U型管全凝器设计

U型管全凝器设计 摘 要 本文依据国家相关规范、标准，严格遵循GB151-99和GB150-98，着重介绍了U型管式换热器的传热工艺的计算，及物料与结构因素对换热能力的影响和换热器的机械设计，包括工艺结构与机械结构设计和换热器受力元件如管板的受力计算和强度校核，以保证蒸汽过热器安全运行，其中，前者主要是确定有关部件的结构形式，结构尺寸和零件之间的连接，如封头、接管、管板、折流板等的结构形式和尺寸，管板与换热管、壳体、管箱的连接等。还介绍了U型管式换热器的制造、检验、安装和维修时应注意的事项。

关键词：换热器 U形管 设计 Abstract This thesis is based on relevant national, standards, and strictly follows the GB151-99 and GB150-98, emphatically introduces the calculation of heat technologic process of U-tube heat exchangers, the effect with the fluids and structure of heat exchanger, and design of kinds of mechanical structure, including structure of technologic process and mechanical structure and the loading conditions of objects of heat exchanger and strength check ,such as, tube sheet, aimed to make the heat exchangers work safely, the former is mostly related to component structural form and dimension, such as Vessel Head, nozzle, tube sheet, and baffle plate, and so on. And it also involves connection between tube sheet and accessories, shell and channel. Besides it also introduces some events to taking into account when manufacturing, inspecting, installing and maintaining. Keywords: heat exchanger; U-shaped tube; design 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1.1 概论 1 1.2 换热器研究现状及发展趋势 1 1.2.1 换热器的研究现状 1 1.2.2 换热器研究的发展趋势 1 1.3 设计内容及思想 1 1.3.1 设计内容 1 1.3.2 设计思想 1 第二章 换热器结构设计及强度计算 1 2.1 壳体与管箱厚度的确定 1 2.1.1 壳体和管箱材料的选择 1 2.1.2 圆筒壳体厚度的计算 1 2.1.3 管箱厚度计算 1 2.2 开孔补强计算 1 2.2.1 壳程进出口接管补强计算 1 2.2.2 管箱开孔补强计算 1 2.2.3 排液排气孔补强计算 1 2.3 水压试验 1 2.4 换热管 1 2.4.1 换热管的排列方式 1 2.4.2 验证U型管的尾部支撑 1 2.4.3 布管限定圆 1 2.4.4 排管 1 2.4.5 换热管束的分程 1 2.4.6 换热管与管板的连接 1 2.5 管板设计 1 2.5.1 管板与壳体的连接 1 2.5.2 管板计算 1 2.6 折流板 1 2.6.1 折流板的型式和尺寸 1 2.6.2 折流板排列 1 2.6.3 折流板的布置 1 2.7 拉杆与定距管 1 2.7.1 拉杆的结构形式 1 2.7.2 拉杆的直径、数量及布置 1 2.7.3 定距管 1 2.8 防冲板 1 2.9 法兰与垫片 1 2.9.1 固定端的壳体法兰、管箱法兰与管箱垫片 1 2.9.2 接管法兰型式与尺寸 1 2.10 分程隔板 1 2.11 排气与排液管 1 2.12 吊耳 1 2.13 鞍座设计 1 2.14 接管的最小位置 1 2.14.1 壳程接管位置的最小尺寸 1 2.14.2 管箱接管位置的最小尺寸 1 第三章 U型管式式换热器的制造工艺与检验 1 3.1 总体制造工艺 1 3.2 换热器质量检验 1 3.3 管箱、壳体、头盖的制造与检验 1 3.4 换热管的制造与检验 1 3.5 管板与折流板的制造与检验 1 3.6 换热管与管板的连接 1 3.7 管束的组装 1 3.8 管箱的热处理 1 3.9 换热器水压试验 1 第四章 焊接工艺评定 1 4.1 壳体焊接工艺 1 4.1.1 壳体焊接顺序 1 4.1.2 壳体的纵环焊缝 1 4.2 换热管与管板的焊接 1 4.2.1 焊接工艺 1 4.2.2 焊接缺陷 1 4.3 法兰与筒体的焊接 1 第五章 换热器的安装与维修 1 5.1 安装 1 5.2 维修 1 结 论 1 参考文献 1 致 谢 1 第一章 绪论 1.1 概论 U形管换热器管壳式换热器的一种，属石油化工设备，有管箱，壳体及管束等主要部件组成，因其换热管成U形而得名。换热器是化工，炼油，动力，食品，轻工，原子能，制药，机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总资产的10%-20%；
在炼油厂中，约占总资产的35%-40%[3]。

