脱水塔釜液冷却器

四川理工学院毕业设计（论文）

脱水塔釜液冷却器设计

学 生：曾德豪 学 号：05011010226 专 业：过程装备与控制工程 班 级：2005级2班 指导教师：石艳

四川理工学院机械工程学院

二OO九年六月

四 川 理 工 学 院 毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目： 脱水塔釜液冷却器设计

系： 机电工程系 专业： 过控 班级： 2 学号： 05011010226 学生： 曾德豪 指导教师： 石艳 专业负责人： 曾涛 接 受 任 务 时 间 2009年03月03日 1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 ①设计（论文）的原始数据 设计规范 设计温度℃ 设计压力MPa(G) 流量㎏/h 管程 160/95 0.3 560000 壳程 33/80 0.7 操作介质 95%醋酸+水 循环冷却水 1、了解换热气体的物理化学性质和腐蚀能力 2、进行热平衡计算及转热量大小的决定，流体进入的空间，确定流体的物性数据，计算有效平均温差，换热面积等工艺计算 3、完成所有结构设计 4、完成装配图和零件图。 2．指定查阅的主要参考文献

[1] 夏清，陈常贵主编．化工原理，上册[M]．天津：天津大学出版社，2005．1 [2] 黄振仁，魏新利主编．过程装备成套技术[M]．北京：化学工业出版社，2001．10 [3] 刁玉玮，王立业编著．化工设备机械基础[M]．大连：大连理工大学出版社，2004 [4] 郑津洋，董其伍，桑芝富主编．过程设备设计[M]．北京：化学工业出版，2005．5 3．进度安排 1 2 3 4 5

设计（论文）各阶段名称 调查研究及及方案分析比较(准备) 工艺计算、结构设计及强度、刚度计算（设计计算） 工程图设计 总结、设计说明书 指导老师审阅 起 止 日 期 09．03．02～09．03．25 09．03．26～09．04．26 09．04．27～09．05．26 09．05．27～09．06．06 09．06．07～09．06．14

摘 要

脱水塔反应后的醋酸和水溶剂需用循环冷却水将其冷却，其中脱水塔釜液冷却器是用来完成脱水塔釜液的换热设备，此处采用U型管换热器，因管子的两端固定在同一块管板上,管束可以自由伸缩，不会产生温差应力适用于高温和高压场合，管外易清洗。

设计的主要内容包括U型管换热器的工艺计算、结构设计、强度计算及换热器的制造、检验和验收、安装、试车和维护等。

关键词：冷却器；工艺计算；结构设计；强度计算

I

ABSTRACT

From the reaction tower and acetic acid solvent need water circulating cooling water cooling off, it is used for liquid water tower kettle cooler of finished off water tower kettle heat exchange equipment. Here uses u-tube heat exchanger, beacause one of kettle liquid dehydration tower coolers are used to achieve dehydration tower kettle liquid heat transfer equipment, U-tube fixed at both ends of a tube with on the same tube plate, the bundle tubes can be freely scalable, does not produce thermal stress applied to high temperature and high pressure occasions, and easy to clean tube.

The design of the main contents, including U-tube heat exchanger technology process, the strength calculation, the structure of heat exchanger design and manufacture, testing and acceptance, installation, commissioning and maintenance.

Keywords: condenser, process calculation, structural design, strength calculation

II

目 录

摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ ABSTRACT．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅱ 第一章 绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

1.1 换热器在工业中的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.2 换热器研究及发展方向．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1.3 本次设计的基本内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

第二章 冷却器工艺计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

2.1 设计任务和设计条件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.2 确定设计方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

2.2.1 选择换热器得类型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.2.2 流动顺序及流速的确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.3 确定物性数据．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.4 计算总传热系数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2.4.1 热流量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.4.2 平均传热温差．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.4.3 冷却水用量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.4.4 计算传热面积．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.5 工艺结构尺寸．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

2.5.1 管径和管内流速．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 2.5.2 管程数和传热管数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 2.5.3 平均传热温差校正及壳程数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 2.5.4 传热管排列和分程方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 2.5.5 壳程内径．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.5.6 折流板．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.6 换热器核算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

2.6.1 热流量核算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.6.2 换热器内流体的流动阻力．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 2.7 钛管详述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

第三章 冷却器结构设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

3.1 壳体、管箱壳体和封头．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

1

3.2 接管．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 3.3 折流板．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 3.4 防冲板．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 3.5 拉杆．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 3.6 设备法兰．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 3.7 管板．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37 3.8 垫片．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34 3.9 管箱．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37 3.10 支座．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40 3.11 吊耳．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42

第四章 冷却器强度计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40 4.1 筒体壁厚计算及管箱、管箱封头壁厚计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．44

4.2 筒体开孔补强的校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．45 4.3 管箱开孔补强校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．46 4.4 管板计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．47

4.4.1 管板设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．47 4.4.2 换热管校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．48 4.5 鞍座校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．49 4.6 筒体校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．50 4.6.1 圆筒上的轴向应力．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．51 4.6.2 支座截面处圆筒和封头上的切向应力和封头的附加拉伸应力．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52 4.6.3 支座截面处的圆筒周向弯曲应力．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52 4.6.4 支座截面处圆筒的周向压缩应力．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52 4.6.5 周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52 4.6.6 鞍座强度校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．53

第五章 换热器的制造、检验与验收．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54

5.1 换热器的制造．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54

5.1.1 筒体．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54 5.1.2 封头和管箱．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．55 5.1.3 管子．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．56 5.1.4 管板．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．57 5.1.5 折流板．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．58

2

5.1.6 管束的组装．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．59 5.1.7 管板与管子的连接．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．60 5.1.8 焊后热处理及组装．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54 5.2 检验与验收．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61

5.2.1 无损探伤．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61 5.2.2 液压试验．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61

第六章 安装、试车和维护．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63

6.1 安装．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63

6.1.1 安装位置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63 6.1.2 基础．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63 6.1.3 地脚螺栓．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63 6.1.4 基础质量的检查和验收．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63 6.1.5 基础表面上铲麻面和放垫片．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．64 6.2 试车．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．64 6.3 维护．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．64

6.3.1 检查方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．65 6.3.2 修理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．65 6.3.3 清洗．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．66

总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．67 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．68致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．70

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第一章 绪论

1.1 换热器在工业中的应用

换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下人力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。

换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。换热器在化工生产中占有重要的地位，通常在化工厂的建设中换热器投资比例为11%，在炼油厂中高达40%，随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高，换热器的投资比例将进一步加大，因此，对换热器的研究倍受重视，从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的研究一直十分活跃一些新型高效的换热器相继问世。

由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。而在国内，各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视，走过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。从20世纪50~60年代的

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第一章 绪论

照搬发展到70年代消化和吸收，进人80年代以来国内又出现了自主开发传热技术的新趋势。大量的强化传热元件被推向市场形成第一次传热开发浪潮，到90年代中期，大量的强化传热技术应用于工业装置中，带来了良好的社会效益和经济效益。近几年国内应用的强化传热技术基本上是80年代中期开发的。由于国内市场较大，使用者多不了解，认为很多技术都是新开发的。在90年代大量应用的基础上，积累了很多经验，在2005年以后将会再掀起一次传热技术开发的新高潮。国内80年代传热技术高潮时期的代表杰作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。管壳式换热器按用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器。

同时，计算机应用的普及大大提高了工作效率，工艺设计技术水平随之提高，HTFS、HTRI软件技术的引进，缩短了国际间传热技术水平的差距。换热流程优化软件和物性模拟软件的引进使得装置的热强度有了飞跃性的提高，已从单套装置的热强度500kcal/m2·h提高到6000kcal/m2·h以上，个别已达到7000kcal/m2·h以上。国内像SW6, Lansys强度软件及新的强化传热技术软件包的开发为上述提供厂可靠的保证，目前国内已基本形成自己独特的传热技术软件包并具有开发能力，这些将在未来的十年内使中国步入HTFS，HTRI等具有国际公认水平的技术领域。

换热器按传热方式的不同可分为混合式（混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器）、蓄热式（蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器）和间壁式（随间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广）三类。

一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。

目前我国油田多进入后期开采，原油中盐、硫含量升高常减压装置常压塔顶及减压塔顶的腐蚀越来越严重。在这些场合，碳钢换热器的寿命仅为4～18个月左右，防腐已从单纯的涂层发展到采用钛材料的防腐，使铁换热器已从原来化工装胃的应用发展到炼油装置。国内早期用于炼油常压塔顶的是齐鲁石化公司炼油厂，目前国内多数炼厂已在

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此场合应用钛换热器来提高换热器的寿命，一般寿命可达5～10年左右，对长周期运行起到了重大作用。钽和锆换热器近年来发展也较为迅速，在化工工业中得到应用。虽然这些稀有金属价格昂贵，但由于具有特殊的优良性能如耐温、耐蚀等而应用较广，现已开始制定钽和锆压力容器的行业标准，在化工深加上装置中将得到进一步的应用。

U形管换热器的优点有：

①壳体和管子分开，管束可以自由伸缩，不会因管壁与壳壁之间的温度差而产生热应力，热补偿性能好；

②管程为双程，流程较长，流速较高，管侧传热性能好，承压能力强；

③只有一块管板，且无浮头，所以结构简单。在直径相同的情况下换热面积最大，在高压工况下金属耗量比其他换热器小，造价比其他换热器低等。

U形管换热器的缺点有：

①U形管束与换热管垂直方向的中心部位存在较大空隙，易结垢，流体易走短路，使传热效率降低；

②管板上排列的换热管较少，管板直径及厚度均较大，管子与管板间的残余焊接应力大；

③换热管的弯管段无支承件，管束易振动，易在此处形成壳程流体流动死区，易结垢，影响传热效果，清洗时需将管束从壳体内抽出才能清洗管间污垢等。

由于工业技术的不断发展，也产生了新型U形管换热器，其结构如图所示，主要由管箱、管板、清洗接口、换热管、筒体、管间支承件、支座等组成。在流体流量较大、所需换热面积较大的情况下，换热器可由图所示换热器串联或并联组成，或串、并联混合联接组成。该种换热器的主要特点是：将换热器的筒体和换热管均设计制造成U型，换热管的两端分别固定在两块管板上；在U形换热管的弯管段设置折流杆或弹簧等管

间支承件；在简体上设置供壳程清洗、排污用的接口。

与普通U形管换热器相比，新型U形管换热器具有下列优点：换热器的简体与换热管均为U形，与换热管垂直方向的管束中心处无较大空隙，壳程流体不易走短路或形成流体流动死区，管间不易结垢；在U形换热管的弯曲段设置了折流杆或弹簧、波网、

图 1 新型U形管换热器结构简图

1-管箱；2-管板；3-清洗接口；4-换热管；

5-筒体；6-管间支承件；7-支座

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第一章 绪论

空心环等管间支承件，可降低管束振动，强化换热管弯曲段的传热；在筒体上设置了供壳程清洗用的清洗接口，方便壳程清洗；U形换热管两端分别固定在两块管板上，减小了管板直径和厚度，降低了管板与换热管焊接时的拘束应力及管子与管板间的焊接残余应力，提高了换热器的安全可靠性。

1.2 换热器研究及发展动向 1.2.1 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。两相流的物性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，实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的筹别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。因此，要求物性模拟在实验工段上更加先进，测试的准确率更高从而使换热器计算更精确、材料更节省物性模拟将代表换热器的经济技术水平。

