U形管換熱器設(shè)計方案

1、U型管換熱器設(shè)計方案用 戶： 上海航天能源股份有限公司 型 號： KSI600D-1500 任務(wù)書編號： SR12023 工 作 令： SWA12171 圖 號： SW01-013-00 編制： 日期： 1、設(shè)計標準本設(shè)計中U型管換熱器屬于換熱設(shè)備，屬管殼式（列管式）換熱器。應以安全為前提，綜合考慮質(zhì)量保證的各個環(huán)節(jié)，盡可能做到經(jīng)濟合理，可靠的密封性，足夠的安全壽命。設(shè)計標準如下：a. TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程b. GB151-1999管殼式換熱器c. GB150.1150.4-2011壓力容器c. HG20584-1998鋼制化工容器制造技術(shù)要求d. JB4

2、712.2-2007容器支座2、U型管換熱器的特點U型管換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定在同一管板上，這一換熱器的優(yōu)點是：管束可以自由伸縮，不會因為管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。缺點：管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分部管不緊湊，所以管字數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補彎管后管壁的減薄，直管部分必須用壁較厚的管子。這就影響了其適用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大

3、，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強的場合。3、材料選擇一、管程材料筒體與封頭的材料選擇：該設(shè)備管程設(shè)計壓力1.0MPa，設(shè)計溫度70°，介質(zhì)為天然氣。天然氣最主要的成分是甲烷，經(jīng)過處理的天然氣具有無腐蝕性，因此可選用一般的鋼材。由操作條件可知，該容器屬于低壓、常溫范疇。在常溫下材料的組織性和力學性能沒有明顯的變化。但根據(jù)客戶的要求，選用材料S31603 ，執(zhí)行GB24511-2009承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶的相關(guān)要求。換熱管的材料選擇：根據(jù)該設(shè)備的壓力、溫度、介質(zhì)的腐蝕程度，按照GB151管殼式換熱器及客戶技術(shù)規(guī)格書中的換熱管有關(guān)要求，選用GB13296鍋爐

4、、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管材質(zhì)，牌號為：00Cr17Ni14Mo2。管板材質(zhì)的選擇：根據(jù)GB151管殼式換熱器中的管板材料的有關(guān)要求，可以選用鋼板及鍛件。本臺設(shè)備管板較厚，依據(jù)標準選擇S31603II級鍛件，符合標準NB/T47010-2009承壓設(shè)備不銹鋼及耐熱鋼鍛件的要求。接管的材料選擇：根據(jù)GB150鋼制壓力容器引用標準以及接管要求焊接性能較好且塑性好的要求，故選擇00Cr17Ni14Mo2 GB14976-2002流體輸送用不銹鋼無縫鋼管作各型號接管。因設(shè)備設(shè)計壓力較高，涉及到開孔補強問題，在后面的強度計算過程中，選擇S31603II鍛件作為接管材料。法蘭的材料選擇：法蘭選用HG/t2

5、0615-2009鋼制管法蘭，材質(zhì)：S31603II，符合NB/T47010-2009承壓設(shè)備不銹鋼及耐熱鋼鍛件標準。二、殼程材料：筒體與封頭的材料選擇：該設(shè)備管程設(shè)計壓力1.0MPa，設(shè)計溫度70°，介質(zhì)為熱水。因此可選用一般的鋼材。由操作條件可知，該容器屬于低壓、常溫范疇。在常溫下材料的組織性和力學性能沒有明顯的變化。但根據(jù)客戶的要求，選用材料S31603 ，執(zhí)行GB24511-2009承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶的相關(guān)要求。接管的材料選擇：根據(jù)GB150鋼制壓力容器引用標準以及接管要求焊接性能較好且塑性好的要求，故選擇00Cr17Ni14Mo2 GB14976-2002流體輸送用