在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也只回收余热，废热特别是低位热能的有效装置。例如，烟道气,高炉炉气，需要冷却的化学反应工艺气等的余热，通过余热锅炉可产生压力蒸汽，作为供热，供气，发电和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。

1.2 换热器研究现状及发展趋势 1.2.1 换热器的研究现状 国内外对于换热器的研究工作一直都很重视，随着能源的日趋紧张，环境保护要求的提高，换热器的研究也越来越受到各方面的欢迎与支持。

国内各研究机构，高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视，走过了从引进，消化，吸收，发展到自主开发的历程。在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管，螺旋槽管，波纹管，纵横管等；
西安交通大学在板翅式换热器研究方面已经取得了一定成果；
兰州石油机械研究所开发出了折流杆换热器，高效重沸器，新结构高效换热器等一批实用价值高的系列高效换热器，这些技术成果为国民经济的快速发展，为中国的炼油，化工业的发展起了巨大作用，也使中国的传热技术水平步入了国际先进水平[4]。

自20世纪70年代世界爆发能源危机以来，各国对传统换热设备的强化传热研究逐渐兴起，时至今日，方兴未艾。

国外换热市场调查表明，管式换热器占64%，虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管式换热器仍将占主导低位。随着动力，石油化工工业的发展，其设备也继续想着高温，高压，大型化方向发展。而换热器在结构方面也有不少新的发展，主要集中在两大方向上：一是开发新品种的换热器，如板式，螺旋板式，振动盘式，板翅式等，这些换热器的设计思想都是尽可能的提高换热器的紧凑度和换热效率；
二是对传统的管式换热器采用强化传热措施，也就是用各种异型强化管取代原来的光管，如螺纹管，横纹管，缩放管，翅片管等。

与之对应，国外的有关换热器设计的软件也是层出不穷。

美国传热研究公司是一个国际性，非盈利性的合作研究机构，会员数百家，遍及全球，在传热机理，两相流，振动污垢，模拟及测试技术方面作出了很大的贡献。近年来，该公司在计算机应用软件开发上发展很快，所开发的网络优化软件，各种换热器工艺设计软件计算准确，不仅节省了人力，提高了效率，而且提高了技术经济性能。目前国内有20多家企业成为其会员。

英国传热及流体服务中心，隶属于英国原子能管理局，该中心有会员数百家，长期从事传热与流体课题的研究，所积累的经验和研究成果不仅用于原子能工业，而且用于一般工业，它在传热与流体计算上更精确，开发的HTFS,TASC各类换热器计算软件备受欢迎，国内有30多家企业成为其会员。

1.2.2 换热器研究的发展趋势 1.2.2.1 计算流体力学(CFD)和模型化设计的应用 在换热器的热流分析中, 引入计算机技术, 对换热器中介质的复杂流动过程进行定量的模拟仿真。目前, 基于计算机技术的热流分析已经用于自然对流、剥离流、振动流和湍流热传导等的直接模拟仿真, 以及对辐射传热、多相流和稠液流的机理仿真模拟等方面。在此基础上, 在换热器的模型设计和设计开发中, 利CFD的分析结果和相对应的模型实验数据, 使用计算机对换热器进行更为精确和细致的设计。

1.2.2.2 换热器强化传热技术的发展 以采用强化传热元件和改进换热器结构为主的强化传热技术是一种能显著改善换热器传热性能的节能技术。根据传热物流条件的不同情况, 壳程传热强化的研究必然与强化传热管的优化组合相联系,这是今后换热器强化传热技术发展的方向。

1.2.2.3 非金属材料应用 非金属材料在一定的范围内具有金属材料不可比拟的优点。石墨材料具有优良的导电、导热性能, 较高的化学稳定性和良好的机加工性。氟塑料具有特别优良的耐腐蚀性。氟塑料耐腐蚀性能极强, 并且与金属材料相比还具有成本上的优势。复合材料如搪瓷玻璃具有优良的耐腐蚀性能、良好的耐磨性、电绝缘性以及表面光滑不易粘附物料等优点, 已经用于制作换热产品。陶瓷材料因其优异的耐腐蚀性、耐高温性能而引起工业界的高度重视,已经在换热产品的制造中得到应用。成果有石墨换热器，聚四氟乙烯换热器等。

