換熱器的強(qiáng)度計(jì)算

1、確定了換熱器的結(jié)構(gòu)及尺寸以后，必須對(duì)換熱器的所有受壓元件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。因?yàn)楣軞な綋Q熱器一般用于壓力介質(zhì)的工況，所以換熱器的殼體大多為壓力容器，必須按照壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，對(duì)于鋼制的換熱器，我國(guó)一般按照GB150<<鋼制壓力容器>>標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于其它一些受壓元件，例如管板、折流板等，可以按照我國(guó)的GB151<<管殼式換熱器>>或者美國(guó)TEMA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于其它材料的換熱器，例如鈦材、銅材等應(yīng)按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。  下面提供一氮?dú)饫鋮s器的受壓元件強(qiáng)度計(jì)算，以供參考。該換熱器為U形管式換熱器

2、，殼體直徑500mm，管程設(shè)計(jì)壓力3.8MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力0.6MPa。詳細(xì)強(qiáng)度計(jì)算如下：        1.殼程筒體強(qiáng)度計(jì)算          2.前端管箱筒體強(qiáng)度計(jì)算3.前端管箱封頭強(qiáng)度計(jì)算4.后端殼程封頭強(qiáng)度計(jì)算5.管板強(qiáng)度計(jì)算6.管程設(shè)備法蘭強(qiáng)度計(jì)算7.接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算氮?dú)饫鋮s器(U形管式換熱器)筒體計(jì)算計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc0.60MPa設(shè)計(jì)溫度 t100.00° C內(nèi)徑 Di500.00mm材料16MnR

3、(熱軋) ( 板材 )試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s 170.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 s t170.00MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) s s345.00MPa鋼板負(fù)偏差 C10.00mm腐蝕裕量 C21.00mm焊接接頭系數(shù) f0.85厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度d = = 1.04mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 7.00mm名義厚度d n = 8.00mm重量481.06Kg壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值PT = 1.25P = 0.7500MPa壓力試驗(yàn)允許通過的應(yīng)力水平 s T s T£ 0.90 s s = 310.50MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力s T =

4、= 31.95MPa校核條件s T£ s T校核結(jié)果合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力Pw= = 3.99014MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力s t = = 21.73MPa s tf144.50MPa校核條件 s tf s t結(jié)論合格氮?dú)饫鋮s器前端管箱筒體計(jì)算計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc3.80MPa設(shè)計(jì)溫度 t100.00° C內(nèi)徑 Di500.00mm材料0Cr18Ni9 ( 板材 )試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s 137.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 s t137.00MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) s s205.00MPa鋼板負(fù)偏差 C10.80mm腐蝕裕量 C20.00mm焊接接頭系數(shù)

5、 f0.85厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度d = = 8.29mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 11.20mm名義厚度d n = 12.00mm重量75.76Kg壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值PT = 1.25P = 4.7500MPa壓力試驗(yàn)允許通過的應(yīng)力水平 s T s T£ 0.90 s s = 184.50MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力s T = = 127.53MPa校核條件s T£ s T校核結(jié)果合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力Pw= = 5.10266MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力s t = = 86.72MPa s tf116.45MPa校

6、核條件 s tf s t結(jié)論合格氮?dú)饫鋮s器前端管箱封頭計(jì)算計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc3.80MPa設(shè)計(jì)溫度 t100.00° C內(nèi)徑 Di500.00mm曲面高度 hi125.00mm材料0Cr18Ni9 (板材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s 137.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 s t137.00MPa鋼板負(fù)偏差 C10.80mm腐蝕裕量 C20.00mm焊接接頭系數(shù) f1.00厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù)K = = 1.0000計(jì)算厚度d = = 6.98mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 11.20mm最小厚度d min = 0.75mm名義厚度d n = 12.00mm

7、結(jié)論滿足最小厚度要求重量32.23Kg壓 力 計(jì) 算最大允許工作壓力Pw= = 6.06962MPa結(jié)論合格氮?dú)饫鋮s器后端殼程封頭計(jì)算計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc0.60MPa設(shè)計(jì)溫度 t100.00° C內(nèi)徑 Di500.00mm曲面高度 hi125.00mm材料16MnR(熱軋) (板材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s 170.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 s t170.00MPa鋼板負(fù)偏差 C10.00mm腐蝕裕量 C22.00mm焊接接頭系數(shù) f1.00厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù)K = = 1.0000計(jì)算厚度d = = 0.88mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 6.0

