳体接管开孔补强校核
开孔补强采用等面积补强，选取20号热轧碳素钢管，钢管的许用应力。
接管的计算厚度：
接管有效壁厚：
开孔直径：
接管有效补强宽度：
接管外侧补强高度：
需要补强面积：
可以作为步枪的面积为：
不需要另设补强结构。
3.3换热器的机械结构设计
3.3.1换热管与管板的连接
列管式换热器在制造的过程中有一个很重要的问题，那就是换热管与管板之间的连接，因为它是列管式换热器在设计过程中一个薄弱的环节，时常会发生失效，而失效的形式往往是在连接处发生泄漏失效。
在不同的工作环境的操作条件下，换热管又容易在和管板连接的地方发生开裂，主要是由于高温下的应力松弛还有就是疲劳失效。
因此若要满足设备的使用要求，防止开裂，一定要选择合理的连接形式和制造工艺。
换热管与管板之间的连接形式有多种，包括强度焊接和胀接，还有胀焊并用，这样才能防止管束的过大幅度的振动。
本次设计的变换气水冷却器设计压力为3.1MPa，设计温度，因此，为了保证换热管和管板之间的连接牢靠（包括密封性和抗拉脱强度），应该选择使用强度焊接的连接形式。
若选用强度胀接的连接形式，则需要设置管孔开环形槽，开槽后可以提高换热管和管板之间的密封性和抗拉脱强度。
在胀管连接的时候，换热管的外壁将会被挤入所开的环形槽内，使得不容易发生流体的泄漏。
本次的变换气水冷却器，选用强度焊接。
有关结构尺寸见表3-11强度胀接结构尺寸mm
表3-11
3.3.2管板与壳体的连接
根据换热器不同的结构，管板和壳体的连接形式有：
可拆连接和不可拆连接两种。
此次设计的变换气水冷却器因流体为变换器，不易结垢，选择使用不可拆连接管板的长颈可以焊接在壳体上。
图3-17法兰与管箱的连接
3.3.3管板与管箱的连接
法兰连接是管板和管箱之间连接的主要方式，形式很多，随着不同的环境下选用的法兰形式也不同，通常要根据温度、压力和耐腐蚀性的不同条件来相应选取。
本次设计中选用了长颈法兰与管箱的连接，焊接形式也采用上图3-18的连接方式。
3.3.4法兰的选用
根据设计压力等于3.1Mpa，DN=900mm，在《HG20615》中选用管法兰的具体数值见下表：
图3-18带颈平焊钢制管法兰
表3-12容器法兰各数据
公称直径DNmm
法兰mm
螺柱mm
D
D1
D2
D3
D4
δ
d2
规格
数量
3.1MPa
900
615
580
550
540
537
30
18
M20
40
3.3.5垫片
垫片主要有非金属软垫片、缠绕垫片、金属包垫片，根据具体选用条件分析，本次设计采用非金属软垫片。
1.垫片尺寸
参照HGT20606垫片相关尺寸为内径D1=1426mm,外径D2=1473mm，厚度T=3mm。
2.垫片类型
对于各法兰连接处，垫片的选择尤为重要，使用的恰当与否将影响其密封性能或使用期限。
在垫片的选择上需要考虑的因素较多，比如垫片所在部位操作介质的物理、化学性质，操作过程中的压力、温度的影响，当然还有工艺设计中对此结构密封性能要求的高低。
综合这些因素对比性的选择合适材料、结构的垫片。
根据《化工单元操作及设计课程设计》表4-26选取，确定本设计中法兰垫片采用耐油橡胶石棉垫。
3.3.6膨胀节
膨胀节是装在固定管板式换热器壳体上的挠性构件，依靠这样易变形的挠性构件对管子与壳体的热膨胀差进行补偿，以此来缓和或降低壳体与管子因温差而引起的温差应力。
3.3.6.1结构形式
1.波形膨胀节（U形膨胀节）
这种结构的膨胀节是设计中比较常见的一种膨胀节，主要因为其固有的的特点：
结构简单、补偿性能好、廉价，当要求补偿能力较大时，则可以采用多波形膨胀节，或者在设备组装时预先将波形膨胀节进行预压，其预压量按计算或实际经验而定。