1.3 设计内容及思想 1.3.1 设计内容 采用固定管板换热器，其设计计算条件如下：
壳程：介质为丙烯晴、苯乙烯、乙苯及微量不凝气体的混合物，设计压力Pc=-0.1Mpa，设计温度t=70℃；
壳程圆筒内径Di=700 mm; 材料为0Crl8Ni9。

管程：介质为冷冻盐水，设计压力Pc=0.45MPa，设计温度t=-12℃;管程圆筒内径与壳程相同，材料为20A；
换热管长度3000mm，换热管规格为19mm×2.0mm，换热管间距25mm，数量280根，4管程。

试完成其结构设计和强度计算。

1.3.2 设计思想 设计应遵循优质、高产、安全、低耗的原则，尽可能采用先进的技术、最新的国家与行业标准，以满足技术先进，经济合理之要求，具体可概括为：
（1）根据GB151-1999《钢制压力容器》与压力容器用钢等国家标准进行设计。

（2）满足工艺和操作要求。所设计的流程和设备应确保得到质量稳定的产品，同时所设计的流程与设备要具有一定的操作弹性，以期方便地对流量和传热量进行调节。

（3）满足经济上的要求。设计省热能和电能的消耗，减少设备与基础的费用，选择合适的回流比，节省水蒸汽，设计时要全面考虑，力求总费用尽可能的低。

（4）保证生产安全。所设计的换热器应具有一定的刚度和强度，设计中应根据设计压力确定壁厚,再校核其他零件的强度,进行水压试验，并保证容器具有足够的腐蚀裕度。

第二章 换热器结构设计及强度计算 在确定换热器的换热面积后，应进行换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算，主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接等），具体计算如下。

2.1 壳体与管箱厚度的确定 2.1.1 壳体和管箱材料的选择 由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择16MnR为壳体与管箱的材料[8]。

16MnR是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。

2.1.2 圆筒壳体厚度的计算 焊接方式：选为双面焊对接接头，100%无损探伤，故焊接系数；

根据GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢板》规定可知对16MnR钢板其负偏差。

材料的许用应力Mpa（厚度为6～16mm时），壳体计算厚度按下式计算为：
（3-1）
；

设计厚度；

名义厚度（其中为向上圆整量）；

查其最小厚度为8mm，则此时厚度满足要求，且经检查，没有变化，故合适。

2.1.3 管箱厚度计算 管箱由两部分组成：短节与封头 2.1.3.1 管箱厚度计算 管箱为椭圆形管箱，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀，且其深度较半球形封头小得多，易于冲压成型。

此时选用标准椭圆形封头，故，且同上，则封头计算厚度为：
（3-2）
；

设计厚度0.23+2=2.23mm；

名义厚度2.23+1+=10mm（为向上圆整量）；

经检查，没有变化，故合适。

查JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》可得封头的型号参数如下：
表3-1 DN700标准椭圆形封头参数 DN(mm) 总深度H(mm) 内表面积A(m) 容积() 封头质量（㎏）
700 200 0.5861 0.0545 46.1 短节部分的厚度同封头处厚度，为10mm。

封头如下图所示：
图3-1 椭圆封头示意图 2.1.3.2 壳程筒体封头厚度计算 由于是U形管换热器设计，因此其后端是封头。封头内直径为700mm。

选用标准椭圆形封头，故K=1，且同上，则计算厚度为：
（3-3）
；

设计厚度0.23+2=2.23mm；

名义厚度2.23+1+=10mm（为向上圆整量）；

经检查，没有变化，故合适。

查JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》可得封头的型号参数如下：
表3-2 DN700标准椭圆形封头参数 DN(mm) 总深度H(mm) 内表面积A(m) 容积(m) 封头质量（㎏）
700 200 0.5861 0.0545 46.1 短节部分的厚度同封头处厚度，为10mm。

2.2 开孔补强计算 在该台U形换热器上，壳程流体的进出管口在壳体上，管程流体的进出管口在管箱上，因此不可避免地要在换热器上开孔。开孔之后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连接性被破坏，会产生很高的局部应力，会给换热器的安全操作带来隐患。因此此时应进行开孔补强的计算。

