蠟油換熱器設計_過程裝備與控制工程畢業(yè)論文設計

1、(此文檔為word格式，下載后您可任意編輯修改！)1 前言 1.1 課題意義換熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應用相當廣泛的單元設備之一。據統(tǒng)計，在現代化學工業(yè)中換熱器的投資大約占設備總投資的30%，在煉油廠中占全部工藝設備的40%左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。對國外換熱器市場的調查表明，雖然各種板式換熱器的競爭力在上升，但管殼式換熱器仍占主導地位約64%1。 1.2 管殼式換熱器基本類型：固定管板式、浮頭式、U形管式和填料函式。 U形管式換熱器圖1-2 U形管換熱器U形管式換熱器的典型結構如圖。這種換熱器的結構特點是，只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一

2、塊管板上，管子可以自由伸縮。當殼體與U形換熱管有溫差時，不會產生熱應力。由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當管子泄露損壞時，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根U形管相當于壞兩根管，報廢率較高。U形管式換熱器結構比較簡單、價格便宜，承壓能力強，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質易結垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內走清潔而不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料2。2 蠟油換熱器設計 2.1 蠟油換熱器設計條件表一 設備設計主要技術指標殼體管程換熱管

3、排列轉角正方形設計壓力MPa4.04.0換熱面積m2260設計溫度295355換熱管直徑mm25工作壓力MPa1.31.6換熱管間mm32工作溫度227355折流板間距mm300介質名稱原料油蠟油換熱管長度m6介質性質易燃易燃管程數14主要材質16MnR16MnR表二 管口表符號公稱壓力公稱尺寸法蘭形式密封面形式用途伸出長度N1PN6.3DN250WNMFM蠟油出口見圖N2PN6.3DN250WNMFM蠟油出口見圖N3PN6.3DN250WNMFM原油進口200N4PN6.3DN250WNMFM原油進口200N5PN6.3DN50WNMFM放空口150N6PN6.3DN65WNMFM排污口15

4、02.2 布管按要求換熱管的直徑為25mm，間距為32mm，管長為6m，換熱面積為260m2，換熱管排列方式為轉角正方形。如圖2-1、圖2-2 。 圖2-1 換熱管排列方式 圖2-2 布管圖換熱管的數目為600根，計算得換熱面積為282.6 m2，符合要求。同時均勻的布置了8根拉桿。2.3 管箱選擇由設計任務書選擇封頭管箱，管程，如圖2-3。圖2-3 封頭管箱2.4 設備法蘭選擇換熱器設計壓力4MP，溫度殼程295oC、管程355oC，法蘭選擇長頸對焊法蘭2。圖2-4 設備法蘭由筒體公稱直徑1000mm和PN=4.0MP，選得法蘭的參數：D=1215mm， D1=1155mm，D2=1110m

5、m，D3=1100mm，D4=1097mm，=100mm，H=175mm，:12,螺紋Th:M33×2,法蘭厚度C:46mm,法蘭頸A:316mm,B:316mm,S:13.5mm,H1:18mm,R:10mm,法蘭高度H:125mm,法蘭理論重量:48.9Kg.N5:由DN50，法蘭形式WN，密封面形式MFM；選擇57×3.5的鋼管。法蘭為帶頸對焊法蘭，凹凸面密封。法蘭外徑D:180mm，螺栓孔中心圓直徑K:135mm,螺栓孔直徑L:22mm,螺栓孔數量n:4,螺紋Th:M20,法蘭厚度C:26mm,法蘭頸A:82mm,B:82mm,S:5mm,H1:10mm,R:5mm

6、,法蘭高度H:62mm,法蘭理論重量:4.86KgN6：由DN65，密封面形式MFM；選擇76×4的鋼管。法蘭為帶頸對焊法蘭，凹凸面密封。法蘭外徑D:205mm，螺栓孔中心圓直徑K:160mm,螺栓孔直徑L:22mm,螺栓孔數量n:8,螺紋Th:M20,法蘭厚度C:26mm,法蘭頸A:98mm,B:98mm,S:6mm，H1:16mm,R:6mm,法蘭高度H：68mm,法蘭理論重量:5.92Kg52.6 支座選擇由換熱器的尺寸及重量，選擇重型、120°包角的支座6。 圖2-7 鞍式支座允許載荷Q：305 kn，鞍座高度h：200 mm，底板l1：760 mm，b1：170

