学号：11403438
常州大学
毕业设计（论文）
（2015届）
题目江苏斯尔邦醇基多联产项目26万吨/年丙烯腈装置----
--蒸汽冷却器设计
学生邹侗
学院怀德学院专业班级装备（怀）111
校内指导教师张琳专业技术职务教授
校外指导老师邱鹏专业技术职务工程师
二○摘要：
关键词：蒸汽冷却器；工艺计算；结构设计；整体校核；设计规范
JiangsuSierBangAlcoholpolygenerationproject260,000tons/yearofacrylonitrileplant---TheSteamCoolerDesign
Abstract：Keywords:Steamcooler;processcalculation;structuraldesign;overallcheck;designspecifications
目录
摘要...........................................................................................................................................Ⅰ
Abstract....................................................................................................................................Ⅱ
目录...........................................................................................................................................Ⅲ
术语表.......................................................................................................................................Ⅴ
1绪论.........................................................................................................................................1
1.1换热器简介...........................................................................................................................1
1.2固定管板式换热器简介.......................................................................................................1
1.3换热器结构分析...................................................................................................................1
2工艺计算.................................................................................................................................2
2.1.基本设计参数.....................................................................................................................2
2.2确定各介质的物性参数......................................................................................................2
2.3计算总热流量......................................................................................................................2
2.4初设总传热系数..................................................................................................................3
2.5初选换热器规格..................................................................................................................3
2.6校核总传热系数K..............................................................................................................3
2.6.1管程传热膜系数计算.......................................................................................................3
2.6.2壳程传热膜系数计算.......................................................................................................3
2.6.3总传热系数K...................................................................................................................4
2.7校核壁温..............................................................................................................................4