由于管程与壳程出入口公称直径分别为100mm和250mm，按照厚度系列，可选壳程接管的规格为，管程接管规格为。接管的材料选为20号钢，查GB150-1998得，。

计算中符号如下：
—开孔削弱所需要的补强截面积，；

—补强面积，；

—壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，；

—接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，；

—焊缝金属面积，；

—补强有效宽度， —开孔直径，圆形孔取接管内径加两倍厚度附加量，mm；

—强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，当该比值大于1.0时，取；

—接管外侧有效补强高度，mm；

—接管内侧有效补强高度，mm；

—壳体开孔处的计算厚度，mm；

—壳体开孔处的有效厚度，；

—接管有效厚度，；

—壳体开孔处的名义厚度，mm；

—接管名义厚度，mm；

—接管计算厚度，mm；

—设计温度下接管材料的许用应力，；

—设计温度下壳体材料的许用应力，。

2.2.1 壳程进出口接管补强计算 2.2.1.1 补强及补强方法判别 （1）补强判别：根据GB151表8-1，允许不另行补强的最大接管外径是，本开孔外径为273mm，因此需要另行考虑其补强。

（2）开孔直径，，满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。

2.2.1.2 开孔所需补强面积计算 强度削弱系数；

接管有效厚度 开孔所需补强面积按下式计算：
（3-4）
2.2.1.3 有效补强范围 （1）有效宽度B：
（2）有效高度：
（a）外侧有效高度为：
；

（b）内侧有效高度为：
；

2.2.1.4 有效补强面积 （1）壳体多余金属面积：
壳体有效厚度：= 则多余的金属面积为：
（3-5）
（2）接管多余金属面积：
接管计算厚度：
（3-6）
；

接管多余金属面积：
（3-7）
（3）接管区焊缝面积（焊脚取为6mm）：
；

（4）有效补强面积：
因为，所以开孔不需另行补强。

2.2.2 管箱开孔补强计算 2.2.2.1 补强及补强方法判别 （1）补强判别：根据GB151表8-1，允许不另行补强的最大接管外径是，本开孔外径为116mm，因此需要另行考虑其补强。

（2）开孔直径，，满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。

2.2.2.2 开孔所需补强面积计算 强度削弱系数；

接管有效厚度 开孔所需补强面积按下式计算：
2.2.1.3 有效补强范围 （1）有效宽度B：
（2）有效高度：
（a）外侧有效高度为：
；

（b）内侧有效高度为：
；

2.2.2.4 有效补强面积 （1）管箱多余金属面积：
管箱有效厚度：= 则多余的金属面积为：
（2）接管多余金属面积：
接管计算厚度：
接管多余金属面积：
（3）接管区焊缝面积（焊脚取为6mm）：
（4）有效补强面积：
因为>，所以开孔不需另行补强。

2.2.3 排液排气孔补强计算 由于排气排液孔的开口远小于上述两种开孔，故开孔不需补强。

2.3 水压试验 设试验温度为常温，则有 （3-8）
则校核水压试验时圆筒的薄膜压力：
（3-9）
由于，故水压试验合格。

2.4 换热管 由设计条件可知，换热管的规格为，材料选为12CrMo。

2.4.1 换热管的排列方式 换热管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形错列三种排列方式，如图3-1。各种排列方式都有其各自的特点：①正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高；
②正方形排列：易清洗，但给热效果较差；
③正方形错列：可以提高给热系数[9]。

图3-2 换热管的排列方式 在此，选择正三角形排列。

查GB151-1999可知，换热管的中心距S=25mm，由于U形管的弯曲半径R不应小于两倍的换热管外径，分程隔板槽两侧相邻管的中心距为50mm；
同时，由于换热管管间需要进行机械清洗，故相邻两管间的净空距离（S-d）不宜小于6mm。

2.4.2 验证U型管的尾部支撑 根据GB151中U型管换热器规定，靠近弯管段起支撑作用的折流板，如下图，结构尺寸A+B+C之和应不大于最大无支撑跨距，超过表中数值时，应在弯管部分加特殊支撑。

图3-3 U型管的尾部支撑 参照本设计U型管换热器装配图有：
，，；

则有：
， 故满足条件，不需要另行设置特殊支撑。

2.4.3 布管限定圆 查GB151可知布管限定圆直径按式（3-8）计算：
（3-10）
其中，则有：
， 取。

2.4.4 排管 排管时须注意：拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，在靠近折流板缺边位置处布置拉杆，其间距小于或等于700mm。拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距的（0.5～1.5）范围内[10]。