6、不銹鋼無縫鋼管作各型號接管。因設(shè)備設(shè)計壓力較高，涉及到開孔補強問題，在后面的強度計算過程中，選擇S31603II鍛件作為接管材料。法蘭的材料選擇：法蘭選用ASME B16.5-2009鋼制管法蘭，材質(zhì)：S31603II，符合NB/T47010-2009承壓設(shè)備不銹鋼及耐熱鋼鍛件標準。三、其他附件、連接件：與受壓件相焊的的墊板，選用與殼體一致的材料：S31603 GB24511-2009；其余非受壓件，選用Q235-B GB3274 碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼熱軋厚鋼板和鋼帶；設(shè)備緊固件選用JB/T4707-2000等長雙頭螺柱、GB/T6170-2000六角螺母；4、設(shè)計參數(shù)的確定根據(jù)用戶提供的容器

7、運行條件，確定該設(shè)備的設(shè)計參數(shù)如下：5、結(jié)構(gòu)設(shè)計一、管箱設(shè)計：管箱筒體強度設(shè)計：前端管箱筒體計算結(jié)果計算單位江蘇盛偉過濾設(shè)備有限公司計算所依據(jù)的標準GB 150.3-2011 計算條件筒體簡圖計算壓力 Pc 1.00MPa設(shè)計溫度 t 70.00° C內(nèi)徑 Di 600.00mm材料 S31603 ( 板材 )試驗溫度許用應力 s 120.00MPa設(shè)計溫度許用應力 st 120.00MPa試驗溫度下屈服點 ss 180.00MPa鋼板負偏差 C1 0.30mm腐蝕裕量 C2 0.00mm焊接接頭系數(shù) f 0.85厚度及重量計算計算厚度 d = = 2.96mm有效厚度 de =dn

8、 - C1- C2= 9.70mm名義厚度 dn = 10.00mm重量 225.65Kg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 = 1.25P = 1.5000 (或由用戶輸入)MPa壓力試驗允許通過的應力水平 sTsT£ 0.90 ss = 162.00MPa試驗壓力下圓筒的應力 sT = = 55.46 MPa校核條件 sT£ sT校核結(jié)果 合格壓力及應力計算最大允許工作壓力 Pw= = 3.24553MPa設(shè)計溫度下計算應力 st = = 31.43MPastf 102.00MPa校核條件stf st結(jié)論 合格管箱封頭強度設(shè)計：前端管箱封頭計算結(jié)果計

9、算單位 江蘇盛偉過濾設(shè)備有限公司計算所依據(jù)的標準GB 150.3-2011 計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力 Pc 1.00MPa設(shè)計溫度 t 70.00° C內(nèi)徑 Di 600.00mm曲面深度 hi 150.00mm材料 S31603 (板材)設(shè)計溫度許用應力 st 120.00MPa試驗溫度許用應力 s 120.00MPa鋼板負偏差 C1 0.00mm腐蝕裕量 C2 0.00mm焊接接頭系數(shù) f 1.00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 = 1.25Pc= 1.5000MPa壓力試驗允許通過的應力stsT£ 0.90 ss = 162.00MPa試驗

10、壓力下封頭的應力sT = = 51.51MPa校核條件sT£ sT校核結(jié)果合格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 = 1.25Pc= 1.5000MPa壓力試驗允許通過的應力stsT£ 0.90 ss = 162.00MPa試驗壓力下封頭的應力sT = = 51.51MPa校核條件sT£ sT校核結(jié)果合格厚度及重量計算形狀系數(shù) K = = 1.0000計算厚度 dh = = 2.51mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 8.80mm最小厚度 dmin = 2.00mm名義厚度 dnh = 8.80mm結(jié)論 滿足最小厚度要求重量 3

11、0.31 Kg管板的強度計算： U型管換熱器管板計算計算單位江蘇盛偉過濾設(shè)備有限公司設(shè) 計 條 件殼程設(shè)計壓力 1.00MPa管程設(shè)計壓力1.00MPa殼程設(shè)計溫度70.00°C管程設(shè)計溫度70.00°C殼程筒體壁厚 10.00mm管程筒體壁厚10.00mm殼程筒體腐蝕裕量 C 0.00mm管程筒體腐蝕裕量 C0.00mm換熱器公稱直徑600.00mm換熱管使用場合嚴格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)S31603鍛件名義厚度52.00mm管強度削弱系數(shù) 0.40剛度削弱系數(shù) 0.40材