1.2.2 分析设计

分析设计是近代发展的一门新兴学科，计算机软件(CAD、Pro/E、UG、ANSYS等）的加入使换热器的分析设计更趋合理，当中美国ANSYS软件技术一直处于国际领先，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来。这无疑给流路分析法技术带来发展。同时也给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能方便、快捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠、这一技术随着计算机应用的发展，还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强度。

1.2.3 强化技术研究

各种新型、高效换热据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、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。

1.2.4 提高使用压力和使用温度

换热器在乳品、肉类、果汁生产中应用，其使用压力及温度都不高，但在石油化工等工业部门中应用，需要承受更高的工作压力和工作温度。设计、研究、制造工作者对此进行了大量的实验研究工作，并取得了显著的效果。同时随着新技术的发展，换热器

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在承压、耐高温能力上都将大大的提高。

1.2.5 大型化及能耗研究

换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m。传热面积将达到单位10000m2，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服。高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50%以下。

1.2.6 新材料研究

随着冶炼技术的快速发展，越来越多的材料都将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展，随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo钢材料将实现不预热和后热的方向发展。

1.2.7 控制结垢及防腐蚀的研究

内污垢数据基本上是20世纪60～70年代从国外照搬而来。四十年来，污垢研究技术发展缓慢。随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投人。通过对污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破、保证装置低能耗、长周期的运行，超声防垢技术将得到大力发展。腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。

1.3 本次设计的基本内容

1、根据所给生产任务和有关要求确定设计方案； 2、查找、搜集相关资料进行换热器的工艺计算； 3、确定换热器的结构；

4、进行装配图及零件图的绘制。

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第二章 冷却器工艺计算

第二章 冷却器工艺计算

2.1 设计任务和设计条件

精对苯二甲酸(PTA)生产过程中，需用循环冷却水将脱水塔中反应后的95%醋酸+水的溶剂从160℃冷却至95℃，压力为0.3MPa，冷却介质采用循环冷却水，循环冷却水的入口温度为33℃，出口温度为80℃，压力为0.7MPa，95%醋酸+水的流量为560000kg/h。试设计一台换热器，完成该生产任务。

相关数据如下：

T1160℃；T295℃；P10.3MPa ；

t133℃； t288℃；P20.7MPa；mi560000kg/h；

2.2 确定设计方案 2.2.1 选择换热器的类型

两流体温度变化情况：热流体进口温度160℃，出口温度95℃；冷流体进口温度33℃，出口温度80℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用U型管式换热器。

2.2.1 流动空间及流速的确定

根据介质特性并考虑生产安全性，因循环冷却水：无毒、无腐蚀，而95%醋酸+水：可燃、有毒、有腐蚀，所以使95%醋酸+水走管程，循环冷却水走壳程。选用φ19×2的钛管，管内流速取ui5m/s。（使用钛管详述见2.7）

2.3 确定物性数据

定性温度：可取流体进出口温度的平均值。 冷流体：壳程循环冷却水的定性温度为：

tt1t2338056.5℃ （2–1） 22 热流体：管程95%醋酸+水的定性温度为：

T1T21609512.75℃ （2–2） T22

6

四川理工学院毕业设计（论文）

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 循环冷却水在56.5℃下的相关物性数据[1]： 密度 o985.06kg/m3 定压比热容 Cpo4.179kJ（/kg·℃） 导热系数 00.648W（/m·℃) 粘度 00.0004985Pa·s

95%醋酸+水在127.5℃下的相关物性数据[1]： 密度 i920.8kg/m3 定压比热容 Cpi2.207kJ（/kg·℃） 导热系数 i0.139W8（/m·℃) 粘度 i0.0003108Pa·s 2.4 计算总传热系数

2.4.1 热流量 (在设计压强及温度下，热流体无相变)[2]

QimiCpiti5600002.207(16095)80334800kJ/h22315kw2.4.2 平均传热温差

t't1t2mlnt1

t2(16080)(9533) 70.618℃ln1608095332.4.3 冷却水用量

mioQCt80334800.179(8033)409009.6kg/h poo42.4.4 计算传热面积

取总传热系数K890W（/m2·℃），则估算的传热面积为

S'QiKt'22315103618355.04m2 m89070.考虑15%的面积裕度

S1.15355.04408.3m2

2–3）2–4）2–5）2–6）2–7）7

（

（

（

（ （

第二章 冷却器工艺计算

2.5 工艺结构尺寸 2.5.1 管径和管内流速

选用φ19×2传热管（钛管），取管内流速ui5m/s。

2.5.2 管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管管数

V560000/(3600920.8) Ns （2–8） 191.4192（根）220.7850.0155diui4按单程管计算，所需的传热管长度为

LS408.335.64m （2–9） doNs3.140.019192按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情，现取传热管长l=9m，则该换热器的管程数为

L35.643.96（管程）4 Np （2–10）

l9由于采用U型管设计，则传热管总根数NNs192 （根）2.5.3 平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

RT1T2160951.38 （2–11） t2t18033t2t180330.37 （2–12） T1t116033 P按单壳程，四管程结构，温差校正系数查图，可得 t0.98 平均传热温差

' tmttm0.9870.61869.21℃ （2–13）

由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

2.5.4 传热管排列和分程方法

采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距

t1.25d0，则

t1.25do1.251923.7525mm （2–14）

横过管中心线的管数

8

四川理工学院毕业设计（论文）

（2–15） nc1.14N1.1419230.4831（根）2.5.5 壳体内径

采用多管程结构，壳体内径估算。取管板利用率η=0.7，则壳体内径为

D1.05t4N/1.05254192/0.7869.48mm （2–16）

圆整可取 D900mm。

2.5.6 折流板

采用弓形折流板，去弓形之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900225mm （2–17）

取折流板间距B0.5D，则

B0.5900450mm，可取B500mm。 折流板数目

NB

传热管长80001115(块) （2–18）

折流板间距500折流板圆缺面水平装配。

2.6 换热器核算 2.6.1 热流量核算

2.6.1.1 壳程对流传热系数 对弓形折流板，可采用克恩公式

o0.36odeReo0.55Pro3(1o0.14) （2–19） w当量直径，由正三角形排列得

4[de

322tdo]24do320.025-0.7850.0192)20.01729m3.140.019 （2–20）

4(壳程流通截面积

SoBD（1do）t0.0190.50.9（1）0.108m20.025

（2–21）

9

第二章 冷却器工艺计算

壳程流体流速及其雷诺数分别为

uo

mo/(3600o）So409009.6（/3600985.06）1.068m/s0.108duReoeooo （2–22）

（2–23）

0.017291.068985.060.000498536489.15普兰特准数

PrCpo1030oo4.3 179100.00049850.6483.215粘度校正

（o0.）141 wo0.36oRe0.551oPro3(o)0.14dew0.360.64810.0172936489.150.553.21531 6406.03W（/m2·℃）2.6.1.2 管程对流传热系数

ii0.023dRe0.80.4iPri i管程流体流通截面积

S24i

4dNi2 0.7850.015241920.0678m22管程流体流速及其雷诺数分别为

ui)imi/(3600Si 560000/(3600920.8)0.06782.492m/s2–24）

2–25）

2–26） 2–27）

2–28）

10

（（（（

（四川理工学院毕业设计（论文）

Rei普朗特准数

diuiii0.0152.492920.8110744.860.0003108Cpi103i （2–29）

Prii3 （2–30）

2.207100.00031084.90650.1398i0.023iRei0.8Pri0.4di0.1398110744.860.84.90650.4 （2–31） 0.0230.0154394.5W（/m2·℃）由计算结果知，管程内Rei10000,热能力大大增强。符合设计要求。

2.6.1.3 污垢热阻

管外侧污垢热阻 Rso0.00052m2·k/w； 管内侧污垢热阻 Rsi0.0001m2·k/w；如图1：

11

0.7Pr，LD10,流体在管内呈

紊流，紊流使流体间的对流传热系数加大，冷热流体间的热交换能力提高，换热器的换

图1 摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系 第二章 冷却器工艺计算

2.6.1.4 传热系数K

K1dodbdo1RsioRsoidididmo1 0.0190.0190.0020.01910.00010.000524394.50.0150.015400.0176406.03886.5W（/m2·℃）2.6.1.5 传热面积

QiKt22315103S.21363.5m2 m886.569换热器的实际传热面积

SpdolN3.140.01994192412.37m2 该换热器的面积裕度为

HSpS.37363.5S412363.513.4% 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

2.6.2 换热器内流体的流动阻力

2.6.2.1 管程流动阻力 (流体无相变)

Pi(P1P2)FsNsNp Fs1.5， Ns1， Np4

2 P2i1liuiid，P2uii22 由Rei110744.86，传热管相对粗糙度0.0046，查莫狄图得： i0.023W（/m2·℃），ui2.492m/s，i920.8kg/m3，所以 2Pliui1idi2

0.0239920.82.49220.0152 39455.77Pa 2–32）

2–33）

2–34）

2–35）

2–36）

12

（ （ （ （ （四川理工学院毕业设计（论文）

P2iui22920.82.49223 （2–37）

28577.34PaPi(P1P2)FtNsNp

(39455.778577.34)1.514 （2–38） 288198.67Pa管程流动阻力在允许范围内。 2.6.2.2 壳程流动阻力（埃索法） P''o(P1P2)FtNs Ft1.15， Ns1 流体流经管束的阻力

P'1FfNou2oonc(B1)2

F0.5 fo5Re0.228o536489.150.2280.456

nc1.1(192)0.515.24, NB15, uo1.068m/s

o985.06kg/m3

P'FfNou2o1onc(B1)2

0.50.45615.24(151)985.061.06822 31233.09Pa流体流过折流板缺口的阻力

P2B22NB(3.5D)ouo2 B0.5m D0.9m

2–39）

13

（ 第二章 冷却器工艺计算

22BouoP2NB(3.5)D220.5985.061.068215(3.5) （2–40）

0.9220130.86Pa

总阻力

''Po(PP12)FtNs

(31233.0920130.86)1.151 （2–41）

59068.55Pa壳程流动阻力比较适宜。

2.7 钛管详述

钛在较多的介质中有很强的耐蚀性，尤其是在中性及氧化性介质中的耐蚀性很强，也可用于某些稀还原性酸中，如常温直到沸点的各种浓度的硝酸中。对大多数碱溶液具良好耐蚀性钛在大多数有机酸中也很耐蚀（除甲酸、醋酸、草酸）。

在石油工业在石油精炼过程中,石油产品中的硫化物、氯化物等对设备的腐蚀十分严重,尤其是石油精炼设备如初馏塔、常压塔塔顶部及塔顶冷凝器,采用钛材作为上述部位材料,取得了良好的效果,基本上解决了上述部位的腐蚀问题。

国外炼油厂最早用钛管作为冷却器,钛不仅应用于海水腐蚀部位,而且对不用海水冷却的工艺热交换器也适用。钛管用于原油蒸馏塔顶冷凝冷却系统,可防止氯化物和硫化物腐蚀。钛管束与管板组合,不仅在美国而且在英国已使用多年,包括加热原油的换热器和利用污水冷却的最终产品冷凝器,原先采用传统的铜-镍合金或蒙乃尔合金制造换热器,但由于硫化等腐蚀,设备的使用寿命十分有限。使用钛换热器后,效果很好。

本次设计的换热器流量较大，属大中型企业所用换热器，采用钛管作为传热管虽然价格相对昂贵，但是相对其他钢材类材料其耐用时间较长，在换热器的后期维护中可以大大的节约成本。

