換熱器的強度計算[1]

1、確定了換熱器的結構及尺寸以后，必須對換熱器的所有受壓元件進行強度計算。因為管殼式換熱器一般用于壓力介質的工況，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準進行計算和設計，對于鋼制的換熱器，我國一般按照GB150<<鋼制壓力容器>>標準進行設計，或者美國ASME標準進行設計。對于其它一些受壓元件，例如管板、折流板等，可以按照我國的GB151<<管殼式換熱器>>或者美國TEMA標準進行設計。對于其它材料的換熱器，例如鈦材、銅材等應按照相應的標準進行設計。  下面提供一氮氣冷卻器的受壓元件強度計算，以供參考。該換熱器為U形管式換熱器

2、，殼體直徑500mm，管程設計壓力3.8MPa，殼程設計壓力0.6MPa。詳細強度計算如下：        1.殼程筒體強度計算          2.前端管箱筒體強度計算3.前端管箱封頭強度計算4.后端殼程封頭強度計算5.管板強度計算6.管程設備法蘭強度計算7.接管開孔補強計算氮氣冷卻器(U形管式換熱器)筒體計算計算條件筒體簡圖計算壓力 PcMPa設計溫度 t° C內(nèi)徑 Dimm材料16MnR(熱軋) ( 板材 )試驗溫度許

3、用應力 s MPa設計溫度許用應力 s tMPa試驗溫度下屈服點 s sMPa鋼板負偏差 C1mm腐蝕裕量 C2mm焊接接頭系數(shù) f厚度及重量計算計算厚度d = mm有效厚度d e =d n - C1- C2= mm名義厚度d n = mm重量Kg壓力試驗時應力校核壓力試驗類型液壓試驗試驗壓力值PT P = MPa壓力試驗允許通過的應力水平 s T s T£ 0.90 s s =MPa試驗壓力下圓筒的應力s T = = MPa校核條件s T£ s T校核結果合格壓力及應力計算最大允許工作壓力Pw= = MPa設計溫度下計算應力s t = = MPa s tfMPa校核條件

4、s tf s t結論合格氮氣冷卻器前端管箱筒體計算計算條件筒體簡圖計算壓力 PcMPa設計溫度 t° C內(nèi)徑 Dimm材料0Cr18Ni9 ( 板材 )試驗溫度許用應力 s MPa設計溫度許用應力 s tMPa試驗溫度下屈服點 s sMPa鋼板負偏差 C1mm腐蝕裕量 C2mm焊接接頭系數(shù) f厚度及重量計算計算厚度d = mm有效厚度d e =d n - C1- C2= mm名義厚度d n = mm重量Kg壓力試驗時應力校核壓力試驗類型液壓試驗試驗壓力值PT P = MPa壓力試驗允許通過的應力水平 s T s T£ 0.90 s s =MPa試驗壓力下圓筒的應力s T =

5、 = MPa校核條件s T£ s T校核結果合格壓力及應力計算最大允許工作壓力Pw= = MPa設計溫度下計算應力s t = = MPa s tfMPa校核條件 s tf s t結論合格氮氣冷卻器前端管箱封頭計算計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力 PcMPa設計溫度 t° C內(nèi)徑 Dimm曲面高度 himm材料0Cr18Ni9 (板材)試驗溫度許用應力 s MPa設計溫度許用應力 s tMPa鋼板負偏差 C1mm腐蝕裕量 C2mm焊接接頭系數(shù) f厚度及重量計算形狀系數(shù)K = = 計算厚度d = mm有效厚度d e =d n - C1- C2= mm最小厚度d min = mm名義

6、厚度d n = mm結論滿足最小厚度要求重量Kg壓 力 計 算最大允許工作壓力Pw= = MPa結論合格氮氣冷卻器后端殼程封頭計算計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力 PcMPa設計溫度 t° C內(nèi)徑 Dimm曲面高度 himm材料16MnR(熱軋) (板材)試驗溫度許用應力 s MPa設計溫度許用應力 s tMPa鋼板負偏差 C1mm腐蝕裕量 C2mm焊接接頭系數(shù) f厚度及重量計算形狀系數(shù)K = = 計算厚度d = mm有效厚度d e =d n - C1- C2= mm最小厚度d min = mm名義厚度d n = mm結論滿足最小厚度要求重量Kg壓 力 計 算最大允許工作壓力Pw= =