2.8校核冷凝液流型..................................................................................................................5
2.9接管尺寸的确定..................................................................................................................5
2.9.1管程进出口.......................................................................................................................5
2.9.2水蒸汽进口.......................................................................................................................5
2.9.3冷凝水出口.......................................................................................................................6
2.10压力降计算校核.................................................................................................................6
2.10.1管程的压力降.................................................................................................................6
2.10.2壳程的压力降.................................................................................................................6
3换热器结构设计及校核..................................................................................................................7
3.1管程封头设计与校核..........................................................................................................7
3.2管程筒体设计及水压试验..................................................................................................8
3.3开孔补强..............................................................................................................................9
3.3.1壳程接口处的开孔补强...................................................................................................9
3.3.2管程接口处的开孔补强.................................................................................................10
3.4接管最小位置....................................................................................................................11
3.4.1壳程接管最小位置.........................................................................................................11
3.4.2管程接管最小位置.........................................................................................................11
3.5排气排液管设计................................................................................................................12
3.6管板法兰及螺栓设计与校核............................................................................................13
3.6.1管板及法兰设计.............................................................................................................13
3.6.2管板强度校核计算.........................................................................................................14
3.6.3法兰垫片和螺栓计算及校核.........................................................................................17
3.6.4设计条件不同危险组合工况的应力计算.....................................................................19