14

四川理工学院毕业设计（论文）

第三章 冷却器结构设计

3.1 壳体、管箱壳体和封头 3.1.1 壳体、管箱壳体

壳体、管箱壳体都采用钢板材卷制成。其公称直径DN900mm，则厚度10mm。

GB90191988

表3-1 碳钢和低合金钢的最小壁厚/mm 公称直径 浮头式、U形管式 固定式管板 400～700 8 6 700～1000 10 8 1000～1500 12 10 1500～2000 14 12 2000～2600 16 14

3.1.2 封头

封头采用冷冲压工艺压制而成。

根据JB/T 47462002 钢制压力容器用封头设计。 3.1.2.1 符号说明

2mmA—封头内表面积，；

C1—钢材厚度负偏差，按相应钢板标准选取，mm； DN—封头公称直径，mm；

Di—椭圆形、碟形和球冠形封头内直径或折边锥形封头大端内直径，mm； Dis—折边锥形封头小端内直径，mm；

Do—椭圆形、碟形和球冠形封头外直径或折边锥形封头大端外直径，mm； Dos—折边锥形封头小端外直径，mm；

H—碟形、球冠形封头及以内径为基准椭圆形封头总深度或折边锥形封头及以外径为基准椭圆形封头总高度，mm；

H'—折边锥形封头至锥顶总高度，mm；

h—椭圆形、碟形及折边锥形封头直边高度，mm； m—封头质量，kg；

Ri—碟形、球冠形封头球面部分内半径，mm； r一碟形、折边锥形封头大端过渡段转角内半径，mm；

rs一折边锥形封头小端过渡段转角内半径，mm；

15

第三章 冷却器结构设计

V一封头容积，m3；

α一折边锥形封头半顶角，()；

n一封头名义厚度，mm；

一钢材厚度，即钢板质量证明书中的规格厚度，mm。

3.1.2.2 型式参数 JB/T 47462002

表3-2封头的名称、断面形状、类型代号及型式参数

名称 椭圆型封头 以内径为基准 断面型式 类型代号 EHA 型式参数关系 Di2(Hh)2；DNDi

表3-3 EHA椭圆形封头内表面积、容积

公称直径 总深度 内表面积 容积 DN H A V mm mm m2 m3 900 250 0.9487 0.1113

表3-4 EHA椭圆封头质量 /kg

公称直径 封头名义厚度DN n，mm mm 8 10 900 58.9 74.1 3.2 接管 3.2.1 符号说明

b—管板厚度，mm；

16

四川理工学院毕业设计（论文）

c—补强圈外边缘（当无补强圈时，是指接管外壁）至管板（或法兰）与壳体连接

管焊缝之间的距离，mm；

dg—接管公称直径，mm；

dH—接管外径，mm； Dg—公称直径，mm； DH—补强圈外径，mm； h—接管法兰厚度，mm；

h1—接管法兰的螺母厚度，mm；

hf—管箱用对焊法兰高度（当法兰时平焊法兰时，是指平焊法兰的厚度），mm；

l—接管伸出长度，mm；

L1—壳程接管位置最小尺寸，mm； L3—管程接管位置最小尺寸，mm； pg—公称压力，kg/cm2；

—保温层厚度，mm。 3.2.2 接管伸出长度

接管伸出壳体（或管箱壳体）外壁的长度[2];

lhh115301012515180mm则接管伸出长度取l200mm。

（3–1）

3.2.3 接管与壳体、管箱壳体的连接

3.2.3.1 结构形式

接管与壳体、管箱壳体（包括封头）连接的结构形式，采用插入式焊接结构。 接管不得凸出于壳体的内表面,并在该部位打磨平滑，以免妨碍管束的拆装。 接管应尽量沿径向或轴向布置，以方便配管与检修。 3.2.3.2 接管法兰的选择

壳程：（冷流体）流体进口接管，取接管内液体流速为18m/s,则接管 内径为：

D14v14409009.06/(3600985.06) （3–2） 3.1480.136m取：D1150mm

17

第三章 冷却器结构设计

管程：（热流体）流体进出口接管，取接管内95%醋酸溶液的流速为210m/s，则

接管内径为：

D24v24560000/(3600920.8)3.1414 （3–3）

0.124m/s取：D2125mm 根据接管尺寸选择HG2059397板式平焊钢制管法兰

图3-1 板式平焊钢制管法兰

表3-5 板式平焊钢制管法兰 公称直连 接 尺 寸 径 管子直径A1 法兰螺纹孔中螺栓孔数外径 心圆直径 螺栓孔直径 量 螺纹 DN/mm A/mm B/mm D/mm K/mm L/mm N/个 Th/mm PN 1.0MPa (10bar) 15 21.3 18 95 65 14 4 M12 20 26.9 25 105 75 14 4 M12 25 33.7 32 115 85 14 4 M12 32 42.4 38 140 100 18 4 M16 40 48.3 45 150 110 18 4 M16 50 60.3 57 165 125 18 4 M16 65 76.1 76 185 145 18 4 M16 80 88.9 89 200 160 18 8 M16 100 114.3 108 220 180 18 8 M16 125 139.7 133 250 210 18 8 M16 150 168.3 159 285 240 22 8 M20 200 219.1 219 340 295 22 8 M20 250 273 273 395 350 22 12 M20

18

四川理工学院毕业设计（论文）

续表

法兰厚度 法兰内径B1 坡口宽度 法兰理论重量 C 14 16 16 18 18 20 20 20 22 22 24 24 26 A 22 27.5 34.5 43.5 49.5 61.5 77.5 90.5 116 141.5 170.5 221.5 276.5 B 19 26 33 39 46 59 78 91 110 135 161 222 276 b / / / / / / / / / / / / / /kg 0.68 0.94 1.12 1.86 2.21 2.77 3.31 3.59 4.57 5.65 7.61 9.24 11.9

3.2.3.3 排气管

为提高传热效率，排除工作中残余气体，在其壳程上设置排气管。排气管的端部必须与壳体内壁齐平，其结构尺寸如图：

图3-2 排气管 3.2.3.4 壳程接管位置最小尺寸 壳程接管位置最小尺寸 无补强圈接管

L1dH150(b4)C(424)24137mm （3–4） 22 19

第三章 冷却器结构设计

在上式中，为考虑焊缝影响，取C3倍壳体壁厚且不小于50~100mm。则取

L1200mm。

图3-3 壳程接管位置

3.2.3.5 管箱接管位置最小尺寸 管箱接管位置最小尺寸 无补强圈接管

L2dH150hfC6924168mm （3–5） 22在上式中，为考虑焊缝影响，取C3倍壳体壁厚且不小于50~100mm。则取

L2210mm。

图3-4 管箱接管位置 3.3 折流板 3.3.1 符号说明

b—管板厚度，mm； B2—防冲板长度，mm；

C—系数；

20

四川理工学院毕业设计（论文）

DN—壳体公称直径，mm；

Di—壳体内径，mm；

Da—折流板外圆直径，mm

Dmin—无缝钢管制壳体实测最小内径，mm；

d1—管孔直径，mm；

d2—拉杆孔直径，mm； d—壳程接管内径，mm；

f—折流板切去部分的弓形面积，mm；

h—折流板缺边的位置尺寸，mm； ha—折流板切去部分的弓形高度，mm； hb—折流板中心线至缺边的距离，mm；

l—靠近管板的折流板与管板间的距离，mm； L1—壳程接管的位置尺寸，mm； n1—管孔数量；

n2—拉杆孔数量；

—折流板厚度，mm；

—折流板材料重度，kg/mm310-16。

3.3.2 折流板的形式

折流板有圆缺形（弓形）、圆盘–圆环形式。圆缺形折流板分为上、下缺边折流板，或单弓形、双弓形、三弓形。对于卧式换热器，上、下是指壳程物料进口管折流板缺边平行。

卧式换热器，由于壳程全是液相的清洁物料（循环冷却水），宜用上、下缺边折流板。应在上缺边折流板的下部最低处开小槽和在下缺边的上部最高处开小槽，利于少量的气或汽的排除。

此次设计的换热器采用弓形，单缺边折流板。

图3-5 折流板形式 3.3.3 折流板缺边位置尺

折流板缺边位置尺寸，如图。其

21

第三章 冷却器结构设计

切去部分的高度，一般为取h0(0.25～0.45）Di；当用于无相变的换热器时，取

h00.25Di；当用于壳程沸腾的再沸器时，取h00.45Di；当用于冷却器时，取h0(0.25～0.45）Di。此外，换热管排列尽量使折流板缺边通过换热管排或程间通道的

中心线。

由以上原则，则

h00.25Di0.25900225mm

（3–6）

3.3.4 折流板的布置

图3-6 折流板缺边位置尺寸 折流板的布置，应使靠近管板的折流板尽可能靠近壳程进口接管，其余按等距离布置，靠近管板的折流板与管板间的距离，如图：

图3-7 折流板与管板间距 22

四川理工学院毕业设计（论文）

其尺寸可按下式计算：

B2l(L1)(b4)(20~100)2 （3–7）

190(210)(424)80347mm2圆整取l350mm。

折流板的间距取l'500mm。

3.3.5 折流板的尺寸

3.3.5.1 折流板厚度

折流板厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关。

表3-6 折流板厚度/mm 换 热 管 无 支 撑 长 壳体公称直径DN >600≤900 >900≤1200 厚度 800～900 8 10 12 >1200≤1500 此处选取折流板的厚度为：10mm 3.3.5.2 折流板的外圆直径和公差

折流板的外圆直径和公差，影响到折流板与壳体内壁间隙的大小，而间隙的大小影响换热器的传热、阻力降和制造。

表3-7 折流板外圆直径和公差/mm

公称直径DN 折流板名义外直径 折流板外径允许偏差 >500<900 DN-4.5 -0.8 >900<1300 DN-6 则折流板的外圆直径和公差为：8950。 0.83.3.5.3 管孔直径和公差

折流板上的管孔直径和公差 按GB151规定

表3-8 折流板管孔直径及允许偏差/mm

换热管外径d 管孔

19 19.6 +0.40 23

直径 直径允差偏差 第三章 冷却器结构设计

3.3.5.4 管孔中心距及允许偏差

折流板上的管孔中心距（包括分程隔板处的管孔中心距）及允许偏差:

表3-9 折流板管孔中心距和允差 /mm

换热管外径 19 管孔中心距 25 隔板处管孔中心距 38 相邻管孔 ±0.30 允许偏差 允许4%相邻管孔 ±0.50 任意两管孔 ±1.00 3.3.5.5 管孔排列