7、MPa結論合格氮氣冷卻器管板計算設 計 條 件殼程設計壓力MPa管程設計壓力MPa殼程設計溫度° C管程設計溫度° C殼程筒體壁厚mm管程筒體壁厚mm殼程筒體腐蝕裕量 Cmm管程筒體腐蝕裕量 Cmm換熱器公稱直徑mm換熱管使用場合一般場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 ( 脹接或焊接 )焊接材料(名稱及類型)0Cr18Ni9名義厚度mm管強度削弱系數(shù) 剛度削弱系數(shù) 材料泊松比 隔板槽面積 mm2換熱管與管板脹接長度或焊腳高度 lmm設計溫度下管板材料彈性模量MPa設計溫度下管板材料許用應力MPa許用拉脫力 MPa殼程側結構槽深

8、h1mm板管程側隔板槽深 h2mm殼程腐蝕裕量mm管程腐蝕裕量mm材料名稱0Cr18Ni9換管子外徑 dmm熱管子壁厚 mm管U型管根數(shù) n138根換熱管中心距 Smm設計溫度下?lián)Q熱管材料許用應力 MPa墊片材料軟墊片壓緊面形式1a或1b墊墊片外徑 Domm片墊片內(nèi)徑 Dimma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 DGmm ( c 型 )管板材料彈性模量MPa ( d 型 )管板材料彈性模量MPa( b d 型 )管箱圓筒材料彈性模量MPa ( b c 型 )殼程圓筒材料彈性模量MPa ( c d 型 )管板延長部分形成的凸緣寬度mm ( c 型 ）殼體法蘭或

9、凸緣厚度mm ( d 型 )管箱法蘭或凸緣厚度mm參數(shù)計算管板布管區(qū)面積三角形排列正方形排列一根換熱管管壁金屬橫截面積= mm2管板開孔前抗彎剛度 b c d 型N·mm管板布管區(qū)當量直徑mma 型其他系數(shù) 系數(shù) 按和 查圖得 : = 系數(shù) 按和 查圖得 : = a d 型= 0b c型a ,c 型= 0b ,d 型a 型= 0其他旋轉剛度無量剛系數(shù) 系數(shù)按和 管板厚度或管板應力計算a管板計算厚度 取、大值mm型管板名義厚度mm管板中心處徑向應力= 0MPa= 0MPabcd布管區(qū)周邊處徑向應力= 0MPa型= 0MPa邊緣處徑向應力 = 0MPa= 0MPa管板應力校核 單位：MP

10、a|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 = 換熱管軸向應力計算及校核 : MPa (單位)計算工況計算公式計算結果校核只有殼程設計壓力,管程設計壓力=0 :| 合格只有管程設計壓力,殼程設計壓力=0 :=| 合格殼程設計壓力,管程設計壓力同時作用:| 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Kg氮氣冷卻器管箱法蘭強度計算設 計 條 件簡 圖設計壓力 pMPa計算壓力 pcMPa設計溫度 t° C軸向外載荷 FN外力矩 M殼材料名稱0Cr18Ni9

11、體許用應力 MPa法材料名稱#許用s fMPa蘭應力s tfMPa材料名稱40Cr螺許用s bMPa應力s tbMPa栓公稱直徑 d Bmm螺栓根徑 d 1mm數(shù)量 n24個DiDo墊結構尺寸DbD外D內(nèi)0mmLeLAh1材料類型軟墊片Nmy壓緊面形狀1a,1bbDG片b0 b= b0b0 DG= ( D外+D內(nèi) )/2b0 > b0 > DG= D外 - 2b螺 栓 受 力 計 算預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WaWa= N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 Ammm2實際使用螺栓總截面積 AbAb = mm2力 矩