3.7壳程筒体设计与水压试验................................................................................................21
3.8管束拉杆及定距管............................................................................................................22
3.8.1换热管的设计及校核.....................................................................................................22
3.8.2拉杆的选取.....................................................................................................................22
3.8.3定距管.............................................................................................................................23
3.9折流板设计......................................................................................................................23
3.10防冲板设计......................................................................................................................24
3.11旁路挡板设计..................................................................................................................25
3.12吊耳设计..........................................................................................................................26
3.13鞍座的选取及强度校核..................................................................................................26
3.13.1鞍座结构的选取...........................................................................................................27
3.12.2鞍座的强度校核...........................................................................................................28
4设备的制造安装与检验.......................................................................................................32
4.1制造设计与材料要求.........................................................................................................32
4.2设备安装.............................................................................................................................32
4.3设备检验.............................................................................................................................32
5结束语...................................................................................................................................33
参考文献...................................................................................................................................34
致谢...........................................................................................................................................35
术语表
1绪论
1.1换热器简介
换热器是使在不同温度下两种或多种流体化工设备之间的材料实现热交换的一种设备，是一种将热量从较高温度的流体传递到较低温度下的流体，以此来达到使流体温度变为规定温度的工艺要求的设施。不仅如此，在要求节能减排的当今社会中换热器的使用还可以提高工艺过程中的能源利用效率[1]。
为了响应国家的节约能源，降低消耗的号召，充分利用生产过程中过剩的热量，并且进一步的提高化工等产业的经济效益，因此，需要制定不同的适应工业过程的高性能换热设备。由于当今社会的经济水平飞速发展，人们开始更多地关注所有的能源利用的细节[2]。也需要更丰富，更便捷的方式来提供热量的传递，这种需求不断的增长。目前各个国家提高为了热交换器的传热性能，开始了大量的研究。