折流板上管孔排列，如图：

图3-8 管孔排列图 3.3.5.6 管孔加工 折流板上管孔加工后两端必须倒角0.545。 3.3.5.7 折流板尺寸表 折流板的尺寸。如表：

表3-10 上、下缺边折流板尺寸/mm

换热管 DN Da 管程数 24

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900 895 4 19.6 384 13 8 225

图3-9 折流板尺寸 3.4 防冲板 3.4.1 符号说明

B1—防冲板宽度，mm； B2—防冲板长度，mm；

dg—接管公称直径，mm；

di—接管内径，mm；

Dg—壳体公称直径，mm；

h—壳体进口接管内径与壳体内径相交的弓形高度，mm； H—防冲板在壳体内的位置尺寸，mm；

—防冲板厚度，mm；

—物料密度，mm； —物料线速度，mm。

3.4.2 防冲板的用途及其形式

为了防止壳程物料进口处，流体对换热管表面的直接冲刷，应在壳程物料进口处设置防冲板。

防冲板应焊在壳体上，用于Dg900mm上、下缺边折流板的冷却器。

3.4.3 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

25

第三章 冷却器结构设计

接管截面积的1～1.25倍。为简化计算，防冲板在壳体内的位置用H表示，如图：

其值为：

Hhdi24 （3–8）

1015042.543mm24防冲板的宽度B1和长度B2，一般取B1B2，且B1di50200mm。 取B1200mm。

由于壳程进口接管直径Dg300mm，对于钛材冷却器，则防冲板厚度6mm。

图3-10 防冲板结构和尺寸

3.5 拉杆

3.5.1 拉杆的结构形式

拉杆常用结构有：拉杆定距管结构；拉杆与折流板点焊结构。本冷却器采用拉杆定距管结构。

3.5.2 拉杆直径和数量

拉杆直径和数量，如表3-11

26

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表3-11 拉杆直径和数量/mm

壳体公称直径 拉杆直径 拉杆数量 900 12 8

3.5.3 拉杆尺寸和重量

拉杆尺寸和重量，如表：

图3-11 拉杆尺寸

表3-12 拉杆尺寸和重量/mm

La Lb M 15 60 12 公称直径 DN 900 d12 Le 8600 8200 Ld 18 18 重量 kg 6.4 6.1 注：表中Ld为管板上拉杆螺孔深度。

3.5.4 定距管尺寸

定距管的规格，一般与所在换热器的换热管规格相同，则定距管的尺寸192.0。

表3-13 定距管尺寸/mm

规格 数量 1 5 8 32 序号 1 2 3 4

长度 950 550 420 390 27

192.0 第三章 冷却器结构设计

3.5.5 换热管尺寸

图3-12 换热管

表3-14 换热尺寸表/mm

序号 1 2 3 4 5 6 数量 17 16 13 14 12 12 R* 40 61.7 83.3 105.0 126.6 148.3 单件质量(kg) 2.54 2.56 2.59 2.61 2.63 2.65 总质量(kg) 43.2 41 33.7 36.5 31.6 31.8

3.5.6 换热管尺寸公差

表3-15 换热管尺寸公差 /mm

规格 材料 外径公差 壁厚公差 上偏差 下偏差 192.0 TA2 ±0.13 ＋10% －10%

3.5.7 换热管排列形式

换热管排列形式采用三角形排列。如图3-13

图3-13 换热管排列形式 28

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表3-16 换热管中心距/mm

换热管外径 换热管中心距 分程隔板处换热管中心距 19 25 38

3.5.8 换热管排管图

换热管排管原则：

1．管束最外层换热管外表面与壳体内表面间的距离，最小为换热管外径的1/4； 2．换热管外表面与邻近防冲板表面之间的距离，最小为6 mm；

3．换热管中心线与防冲板板厚中心线或上表面之间的距离，最大为换热管中心距的3/2；

4．换热管的排列应使整个管束完全对称；

5．拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。在靠近折流板缺边位置处应布置拉杆，其间距小于或等于700mm。拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热器中心距的(0.5∽1.5)3范围内。

6．各个管程管数应尽量相等，其相对误差控制在10%以内，最大不得超过20%。 换热管排管图。如图：

29

图3-14 换热管排管图 第三章 冷却器结构设计

3.6 设备法兰 3.6.1 设备法兰

法兰结构形式：平焊法兰和对焊法兰。密封面形式：平面、凹凸面和榫槽面。

根据使用介质、设计压力、设计温度、公称直径等因素来确定，同时参照JB/T 4703-2000长颈对焊法兰，选用对焊法兰结构形式，密封面采用凹面。

表3-17 管箱设备法兰尺寸 公称直径DN mm 法兰 mm 螺 柱 图3-15 管箱设备法兰 D D1 D2 D3 D4 D5 D6 δ δ1 δ2 h R d 规格 数量 20 900 1040 1000 965 955 912 916 944 54 12 22 25 12 23 M20 图3-16 壳体设备法兰 表3-18 壳体设备法兰

公称直径 DN mm 法兰 mm 螺柱 最小厚度 δ0 mm D D1 D2 D3 δ H h δ1 δ2 R d 规格 数量 30

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900 1040 1000 965 955 54 110 25 12 22 12 23 M20 36 10

3.6.2 带肩双头螺柱

带肩双头螺柱的形式与尺寸，如图3-17

图3-17 带肩双头螺柱

表3-19 带肩双头螺柱尺寸 d L0 CC d0 L1 L2 L3 L 质量 mm kg 20 70 2.5 40 95 15 26 公称尺寸 极限偏差 220 ±1.5 0.6

3.7 管板 3.7.1 符号说明

b—管板厚度，mm； bf—管板法兰厚度，mm；

d—换热管外径，mm； d1—管孔直径，mm； d2—法兰螺栓孔直径，mm；

K—管孔开槽深度，mm； L1—胀接长度；

L2，L3，L4—换热管伸出管板长度，mm； n1—管孔数量； n2—螺栓孔数量；

Ps—壳程设计压力，kgf/cm3； pt—管程设计压力，kgf/cm3；

[q]—许用拉脱力，kgf/cm3； S—壳体厚度，mm；

31

第三章 冷却器结构设计

316r—管板材料重度，kgf/cm10。

3.7.2 管板结构

管板结构，管板与法兰连接的密封面为凸面。

管板采用10mm的TA1和50mm的16MnⅢ两种材料，管板基层采用16MnⅢ锻件。整个管板为爆炸法生产的钛—钢复合板，复层厚度不得低于10mm，满足GB/T 8547-2006钛刚复合板的相关规定，等级为

B0级。隔板槽宽度为8 mm；深度为6mm；

表3-20 管板尺寸/mm

b b1 C 70 60 6 图3-18 管板结构 D 952 D1 900 k 10 h 8

3.7.3 管板与换热管和壳体的连接

管板与换热管的连接形式分为焊接和胀接两类。无论何种，都必须保证连接处能够满足设计所需的密封性和具有足够的抗拉脱强度。

本冷却器采用强度焊加贴胀方式。强度焊加贴胀是指管板与换热管连接处的密封性和抗拉脱强度均由焊接缝或胀接来保证，而用贴胀来消除换热管与管板孔间的间隙的连

图3-19 管板与换热管的连接 32

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接，并消除或降低壳程产生间隙腐蚀和减弱振动对管板与换热管连接处的损害。

管板与换热管连接的许用拉脱力[q]，如表3-21

表3-21 许用拉脱力[q] kgf/cm

胀接 40 3连接形式 [q] 焊接 0.5[σ] 3kgf/cm注：[q]为换热管在设计温度下的许用应力，。

管板与壳体的连接采用垫片密封，螺栓法兰连接。

3.7.4 管板的管孔

管孔直径和公差，如表：

表3-22 管板的管孔中心距和孔桥宽度/mm D 19 管孔中心距 管孔最大直径 名义孔桥宽度 管板厚度 允许≥95%孔桥宽度 允许≤4%的孔桥的最小孔桥宽度

25 19.3 5.7 70 ≥4.8 2.98

图3-20 管板开孔图

3.7.5 管板厚度

管板最小有效厚度 管板的有效厚度是指管板的实际厚度减去壳程和管程的腐蚀

33

第三章 冷却器结构设计

裕度（多管程的管程腐蚀裕度应改为隔板槽深度）后的数值。管板与换热管的连接是胀接，管板最小有效厚度（但包括腐蚀裕度在内的管板厚度不得小于20mm），如表：

表3-23 胀接管板最小有效厚度 /mm

d 19 管板有效厚度 3/4d 3.8 垫片 3.8.1 管箱垫片

3.8.1.1 符号说明

D—垫片外径，mm；

d—垫片内径，mm；

d1—内定位加强环内径，mm。

3.8.1.2 垫片结构型式及尺寸

按照JB/T 4719-92 管壳式换热器用缠绕垫片设计。

1-垫片本体 2-钛环 3-TA1 4-柔性石墨 图3-21垫片结构形式

34

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表3-24 垫片尺寸/mm

垫片名称 管箱垫片 PN MPa 1.0 尺寸 DN D d d1 900 952 927 923

3.8.2 壳体垫片

3.8.2.1 规格

按照JB/T 4705-2000缠绕垫片设计。

表3-25 金属带的材料和代号

金属带材料 代号 0Cr19Ni9 1

表3-26 填充带材料和代号

填充带材料 代号 柔性石墨 3

表3-27 垫片的结构型式和代号

垫片型式 代号 带内加强环 B 注：内加强环材料同金属带材料。

本冷却器选用垫片B22—450—1.0 JB/T 4705-2000。

3.8.2.2 结构型式及尺寸

按照JB/T 4705-2000缠绕垫片设计。

图3-22 垫片结构型式

35

第三章 冷却器结构设计

表3-28 垫片尺寸/mm

垫片名称 管箱垫片 PN MPa 1.0 尺寸 DN D d d1 900 952 927 907

3.8.3 带肩双头螺柱垫片

按照GB/T 97.1-1985 平垫圈-A级设计。 带肩双头螺柱平垫圈结构及尺寸，如图3-23。

图3-23 带肩双头螺柱平垫圈结构

表3-29 带肩双头螺柱平垫圈尺寸 /mm

公称尺寸d d1 d2 h 数量 重量 公称直径 内径 外径 厚度 个 kg 20 21 37 3 60 0.8

3.8.4 接地柱垫片

按照GB/T 97.2-2002 平垫圈倒角型A级设计。 接地柱平垫圈结构及尺寸，如图3-24

图3-24 接地柱平垫圈结构

36

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表3-30 接地柱平垫圈尺寸/mm

内径 d1 外径 d2 公称(min) 10.5 max 10.77 公称(max) 20 min 19.48 公称 2 公称规格(螺纹大 径d) 10 厚度 h max 2.2 min 1.8 3.9 管箱 3.9.1 符号说明

C—接管补强圈外边缘(当无补强圈时，是指接管外壁)至设备法兰与管箱壳体连接

焊缝间的距离，mm；

d1—接管外径，mm； d2—接管内径，mm；

d—换热管外径，mm；

di—换热管内径，mm；

D—接管补强圈外径，mm； Dg—公称直径，mm；

E—各相邻管程间分程处，物料流通的最小宽度，mm； h1—封头内曲面高度，mm；

h2—封头直边高度，mm；

hf—法兰厚度（对焊法兰是指法兰的总高）， mm； L2—接管位置尺寸，mm；

L3—接管至壳体与封头连接焊缝间距离，mm； L4—封头高度，mm；

Lg—管箱长度，mm；

Lgmin—管箱最小长度，mm；

L'gmin—按流通面积计算所需的管箱最小长度，mm；

'—按各相邻焊缝间距离计算所需的管箱最小长度，mm； L'gminLgmax—管箱最大长度，mm；

Ncp—各管程平均管数；

S—管箱壳体厚度，mm；

Sp—封头厚度。

37

第三章 冷却器结构设计

3.9.2 管箱结构及尺寸

3.9.2.1 管箱结构形式

本冷却器选用B型管箱。B型主要用于单程和多程管箱，其优点是结构简单，便于制造；缺点是检修和清洗换热器的管程时，需将管箱上的接管法兰和设备法兰都拆开，并取下整个管箱。国内目前采用最多的一种。