8、0mm最小厚度d min = 0.75mm名義厚度d n = 8.00mm結(jié)論滿足最小厚度要求重量19.61Kg壓 力 計(jì) 算最大允許工作壓力Pw= = 4.05567MPa結(jié)論合格氮?dú)饫鋮s器管板計(jì)算設(shè) 計(jì) 條 件殼程設(shè)計(jì)壓力0.60MPa管程設(shè)計(jì)壓力3.80MPa殼程設(shè)計(jì)溫度100.00° C管程設(shè)計(jì)溫度100.00° C殼程筒體壁厚8.00mm管程筒體壁厚12.00mm殼程筒體腐蝕裕量 C1.00mm管程筒體腐蝕裕量 C0.00mm換熱器公稱直徑500.00mm換熱管使用場(chǎng)合一般場(chǎng)合管板與法蘭或圓筒連接方式 ( a b c d 型 )a型換熱管與管板連接方式 ( 脹接或

9、焊接 )焊接材料(名稱及類型)0Cr18Ni9名義厚度70.00mm管強(qiáng)度削弱系數(shù) 0.40剛度削弱系數(shù) 0.40材料泊松比 0.30隔板槽面積 210.00mm2換熱管與管板脹接長(zhǎng)度或焊腳高度 l3.50mm設(shè)計(jì)溫度下管板材料彈性模量191000.00MPa設(shè)計(jì)溫度下管板材料許用應(yīng)力137.00MPa許用拉脫力 68.50MPa殼程側(cè)結(jié)構(gòu)槽深 h10.00mm板管程側(cè)隔板槽深 h24.00mm殼程腐蝕裕量0.00mm管程腐蝕裕量0.00mm材料名稱0Cr18Ni9換管子外徑 d19.00mm熱管子壁厚 2.00mm管U型管根數(shù) n138根換熱管中心距 S25.00mm設(shè)計(jì)溫度下?lián)Q熱管材料許用

10、應(yīng)力 137.00MPa墊片材料軟墊片壓緊面形式1a或1b墊墊片外徑 Do565.00mm片墊片內(nèi)徑 Di515.00mma型墊片厚度 d gmm墊片接觸面寬度 Wmm墊片壓緊力作用中心園直徑 DG547.11mm ( c 型 )管板材料彈性模量0.00MPa ( d 型 )管板材料彈性模量0.00MPa( b d 型 )管箱圓筒材料彈性模量0.00MPa ( b c 型 )殼程圓筒材料彈性模量0.00MPa ( c d 型 )管板延長(zhǎng)部分形成的凸緣寬度0.00mm ( c 型 ）殼體法蘭或凸緣厚度0.00mm ( d 型 )管箱法蘭或凸緣厚度0.00mm參數(shù)計(jì)算管板布管區(qū)面積三角形排列正方形

11、排列一根換熱管管壁金屬橫截面積= 106.81mm2管板開孔前抗彎剛度 b c d 型0.00N·mm管板布管區(qū)當(dāng)量直徑436.43mma 型其他系數(shù) 0.80系數(shù) 按和 查圖得 : = 0.000000系數(shù) 按和 查圖得 : = 0.000000a d 型= 0b c型0.00a ,c 型= 0b ,d 型0.00a 型= 0其他0.00旋轉(zhuǎn)剛度無量剛系數(shù) 0.00系數(shù)0.2696按和 0.07130.0000管板厚度或管板應(yīng)力計(jì)算a管板計(jì)算厚度 取、大值61.345mm型管板名義厚度66.000mm管板中心處徑向應(yīng)力= 0MPa= 0MPabcd布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力= 0MPa型