目前波形膨胀节的最多波数为不大于6。
但随着操作压力的提高，设备直径的增大，其壁厚增大，耗材增多，补偿能力减小，抗疲劳性能下降等缺点突出。
为了减小波形膨胀节的流体阻力，在设计时应考虑在立式换热器上方或者卧式换热器的液体流动方向上焊一作导流用的衬板，以减小流体阻力，其结构如图所示：
图3-18波形膨胀节结构
2.平板膨胀节
结构简单、承压能力低，补偿量小，只适用于直径大、温差小及常压、低压或者真空系统的设备上。
如图所示：
图3-19平板膨胀节结构
3.Ω形膨胀节
如图4-42所示，一般可用薄壁管煨制成圆环后，沿内壁剖开而成，这种膨胀节因压力而引起的应力几乎完全与壳体直径大小无关，而取决于管子自身的直径和厚度。
但此结构在与壳体焊接处产生较大应力，而且焊缝不易焊透，又限制其只能用于应力较小场合。
图3-20Ω形膨胀节结构
4.夹壳膨胀节
是一种耐压能力很高和补偿能力大的“高压膨胀节”，这种结构的加壳与加强环的作用是用来承受较高介质压力，防止膨胀节侧面过量变形；限制膨胀节在受压时波壳的弯曲；避免应力集中。
3.3.6.2设置膨胀节的必要性
根据判断本次设计需要设计膨胀节，选择波形膨胀节。
3.2.7支座的选择
3.2.7．1鞍座的选取以及安装位置
《过程设备设计》书中对卧式换热器采用的鞍式支座做了详细介绍，为了避免因为设备在操作中温度的变化引起的热胀冷缩以及内部流体扰动而使设备在支座处产生附加的应力载荷，在设计鞍式支座时，采用一个固定F型支座和一个滑动S型鞍式支座对称安装。
图3-21
（1）两支座应该设置在换热管束长度范围内的合适位置，一般是：
当L3000mm时，取；两支座之间距离LB=（0.4~0.6）L
当L＞30000时,取两支座之间距离LB=（0.5~0.7）L
并且
（2）必须满足壳程接管焊缝和支座焊缝间距离的要求,即
式中，取；B为补强圈外径，mm；S为筒体壁厚，mm；为支座地脚螺栓孔中心线至支座垫板边缘的距离，mm。
3.2.7.2鞍座的结构及尺寸
根据之前的计算，选取GBT4712.1-2007，B
1400-FS重型焊制鞍座，。
图3-22鞍座的结构
表3-13鞍座的类型
型式
包角
垫板
筋板数
公称直径
支座数量
重型
焊制
B
150°
有
2
900mm
2
表3-14鞍座结构的相关尺寸
公
称
直径
DN
mm
许载荷
Q
kN
鞍座高度h
底板
腹板
筋板
垫板
螺
栓
间
距
l2
鞍座质量kg
l1
B1
l3
B2
B3
弧长
B4
e
900
845
50
1460
200
16
12
353
170
230
12
2430
320
10
40
1040
87
第一章焊接工艺的设计
本次设计中所述的焊接结构工艺性设计主要指设计焊接结构时，有关焊接结构的工艺性能方面的具体设计。
其内容除了结构材料应尽可能选用焊接性能较好的金属材料外，主要有焊缝布置、焊接方法的选用和焊接接头设计及焊条选用等。
4.1焊缝的布置
在焊接结构设计中，焊缝布置对焊接质量及生产效率都有很大的影响。
在具体焊缝布置时应该注意以下的一般原则：
（1）为了便于焊接操作，至少要能够实施焊接；
（2）焊缝应该尽量避开应力大的部位，尤其是要避开应力集中区域；
（3）焊缝应该避免密集和十字相交区域；
（4）焊缝一般应该避开加工部位；
（5）尽量减少焊缝数量、焊缝截面及焊缝长度；
（6）焊缝设置应该尽量保持对称分布；
（7）焊接应该尽量设置在能在平焊位置施焊的区域，以便保证质量及效率。
本次设计中采用标准椭圆封头，筒体为DN=900mm的管件，因此筒体中焊缝较少，换热器中带有六个接管及两鞍式支座。