3.9.2.2 分程隔板

图3-25 管箱结构形式分程隔板结构及尺寸，如图3-26 图3-26 分程隔板的布置 图3-27 分程隔板结构

38

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3.9.2.3 管箱长度

管箱最小长度的确定原则：

多程管箱，流经相邻两管程之间的最小流通面积应大于或等于其中一程的管内流通面积（为了计算方便，按各程的平均管数计算）。

管箱上相邻焊缝间之距离，必须大于或等于4S，且应大于或等于30mm。 管箱最小长度计算 B型管箱： 按流通面积计算：

L'gmin4di2NcpE0.7850.01524823110 900274mmh1Sp

（3–9）

式中，E值按照E值表查取的。

(此处计算只考虑管箱的直段部分，封头曲面部分，因其随分程情况而变化，仅作为管箱长度的富裕量。)

按各相邻焊缝间的距离计算：

'L'gm L L  L 2 3 4  99  185  265  549 mm （3–10）

式中： L2d2150C2499mm 22L4h2h1S3022510265mm

'''其中C4S,且20mm

根据管箱最小长度Lgmin，取Lgm和Lgminni中之较大值。

则Lgmin549mm。

管箱最大长度Lgmax1000mm。 管箱长度，一般应满足下列关系： 对于B型管箱：LgminLgLgmax

图3-28 管箱最大长度Lgmax 39

第三章 冷却器结构设计

Lg895mm

3.9.2.4 管箱的加工要求

管箱分程隔板与管箱组焊完毕后，同时对分程隔板密封面和管箱法兰密封面进行精加工。

3.10 支座 3.10.1 符号说明

ba—鞍座垫板边缘至地脚螺栓孔中心的距离，mm；

C—鞍座垫板边缘至接管补强圈外边缘（无补强圈时，是指接管外径）间的距离，

mm；

Dg—公称直径，mm；

D—补强圈外径，mm；

Ha—鞍座高度（包括垫板厚度），mm；

L—换热器的管束长度，mm；

L1—壳程接管位置尺寸，mm；

LA—两鞍座间的距离，mm；

LB，L'B—鞍座至管束端部的距离，mm；

S—壳体厚度，mm。

3.10.2 支座位置尺寸

卧式支座，采用固定型和滑动型鞍式支座各一个。 卧式支座在换热器上的位置尺寸，如图： 位置尺寸按下列原则来确定：

1．两支座应设置在换热器管束长度范围内的适当位置，一般为： 当L3000mm时，取LA(0.4~0.6)L； 图3-29 卧式支座位置尺寸

40

当L＞3000mm时，取LA(0.5~0.7)L；并且LBL'B。

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则L=9000mm＞3000mm，取LA0.790006300mm。 2．LB必须满足壳程接管焊缝与支座焊缝间之距离要求，即

LBL1DbcC （3–11） 2200142.510524471.5式中：bc的数值，查下表。C的数值，取C≥4S，且≥20mm。

表3-31 bc 数值/mm

Dg 159 219 273 325 400 450 500 600 700 800 900 ba 68 105 Dg 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 ba 105 175

3.10.3 鞍式支座结构型式及尺寸

鞍式支座分为轻型（代号A）、重型(代号B)两种。 本冷却器选用重型支座的结构特性如表：

表3-32 重型支座结构特征

型式 包角 垫板 筋板 适用公称直径 DN mm 重型 焊制 B1 120° 有 2 500～900

鞍式支座材料为Q235-B，垫板材料为16MnR。 标记方法： JB4712.1-2007，支座 X1 X2 — X3

X1：型号（A，BⅠ，BⅡ，BⅢ，BⅣ，BⅤ）；

X2：公称直径，mm；

X3：固定鞍座F，滑动鞍座S。 本冷却器选用:

鞍座BⅠ900 — F 和 鞍座 BⅠ900 — S。

41

第三章 冷却器结构设计

DN900mm、120°包角重型带垫板鞍式支座结构及尺寸, 如图：焊制

表3-33 鞍式支座尺寸/mm

允公许称载直荷 径 Q，DN KN 鞍座高度 h 底板 腹板 筋板 垫板 鞍座螺栓质量 间距 kg δ4 e l2 带垫板 40 l1 b1 δ1 δ2 l3 b3 δ3 弧长 b4 900 225 200 810 150 10 10 450 120 10 1060 250 6 36 590

3.11 吊耳 3.11.1 符号说明

A，B，C，d，S，R—吊耳尺寸

图3-30 鞍式支座结构 3.11.2 吊耳

42

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管箱质量150kg，须设置两个吊耳，同时对称布置。

吊耳 X1 — X2

X1：吊耳公称吊重 X2：吊耳材料（Q235—A 或 0Cr19Ni9）

吊耳结构形式及尺寸，如图3-31

图3-31 吊耳结构形式

表3-34 吊耳尺寸 /mm

每个吊耳的公称吊重(t) A B C d S R 质量 0.5 100 18 120 40 12 45 0.6

43

第四章 冷却器强度计算

第四章 冷却器强度计算

4.1 筒体壁厚计算及管箱、管箱封头壁厚计算

由工艺设计给定设计温度56.5℃，设计压力Pc0.7MPa，选低合金结构钢板16MnR

t卷制，材料56.5℃时的许用压力170MPa，取焊缝系数1，腐蚀裕度C21mm,

则

计算厚度

设计厚度 dC21.8512.86mm

名义厚度 ndC1圆整2.8613.86mm 取

有效厚度 enC1C24112mm 故取n10mm

2PctPcDi0.79001.86mm 217010.7n4mm1.250.710.875mm水压试验压力 P1.25P Tct所选材料的屈服应力 s325MPa

水压试验应力校核 T

P0.87590010TDiSe39.8MPa 2Se21039.8MPa＜0.9s0.93251292.5MPa 水压强度满足要求。

由工艺设计给定设计温度127.5℃，设计压力Pc0.3MPa，选低合金结构钢板16MnR卷制，材料127.5℃时的许用压力170MPa，取焊缝系数0.85，腐蚀裕度

tC22mm,则

44

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计算厚度

2PctPcDi0.39000.935mm21700.850.3设计厚度 dC20.9422.94mm

ndC1圆整2.940.8圆整3.74mm 名义厚度

n4mm有效厚度 enC1C240.821.2mm 取 故取n10mm

压力试验强度在这种情况下一定满足。

4.2 筒体开孔补强的校核

开孔补强采用等面积法,由工艺设计给定的接管尺寸为1668.0,根据实际需要选取壳体接管材料为16MnR钢,选用标准为:

GB66541996,150MP,b450MPa,s275MPa取焊缝系数0.85则接管at计算厚度：

PDo0.7150t21500.850.7 （4–1） 2P0.41mm接管有效厚度：

etntC2C18280.154.8mm

开孔直径：

ddi2C1662822.35154.7mm

接管有效补强宽度：

B2d2154.7309.4mm

接管外侧有效补强高度：

h1dnt309.48.049.75mm

需要补强的面积：

Ad154.72.48383.25mm2 （4–2）

可以作为补强的面积：

45

第四章 冷却器结构设计

A1(Bd)(e)1841.6mm2接管材料在设计温度下的许用应力大于筒体材料在设计温度下的许用应力

fr1

309.4154.74.82.48 （4–3）

A22h1(ett)fr

249.754.80.411 436.8mm2

（4–4）

A1A21841.6436.82278.4mm2A

该壳程接管自身补强的强度足够，不需要另设补强结构。

4.3 管箱开孔补强校核

开孔补强采用等面积法,由工艺设计给定的接管尺寸为1665.0,根据实际需要选取 壳体接管材料为16MnR钢,选用标准为GB66541996，170MPa，b510MPa,

ts345MPa取焊缝系数0.85,则：

接管计算厚度：

PcDot2Pc0.31560.2mm21700.850.3接管有效厚度：

（4–5）

etntC2C15150.153.25mm

开孔直径：

ddi2C15623.25162.5mm

接管有效补强宽度：

B2d2162.5325mm

接管外侧有效补强高度：

h1dnt162.5528.5mm

需要补强的面积：

46

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Ad162.50.232.5mm2 （4–6）

可以作为补强的面积：

A1(Bd)(e)325162.53.250.2 （4–7） 495.6mm2接管材料在设计温度下的许用应力大于筒体材料在设计温度下的许用应力 fr1

A22h1(ett)fr

228.53.250.21 173.85mm2 （4–8）

A1A2495.6173.85669.5mm2A

该管程接管自身补强的强度足够，故不需要另设补强结构。

4.4 管板计算 4.4.1 管板设计计算：

查阅相关资料，取管板厚度b的计算值60mm，设计值60mm，管板与换热管子之间采用强度焊+贴胀。管板材料为 TA1(GB36251995)/16MnⅢ，[]147MP壳体、a；管箱短节的纵向焊缝系数为：0.7。

4.3.1.1 符号说明：

at—管子的线膨胀系数，1/C；

as—筒体的线膨胀系数，1/C；

tt—管壁温度，C；

ts—壳壁温度，C；

n—管子数；

Es—筒体材料的弹性模数，MPa；

Et—管子材料的弹性模数，MPa；

Pt—管子上热应力： t；

ftp—壳壁与管壁温差影响产生的力，N； qt,qp—热应力，操作压力产生拉脱力，MPa； di,d0—传热管内，外径，mm；

47

第四章 冷却器结构设计

ft—管程金属截面积，ftn，mm；

2p—操作压力，MPa；

f—每4根管子之间管板面积，三角形排列的管子取；f 0.866t2d024 t—管间距，mm。

查阅相关资料有：

Es1.86105MPa as12.45106C1 Et1.91105MPa at11.53106C1

４.4.2 换热管校核：

由前面的结构计算，则 一根换热管的横截面积为：

at(dt)3.1419(192)1014.22mm2 ftna3841014.22389460.48mm2

管、壳壁温差引起的拉脱力：

ptttsts11nEtBEs11.53106127.512.4510656.511 4422334.251.86105701.911059750.06管子上热应力：ptf9750.060.000025 t389460.48在热应力作用下每平方厘米连接周边上产生的拉脱力：

q管子拉脱力t管子胀接周边面积td0lt

t(d20d2i)4d

0lt550.6(192152)4193825.9MPa操作压力引起的拉脱力：

（4–9）（4–10）48

四川理工学院毕业设计（论文）

qppfd0lt23.14192950.6(0.86625)4 （4–11）

3.141938108.1MPa当热应力产生对管子胀接周边的作用力与由操作应力产生的对管子胀接周边作用力方向相同时，拉脱力qqtqp134。

当热应力产生对管子胀接周边的作用力与由操作应力产生的对管子胀接周边作用力方向相反时，拉脱力qqpqt82.2。

因为是采用管子与管板焊接，所以有：

q0.5q0.5q[q],拉脱力校核合格。

tt0.5533.24266.62

4.5 鞍座校核

因封头为标准椭圆封头，则可将其直径折算为等于圆筒直径，长度为2/3H的圆筒，则换热器总重作用长度为：

L'L14H34255 （4–12） 39100106010500mm则换热器筒体及管箱封头的近似质量为：

m1V478500.785(0.9220.92)10.5 （4–13） 2355.21kg(D2Di2)L'管子质量近似为：

m2VLAt78509.11.71021214.4kg （4–14）

根据具体情况可认为换热器自身质量近似为壳体质量和管子质量的1.5倍，则换热器质量为：

m'1.5(m1m2)1.5(2355.211214.4)5354.42kg （4–15）

在操作状态下的煤油的密度小于试压温度下水的密度，则在试压情况下的换热器总

49

第四章 冷却器结构设计

重大于操作状态下的总重。取液压试验温度为100℃，995.7kg/m。

则液体质量为：

3m\"VR2L'995.73.140.17210.5948.7kg （4–16）

则换热器总重为：

mm'm\"5354.42948.76303.12kg （4–17）

则每个鞍座承受总重为：

Fmg26303.129.8230.885kN60kN 显然所选鞍座能够满足要求。

4.6 筒体校核

将此换热器简化为长度为L'，受均布载荷q作用的外伸简支梁，则

q2FL'23088510.55882.86N/m 换热器受力分析如图所示：

图4-1 筒体受力分析 圆筒在支座跨中截面处的弯矩：

Mq22LLLL14(RiH2)3Hq(12)F(12A)q(12)(14) M5882.864(0.720.2562)2130.2565882.864.8 30885(4.80.9)5882.864.82.4 48486Nm圆筒在支座截面处的弯矩：