1.2固定管板式换热器简介
固定管板式换热器的简单，制造成本低，管程可多样。
旋转椭圆球面母线的长、短轴之比2.0的椭圆形封头由旋转椭圆球面和圆筒形直段两部分组成管板，配件。提高传热效果，。[7]。考虑到工艺因素还应安装相对应的接管以及固定的鞍座。经过多年的使用经验提高换热效率等因素还要安装吊耳、防冲板等附件。
2工艺计算
2.1基本设计参数
根据给定的设计任务书，本设计的基本工艺参数如下表2.1所示。
表2.1℃ 33 105 出口温度℃ 43 105 工作压力MPa 0.54 0.02 流量kg/h 7000
2.2确定各介质的物性参数
管程定性温度：
........................................（2.1）（2.2）
[8]。
物性参数 管程 壳程（水蒸气） 壳程（冷凝水） 密度 993.2 0.705 954.7 定压比热容 4.18 1.92 4.23 导热系数 0.627 0.025 0.684 动力黏度μ/mPa·s 0.678 0.0125 0.27 表2.[9]如下表2.3。
表2.3初选换热器规格
固定管板式换热器（BEM）规格 公称直径D 600mm 公称换热面积A 48.26m2 管程数Np 1 管数n 423 管长L 2.0m 管子直径 Φ19mm×2.0mm 管束的排列方式 正三角形
换热器实际换热面积：
AO=nπdo（L-0.1）=423×3.14×0.019×（2-0.1）=47.95m2..................(2.8)
该换热器所要求的总传热系数：
......................(2.9)
2.6校核总传热系数K
2.6.1管程传热膜系数计算
查阅《化工工艺设计手册》后得知管内传热膜系数公式[8]计算：
..........(2.10)
...........(2.11)
选用《化工工艺设计手册公式》（15-8）
......(2.12)
其中qvi为管中流量，n为管束数目，di管内径，为管内流体的密度，为管内流体的粘度，U为管内流体的流速。
2.6.2壳程传热膜系数计算
选择《化工工艺设计手册》的Nusselt传热膜系数公式[8]。
现假设壁温为84oc，则冷凝液的平均温度为0.5（105+84）=94.5oc与其饱和温度很接近，故可以使用105oc时的物性参数。
............（2.13）
其中为冷凝水密度，g为重力加速度，为焓变，为冷凝水热导率，为粘度，为壁温温差，d为管外径。
换热介质中管程的水污垢热阻数值为，而壳程的水蒸气污垢热阻数值为。
2.6.3总传热系数K
......(2.14)
传热系数的校核：
算出的K与假设的K的比值在1.1-1.2之间。符合工艺设计要求，故合格。
2.7校核壁温
................................(2.15)
与假设的84oc很接近，可以接受
2.8校核冷凝液流型
符合工艺设计要求，故合格。
2.9接管尺寸的确定
2.9.1管程进出口
流体进出口接管的内径计算式[10]：
取管程接口处介质的流动速度u=6m/s。
溶液体积流量：
..................(2.16)
循环水进出口直径：
.........................(2.17)
取标准管φ168×7.0mm。
2.9.2水蒸汽进口
取水蒸气入口处的流体流动速度u=90m/s。
蒸汽体积流量：
...................(2.18)
蒸汽进口接管直径：
...................................（2.19）
故选用标准尺寸φ219×8.0mm。
2.9.3冷凝水出口
取壳程接口介质的出口的流速为u=0.6m/s。
冷凝水的体积流量：
.......................(2.20)
接管的出口直径：
.......................................(2.21)
故选取标准尺寸φ89×7.5mm。
2.10压力降计算校核
2.10.1管程的压力降
.........................................(2.22)
其中Ft为结构校正系数去1.5，Np为管程数，Ns为壳程数[11]。
................（2.23）
其中取粗糙度为0.1mm
...................(2.24)
.......................(2.25)
.......(2.26)
10999Pa=0.011MPa与热交换器管程的压力降经验值0.01-0.1MPa相比较在范围之内。故管程的压力降合格。
2.10.2壳程的压力降
查阅相关资料，采用Kern法计算壳程的压力降:
........................................(2.27)
...........(2.28)
.....................................(2.29)
摩擦系数f由《
图3.1固定管板式换热器的结构示意图
3.1管程封头设计与校核
材料：Q245R，标准号：GB/T25198-2010，采用椭圆形封头采用长短轴比值为2的标准椭圆形封头，椭圆形封头受内压，其中焊接接头系数取0.85。
图3.2封头结构尺寸示意图
厚度计算公式：
..................................................(3.1)
....................(3.2)
封头腐蚀裕量为：
封头厚度负偏差：
[12]。
封头的名义厚度为：
有效厚度为：
封头椭圆形封头允许工作压力的最大值[13]为：
..............................(3.3)
由于0.704Mpa≤1.7Mpa封头压力符合工艺要求。
封头单个重27.47kg，总重54.84kg。
3.2管程筒体设计及水压试验
筒体材料：Q245R常温下设计温度下
设计温度下的筒体的计算厚度为：
...........................(3.4)
筒体的腐蚀裕量为：
钢材的厚度负偏差：
根据《钢制列管式固定管板换热器结构设计手册》取热交换器筒体最小厚度8mm
圆筒的名义厚度
圆筒的有效厚度
设计温度下圆筒的计算应力：
.......................(3.5)
其中符合工艺要求。
参考换热器设计标准选取管程筒体，L=300mm。
管程水压试验：
管程最大工作压力：
..............................(3.6)
水压试验下压力：
..............................(3.7)