12、= 0MPa邊緣處徑向應(yīng)力 = 0MPa= 0MPa管板應(yīng)力校核 單位：MPa|s r|r=0 = b工況|s r|r=Rt = c|s r|r=R = d|s r|r=0 = 型工況|s r|r=Rt = |s r|r=R = 換熱管軸向應(yīng)力計(jì)算及校核 : MPa (單位)計(jì)算工況計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果校核只有殼程設(shè)計(jì)壓力,管程設(shè)計(jì)壓力=0 :|-1.59| 合格只有管程設(shè)計(jì)壓力,殼程設(shè)計(jì)壓力=0 :=|6.29| 合格殼程設(shè)計(jì)壓力,管程設(shè)計(jì)壓力同時(shí)作用:|4.69| 合格換熱管與管板連接拉脫力校核拉脫力 q3.21 qMPa校核合格重量64.89Kg氮?dú)饫鋮s器管箱法蘭強(qiáng)度計(jì)算設(shè) 計(jì) 條 件簡(jiǎn) 圖

13、設(shè)計(jì)壓力 p3.800MPa計(jì)算壓力 pc3.800MPa設(shè)計(jì)溫度 t100.0° C軸向外載荷 F0.0N外力矩 M0.0N.mm殼材料名稱0Cr18Ni9體許用應(yīng)力 137.0MPa法材料名稱#許用s f137.0MPa蘭應(yīng)力s tf137.0MPa材料名稱40Cr螺許用s b212.0MPa應(yīng)力s tb189.0MPa栓公稱直徑 d B24.0mm螺栓根徑 d 120.8mm數(shù)量 n24個(gè)Di500.0Do660.0墊結(jié)構(gòu)尺寸Db615.0D外565.0D內(nèi)515.0016.0mmLe22.5LA31.5h35.0126.0材料類型軟墊片N25.0m2.00y11.0壓緊面形狀

14、1a,1bb8.94DG547.1片b06.4mm b= b0b06.4mm DG= ( D外+D內(nèi) )/2b0 > 6.4mm b=2.53b0 > 6.4mm DG= D外 - 2b螺 栓 受 力 計(jì) 算預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WaWa= bDG y = 169119.0N操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WpWp = Fp + F = 1127044.1 N所需螺栓總截面積 AmAm = max (Ap ,Aa ) = 5963.2mm2實(shí)際使用螺栓總截面積 AbAb = = 8117.5mm2力 矩 計(jì) 算操FD = 0.785pc= 745750.0NLD= L A+ 0.

15、51= 44.5mmMD= FD LD= 33185876.0N.mm作FG = Fp= 233573.5NLG= 0.5 ( Db - DG )= 33.9mmMG= FG LG= 7928625.5N.mmMpFT = F-FD= 147150.2NLT=0.5(LA + d 1 + LG )= 45.7mmMT= FT LT= 6728066.0N.mm外壓: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 內(nèi)壓: Mp = MD+MG+MT Mp = 47842568.0N.mm預(yù)緊 MaW = 1492550.6NLG = 33.9mmMa=W LG = 5066446

16、0.0N.mm計(jì)算力矩 Mo= Mp 與 中大者 Mo=50664460.0N.mm螺 栓 間 距 校 核實(shí)際間距= 80.5mm最小間距56.0 (查GB150-98表9-3)mm最大間距158.4mm形 狀 常 數(shù) 確 定89.44h/ho = 0.4K = Do/DI = 1.3201.6由K查表9-5得T=1.789Z =3.694Y =7.145U=7.851整體法蘭查圖9-3和圖9-4FI=0.85944VI=0.314150.00961松式法蘭查圖9-5和圖9-6FL=0.00000VL=0.000000.00000查圖9-7由得f = 1.06578整體 法蘭 = 572246

17、.8松式 法蘭 = 0.00.2=f e+1 =1.44 g = y /T = =0.811.59= 0.98剪應(yīng)力校核計(jì) 算 值許 用 值結(jié) 論預(yù)緊狀態(tài)0.00MPa操作狀態(tài)0.00MPa輸入法蘭厚度f = 46.0 mm時(shí), 法蘭應(yīng)力校核應(yīng)力性質(zhì)計(jì) 算 值許 用 值結(jié) 論軸向應(yīng)力158.57MPa=205.5 或=342.5( 按整體法蘭設(shè)計(jì)的任 意 式法蘭, 取 )校核合格徑向應(yīng)力77.96MPa= 137.0校核合格切向應(yīng)力54.14MPa= 137.0校核合格綜合應(yīng)力= 118.27MPa= 137.0校核合格法蘭校核結(jié)果校核合格氮?dú)饫鋮s器開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算接 管: a, 219×