在布管限定圆内，未布满的空间以假管补充，如下图。

多管程换热器其各程管数应尽量相等，其相对误差应控制在10%以内，最大不能超过20%；

实际排管如下所示：
图3-4 布管图 由上图可知，经过实际排管后发现，因此可知各程管数的相对误差为0，故满足条件。

2.4.5 换热管束的分程 在这里首先要先提到管箱。管箱作用是把从管道输送来的流体均匀地分布到换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器，在多管程换热器中管箱还起改变流体流向的作用。

由于所选择的换热器是4管程，故管箱选择为多程隔板的安置形式。而对于换热管束的分程，采用T型分程。如上图布管图3-4。

2.4.6 换热管与管板的连接 换热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。

强度胀接主要适用于设计压力小≤4.0Mpa；
设计温度≤300°C；
操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合[11]。

除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。

胀焊并用主要用于密封性能要求较高；
承受振动和疲劳载荷；
有缝隙腐蚀；
需采用复合管板等的场合。

在此，根据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊接。

2.5 管板设计 管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用[10]。由于流体只具有轻微的腐蚀性，故采用工程上常用的16MnR整体管板。查得在设计温度下的许用应力为：，。

2.5.1 管板与壳体的连接 由于U形管换热器要求管束能够方便地从壳体中抽出进行清洗和维修，因而换热器固定端的管板采用可拆式连接方式，本U型管换热器采用a型连接方式。

2.5.2 管板计算 符号说明：
A——在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，mm，对正三角形排列，；

n——隔板槽一侧的排管根数；

S——换热管中心距；

S——隔板槽两侧邻管的中心距；

A——管板布管区面积，mm；
对多管程正方形排列换热器，；

a——一根换热管管壁金属的横截面积，mm；

D——固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，mm；

D——管板布管区当量直径，mm；

d——换热管外径，mm；

l——换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm；

n——换热管根数；

q——换热管与管板连接拉脱力，MPa；

[q]——许用拉脱力，查GB151，MPa；

——管板计算厚度，mm；

——换热管管壁厚度，mm；

——管板强度削弱系数，一般取；

——系数；

——设计温度时，管板材料的许用应力，MPa；
；

——设计温度时，换热管材料的许用应力，MPa；

管板厚度计算过程如下：
（a）
根据布管尺寸计算，根据法兰密封面形式和垫片尺寸计算计算。

（3-11）
（3-12）
根据垫片尺寸及法兰密封面可知，垫片基本密封宽度为 ， 则垫片有效密封宽度为 根据上式计算得：
（b）
计算，以查表得 根据GB151表22查得。

（c）
确定管板设计压力，管程与壳程压力同时作用下，有：
。

（d）
计算管板计算厚度：
（3-13）
厚度附加量，则名义厚度为：
考虑拉杆拧入管板的厚度为20mm，故圆整到管板厚度为30mm；

即圆整为。

（e）
计算换热管轴向应力 由前可知，换热管材料为12CrMo，其在设计温度下的需用应力为，换热管与管板间采用强度焊接连接。换热管轴向应力按式（3-14）计算：
（3-14）
其中：
按下列三种工况分布计算换热管的轴向应力：
只有壳程设计压力，管程的设计压力为时，根据公式（3-14）：
只有管程设计压力，壳程设计压力时，根据公式（3-14）：
壳程设计压力和管程设计压力同时作用时，根据公式（3-14）：
不同工况下的计算结果均满足，故换热管满足轴向应力强度要求；

（f）换热管与管板连接的拉脱力 按式（3-15）进行计算：
（3-15）
取不同工况下换热管的最大轴向应力计算，若最大轴向应力满足要求则换热管与管板的拉脱离满足强度要求，有：
按GB151中关于[q]的规定，有：
， 根据计算结果有，则换热管与管板连接的拉脱力满足强度要求。

2.6 折流板 设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使管程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结构，而且在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常见的折流板形式为弓形和圆盘—圆环形两种，其中弓形折流板有单弓形，双弓形和三弓形三种，但是工程上使用较多的是单弓形折流板。