校核合格
管程筒体单个重30kg，总重为60kg。
3.3开孔补强
3.3.1壳程接口处的开孔补强
查阅《》[14]。
（1）开孔处的计算厚度：
......................(3.8)
开孔处的有效厚度
接管处的有效厚度
（2）对于受内压的圆筒所需要的补强面积计算：
...................................(3.9)
其中取为1
（3）有效补强范围：
a接口处有效宽度B确定：
取其中大者，则
b接口处外侧有效高度：
取其中小者，则
c接口处内侧有效高度：
（实际内伸高度）
取其中小者，则
（4）接口处实际有效补强面积：
多余的金属面积为筒体有效厚度减去计算厚度A1：
.........(3.10)
其中多余的金属面积为接管有效厚度减去计算厚度A2，焊缝金属在有效补强区内的截面积大小为A3。接口处实际有效补强面积之和为。其中故，所以不需另行增加补强面积，开孔处无需采用补强圈补强。
3.3.2管程接口处的开孔补强
（1）开孔处的计算厚度：
...........................(3.11)
开孔处的有效厚度
接管处的有效厚度
（2）对于受内压的圆筒需要的补强面积：
.............................(3.12)
其中取为1
（3）有效补强范围：
a有效宽度B的确定:
取其中大者，则
b外侧的有效高度：
取其中小者，则
c内侧的有效高度
（实际内伸高度）
取其中小者，则
(4)接口处实际有效补强面积：
多余的金属面积为筒体有效厚度减去计算厚度A1：
........(3.13)
其中多余的金属面积为接管有效厚度减去计算厚度A2，焊缝金属在有效补强区内的截面积大小为A3。接口处实际有效补强面积之和为。其中故，所以不需另行增加补强面积，开孔处无需采用补强圈补强。
3.4接管最小位置
在换热器的设计中接管应该靠近壳程两端的管板，这样可以达到使该热交换器的传热面积进行充分合理的利用的目的[15]。这样做的话还可以缩短管箱壳体的长度使管程的流体进、出口接管处应尽可能的靠近管箱法兰，这样设计可以减轻设备的总重量。但是，所以管口处也不能距离管板法兰太近，为了保证设备的制造安装能正常进行，所以接管有了最小位置的限制。根据《换热器设计手册》中公式（1-6-3）和（1-6-5）确定接管的最小位置。
3.4.1壳程接管最小位置
图3.3壳程接管位置
壳程入口
.......................(3.14)
取L1尺寸为300mm
壳程出口
..........................(3.15)
取L1尺寸为170mm
3.4.2管程接管最小位置
图3.4管程接管位置
管程入口
....................................(3.16)
取L2尺寸为250mm
管程出口
...................................(3.17)
取L2尺寸为250mm
B——管板厚度，mm；
L1/L2——管箱接管位置最小尺寸，mm；
C——管外壁至管板距离，取C≥4S（S为壳程/管箱外壁厚度，mm）且≥30mm
dH——接管外径，mm。
3.5排气排液管设计
在换热器的壳程和管程上方设计排气口，在壳程和管程的下方设计排液口，这样设计的热交换器中可以提高传热的效率，排除或回收工作过程中的残气及凝液。所以在不能借助其他接管排气及排液的热交换器要设计排气排液管。一般的排气排液管结构尺寸结构如下图所示[15]。排气排液口的尺寸不得小于φ15mm。
图3.5卧式换热器的排气、排液管示意图
取接管Ф=32×2.5，数量4个，材料为20Ⅱ钢。
根据《钢制管法兰》选取法兰型号：
长高颈法兰LWN25-150RFSch40数量4个，材料16MnⅢ；
3.6管板法兰及螺栓设计与校核
3.6.1管板及法兰设计
管板是管壳换热器重要的一部分，它不仅是连接换热管管箱和筒体的元件，因为还要兼做法兰，所以在设计过程中还应考虑其强度方面的要求[15]。
图3.6固定式管板兼做法兰的结构
管板所用的材料为20Ⅲ的锻件，在此换热器中换热管与管板连接形式为强度焊+贴胀，焊接系数为0.85。
图3.7换热管与管板胀焊详图
管箱与筒体间连接选取凹凸密封式法兰：
图3.8管箱与管板的凹凸密封法兰结构示意图
根据《压力容器法兰》表1选取管箱法兰型号[16]详见下表3.1。
表3.1法兰结构参数数据
公称直径DN，mm 法兰，mm D D1 D2 D3 D4 δ H h a a1 δ1 δ2 R d 600 740 700 665 655 652 44 105 25 17 14 12 22 12 23
螺柱规格为M20数量为28，根据《换热器设计手册》表1-6-11（B）管板的厚度为42mm，管板法兰的厚度为32mm。考虑到管板的单面加工裕量取3mm，所以取管板的厚度为45mm。
3.6.2管板强度校核计算
查阅GB151-1999《管壳式换热器》表30后对延长部分兼做法兰的固定式管板应力计算校核[13]如下。
其中壳程的圆筒数据如下：
内径Di为600mm，厚度δs为8mm，内径面积为282600mm2，金属横截面积为15273mm2。管箱筒体厚度δh为8mm。换热管的外径d为19mm，壁厚δt为2mm，管子根数n为423根，管心距S为25mm，面积Ad为176.63mm2。
金属管的总横截面积：
.................(3.18)
开孔面积：
....................................(3.19)
管子有效长度L为2000mm
查GB150可知则GB151-1999《管壳式换热器》32及表27得出管子受压失稳当量长度Lcr为636.5mm。
系数
其中，故管子稳定许用压应力
.........................................(3.21)
开孔后面积
........................................(3.22)
管板布管区面积
........................................(3.23)
管板布管区当量直径
................................................(3.24)
系数：
..................................(3.25---30)
假定管板厚度δ为45mm
管子加强系数
.....................................（3.26）
法兰外径Df为740mm
法兰宽度