7、mm，1：12 mm，腹板2：8 mm，筋板l2：170 mm，b2：140 mm，b3：200 mm，3：8 mm，墊板 弧長：1180 mm，b4：350 mm，4：8 mm，e：70 mm，螺栓間距l(xiāng)2：600 mm，鞍座質量：63 kg，增加100mm高度增加的質量：9 kg 。圖2-8 支座位置鞍式支座在換熱器上的位置應按下列原則確定：當L3000mm時，取LB=（0.40.6）L；當L>3000mm時，取LB=（0.50.7）L；盡量使Lc和Lc相近。本設計LB=4500 mm，Lc'=800 mm，Lc=700 mm。2.7 焊接結構選擇7圖2-9 筒體縱環(huán)焊縫7圖

8、2-10 接管與筒體連接7圖2-11 設備法蘭與筒體連接7圖2-12 管子與管板連接強度焊與貼脹。2.8 材料選擇材料選擇是蠟油換熱器設計中的一個重要環(huán)節(jié)，它直接影響設計的安全性、合理性、經濟性，.選用材料主要有以下幾種類型：1. 壓力容器用鋼板。 2. 壓力管道用鋼管。3. 壓力容器用鍛件。4. 壓力容器用螺柱、螺栓、墊片。筒體、封頭、補強圈等選用Q345R鋼；法蘭選用16Mn鋼，各種接管選用20號鋼，螺母、螺栓分別選用30CrMo和30CrMoA。 2.9 殼程壁厚計算 筒體壁厚計算 圓筒壁厚計算公式：T= (2-1)式中 T計算厚度，mm; Pc設計壓力，MP； Di筒體內徑，mm； 焊

9、接接頭系數 設計溫度下材料的材料的允用應力，MP；按設計任務書Pc為4MP，Di為1000mm，取0.85，設計溫度為295oC，由表8查得=144MP。算得T=16.6mm Tn=T+C1+C2+圓整值 (2-2)式中 Tn名義厚度，mm； C1鋼材厚度負偏差，mm； C2腐蝕裕量，mm；C1取0.3mm，C2取1mm，算得Tn=20mm，有效厚度=-，算得=18.7mm殼程圓筒水壓試驗 (2-3) 式中 PT內壓容器的試驗壓力，MP； 試驗溫度下材料的材料的允用應力，MP； 設計溫度下材料的材料的允用應力，MP；查表8得=170MP，計算得PT=5.90MP，= (2-4) 式中 圓筒校核

10、應力，MP；計算得=189.1MP，而該試驗溫度下材料屈服強度=345MP，0.9=310.5，故<0.9，所求厚度符合要求。殼程封頭壁厚計算計算公式：T= (2-5)式中 T計算厚度，mm; Pc設計壓力，MP； Di筒體內徑，mm； 焊接接頭系數 設計溫度下材料的材料的允用應力，MP；按設計任務書Pc為4MP，Di為1000mm，取0.85，設計溫度為295oC，由表8查得=144MP。算得T=16.7mm Tn=T+C1+C2+圓整值 (2-2) 式中 Tn名義厚度，mm； C1鋼材厚度負偏差，mm； C2腐蝕裕量，mm；C1取0.3mm，C2取1mm，算得Tn=20mm，有效厚度

11、=-，算得=18.7mm2.10 管程圓筒壁厚圓筒壁厚計算 計算公式：T= (2-1)式中 T計算厚度，mm; Pc設計壓力，MP； Di筒體內徑，mm； 焊接接頭系數 設計溫度下材料的材料的允用應力，MP；按設計任務書Pc為4MP，Di為1000mm，取0.85，設計溫度為355oC，由表8查得=134MP。算得T=17.9mm Tn=T+C1+C2+圓整值 (2-2)式中 Tn名義厚度，mm； C1鋼材厚度負偏差，mm； C2腐蝕裕量，mm；C1取0.3mm，C2取1mm，算得Tn=20mm，有效厚度=-，算得=18.7mm管程圓筒水壓試驗 (2-3)式中 PT內壓容器的試驗壓力，MP；