12、料泊松比 0.30隔板槽面積 32092.50mm2換熱管與管板脹接長度或焊腳高度 l4.00mm設(shè)計溫度下管板材料彈性模量191250.00MPa設(shè)計溫度下管板材料許用應力104.50MPa許用拉脫力 58.50MPa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00Cr17Ni14Mo2換管子外徑 d19.00mm熱管子壁厚 2.00mm管U型管根數(shù) n200根換熱管中心距 S25.00mm設(shè)計溫度下?lián)Q熱管材料許用應力 117.00MPa墊片材料軟墊片壓緊面形式 1a或1b墊墊片外徑 Do660.00mm片墊片內(nèi)徑

13、 Di620.00mma型墊片厚度 dgmm墊片接觸面寬度 Wmm墊片壓緊力作用中心園直徑 DG644.00mm ( c 型 )管板材料彈性模量191250.00 MPa ( d 型 )管板材料彈性模量191250.00MPa( b d 型 ) 管箱圓筒材料彈性模量191250.00MPa ( b c 型 )殼程圓筒材料彈性模量191250.00MPa ( c d 型 )管板延長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)計算管板布管區(qū)面積三角形排列248592.50mm2 正方形排列一根換熱管管壁金屬橫截面積

14、 = 106.81mm2 管板開孔前抗彎剛度 b c d 型0.00N·mm管板布管區(qū)當量直徑562.60mm 半徑 Ra 型322.00mm 其他系數(shù) 0.87系數(shù) 按和 查圖得 : = 0.000000系數(shù) 按和 查圖得 : = 0.000000殼程圓筒與法蘭或凸緣的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) a d 型= 0MPab c型0.00管箱圓筒與法蘭或凸緣的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) a ,c 型= 0MPab ,d 型0.00管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛參數(shù) a 型= 0MPa其他0.00旋轉(zhuǎn)剛度無量剛系數(shù) 0.00 系數(shù) 0.2825按和 ,查圖分別得: 0.0445 0.0000管板厚度或管板應力計算a管板計算厚度 取

15、、大值43.411mm型管板名義厚度 48.000mm結(jié) 論 合格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：MPa |sr|r=0 = b 工況|sr|r=Rt = c|sr|r=R = d |sr|r=0 = 型 工況|sr|r=Rt = |sr|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(jié)果校核只有殼程設(shè)計壓力,管程設(shè)計壓力=0 :|-2.65| 合格只有管程設(shè)計壓力,殼程設(shè)計壓力=0 : =|1.65| 合格殼程設(shè)計壓力,管程設(shè)計

16、壓力同時作用:|-1.00| 合格 換熱管與管板連接拉脫力校核 拉脫力 q1.19 q MPa 校核 合格 重量 69.12 Kg 注：帶號的材料數(shù)據(jù)是設(shè)計者給定的。進出口開孔補強計算：開孔補強計算計算單位江蘇盛偉過濾設(shè)備有限公司接 管: A,B, 219×8計 算 方 法 : GB150-1998 等 面 積 補 強 法, 單 孔設(shè) 計 條 件簡 圖計算壓力 pc1MPa設(shè)計溫度70殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型S31603板材殼體開孔處焊接接頭系數(shù)0.85殼體內(nèi)直徑 Di600mm殼體開孔處名義厚度n10mm殼體厚度負偏差 C10.3mm殼體腐蝕裕量 C20mm殼體材料許用應

17、力t120MPa 接管實際外伸長度80mm接管實際內(nèi)伸長度0mm接管材料00Cr17Ni14Mo2接管焊接接頭系數(shù)1名稱及類型管材接管腐蝕裕量0mm補強圈材料名稱凸形封頭開孔中心至封頭軸線的距離mm補強圈外徑mm補強圈厚度mm接管厚度負偏差 C1t 1mm補強圈厚度負偏差 C1r mm接管材料許用應力t117MPa補強圈許用應力tMPa開 孔 補 強 計 算殼體計算厚度 2.956mm接管計算厚度t0.871 mm補強圈強度削弱系數(shù) frr0接管材料強度削弱系數(shù) fr0.975開孔直徑 d205mm補強區(qū)有效寬度 B410 mm接管有效外伸長度 h140.5mm接管有效內(nèi)伸長度 h20 mm開