12、計 算操pcN1mmMD= FD LD作FG = FpNLG= 0.5 ( Db - DG )mmMG= FG LGMpFT = F-FDNLT=0.5(LA + d 1 + LG )mmMT= FT LT預緊 MaNmmMa=W LG計算力矩 Mo= Mp 與 螺 栓 間 距 校 核實際間距mm最小間距56.0 (查GB150-98表9-3)mm最大間距mm形 狀 常 數(shù) 確 定由K查表9-5得整體法蘭查圖9-3和圖9-4松式法蘭查圖9-5和圖9-6查圖9-7由得整體松式= 剪應力校核計 算 值許 用 值結 論預緊狀態(tài)MPa操作狀態(tài)MPa輸入法蘭厚度f = 46.0 mm時, 法蘭應力校核應

13、力性質計 算 值許 用 值結 論軸向應力MPa=205.5 或=342.5( 按整體法蘭設計的任 意 式法蘭, 取 )校核合格徑向應力MPa校核合格切向應力MPa校核合格綜合應力MPa校核合格法蘭校核結果校核合格氮氣冷卻器開孔補強計算接 管: a, 219×16計 算 方 法 : GB150-1998 等 面 積 補 強 法, 單 孔設 計 條 件簡 圖計算壓力 pcMPa設計溫度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)殼體內(nèi)直徑 Di500mm殼體開孔處名義厚度n12mm殼體厚度負偏差 C1mm殼體腐蝕裕量 C20mm殼體材料許用應力t13

14、7MPa接管實際外伸長度100mm接管實際內(nèi)伸長度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補強圈材料名稱補強圈外徑mm補強圈厚度mm接管厚度負偏差 C1t2mm補強圈厚度負偏差 C1rmm接管材料許用應力t137MPa補強圈許用應力tMPa開 孔 補 強 計 算殼體計算厚度mm接管計算厚度tmm補強圈強度削弱系數(shù) frr0接管材料強度削弱系數(shù) fr1開孔直徑 d191mm補強區(qū)有效寬度 B382mm接管有效外伸長度 h1mm接管有效內(nèi)伸長度 h20mm開孔削弱所需的補強面積A1584mm2殼體多余金屬面積 A1mm2接管多余金屬面積 A21257mm2補

15、強區(qū)內(nèi)的焊縫面積 A364mm2A1+A2+A3=1876 mm2 ，大于A，不需另加補強。補強圈面積 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2結論: 補強滿足要求,不需另加補強。氮氣冷卻器開孔補強計算接 管: b, 108×6計 算 方 法 : GB150-1998 等 面 積 補 強 法, 單 孔設 計 條 件簡 圖計算壓力 pcMPa設計溫度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)殼體內(nèi)直徑 Di500mm殼體開孔處名義厚度n8mm殼體厚度負偏差 C10mm殼體腐蝕裕量 C21mm殼體材料許用應力t170MPa接管實際外伸長度100m

16、m接管實際內(nèi)伸長度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補強圈材料名稱補強圈外徑mm補強圈厚度mm接管厚度負偏差 C1tmm補強圈厚度負偏差 C1rmm接管材料許用應力t130MPa補強圈許用應力tMPa開 孔 補 強 計 算殼體計算厚度mm接管計算厚度tmm補強圈強度削弱系數(shù) frr0接管材料強度削弱系數(shù) fr開孔直徑 dmm補強區(qū)有效寬度 B203mm接管有效外伸長度 h1mm接管有效內(nèi)伸長度 h20mm開孔削弱所需的補強面積Amm2殼體多余金屬面積 A1mm2接管多余金屬面積 A2mm2補強區(qū)內(nèi)的焊縫面積 A336mm2A1+A2+A3= m

17、m2 ，大于A，不需另加補強。補強圈面積 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2結論: 補強滿足要求,不需另加補強。氮氣冷卻器開孔補強計算接 管: c, 89×5計 算 方 法 : GB150-1998 等 面 積 補 強 法, 單 孔設 計 條 件簡 圖計算壓力 pcMPa設計溫度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)殼體內(nèi)直徑 Di500mm殼體開孔處名義厚度n8mm殼體厚度負偏差 C10mm殼體腐蝕裕量 C21mm殼體材料許用應力t170MPa接管實際外伸長度100mm接管實際內(nèi)伸長度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補強圈材料名稱補強圈外徑mm補強圈厚度mm接管厚度負偏差 C1tmm