管箱法兰厚度δ”f为44mm
由和查《GB151-1999》...............................................(3.27)
管箱法兰厚度δ’f为32mm
由和查《GB151-1999》..........................................(3.28)
由于管板延长部分兼做法兰，所以===0.0016
壳体法兰应力参数Y查《GB-151-1998》表9-5得Y=9.39（）
由K，查图得，
由K，查图得，
由KQ查查图得，
由KQ《GB-151-1998》图得，
3.6.根据GB150-1998第九章[17]。
所选的法兰垫片（D为垫片外径，d为垫片内径）查得，MPa。
垫片的基本密封宽度为：
当时，
垫片的中心圆直径在垫片压紧力作用下：
两种情况下需要的最小垫片压紧力：
a.在预紧状态之下：
......................(3.34)
b.在操作状态之下：
.................(3.35)
垫片厚度取3.0mm。
双头螺柱M20×150-A材料：35号钢数量：56个
螺母M20材料：25号钢数量：112个
常温下许用应力，设计温度下许用应力
两种情况下的螺栓载荷
a.需要的最小螺栓载荷在预紧状态下：
........................(3.36)
b.螺栓需要的最小载荷在操作状态之下：
..........................(3.37)
两种不同情况下的螺栓需要的最小螺栓面积
a.在预紧力状态下：
b.在操作状态之下：
因为＜，所以在设计过程中需要的螺栓面积取
M20的螺栓强度计算直径。
实际的螺栓面积：，
所以实际螺栓面积大于需要的螺栓面积，符合使用要求。
两种不同情况下的螺栓设计载荷
a预紧状态下螺栓设计载荷：
...............................(3.38)
b操作状态下螺栓设计载荷：
法兰力矩：
.....................(3.39)
...................(3.40)
..................(3.41)
预紧状态的法兰力矩：
..............................(3.42)
操作状态下法兰力矩：
............................(3.43)
基本法兰力矩：
...........................(3.44)
管程压力作用时的法兰力矩大小：
.........................(3.45)
3.6.4设计条件不同危险组合工况的应力计算
本设计无膨胀节设计，故不计入膨胀差计算，由于管板与换热管使用强度焊加贴胀，且管孔开槽，所以=4MPa。，管程的压力，不计热膨胀变形差影响。
壳程圆筒和换热管的热膨胀尺寸变形差大小：
有效压力组合：
................................(3.46)
基本法兰距系数：
................................(3.47)
管板边缘力矩系数：
......................................(3.48)
管板边缘剪切系数：
................................(3.48)
管板总弯矩系数：
................................(3.49)
查GB151-1999表5.7.3.1得：
管板径向应力系数：
.........................(3.50)
径向应力系数计算在管板布管区的周边处：
.............................(3.51)
剪切应力系数计算在管板布管区的周边处：
....................................(3.52)
壳体法兰力矩变化系数：
.......................(3.53)
管板应力校核
管板径向应力：
......................(3.54)
在设计温度下的管板材料许用应力
≤，合格
径向压力在管板布管区的周边处：
............................(3.55)
≤，合格
剪切应力在管板布管区的周边：
........................(3.56)
，合格
壳体法兰应力：
....(3.57)
，合格
换热管应力：
.........(3.58)
≤，合格
壳程圆筒轴向应力：
..........(3.59)
，合格
换热管拉脱应力：
≤...............................(3.60)
所以应力校核合格。
危险组合在管程压力作用下：
管程压力，壳程压力，不计热膨胀变形差影响。
管程圆筒和换热管的热膨胀尺寸变形差大小：
当量压力组合：
..................................................(3.62)
有效压力组合：
.................................................(3.63)
基本法兰距系数：
...................(3.64)
管板边缘力矩系数：
管板边缘剪切系数：
.................................(3.65)
管板总弯矩系数：
...............................(3.66)
查GB151-1999表5.7.3.1得：
管板径向应力系数：
..........................(3.67)
径向应力系数计算在管板布管区的周边处：
..............................(3.68)
剪切应力系数在管板布管区的周边：
........................(3.69)
壳体法兰力矩的变化系数：
.......................(3.70)
管板应力校核
管板径向应力：
.....................(3.71)
在设计温度下的管板材料许用应力，≤，合格
径向压力在管板布管区周边处：
.......................(3.72)
≤，合格
剪切应力计算在管板布管区周边：
.................(3.73)
，合格
壳体法兰应力：
.......................................(3.74)
≤，合格
管子应力：
..........(3.75)
≤，合格
壳程圆筒轴向应力：
...(3.76)