12、試驗溫度下材料的材料的允用應力，MP； 設計溫度下材料的材料的允用應力，MP；查表8得=170MP，計算得PT=6.3MP，= (2-4)式中 圓筒校核應力，MP；計算得=203.3MP，而該試驗溫度下材料屈服強度=345MP，0.9=310.5，故<0.9，所求厚度符合要求。管程封頭壁厚計算計算公式：T= (2-5)式中 T計算厚度，mm; Pc設計壓力，MP； Di筒體內徑，mm； 焊接接頭系數 設計溫度下材料的材料的允用應力，MP；按設計任務書Pc為4MP，Di為1000mm，取0.85，設計溫度為355oC，由表8查得=134MP。算得T=17.7mm Tn=T+C1+C2+圓整

13、值 (2-2) 式中 Tn名義厚度，mm； C1鋼材厚度負偏差，mm； C2腐蝕裕量，mm；C1取0.3mm，C2取1mm，算得Tn=20mm，有效厚度=-，算得=18.7mm2.11 開孔補強計算1接管273×9開孔削弱的截面積A0A0=dT+2T(tn-C)(1-fr) (2-6)式中 C厚度附加量，C=C1+C2 d接管內徑加上壁厚附加量C以后的直徑，d=di+2C; T殼體計算厚度； fr材料強度削弱系數；di=255mm，d=257.6mmfr=0.69，A0=4696.5 mm2有效補強范圍補強區(qū)寬度B=2d，B=d+2Tn+2tn；兩者中取大者；B=515.2mm，B=

14、315.6，則B=515.2mm補強區(qū)外側高度 接管的名義厚度； Tn殼體的名義厚度；補強區(qū)內補強金屬面積A在有效補強區(qū)內可計作為有效補強金屬的面積有以下幾種。A1承受內壓或外壓時容器殼體設計計算厚度之外的多余金屬截面積。A1=（B-d)(Tn-T-C)-2(tn-C)(Tn-T-C)(1-fr) (2-7)A1=202.3mm2A2接管承受內壓或外壓計算所需的厚度之外的多余金屬截面積。A2= (2-8)A2=48.1A3在有效補強區(qū)內焊縫金屬的截面積。A3=50A4在有效補強區(qū)內另外在增加的補強元件的金屬截面積。 A=A1+A2+A3=300.4 mm2 <A0A4=A0-A，A4=4

15、396.13接管273×9開孔削弱的截面積A0A0=dT+2T(tn-C)(1-fr) (2-6)式中 C厚度附加量，C=C1+C2 d接管內徑加上壁厚附加量C以后的直徑，d=di+2C; T殼體計算厚度； fr材料強度削弱系數；di=255mm，d=257.6mm=0.70，=4352.8有效補強范圍補強區(qū)寬度 B=2d，B=d+2Tn+2tn；兩者中取大者；B=515.2mm，B=315.6，則B=515.2mm補強區(qū)外側高度 =，=接管實際外伸長度；兩者中取小者；接管的名義厚度； Tn殼體的名義厚度；補強區(qū)內補強金屬面積A在有效補強區(qū)內可計作為有效補強金屬的面積有以下幾種。A1

16、承受內壓或外壓時容器殼體設計計算厚度之外的多余金屬截面積。=（B-d)(-T-C)-2(-C)(-T-C)(1-) (2-7)A1=531.3A2接管承受內壓或外壓計算所需的厚度之外的多余金屬截面積。 =2 (2-8)A2=80.8A3在有效補強區(qū)內焊縫金屬的截面積。A3=50A4在有效補強區(qū)內另外在增加的補強元件的金屬截面積。 A=A1+A2+A3=662.1 mm2 < A0 A4=A0-A，A4=3690.65接管57×3.5開孔削弱的截面積A0=dT+2T(-C)(1-) (2-6)式中 C厚度附加量，C=C1+C2 d接管內徑加上壁厚附加量C以后的直徑，d=di+2C