18、孔削弱所需的補強面積A 606.9mm2殼體多余金屬面積 A11380 mm2接管多余金屬面積 A2484mm2補強區(qū)內(nèi)的焊縫面積 A364 mm2A1+A2+A3=1928 mm2 ，大于A，不需另加補強。補強圈面積 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2結(jié)論: 補強滿足要求,不需另加補強。二、殼程結(jié)構(gòu)強度設(shè)計：殼程筒體強度計算：U形管式換熱器筒體計算結(jié)果計算單位江蘇盛偉過濾設(shè)備有限公司計算所依據(jù)的標準GB 150.3-2011 計算條件筒體簡圖計算壓力 Pc 1.00MPa設(shè)計溫度 t 70.00° C內(nèi)徑 Di 600.00mm材料 S31603 ( 板材 )試驗溫度許用應力

19、 s 120.00MPa設(shè)計溫度許用應力 st 120.00MPa試驗溫度下屈服點 ss 180.00MPa鋼板負偏差 C1 0.30mm腐蝕裕量 C2 0.00mm焊接接頭系數(shù) f 0.85厚度及重量計算計算厚度 d = = 2.96mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 9.70mm名義厚度 dn = 10.00mm重量 225.65Kg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 = 1.25P = 1.5000 (或由用戶輸入)MPa壓力試驗允許通過的應力水平 sTsT£ 0.90 ss = 162.00MPa試驗壓力下圓筒的應力 sT = = 55.46

20、MPa校核條件 sT£ sT校核結(jié)果 合格壓力及應力計算最大允許工作壓力 Pw= = 3.24553MPa設(shè)計溫度下計算應力 st = = 31.43MPastf 102.00MPa校核條件stf st結(jié)論 合格殼程封頭計算：后端封頭計算結(jié)果計算單位 江蘇盛偉過濾設(shè)備有限公司計算所依據(jù)的標準GB 150.3-2011 計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力 Pc 1.00MPa設(shè)計溫度 t 70.00° C內(nèi)徑 Di 600.00mm曲面深度 hi 150.00mm材料 S31603 (板材)設(shè)計溫度許用應力 st 120.00MPa試驗溫度許用應力 s 120.00MPa鋼板負偏差

21、 C1 0.00mm腐蝕裕量 C2 2.00mm焊接接頭系數(shù) f 0.85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 = 1.25Pc= 1.5000MPa壓力試驗允許通過的應力stsT£ 0.90 ss = 162.00MPa試驗壓力下封頭的應力sT = = 78.30MPa校核條件sT£ sT校核結(jié)果合格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 = 1.25Pc= 1.5000MPa壓力試驗允許通過的應力stsT£ 0.90 ss = 162.00MPa試驗壓力下封頭的應力sT = = 78.30MPa校核條件sT£ sT校

22、核結(jié)果合格厚度及重量計算形狀系數(shù) K = = 1.0000計算厚度 dh = = 2.95mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 6.80mm最小厚度 dmin = 2.00mm名義厚度 dnh = 8.80mm結(jié)論 滿足最小厚度要求重量 30.31 Kg壓 力 計 算最大允許工作壓力 Pw= = 2.29897MPa結(jié)論 合格進出口補強計算：開孔補強計算計算單位江蘇盛偉過濾設(shè)備有限公司接 管: C,D, 114×6計 算 方 法 : GB150-1998 等 面 積 補 強 法, 單 孔設(shè) 計 條 件簡 圖計算壓力 pc1MPa設(shè)計溫度70殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型S31603板材殼體開孔處焊接接頭系數(shù)0.85殼體內(nèi)直徑 Di600mm殼體開孔處名義厚度n10mm殼體厚度負偏差 C10.3mm殼體腐蝕裕量 C20mm殼體材料許用應力t120MPa 接管實際外伸長度50mm接管實際內(nèi)伸長度0mm接管