，合格
换热管拉脱应力：
≤......................................(3.78)
所以应力校核合格。
3.7壳程筒体设计与水压试验
筒体材料：Q245R常温下工作温度下
设计压力
筒体计算厚度为：
..............................(3.79)
筒体腐蚀裕量为：
钢材厚度负偏差：
由《钢制列管式固定管板换热器结构设计手册》取名义厚度为8mm
圆筒名义厚度
圆筒有效厚度
圆筒的计算应力：
........................(3.80)
其中故符合要求
管程水压试验：
管程最大工作压力
.......................(3.81)
水压试验下压力
.....................(3.82)
校核合格
管程筒体单个重228.8kg，总重228.8kg。
3.8管束拉杆及定距管
3.8.1换热管的设计及校核
根据《换热器设计手册》表1-6-15选取10号管材。本设计采用三角形排列法，管子间间距相等，这种排列法在相同的管板面积上可以排列最多的管子数，并且方便管板的划线与钻孔等操作[17]。
图3.9三角形排列示意图
根据《换热器设计手册》表1-6-16换热管中心距取25mm。
换热管几何尺寸厚度校核计算：
............................(3.83)
厚度检核为合格。
3.8.2拉杆的选取
查阅《换热器设计手册》可以得知，本设计中换热管的外径为19mm，所以应该选用拉杆定距管结构用于固定折流板和确定折流板在壳程中的位置。
图3.10拉杆定距管结构
表3.2拉杆结构尺寸
拉杆的直径d 拉杆螺纹的公称直径 b 12 12 15 ≥50 2.0
根据《换热器设计手册》表1-6-38拉杆数量为4根，考虑到壳程介质的流动及安全因素，故选取拉杆数量为6根，呈六边形均匀分布安装。
3.8.3定距管
定距管的设计尺寸，一般选择和传热管与同规格的尺寸。在本设计中，换热器为碳钢故可以选用与换热管相同的管子作为定距管使用。具体的尺寸长度依据实际情况确定。
3.9折流板设计
一般来说在换热器的壳程筒体中设置折流板可以提高壳程流体流速，还可以提高壳程传热膜系数，进一步的达到提高总传热系数的目的。本设计采用弓形折流板中的单弓形的折流板在壳程排布。折流板缺口高度为25%。
图3.11单弓形折流板
根据《换热器设计手册》表1-6-26选取折流板厚度为6mm。
一般情况下应该让管束两端的折流板要尽可能的靠近壳程进出口管这样的方式来排布，其余折流板等距离的布置排布在壳程中。这样可以达到最佳换热的目的。
图3.12折流板与管板距离
图中1指折流板2指防冲板。
其尺寸计算如下：
......................(3.84)
考虑到折流板间距及壳程筒体布置，为了使两端折流板尽量靠近管板，故选取500mm。按下图所示均匀布置折流板（俯视图）：
图3.13折流板俯视布置图
当卧式热交换器壳程介质为气体时，折流板缺口应设置为垂直左右布置，并在折流板的最低处开通液口，如下图所示在换热器中放置。
图3.14折流板放置方式
3.10防冲板设计
在换热器的设计过程中，为了防止壳程在物料的进口处，流体对换热管表面的冲刷造成过多的腐蚀冲击，对于卧式壳程介质为蒸汽的热交换器，应该在壳程的入口处设置一块防冲板来减小冲刷力度。用于DN>325mm左右缺折流板,根据《换热器设计手册》防冲板焊在壳体上[17]。结构如下图所示：
图3.15防冲板示意图
如下式计算防冲板的外表面到圆筒的内壁距离：
..............................................(3.85)
式中h——相交弓形高度在壳体进口接管内径与壳体内径间，mm；
di——接管内径，mm；
H——防冲板在壳体内位置尺寸大小，mm。
3.11旁路挡板设计
由于管束的边缘不能排满换热管，所以在热交换器的壳程中，在这些部位可能会形成旁路，对于卧式左右缺边折流板布置的热交换器，壳程物料从旁路短路的可能性较大，所以应安装两对挡板。
图3.16旁路挡板安装图
图中1为折流板，2为旁路挡板。
3.12吊耳设计
通过查阅HG/T21574-2008《化工设备吊耳及工程技术要求》选用适用于筒体直径在DN300~3000mm之间的HP型卧式容器吊耳[18]。
其结构形式如图所示：
图3.17HP型卧式容器吊耳结构示意图
其选用的尺寸参数如下表：
表3.3吊耳尺寸参数
吊耳系列号
单个吊重 适用设备直径（mm）δ（mm） S1（mm） 单个吊耳的质量（kg） 单个耳板重 垫板重 50 220 140 6 14 2.7 0.6534 但是由于本设计的热交换器管箱质量为30kg，没超过了30kg，故不需要在管箱上配置吊耳。
3.13鞍座的选取及强度校核
3.13.1鞍座结构的选取
根据《JB/T47712.1-2007容器支座》两个[19]：
型号分别为鞍座BI600-F和鞍座BI600-S，材料为Q235B/Q345R
图3.18鞍式支座结构尺寸示意图
相关结构尺寸见表3.4：
表3.4公称直径600m鞍座相关尺寸表
直径DN 载荷QKN 鞍座的高度
h 底板 腹板 筋板尺寸 垫板尺寸 螺栓
间距 鞍座质量kg 弧长 带垫板 600 165 200 550 150 10 8 300 120 8 710 240 6 56 400 25
根据GB151-1999第五章5.20.1规定，当时，,尽可能的相等。在本设计中取。
具体设置位置如图所示：
图3.19鞍座的安装位置示意图
3.12.2鞍座的强度校核
根据《压力容器与化工设备实用手册》计算容器质量，根据《过程设备设计》第五章5.3.2.3，进行支座鞍座的校核，具体如下：
（1）鞍座反力计算
水压试验时总质量
鞍座反力
鞍座反力小于鞍座允许载荷，故合格。
（2）弯矩：
截面弯矩支座跨中处：
.........................................................(3.86)
式中
计算结果M1为正值这表示上半部圆筒受到压缩力，下半部圆筒受拉伸力。
（3）支座截面处的弯矩：
..............................................(3.87)
式中
计算结果M2为负值这表示上半部圆筒受到拉伸力，下半部圆筒受压缩力。
（5）剪力：
对于承受均匀载荷的外延伸简支梁，其跨距中点处截面的剪力等于零，所以不需要考虑剪力的影响。
（6）圆筒轴向应力在两支座跨中截面处
截面最高点处的压应力：
................................................(3.88)