2.6.1 折流板的型式和尺寸 此时选用弓折流板，上下方向排列，这样可造成液体的剧烈扰动，增大传热膜系数。

为方便选材，可选折流板的材料选为16MnR，由前可知，弓形缺口高度为195mm，折流板间距为300mm，数量为19块，查GB151-1999可知折流板的最小厚度为4mm，故此时可选其厚度为6mm。同时查GB151-1999可知折流板名义外直径为。

2.6.2 折流板排列 该台换热器折流板排列示意图如下所示：
图3-5 折流板排列示意图 2.6.3 折流板的布置 一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口管，其余折流板按等距离布置。靠近管板的折流板与管板间的距离l应按下式计算：
（3-16）
其中：L——壳程接管位置的最小尺寸，mm；

b ——管板的名义厚度，mm；

B——为防冲板长度，若无防冲板时，B应为接管的内径，mm；

查GB151得，，其中C应大于3倍壳体壁厚，且不小于50至100mm。取C=60mm，则 =，取；

由3.8得防冲挡板边长；

故=；

取l=550mm；

2.7 拉杆与定距管 2.7.1 拉杆的结构形式 常用拉杆的形式有两种：
（1）
拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束 （L按GB151-1999表45规定）；

（2）拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束；

由于此时换热管的外径为25mm，因此选用拉杆定距管结构。

2.7.2 拉杆的直径、数量及布置 其具体尺寸如下所示：
图3-6 拉杆示意图 表3-3 拉杆的参数表 拉杆的直径d 拉杆螺纹公称直径d L L b 拉杆的数量 16 16 20 ≥60 2 8 其中拉杆的长度L按需要确定。

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。若对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。

对于本台换热器拉杆的布置可参照零件图。

2.7.3 定距管 定距管的规格同换热管，其长度同实际需要确定。本台换热器定距管的布置可以参照部件图。

2.8 防冲板 由于壳程流体的，故需要设置防冲板，取防冲挡板为矩形，材料为16MnR，厚度为6mm，边长为300mm。防冲板外表面到圆筒内壁的距离，取为50mm。

换热管内流体流速为0.36m/s<3m/s，故不需要在管程设置防冲板。

2.9 法兰与垫片 换热器中的法兰包括管箱法兰、壳体法兰、以及接管法兰， 垫片则是箱垫片。

2.9.1 固定端的壳体法兰、管箱法兰与管箱垫片 （1）
查JB4700-2000压力容器法兰可选固定端的壳体法兰和管箱法兰为长颈对焊法兰，由于夹持管板，故均为凹面法兰，材料为锻件20MnMoⅡ，其具体尺寸如下：（单位为mm）
图3-7 长颈对焊法兰示意图 表3-4 DN700长颈对焊法兰尺寸 DN 法兰 螺柱 对接筒体最小厚度 D D1 D2 D3 D4 　 H h a a1 　 　 R d 规 格 数量 700 840 800 765 755 752 48 100 25 17 14 12 22 12 23 M24 32 10 （2）此时查JB4700-2000压力容器法兰，根据设计温度可选择垫片型式为金属包垫片，材料为0Cr18Ni9，其尺寸为：
图3-8 垫片示意图 表3-5 管箱垫片尺寸 PN(Mpa) DN(mm) 外径D(mm) 内径d(mm) 垫片厚度 0.1 700 739 700 3 2.9.2 接管法兰型式与尺寸 根据接管的公称直径，公称压力可查HG20592～20635－97钢制管法兰、垫片、紧固件，选择带颈对焊钢制管法兰，选用凹凸密封面，其具体尺寸如表3-7所示：
（单位为mm）
图3-9 接管法兰示意图 表3-6 带颈对焊钢制管法兰 公 称 直 径 DN 钢管外径（法兰焊端外径）
连接尺寸 法兰厚度C 法兰颈 法 兰 高 度 H 法 兰 理 论 重 量 ㎏ 法 兰 外 径 D 螺栓孔中心圆直径K 螺栓孔直径 L 螺栓孔数量n 螺 纹 Th Ｎ S R A B A B 250 273 273 395 350 22 12 M20 26 288 288 6.3 16 10 68 15.6 100 116 116 220 180 18 8 M16 22 130 130 3.6 12 6 52 5.39 2.10 分程隔板 由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板。材料与封头，管箱短节相同，为16MnR; 查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深，取为6mm，槽宽为12mm，拐角处到脚为45°，分程隔板的最小厚度为10mm，取其厚度为12mm；