18、;16計(jì) 算 方 法 : GB150-1998 等 面 積 補(bǔ) 強(qiáng) 法, 單 孔設(shè) 計(jì) 條 件簡(jiǎn) 圖計(jì)算壓力 pc3.8MPa設(shè)計(jì)溫度100殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型0Cr18Ni9板材殼體開孔處焊接接頭系數(shù)0.85殼體內(nèi)直徑 Di500mm殼體開孔處名義厚度n12mm殼體厚度負(fù)偏差 C10.8mm殼體腐蝕裕量 C20mm殼體材料許用應(yīng)力t137MPa接管實(shí)際外伸長(zhǎng)度100mm接管實(shí)際內(nèi)伸長(zhǎng)度0mm接管材料0Cr18Ni9接管焊接接頭系數(shù)1名稱及類型管材接管腐蝕裕量0mm補(bǔ)強(qiáng)圈材料名稱補(bǔ)強(qiáng)圈外徑mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度mm接管厚度負(fù)偏差 C1t2mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度負(fù)偏差 C1rmm接管材料許用應(yīng)力t

19、137MPa補(bǔ)強(qiáng)圈許用應(yīng)力tMPa開 孔 補(bǔ) 強(qiáng) 計(jì) 算殼體計(jì)算厚度8.293mm接管計(jì)算厚度t2.63mm補(bǔ)強(qiáng)圈強(qiáng)度削弱系數(shù) frr0接管材料強(qiáng)度削弱系數(shù) fr1開孔直徑 d191mm補(bǔ)強(qiáng)區(qū)有效寬度 B382mm接管有效外伸長(zhǎng)度 h155.28mm接管有效內(nèi)伸長(zhǎng)度 h20mm開孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積A1584mm2殼體多余金屬面積 A1555.2mm2接管多余金屬面積 A21257mm2補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)的焊縫面積 A364mm2A1+A2+A3=1876 mm2 ，大于A，不需另加補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)圈面積 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2結(jié)論: 補(bǔ)強(qiáng)滿足要求,不需另加補(bǔ)強(qiáng)。氮?dú)饫鋮s器開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算接 管

20、: b, 108×6計(jì) 算 方 法 : GB150-1998 等 面 積 補(bǔ) 強(qiáng) 法, 單 孔設(shè) 計(jì) 條 件簡(jiǎn) 圖計(jì)算壓力 pc0.6MPa設(shè)計(jì)溫度100殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型16MnR(熱軋)板材殼體開孔處焊接接頭系數(shù)0.85殼體內(nèi)直徑 Di500mm殼體開孔處名義厚度n8mm殼體厚度負(fù)偏差 C10mm殼體腐蝕裕量 C21mm殼體材料許用應(yīng)力t170MPa接管實(shí)際外伸長(zhǎng)度100mm接管實(shí)際內(nèi)伸長(zhǎng)度0mm接管材料20(GB8163)接管焊接接頭系數(shù)1名稱及類型管材接管腐蝕裕量2mm補(bǔ)強(qiáng)圈材料名稱補(bǔ)強(qiáng)圈外徑mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度mm接管厚度負(fù)偏差 C1t0.75mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度負(fù)偏差 C1rmm接管材料許用應(yīng)力t130MPa補(bǔ)強(qiáng)圈許用應(yīng)力tMPa開 孔 補(bǔ) 強(qiáng) 計(jì) 算殼體計(jì)算厚度1.04mm接管計(jì)算厚度t0.222mm補(bǔ)強(qiáng)圈強(qiáng)度削弱系數(shù) frr0接管材料強(qiáng)度削弱系數(shù) fr0.765開孔直徑 d101.5mm補(bǔ)強(qiáng)區(qū)有效寬度 B203mm接管有效外伸長(zhǎng)度 h124.68mm接管有效內(nèi)伸長(zhǎng)度 h20mm開孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積A107.2mm2殼體多余金屬面積 A1595.8mm2接管多余金屬面積 A2114.3mm2補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)的焊縫面積 A336mm2A1+A2+A