4–18） 4–19） 4–20） 50

（（（ 四川理工学院毕业设计（论文）

M2M2q22A(RiH2)HqAqA （4–21） 4325882.862(0.720.2562)0.2565882.860.9230.95882.860.9

22037.62H)3L12A4.620.9F()30885() （4–22）

44L1H4.60.2563324232.5N支座离封头切线距离A0.5Ri，则在支座处截面上的剪力为：

VFq(A４.6.1 圆筒上的轴向应力

跨距中点处圆筒截面的最大轴向应力为： 最高点（压缩应力） 1M14848612.3MPa （4–23） 223Rie3.140.456.210M14848612.3MPa （4–24） 最低点（拉伸应力） 2223Rie3.140.456.210A0.5Ri，且支座处无加强圈，包角为120，则在支座截面处圆筒最大拉伸应力

为：

M22037.634.8MPa （4–25） 223K1Rie0.1073.140.456.210在支座截面处圆筒最大压缩应力为：

4M22037.62.7MPa （4–26） 223K2Rie0.1923.140.456.210圆筒轴向许用临界应力：

cr0.0942E0.09421.86105240.8MPa （4–27） 32Ri/e20.45/6.210因为在试验情况下，试验压力所引起的轴向拉伸应力大于在操作工况下设计压力所引起的轴向拉伸应力，则在所有情况下所产生的最大拉伸应力为：

51

第四章 冷却器结构设计

1maxp319.64.824.4MPat （4–28）

因为在试验和操作情况下压力所产生的均为拉伸应力，显然最大压缩应力要小于

4，因为：4t，且4cr

综上所述换热器轴向应力在允许范围之内

４.6.2 支座截面处圆筒和封头上的切向应力和封头的附加拉伸应力

A0.5Ri，且支座处无加强圈

圆筒中的最大切向应力为：

maxK3V1.17124232.510.2MPa （4–29） 3Rie0.456.210t圆筒材料的许用剪切应力为：

tt 0.80.810584MPa，max因封头材料与圆筒材料相同，且有效厚度不小于筒体有效厚度，则封头中的切向应力不会超过圆筒，不必对封头中的切向应力另行校核。

A0.5Ri，故封头对圆筒不起加强作用，即头上附加拉伸力为零。

４.6.3 支座截面处的圆筒周向弯曲应力

∵L18Ri，则：

'3K6F30.052830885663.6MPa （4–30） 2322e2(6.210)４.6.4 支座截面处圆筒的周向压缩应力

支座截面处圆筒底部有最大压缩力Tmax：

TmaxK5F0.7613088523503.5N （4–31）

承受周向压缩力的有效长度为：

b2b1.56Rie1501.564506.2232.4mm （4–32）

支座截面处圆筒的最大周向压缩应力为：

maxTTmax23503.516.3MPa （4–33） b2e232.46.2４.6.5 周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核

支座截面上圆筒最低处：

t （4–34） 5maxT16.3MPa 52

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支座截面上鞍座边角处： ∵L18Ri，则：

6F3K6F3088530.0528308854b2e2e24232.46.226.22 （4–35）

t69MPa1.25因圆筒上所选鞍座垫板的宽度为250mm，故其小于b2长度，鞍座垫板不能起到加

强作用，上述计算正确。

４.6.6 鞍座强度校核

K9F10.2043088594.2MPa2t 3Rb13i0345010式中：b0—钢制鞍座的腹板厚度

4–36）

53

（第五章 换热器的制造

第五章 换热器的制造

5.1 换热器的制造

管壳式换热器是一种传统的换热设器，它在工业上的应用具有悠久的历史。在长期的使用中，其结构形式得到不断的改进而基本定型。管壳式换热器的壳体、管箱、封头、法兰及接管等的制造与一般化工容器基本相同。其制造应符合JB114780《钢制管壳式换热器技术条件》、GB1501998《钢制压力容器》、及JB47092000《钢制压力容器焊接规程》等的有关规定及施工图纸上的特殊要求。

5.1.1 筒体

换热器筒体的椭圆度0.89%（椭圆度=最大外径－最小外径／标称外径＊１００％ ）要求较高，因须保证壳体与折流板之间有合适的间隙。如太大就要影响换热效果，太小就要增加装配的困难。因此，壳体在下料和辊压过程中必须小心谨慎。下料须正确，切割方法有：机械切剖法、氧气切割法和等离子切割法三种。机械切割法是用料剪扳机切割，效率低，不能切割高硬度的材料；氧气切割法可以切割较厚的碳素钢板，但不能切割不锈钢和其它高熔点的金属或非金属；等离子切割法不仅可切割高熔点的金属或非金属，且效率高、切口光滑又平整、热影响区小、材料性能无显著变化、工件变形小、成本低。

切割好的钢板应根据钢板厚度、操作压力高低选定的坡口形式进行边缘加工。 钢板在卷板机上辊压加工时，须注意钢板纵向边缘严格与滚筒轴线保持平行，辊压成形后的圆筒立即点焊，由卷板机上卸下后内外进行纵缝焊接。焊接采用手工电弧焊或埋孤自动焊，焊接过程中须注意：焊条应保持干燥；剖口应清除干净；如发现焊接缺陷必须完全凿去再进行下一层焊接；尽量采用平焊；焊接顺序应合理，以减少变形和应力。所有壳体的纵、环焊缝(带蒸发空间的重沸器除外)，均应加工成与壳体齐齐，以利于管束的装配。焊接后须再上卷板机以矫正由于焊接产生的变形而得正圆筒。壳体的允许不固度应使金属模板能顺利地近过壳体而不会卡住。该模板由两块直径等于折流板的刚性圆盘及与它垂直的一根芯轴组成。

接管在焊缝处应与其相连接的内表面齐平。

本设计的换热器筒体用10mm厚的16MnR热轧钢板卷制，下料采用机械切割法或等离子切割法。根据钢板厚度和操作压力选择如图所示坡口形式进行对接单面焊，要求全焊透。

54

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焊接采用手工电弧焊（选用J422碱性低氢焊条）或埋弧自动焊，（选用H08A焊丝，431焊剂）。钢板在卷板机上棍压加工时，钢板纵向边缘要严格与滚筒轴线保持平行，棍压成型后立即点焊。焊接采用手工电弧焊（选用J422碱性低氢焊条）或埋弧自动焊，（选用H08A焊丝，431焊剂）。焊后将所有壳体纵、环焊缝加工成与壳体齐平。焊接完毕后再次将筒体放到卷板机上进行矫正。内径允许偏差通过外圆周长加以控制，外圆周长允许上偏差为10mm，下偏差为零。圆筒同一断面上最大直径与最小直径之差小于等于3mm。圆筒直线度允许偏差不大于4.5mm，制造完毕后沿圆周0°、90°、180°、270°四个部位进行直线度检查。

图5-1 筒体焊缝 5.1.2 封头和管箱

封头和管箱的厚度一般不小于壳体的最小壁厚，且接管开孔往往采用整体加强而不用加强板。分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大，故管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工。

管程为腐蚀性介质，则管箱及封头可采用复合扳或耐腐蚀合金板衬里，在法兰内壁及端面可采用堆焊。

在换热器制造过程中，管子的加工、管板的制造、管子与管板的连接为换热器的特有部分，特别是管子与管板的连接工艺是换热器制造过程中最重要的一环，世界各国都很重视、并作了大量的研究工作。目前，由于我国炼油、化工及石油化工工业的发展，要求换热器的操作条件越来越苛刻。为适应高温高压及大型化的需求国内外已研究成功了许多新的连接工艺，今后将逐步在生产中推广使用。

本次设计的封头采用标准椭圆封头，封头与管箱之间焊接采用与筒体焊接相同的方式。由于焊接应力较大，管箱和封头法兰在焊接后进行消除应力的热处理，最后进行机械加工。

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第五章 换热器的制造

5.1.3 管子

管子一律采用整根管子而不允许有接缝，U形管的最小弯曲半径，目前国内可达两倍管子外径。弯曲处须用直径为管子内径0.85倍的圆球作通过检查，以检验其圆度。

美国TEMA（美国管式换热器制造商协会）标准规定

1．当采用减薄弯头外半径处管壁的方法使U形弯头成形时，弯曲前弯曲部分的最小管壁厚度

应为： t0t1[1D] 4R式中：t0—原管壁厚度，mm；

t1—承受相同压力和温度的直管所需的最小壁厚，mm。

2．当管子采用相对地没有加工硬化和经过适当回火的管材成形时，其弯曲后最短弯头处的管壁减薄量不得超过原管壁厚度公称值的17%，且管弯头处的圆度≤10%。

3．当由于腐蚀的原因而不能允许弯曲减薄时，则U形管束的内两排应该采用两倍壁厚的管子。

4．用延性低的或易于产生加工硬化的管材成型的U形弯管时会使材料产生脆变和应力腐蚀，则可进行热处理（不包括奥氏体不锈钢)。

管子加工的步骤：

① 管子下料的方法可根据各制造厂的设备条件选用，可采用锯床切管、冲管机冲管、砂轮锯等。有手工操作，也有利用液压系统和射流控制自动进给和后退的半自动操作。

② 管子要校直，否则将造成穿管困难。

③ 管子两端须用磨管机清除氧化皮、铁锈及污垢等杂质直至露出金属光泽。除锈长度不小于两倍管板厚度，国外也有在管子内径两端约10mm长度范围内进行除锈。

④ 当管子与管板的连接采用胀接工艺时，管端硬度应低于管板硬度。如管子硬度高于或接近管板清洗应将管子两端进行退火处理，退火长度一般取200～250mm。加热的燃料用木炭或焦炭等。碳素钢管加热的温度取600～650℃(呈棕红色)，合金钢管加热温度取650～700℃(呈深红色)。加热时，管子的另一端必须堵死，避免因空气对流而影响加热。加热时应经常转动管子，使管壁各处的受热均匀，避免局部过热。保温时间10～15min，取出后埋在温热而干燥的砂子里面，或者用保温材料（石棉、硅藻土等)包好，慢慢冷却。当采用不同材料如#20号管子和16Mn管板则本身存在硬度差，就不用退火处理。

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⑤ 当采用胀接工艺时，管端须检查如有纵向伤痕者不可使用。