17、; T殼體計算厚度； fr材料強度削弱系數；di=50mm，d=52.6mm=0.70，=895.1有效補強范圍補強區(qū)寬度 B=2d，B=d+2Tn+ 2tn ；兩者中取大者；B=105.2mm，B=99.6，則B=105.2mm補強區(qū)外側高度 =，=接管實際外伸長度；兩者中取小者； 接管的名義厚度； T 殼體的名義厚度；補強區(qū)內補強金屬面積A在有效補強區(qū)內可計作為有效補強金屬的面積有以下幾種。A1承受內壓或外壓時容器殼體設計計算厚度之外的多余金屬截面積。=（B-d)(-T-C)-2(-C)(-T-C)(1-) (2-7)A1=107.7mm2A2接管承受內壓或外壓計算所需的厚度之外的多余金屬

18、截面積。=2 (2-8)A2=21.8mm2A3在有效補強區(qū)內焊縫金屬的截面積。A3=50mm2A4在有效補強區(qū)內另外在增加的補強元件的金屬截面積。A=A1+A2+A3=179.5 mm2 <A0A4=A0 - A，A4=715.6mm26接管76×4開孔削弱的截面積A0=dT+2T(-C)(1-) (2-6)式中 C厚度附加量，C=C1+C2 d接管內徑加上壁厚附加量C以后的直徑，d=di+2C; T殼體計算厚度； fr 材料強度削弱系數；di=68mm，d=70.6mm=0.70，=1198.9有效補強范圍補強區(qū)寬度 B=2d，B=d+2Tn+ 2tn ；兩者中取大者；B=

19、141.2mm，B=118.6，則B=141.2mm補強區(qū)外側高度 =，=接管實際外伸長度；兩者中取小者； 接管的名義厚度； Tn殼體的名義厚度；補強區(qū)內補強金屬面積A在有效補強區(qū)內可計作為有效補強金屬的面積有以下幾種。A1承受內壓或外壓時容器殼體設計計算厚度之外的多余金屬截面積。A1=（B-d)(Tn -T-C)-2(tn -C)(Tn-T-C)(1-fn) (2-7)A1=144.9mm2A2接管承受內壓或外壓計算所需的厚度之外的多余金屬截面積。=2 (2-8)A2=21.2mm2A3在有效補強區(qū)內焊縫金屬的截面積。A3=50mm2A4在有效補強區(qū)內另外在增加的補強元件的金屬截面積。 A=

20、A1+A2+A3=216.1 mm2 < A0A4=A0-A，A4=982.8mm22.12 管板計算 Ad(mm2)布管區(qū)范圍內未能被換熱管支承德面積 正方形排列 Ad=n'S(Sn-S) (2-9)式中 S換熱管中心距，mm； Sn隔板槽兩側相鄰管中心距，mm； n'沿隔板槽一側的排管根數；Ad1=9×32×（45.2-32），Ad2=20×32（100-32）計算得Ad=47321.6 At( mm2 )管板布管區(qū)面積 正方形排列 At=2 n S2+Ad (2-10)式中 nU形管根數，管板開孔數為2n計算得At=671961.6 D

21、t（mm）管板布管區(qū)當量直徑Dt=，計算得Dt=925.2mm；DG（mm）墊片壓緊作用中心圓直徑查的DG=1069mm；布管當量直徑Dt與直徑2R之比 =Dt 2R R=DG 2， (2-11)計算得t=0.865 1 t=1.15查的Cc=0.2487確定管板設計壓力Ps與Pt同時作用或Ps或Pt之一為負值，則Pd =|Ps-Pt| （MP）或 Pd = |Ps| 或 (2-12)Pd = |Pt|Ps 殼程設計壓力Pt 管程設計壓力Pd=4 MP （mm） (2-13)式中 設計溫度下，管板材料的許用應力MPa 管板強度削弱系數，一般可取 = 0.04 計算得 =127.8 mm 考慮管