分程隔板的布置见图3-3 2.11 排气与排液管 为提高传热效率，排除或回收工作残液（气），分别在换热器的壳程的最高点与管程的最低点设置排气管与排液管，其接管的端部与壳体或管箱壳体内壁平齐。其结构与安装尺寸见装配图与零部件图所示。

2.12 吊耳 由于该换热器的管箱部分重量大于30kg，故在管箱上设置吊耳2个，其尺寸与安装尺寸见装配图与零件图所示 2.13 鞍座设计 该设备为卧式换热器，由于筒体直径，根据JB/T4712选BI型重型鞍式支座：BI700-S，包角为120°，材料选用Q235-B。安装尺寸见装配图，其中，，根据GB151中相关规定，取，。

其中，L为换热管长度；
为两鞍座的距离；
为鞍座到法兰密封面的距离；

表3-7 鞍座尺寸 公 称 直 径 DN 允 许 载 荷 Q KN 鞍 座 高 度 h 底板 腹 板 筋板 垫板 螺 栓 间 距 l2 鞍 座 质 量 kg 增加 100mm 高度 增加 的质 量kg l1 b1 l3 b3 弧长 b e 700 170 200 640 150 10 8 350 120 8 830 240 6 56 460 30 5 图3-10 鞍座的基本尺寸 2.14 接管的最小位置 在换热器设计中，为了使传热面积得以充分利用，壳程流体进、出口接管应尽量接近两端管板，而管箱进、出口接管尽量靠近管箱法兰，可缩短管箱、壳体长度，减轻设备重量。然而，为了保证设备的制造安装，管口距地的距离也不能靠得太近，它受到最小位置的限制。

2.14.1 壳程接管位置的最小尺寸 接管不带补强圈，故应按下式计算：
（3-16）
图3-11 壳程接管位置示意图 式中：L——壳程接管位置最小尺寸，mm；

C ——补强圈外边缘至管板与壳体连接焊缝之间的距离，计算中，取C>4S（S为壳体厚度，mm），且大于等于50至100mm；

d——接管外径，mm；

b ——管板厚度，mm。

；

经过实际画图后， mm，满足最小位置的要。

2.14.2 管箱接管位置的最小尺寸 不带补强圈的接管，应按下式计算：
（3-17）
图3-12 管箱接管位置示意图 式中：d——管箱接管外径 h——法兰高度，为100mm 则 经过实际画图后，，满足最小位置的要求。

到此，换热器结构设计及强度计算已经基本结束。可以说，换热器的主要设计计算已经完成，其计算结果将通过装配图、部件图以及零件图表现出来。其中该台U形管换热器的基本结构如下图所示：
图3-13换热器的基本结构 第三章 U型管式式换热器的制造工艺与检验 3.1 总体制造工艺 制造工艺：选取换热设备的制造材料及牌号，进行材料的化学成分检验，机械性能合格后，对钢板进行矫形，方法包括手工矫形、机械矫形及火焰矫形。

具体过程为：备料——划线——切割——边缘加工（探伤）——成型——组对——焊接——焊接质量检验——组装焊接——压力试验 3.2 换热器质量检验 化工设备不仅在制造之前对原材料进行检验，而且在制造过程中也要随时进行检查，即质量检验[12]。

设备制造过程中的检验，包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验，具体内容如下：
1.原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验；

2.原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织试验，总称为破坏试验；

3.原材料和焊缝内部缺陷的检验，其检验方法是无损检测，它包括：射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等；

4.设备试压，包括：水压试验、介质试验、气密性试验等。

3.3 管箱、壳体、头盖的制造与检验 1.壳体在下料和辊压过程中必须小心谨慎，因为筒体的椭圆度要求较高，这主要是为了保证壳体与折流板之间有合适的间隙；

2.管箱内的分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝；

3.用板材卷制圆筒时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外圆周允许上偏差为10mm，下偏差为零；

4.圆筒同一断面上，最大直径与最小直径之差为e≤0.5%DN，且由于DN≤1200mm，则其值≤5mm；

5.圆筒直线度允许偏差为L/1000（L为圆筒总长），且由于此时L=6000mm，则其值≤4.5mm；

6.壳体内壁凡有碍管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至与母材表面齐平；

7.在壳体上设置接管或其他附件而导致壳体变形较大，影响管束顺利安装时，应采取防止变形措施；

8.由于焊接后残余应力较大，因此管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力热处理，最后再进行机械加工。