综合考虑以上焊缝一般原则，对本设计中换热器的焊缝布置如图所示：
图4-1焊缝布置图
4.2焊接方法的选用
常用的焊接方法详细参见《工程材料及机械制造基础2》表3-9介绍。
焊接方法的选用一般应考虑各种焊接方法的特点和结构制造的要求等，综合分析其质量、经济性能和工艺可能性，选用时应该考虑以下几个方面：
（1）接头性能、焊接的质量要符合结构技术的要求；
（2）生产率高且成本低；
（3）工艺的可能性；
综合各因素考虑，设备中与封头连接的两环焊缝可选择生产率高、成本低，质量稳定的埋弧焊，而各接管、管板及鞍座间的焊接选择焊条电弧焊。
4.3接头形式设计
焊接接头包含了焊缝、熔合线和热影响区三者，是三者的一个总称，常用的焊接接头形式有对接、角接及T形接、搭接等。
4.3.1对接接头
两个相互连接的零件在接头处的中面处于同一平面，这种焊接接头是设计者在设计过程中最常用的一种形式，因为这种形式的接头在焊接过程中受热均匀且受力对称，焊接的质量易得到保障，同时无损检测也较为方便。
4.3.2角接接头和T形接头
说起角接和T形接头，无非就是两零件在焊接时存在一个夹角的焊接接头。
这样的接头因其夹角的存在使得两构件不能像对接接头那样保证连续，所以其在承载后受力状态也不如对接接头，质量也不如对接接头。
但不能说质量不能保证就不用此接头形式，在容器某些特殊部位，可能受到结构的限制，使用对接是不能起到效果的，如接管、法兰、管板等，此时不得不采用这种接头。
4.3.3搭接接头
这种也是一种不连续的焊接形式，焊接时将两相互连接零件部分重合后焊接，这种结构下的接头处受力较差，一般不用于直接承受较大压力的部位，常用于补强圈或者支座垫板等部位上。
4.4坡口形式
在焊接之前一般会对焊接进行预处理，即在焊件上加工出不同形状的口子，以便于在焊接的过程中能使母材全熔透及焊件不在高温下变形以使焊接能达到较好的质量。
这一口子即为坡口，根据焊接方法及焊接厚度的不同开坡口的形式也不尽相同，一般坡口有I形、V形、单边V形、U形和J形。
坡口形式的选择主要还需根据板厚，可按照图4-2进行选择，使其能够保证焊透，又能节省焊接材料，同时可以提高生产率和降低成本。
当然还需要考虑坡口加工方法和能否进行双面焊接等因素。
未来使焊接接头两侧加热均匀，保证焊接质量要求接头两侧板厚或截面积相同或相近。
如图4-2。
为了限制应力集中和附加应力，并使两侧加热均匀，保证焊接的质量，对不同厚度的板材的应力对接接头，此时焊缝坡口形式和尺寸按较厚板尺寸数据选取，如果厚度差超过下表的规定值，应在较厚板上作出单面或双面削薄，如图4-2，其削薄量长度。
图4-2坡口形式
本设计中筒体及管箱与封头连接处焊缝采用对接接头，板厚为12mm采用埋弧焊，厚度较薄，焊缝坡口采用I形坡口即可；各个接管与筒体及管板与筒体的接头采用T字形接头，坡口采用单边V形坡口，以满足焊透要求，本设计中接管均无补强圈，因此其焊接结构如图4-3所示；鞍座与垫板与筒体采用搭接形式。
图4-3接管焊接结构
图4-4鞍座焊接结构
4.5焊条的选用
焊条是由焊芯和药皮两部分组成的，焊芯采用焊接专用金属丝，起到作为电极和作为填充金属的作用；药皮是以其特有的组成成分起到改善焊接工艺，机械保护和冶金处理的作用。
焊条的种类按用途可分为碳钢焊透、低合金钢焊透、不锈钢焊透、铸铁焊透、堆焊焊透、镍和镍合金焊条等等。
钢焊条按熔渣性质又可以分为两大类：
熔渣以酸性氧化物为主的焊条成为酸性焊条；熔渣以碱性氧化物和萤石为主
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