22、程一側的開槽和殼程側的腐蝕裕量等，經圓整后得=136 mm （MP） (2-14) a一根換熱管壁金屬的橫截面積，mm2軸向應力計算按以下三種情況計算出最大值A. 只有殼程設計壓力Ps 管程設計壓力Pt = 0B. 只有管程設計壓力 Pt 殼程設計壓力 Ps = 0C. 殼程設計壓力Ps和管程設計壓力Pt同時作用計算結果應滿足 設計溫度下，換熱管材料的許用應力MP=11.1 MP =83 MP滿足要求 （MP） (2-15) a一根換熱管管壁金屬的橫截面積 mm2d換熱管外徑l換熱管與管板脹接長度或焊腳高度 mm圖2-13 換熱管與管板連接q=0.5 MPa，而q=2，q<q滿足要求。3

23、 制造、檢驗、試車和維護3.1 制造 圓筒內直徑允許偏差：用板材卷制時，內直徑允許偏差可通過外圓周長加以控制，其外圓周長允許上偏差為10mm，下偏差為零。 圓筒同一斷面上，最大直徑與最小直徑之差為e<0.5%DN，且當DN1200mm時，其值不大于5mm；DN>1200mm時，其值不大于7mm。 圓筒直線度允許偏差為L10000（L為圓筒總長），且：當L<6000mm時，其值不大于4.5mm；L>6000mm時，其值不大于8mm。 直線度檢查，應通過中心線的水平和垂直面，即沿圓周0°、90°、180°、270°四個部位測量。 殼體

24、內壁凡有礙管束順利裝入或抽出的焊縫均應磨至與母材表面平齊。 在殼體上設置接管或其他附件而導致殼體變形較大，影響管束順利安裝時，應采取防止變形措施。 換熱管拼接時，應符合以下要求：a）對接接頭應作焊接工藝評定。試件的數量、尺寸、試驗方法按JB4708的規(guī)定；b）同一根換熱管的對接焊縫，直管不得超過一條；U形管不得超過二條；最短管長不應小于300mm；包括至少50mm直管段的U形彎管段范圍內不得有拼接焊縫；c）管端坡口應采用機械方法加工，焊前應清洗干凈；d）對口錯邊量應不超過換熱管壁厚的15%，且不大于0.5mm；直線度偏差以不影響順利穿管為限；e）對接接頭應進行射線檢測，抽查數量應吧少于接頭總數

25、的10%，且不少于一條，以JB4730的III級為合格；如有一條不合格時，應加倍抽查，再出現不合格時，應100%檢查；f）對接后的換熱管，應逐根進行液壓試驗，試驗壓力為設計壓力的2倍。3.2 檢驗 無損檢測，焊接接頭無損檢測的檢查要求和評定標準，應根據換熱器管、殼程不同的設計條件，按GB150-1998中10.8的規(guī)定和圖樣要求執(zhí)行。U形管式換熱器壓力試驗順序：a）用試驗壓環(huán)進行殼程試驗，同時檢查接頭；b）管程試壓。 換熱器應裝有標明如下內容的銘牌：a）制造單位名稱及制造許可證號碼；b）制造單位出廠編號；c）產品名稱；d）產品圖號或設備位號；e）產品型號；f）折流板間距；g）設計溫度（分管程和殼程）；）監(jiān)檢標記。3.3 試車試車前應查閱圖紙有無特殊要求和說明，銘牌有無特殊標志，如管板是否按壓差設計，對試壓、試車程序有無特殊要求等。試車前應清洗整個系統(tǒng)，并在入口接管處設置過濾網。系統(tǒng)中如無旁路，試車時應增設臨時旁路。當介質為蒸汽時，開車前應排空殘液，以免形成水擊；有腐蝕性的介質，停車后應將殘存介質排凈。開車或停車過程中，應緩慢升溫和降溫，避免造成壓差過大和熱沖擊。3.4 維護換熱器不得在超過銘牌規(guī)定的條件下運行。應經常對管、殼程介質的溫度及壓降進行監(jiān)督，分析換熱器的泄露和結垢情況。在壓降增大和傳熱系數降低