截面最低点处的拉应力：
..................................................(3.89)
（7）支座截面处圆筒的轴向应力
根据《过程设备设计》表5-1所示，当鞍座采用120度包角时，
，。
支座截面最高点（拉应力）
................................................(3.90)
支座截面最低点（压应力）
.............................................(3.91)
（8）应力校核：
焊接接头系数：
材料在常温情况下的屈服强度：
在材料设计温度情况下的许用应力：
在设计温度下材料的接口处许用应力：
设临界许用压应力载圆筒轴向处：
式中
查GB151-2011表B.13筒体材料Q345R在100℃时的弹性模量：
所以
参考《过程设备设计》，在操作工况的情况下，轴向部分的拉应力大小不应大于材料在设计温度下的许用应力大小：则。压应力大小不应大于轴向许用临界应力大小和材料的，则。
在水压试验条件下：
轴向拉应力不应大于，则，
压应力不应大于，，则，
综上所述，两种工况下都满足要求。
（9）圆筒和封头切应力及校核
参考《过程设备设计》5.3.2.4.2，支座截面处无加强圈，且的未被封头加强的圆筒切应力的计算按照下列公式计算：
..................................................................(3.92)
其中系数：
设计温度下材料许用应力的0.8倍应大于圆筒的切应力，
所以，经过应力大小比较切应力发现满足要求。
接下来不必再对封头切应力进行单独计算与校核，因为本设计，筒体、封头处材料相同，封头处的有效厚度不小于筒体的有效厚度，所以封头处的切向应力不会比筒体大。
（10）圆筒体的周向应力在支座截面处无加强的圆筒中壳体有效宽度b2为
.................(3.93)
(11)周向压应力在圆筒截面最低点处大小
............................................................(3.94)
式中：，
(12)最大周向应力在无加强圈圆筒鞍座处大小
本设计中，垫板不起加强的作用，所以最大周向应力按下列公式计算：
.................................................(3.95)
(13)圆筒中的周向应力在鞍座垫板边缘处大小
..................................................(3.96)
式中
值为鞍座包角（）
(14)应力校核
材料的许用应力大小大于周向压应力σ5的大小，即，、是周向压缩力与周向弯矩产生的合成压应力，属于局部应力，不可以大于材料许用应力的1.25倍，而。
综上，、，故满足要求。
结论：经校核鞍座的载荷、强度等均合格。
4设备的制造安装与检验
4.1制造设计与材料要求
压力容器的设计压力可以划分四个压力等级分别为低压、中压、高压和超高压：
(1)低压(代号L)?0.1MPa≤p＜1.6MPa；
(2)中压(代号M)?1.6MPa≤p＜10.0MPa；?
(3)高压(代号H)?10.0MPa≤p＜100.0MPa；?
(4)超高压(代号U)?p≥100.0MPa。
本设计的最大设计压力为，根据GB150可知：本设计的热交换器属于中压容器（）。根据《压力容器安全技术监察规程》：本设计的热交换器为第一类的压力容器，所以在设计、制造时应按照第一类的压力容器的标准。
原料生产单元应当按照材料的适当的标准和订货顺序合同的质量提供了证书面向用户，[20]。。。。每遍的螺栓紧固起点应相互错开120°螺栓紧固至少应分三遍进行应采用对角紧固试胀时，[21]。
4.3设备检验
对原材料和零部件的无损检测方法应按照压力容器设备检验标准进行，检验率和质量水平应当由相关产品标准或设计图纸要求确定。。（AN）参考文献?[J].科技视界，2014,（1）:91-92.
[2]童军杰，童巧珍.“换热器原理与设计”教学方法探讨与思考[J].装备制造技术，2011，（7）：222-224.
[3]武玉君．某管壳式换热器制造工艺技术．锅炉制造，20，（）：-45.
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[6]刁玉伟.化工设备机械基础第3版[M].大连理工大学出版社，1996.
[7]周尚华.管壳式换热器设计中的常见问题[J].内蒙古石油化工,2014,(10):43-44.
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[17]全国压力容器标准化技术委员会．GB150-2011压力容器[S]．北京：中国标准出版社，2011.
[18]中华人民共和国发展与改革委员会．HGT21574-2008化工设备吊耳及设备要求[S]．北京：中国计划出版社，2008.
[19]中华人民共和国国家发展改革委员会．JB/T4712.1-2007容器支座[S]．北京：新华出版社，2007．
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[21]国家质量监督检验检疫总局．TSGR0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程[S].北京：新华出版社，2009．
致谢
转眼之间毕业设计已经接近结束，在这次的设计换热器过程中我学到了很多。从上个学期末开始准备，经过开始的外文文献翻译，参考文献的查找，及之后的工艺计算，结构设计和强度校核，查阅的大量的相关资料后完成了这篇论文。通过结合在实习期间的所见所闻，我对于换热器这种常见的化工设备有了进一步的了解和认知。在这次毕业设计过程中，张琳导师对我们的指导至关重要，张琳老师对于换热器的设计流程非常了解，对我们的工艺计算，结构设计选取方面提供了很大的帮助，并且为我们设计过程提供了很多的极有价值的参考资料和文献。没有张琳老师的帮助，我们不可能这么顺利的完成毕业设计。还要感谢这大学四年来教导我的老师们，感谢你们的辛勤教导。还有与我一起参与换热器设计的同学，没有同学的对我细心的帮助克服难点，设计过程不会这么轻松。同时要对给予转载和引用权的图片、文献、设想研究资料的所有者
常州大学本科生毕业设计（论文）
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