当对换热器有耐高温或耐腐蚀等要求时，为节约贵重材料、降低制造成本，可根据需要采用双金属管外，还可进行各种表面处理，国内使用最多的为表面渗铝。在日本，比较盛行于采用渗铬、渗铝、喷涂金属或树脂保护层等方法。经过渗铝处理的管子，对于抗硫、硫化物和其它一些腐蚀介质以及耐热等方面，效果很好。但渗铬和渗铝后，金属机械性能有所降低、而且因其表面硬度增加，胀管比较困难，喷涂法是将保护材料如不锈钢、铝或合成树脂等喷涂在管子表面，在有应力腐蚀裂纹的场合，短时间内保护效果非常好。

本设计采用直段9m长的U型管子，材料为TA。进行管端须检查如有纵向伤痕者不可使用、校直、两端120mm用磨管机清除氧化皮、铁锈及污垢等杂质直至露出金属光泽。

5.1.4 管板

管板毛坯可以是钢板锻制的、焊制的及复合的。如为钢板材料时，加工前表面不平度当直径小于1000mm时不得大于2mm；等于或大于1000mm时，不得大于3mm。如超过以上规定队应先进行校平，然后进行金加工。

当某种单一材料不能同时抵抗两侧换热介质的腐蚀时，必须采用双金属板。有时虽只是一种介质具有强烈腐蚀作用，但是管板尺寸较大较厚，那么采用整体的贵重材料制造管板不如采用复合板来得经济。就贵重材料如奥氏体不锈钢的强度和加工性来讲并不比碳钢优越，导热性能反而差。因此，在直径大、压力高的换热器中，采用以强度高而价廉的低合金钢作为基层的复合扳，具有更大的意义。管板尺寸愈大，采用复合板愈经济。常用的换热器复合管板制作方法有：

爆炸复层法：是目前正在发展的一种衬里的方法。是利用炸药的爆炸能而将碳素钢与不锈钢接合的方法，在碳素钢的上面保持一定距离设置不锈钢板，在不锈钢板的上而把炸药全部布以一样的厚度，由一端借雷管爆炸而进行接合。在炸药爆炸的前端处，不锈钢复合材料变形，以高速度冲击到母材上，由冲击点向前方可以喷出金属射流，使它们进行接合。因为这种方法是在极其短的时间内完成的，所以在接合交界面上两种材料的合金元素扩散极少。这样，能够贴合异种金属而几乎不形成异种金属贴合时所存在的合金层。这种合金层非常坚硬，当材料弯曲时，往往从这里产生裂缝。

管孔加工：

管孔加工是管板制造中主要的一环，在加工过程中必须尽可能满足以下几点要求： 1. 保证孔的位置及尺寸精度，如管孔圆度、同心度及孔壁的光洁度。

57

第五章 换热器的制造

2. 对大厚度的管板须保证孔与管板平面垂直。

3. 组装状态下管板和折流板的同一位置的管孔和拉杆用孔的中心应在同一直线

上。

目前国内最普遍的管孔加工方法是管板下料、校平、平面外因及压紧面的车削完毕后，进行划线、钻孔、刻槽、倒角等工序。适用于小批或单件生产的低压换热器。为保证上下管板上管孔的同心度可将两块管板叠合起来一起钻孔。

1．划线：

划线是决定孔加工位置的基准作业必须正确无误。每台换热器只需在一块管板上划线即可。为了校核孔的节距误差，通过钻孔中心以节距1/2为半径画圆。在各孔中心点处用冲头冲出一个小坑，然后画出所须钻的孔，并在孔的圆周上冲出四个或六个小孔，以避免因时间久后看不清所划的孔线，并在加工定位孔时也可作为校核的依据。

2．定位孔加工：

划线完毕的管板，可先用钻头加工定位孔，正式决定钻孔位置，这样加工的优点是： ① 可保证管孔孔距正确，但苦定位孔产生误差则将影响钻孔位置的总误差，所以要尽可能准确地加工。

② 给管孔加工打下良好的基础，使加工管孔的钻头顶尖能直接进入定孔，即能准确而迅速地找到中心，因而节省时间提高生产效率。

定位孔不宜过浅也不宣过深，过浅恐怕中心移位，过深如中心不准时修改困难。其深度和直径由所钻管孔的直径而定。

3．钻孔：

定位孔钻完后，将管板放在四个同一高度的垫铁上找平、压紧即可加工管孔。要注意不能碰伤管板四周的密封面，必要时可垫上铜板、铝板等软质材料，然后再放上压板压紧。管板较薄时，由于钻头的轴向力易使管板中心变形，致使中心部分的孔不正，须在底部加上垫铁或千斤顶，使之承受压力，防止变形。

钻孔时应该满足必要的孔距精度，也应考虑与管头接合所必须的合适的表面粗糙度，而孔壁的粗糙度与管子头的粗糙度也有密切的联系，如两者光洁程度太高，则接合面贴合得好，保证了胀接口的严密性，但摩擦力小，拉脱力也小。如两者光洁程度太低，则摩擦力大，拉脱力亦大，但不严密，容易漏。因此可采用在胀接时，将发生塑性变形的管子头，在磨管机上进行加工到Ra≤6.3m，而孔壁则通过钻孔达到Ra≤12.5m就可以了。这样，既保证了胀接口的牢固性，又照顾了它的严密性。更多的制造厂是采用提高管孔光洁程度来保证胀口的严密性，则在管板钻完孔后，须再进行扩孔加工来提高

58

四川理工学院毕业设计（论文）

精度和表面光洁程度。

4．切糟加工：

在压力超过2105Pa，温度超过200℃时，在胀管连接的管孔中通常有一到二条槽需要加工，可采用专门的切槽工具。使用时，将此专用工具装在钻床主轴上，插入轴承套及加工孔的刀排，由钻床主轴给予刀具推力和工具内部的偏心轴动作，使刀排飞出在切削孔内面加工。槽的深度可通过调整刀头的飞出量而改变。

切槽加工一般为孔内面的最终加工。因此，须注意不能擦伤孔的内表面。因为在胀管连接时，纵向伤痕为密封的致命伤。

5．倒角：

焊管连接的管孔在钻孔或扩孔后及胀管连接的管孔在切槽加工后，以比管孔较大的钻头在管板的两面对管孔进行倒角。

5.1.5 折流板

由于折流板很薄，钻孔时钻头的推力将使管板中心变形，故可将下料成圆的折流板去毛刺并校平、重叠、压紧后沿周边点焊，然后一起钻孔。须注意折流板叠合后的厚度不能超过钻头工作部分的4/5。为了防止折流板钻孔时产生绕曲而影响孔距精度，必须在折流板下面垫上整块木板以承受钻头的推力。

为保证顺利穿管，必须使折流板的管孔与管板的管孔中心在同一直线上。可以将管板当作钻模放在折流板上压紧后进行引孔，即以管板为基础先在折流板上钻出和管板孔距—致的定位孔，然后取下管板，将折流板压紧，并换上适合折流板孔的钻头，以引出的定位孔为准进行加工，但须注意为防止产生积累误差故当作钻模的管板必须是第一块管板。

这种加工方法的优点是： ①节省划线的工序。

②可保证每块板的孔距与管板孔距一致，免得组装时穿管困难。 ③节省加工时间，提高生产效率。

钻完孔后以钻出的孔为基准，再划线钻拉杆用孔及加工外圆，再按对称方向根据需要的折流板形状加工并依次作好记号，这样可保证今后的顺利装配。

5.1.6 管束的组装

换热器组装要求两管板相互平行，允许误差不得大于1mm；两管板间长度误差为±2mm；管子与管板应垂直；拉杆应牢靠固定；定距管两端面要整齐；穿管时管子头不能用铁器直接敲打。

59

第五章 换热器的制造

U形管束组装：一块管板和折流板用拉杆、定距管组合并调整到中心线一致后，先从中间一排插入弯管，调整一致，用胀接或焊接方法固定。第一排完全固定后再插入第二排并固定，顺次由里向外逐排组装。

图5-1 U形管束的组装

5.1.7 管板与管子的连接

焊接顺序：为防止焊接变形和减少残余应力，根据直径大小分成若干区。焊接时由中央开始放射形地按1、2、3．．．区程序先将每根管子两端与管板点焊住，每根管子须点焊均匀分在的三点，然后再进行焊接。焊接时，也先由中央随后按各区的顺序依次在每区中部各焊约两根焊条的管子，然后可随意焊接其余部分的管子。

焊接方法：管板与管子的连接采用强度焊加贴胀

5.1.8 焊后热处理及组装

根据不同材料、厚度、焊接方法及使用条件等按规范决定，一般在下列情况下须进行焊后热处理:

1. 管箱在焊完后金加工前应进行消除应力的热处理，否则在加工过程中，结构中的应力重新分布，造成尺寸不稳定，影响加工精度。

2. 产生应力腐蚀破坏可能性的结构。

3. 屈服强度大于500MPa的低合金钢、铬钼钢，要求及时进行回火处理，以消除焊接应力，避免裂纹，改善接头的机械性能。

管箱在焊接完后金加工前进行消除应力的热处理，对管板在焊接前进行预热处理（预热温度≥100℃），焊接后进行焊后热处理（600～650℃回火，厚度﹥34mm）。

封头管箱与筒体组装时，法兰螺栓沿径向方向相对错开上紧，至少应分三遍进行，每遍的起点相互错开120度。

5.2 检验与验收

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管壳式换热器的检验根据JB114780《钢制管壳式换热器技术条件》的规定进行。检验与试验的项日基本上与压力容器相同。包括材料试验，焊接程序的监定，焊缝射线探伤，超声波探伤，磁粉或着色渗透检验，焊后热处理，焊接生产试验，外观和尺寸检验，液压、气压和气密性试验等。可根据不同材料，不同操作条件来选择合适的检验与试验项目。

在换热器制造中，管子与管板的连接为其特有的也是最重要的部分，其连接质量的优劣也是对换热器的使用起着决定性的作用。而且目前的换热器正在向大型、高温、高压方向发展，管子与管板连接的可靠性更日趋重要，管子与管板的连接焊缝大都不能进行无损探伤检验(内孔焊接接头除外)。着色试验可以检查非贯穿性裂纹，而水压试验则用来检查贯穿性的缺陷。严格地讲应在水压试验之前进行气密性检查，如在焊缝上涂肥皂水而内部充入低压压缩空气或在内部充入压缩空气的同时，加入氨或氟里昂，用酚酞或卤素进行探测，利用气密性检查出的缺陷在水压试验之前进行修理。

5.2.1 无损探伤

在对焊缝的形状和尺寸及外观检查合格后，按照JB47301994标准对本设备的A、B两类焊缝进行20%的超声波探伤。

5.2.2 液压试验

管壳式换热器由于其壳程及管程压力的不同，因而试验时具有不同于一般容器的特殊性。试压时，应在管子外侧加压力，这样在管板面上很容易发现管子泄漏处。如从管子内部加压力，管板面封在换热器内部。因此如有泄漏虽然也能发现，但却很难找到泄漏的具体位置。当在管子外侧加压力时，须注意不能大于壳体能承受的压力，即水压时扣除附加量后，壳体材料在试验温度下的平均一次应力小于90%的材料屈服极限。在壳程压力低于管程时的壳体设计必须考虑此因素，但由于仅出于水压试验的需要，故可不扣除腐蚀裕度。

对于U型管式，由于当壳程压力大于管程压力：

1．管板处装上试验环，对壳程进行水压试验和气密性试验。检查壳体耐压及密封，管板耐压及管子管板连接处的密封，管束的耐压密封。

2．去掉试验环，装上管箱，对管程进行水压试验和气密性试验。检查管箱耐压及密封，管箱法兰及管板法兰处的密封。

3．当换热器为两台以上组装时，第2项可在组装状态下进行。检查项目尚须增加接管法兰连接处的密封。

首先对管外进行液压试验，试验液体为清水，试验温度为30℃，试验压力2.5MPa，

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第五章 换热器的制造

试验时压力缓慢上升，达到2.5MPa后，保持30分钟以上，然后将压力降至2.3MPa，保持足够长的时间，对焊缝和连接部位进行检查。然后再进行管程液压试验。试验完毕后将内部积水排净、吹干。

试验合格后，装订铭牌，然后按照JB253680《压力容器油漆、包装和运输》规定进行油漆、包装和运输。

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四川理工学院毕业设计（论文）

第六章 安装、试车和维护

6.1 安装 6.1.1 安装位置

U形管换热器其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。

6.1.2 基础

基础必须足以便换热器不发生下沉，而使管道把过大的变形传到换热器的接管上。设备安装在混凝土基础之上，将设备通过地脚螺栓与基础牢固连接起来。基础施工包括挖坑、钉模板、安装地脚螺栓、浇灌混凝土、养护和拆除模板等工序，混泥土基础由浇灌完毕到安装换热器一般不少于7～14天。

6.1.3 地脚螺栓

地脚螺栓的长度约为100～1000mm。常见的地脚螺栓头部做成分叉的或带钩的。在浇灌基础时，预先把地脚螺栓埋入的方法称为一次浇灌法。根据螺栓埋入深度的不同，它可分为全部预埋和部分预埋两种形式。在部分预埋时，螺栓上端留有一个100×100mm的方形调整孔，以供调整之用。用一次浇灌法时，地脚螺栓必须用固定板来定位。用槽钢制成的地脚螺栓固定板，一般情况下也可以用木板来制造。用固定板固定好地脚螺栓后，在浇灌混凝土以前，要对地脚螺栓的中心距、垂直度和标高进行严格的检查。地脚螺栓中心距的允许偏差<±3～±5mm、垂直度的允许偏差<1/1000、标高的允许偏差<±5～±10mm。一次浇灌法的优点是减少钉模板的工程，增加地脚螺栓的稳定性、坚固性和抗振性；其缺点是不便于调整。

6.1.4 基础质量的检查和验收

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，才能保证安装质量，缩短安装周期。检查的主要项目如下：

1. 基础工程的表面概况。

2. 基础的标高和平顶位置(坐标)是否符合设计要求。

3. 基础的形状和主要尺寸(长、宽)，以及基础预留孔是否符合设计要求。 4. 地脚螺栓的位置是否正确，螺纹情况是否良好，螺纹长度是否符合标准，螺帽和垫圈是否齐全。

5. 放置垫板的基础表面是否平整。

6. 中心标板和标高基准点的埋设、纵横中心线和标高的标记以及基点的编号等是

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第六章 安装、试车和维护

否正确。

6.1.5 基础表面上铲麻面和放垫片

铲麻面：基础验收完毕，在设备安装之前，应在基础的上表面(除放垫板的地方以外)铲出一些小坑，即为铲麻面。其目的可使二次灌浆时浇灌的混粘土或水泥砂浆能与基础紧密地接合起来，从而保证设备的稳固。

铲麻面的方法有两种：手工法和风铲法。

铲麻面的质量要求是：每100cm2内应有5～6个直径为10～20 mm的小坑。 放垫板：在安装换热器之前，必须在基础上放垫板，安放垫板处的基础表面必须铲平，使垫板与基础表面能很好接触。

垫板厚度可以调整，使换热器能达到设计的水平度和标高。垫板放置后可增加换热器在基础上的稳定性，并将其重量通过垫扳均匀地传递到基础上去。垫板的种类很多可分为平垫板、斜垫板和开口垫板。

为了便于调整，垫板要露出底座外边约25～30mm。垫板与地脚螺栓边缘应相距(1～2)d的距离。如垫板离地脚螺栓太远，则在拧紧地脚螺栓时，底座的受力情况恰如承受集中载荷的双支承梁，这样在底座的断面内会发生过大的附加弯曲应力;如垫板离地脚螺栓太近，则二次灌浆不方便。垫板的高度最好在30～60mm之间。如垫板高度太低，会造成二次灌浆时捣固的困难；反之若垫板高度太高，则设备在基础上的稳定性相对地减少。垫板的表面应平整。每组垫板块数不应太多，一般不超过3～4块，以保证它有足够的刚性和稳定性。厚的垫板应放在下面，薄的垫板则放在上面，最薄的应夹在中间，以免产生翘曲变形。各组垫板的顶面应处于同一标高。同一组垫板中，垫板的尺寸要一样，放置必须整齐。设备安装好后，同一组垫板应点焊在一起，以免工作时松动。

6.2 试车

试车前查阅图纸有无特殊要求和说明，对试车程序有无特殊要求。试车前先清洗整个系统，在入口接管处设置过滤网，并增设临时旁路。在开车或停车过程中，应逐渐升温和降温，避免造成压差过大及热冲击。温度上升到操作温度时要进行螺栓的热紧。在操作时，要注意换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行，经常对管、壳程介质的情况进行监督，分析换热器的泄露和结垢情况，并在结垢超过一定情况下及时对换热器进行清洗，同时应经常监督管束的振动情况。

6.3 维护

管壳式换热器就是利用管子使其内外的物料进行热交换。换热器与其它设备相比较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

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高，因此对换热器的防腐蚀和防漏的方法也比其它设备要多加考虑。

为了保证换热器长久正常运转，提高其生产率，必须重视对设备的维护与检修，并应以预防性维修摆在首位，强调安全预防，以保证换热性连续稳定运转，减少任何可能发生的事故。并应建立一套科学管理制度，掌握各台换热器的维修经历，以推断使用寿命和维修的偶然事件，这将带来最小的维修费用和最高的效率。

当换热器冷水来冷却时，特别是冷却水经过长时间的操作，腐蚀生成物和水垢污垢等附着管壁，会降低传热系数而影响传热效率及增大压降，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。对换热器来说水质也是非常重要的，不仅涉及到环境污染，同时也是保证换热设备寿命、效率的重要环节。

6.3.1 检查方法

打开换热器，拆去两端封头，U形管式须装上试验环，然后向壳体内打水压，根据漏水的情况即可检查出管子穿孔、破裂以及管子与管板接头泄漏的位置。须注意试压用水应处于常压下，如用低温水则由于在冷的金属表面上的冷凝作用，在潮湿气氛中会使人们产生错误的判断。

管子与管板焊接处的非贯穿性裂纹用着色法来检查。

6.3.2 修理

换热器故障的50%以上是由管子引起的。而管子的损坏基本上有两种情况： 1．由于腐蚀、磨损而使管子减薄和穿孔。如折流板与管子相接触处的磨损，管子内侧有异物堆积或粘着而产生点腐蚀等。当出现泄漏时，就必须更换管子。胀管连接的须先钻孔，除掉胀管头，拔出坏管，然后插上新管再进行胀接。须注意不能碰伤管孔内面，若内槽碰伤，或有异物未除去就胀新管，则可能产生泄漏。在胀管时，对周围不须更换的管子的胀管处会有影响，希望也能轻轻胀一下。焊接的也须用专用刀具(刮刀)将焊缝刮下。拔出坏管，然后插入新管及进行焊接。

更换管子的工作是较麻烦的，开槽的胀管在更换甘子时更是麻烦，因此在少数管子损坏时，可用管堵将两端堵死。管堵材料的硬度应低于或等于管子的硬度，货堵的锥度在3～5度之间，堵死的管子总数不得超过换热器该管程管数的10%。

2．由于温度变化产生膨胀、收缩，管子入口端介质的涡流磨损及由于管子振动等原因使管子与管板连接处松弛而泄漏。对泄漏处进行敛缝，弥补一下焊缝的缺陷，但这只是在不得已时暂时应付一下的措施，只适合于低压的换热器。

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第六章 安装、试车和维护

6.3.3 清洗

一般化学法适用于形状较复杂的，如U形管的清洗及管壳式换热器管间的清洗，缺点是对金属多少有些腐蚀作用。清洗采用酸洗法，常用盐酸作为酸洗溶液，由于酸能腐蚀钢铁基体，因此在酸洗溶液中须加入一定数量的缓蚀剂，以抑制基体的腐蚀，国内常用“02缓蚀剂”。

1. 配制过程：

① 将计算好的水加热到70～90℃。

② 将38％的浓盐酸缓缓倒入热水中，倒入时不断进行搅拌，使其均匀。 ③ 将计算好的苯胺量倒入。

④ 将计算好的甲醛量倒入，不断搅拌，直至呈深红色为止。 2. 酸洗流程：

强制循环法:是依靠酸泵使酸液强制通过换热器，并不断地进行循环。优点是使被酸洗表面上的浓度比较低的酸液不断地得到更新，加速了反应，缺点是需要酸泵故较复杂。

酸液温度一般宜保持在40～60℃左右。如温度过高则引起换热器腐蚀的加剧。酸液的浓度在起初一小时内会大幅度降落，可酌量加入一些补充盐酸，适当的提高一些酸液的浓度。当浓度基本稳定不再下降时，一般持续一小时即可结束酸洗过程。也可以根据二氧化碳产生的强度或测定固体悬浮物的上升曲线是否确实达到平衡状态来判断清理是否完成。通常酸洗时间约为4～8h酸洗完毕后，立即排放入下水道，并用一定量的石灰中和处理，也可在系统内以烧碱进行中和然后排放。酸液排尽后，用清水冲洗直至PH值与所在地水源的PH值相等时，即可结束水洗过程，水洗时间约为2h。

3. 酸洗中须注意的问题：

1) 酸洗前应检查换热器各部位是否有渗漏等缺陷。

2) 在酸液和缓蚀剂配制及操作中应注意安全，须带口罩，穿防护服和橡胶手套，并防止酸液溅入眼中。

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结 论

“脱水塔釜液冷却器”的设计采用U型管式换热器。

开始时，在所给设计条件和要求下，通过查阅相关专业书籍及标准，了解醋酸的相应物性数据，并经过对换热器类型的选型及流程安排之后，进行了工艺计算、结构设计和强度计算，对制造、安装和检验进行了较为详细的叙述，最后针对前面的设计以及工业中换热器常见问题以及换热器发展进行了相应讨论。

虽然所得结果和开始的期望有一定的差距，但是设计过程中却让我对换热器的设计思想及理念有了更广阔的思路。

通过此次对“脱水塔釜液冷却器”的设计，巩固了我所学的换热器基础知识和基本理论。了解了U型管换热器的优缺点，以及U型管换热器与固定管板式、浮头式、填料函式和釜式重沸器之间的差异及各自优劣。

同时这次毕业设计让我学会了如何将理论应用于实际，增强了自身的创新意识和综合运用知识的能力以及解决实际问题的能力；对工程实践有了一定认识；对许多规范和标准有了一定了解；对化工过程设备尤其是换热器的设计、制造、检验、安装和维护等都有了较全面的认识。

相信这次毕业设计将给我今后的工作带来许多益处。

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致谢

致 谢

在完成本次毕业设计的过程中得到了过程装备与控制工程教研室的各位老师的悉心指导与帮助，尤其指导老师在整个设计过程中的耐心辅导以及及时的指出设计内容的错误处，在此表示由衷的感谢。

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