3.4 换热管的制造与检验 1. 加工步骤：下料——校直——除锈（清除氧化皮、铁锈及污垢等杂质）；

2. 换热管为直管，因此应采用整根管子而不允许有接缝。

3. 管端清理长度应不小于管外径，且不小于25mm。

3.5 管板与折流板的制造与检验 1.管板在拼接后应进行消除应力热处理，且管板拼接焊缝须经100%射线或超声波探伤检查；

2.由于换热管与管板是采用焊接连接，则管孔表面粗糙度Ra值不大于25；

3.管板管孔加工步骤：下料——校平——车削平面外圆及压紧面——划线——定位孔加工——钻孔——倒角；

4.管板钻孔后应抽查不小于60°管板中心角区域内的管孔，在这一区域内允许有4%的管孔上偏差比+0.20大0.15；

5.折流板管孔加工步骤：下料——去毛刺——校平——重叠、压紧——沿周边点焊——钻孔（必须使折流板的管孔与管板的管孔中心在同一直线上）——划线——钻拉杆——加工外圆；

6.折流板外圆表面粗糙度Ra值不大于25。，外圆面两侧的尖角应倒钝；

7.应去除管板与折流板上任何的毛刺。

3.6 换热管与管板的连接 1.连接部位的换热管和管板孔表面应清理干净，不应留有影响胀接或焊接连接质量的毛刺、铁屑、锈斑、油污等；

2.焊接连接时，焊渣及凸出于换热管内壁的焊瘤均应清除。焊缝缺陷的返修，应清除缺陷后焊补。

3.7 管束的组装 组装过程：
将管板和折流板用拉杆和定距管组合。调整衬垫使管板面与组装平台垂直，并使管板与折流板的中心线一致，然后一根一根地插入传热管。

组装时应注意：
1.两管板相互平行，允许误差不得大于1mm；
两管板之间长度误差为±2mm；
管子与管板之间应垂直；

2.拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管；

3.穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤；

4.除换热管与管板间以焊接连接外，其他任何零件均不准与换热管相焊。

3.8 管箱的热处理 碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱以及管箱的侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱，在施焊后作消除应力的热处理，设备法兰密封面应在热处理后加工。

3.9 换热器水压试验 水压试验的目的是为了检验换热器管束单管有否破损，胀口有否松动，所有法兰接口是否严密，而不同管壳式换热器的水压试验的顺序不一样，因此在此特别说明一下浮头式换热器的水压试验顺序：
1.用试验压环进行管头试压：管束装入壳体后，在管箱侧装试压法兰然后对壳程试压，检查胀口是否泄漏，如果从管板的某个管口滴水，则该管已经破损，由现场技术人员决定更换新管或堵死；

2.管程试压：对管程加压，检查管箱法兰结合处有无泄漏；

3.壳程试压：安装壳体封头，对壳体加压，检查封头接口有无泄漏。

第四章 焊接工艺评定 本章主要叙述各主要部件的焊接工艺以及当中应注意的问题。

4.1 壳体焊接工艺 4.1.1 壳体焊接顺序 焊接壳体时，应先焊筒节纵缝，焊好后校圆，再组装焊接环缝。要注意的是必须先焊纵缝后焊环缝，因为若先将环缝焊好再焊纵缝时筒体的膨胀和收缩都要受到环缝的限制，其结果会引起过大的应力，甚至产生裂纹。

每条焊缝的焊接次序是先焊筒体里面，焊完后从外面用碳弧气刨清理焊根，将容易产生裂纹和气孔的第一层焊缝基本刨掉，经磁粉或着色探伤确信没有缺陷存在后再焊外侧。

4.1.2 壳体的纵环焊缝 壳体的材料为16MnR，其可焊性较好。焊前不需要进行预热，采用埋弧自动焊，开V型坡口，采用H08Mn2焊丝和HJ431焊剂，焊完后需将其加热到600～650℃，要进行焊后热处理，以消除残余应力，而且也可软化淬硬部位，提高韧性。

4.2 换热管与管板的焊接 4.2.1 焊接工艺 换热管与管板的焊接一般采用手工电弧焊，也广泛采用惰性气体保护焊，在此选择其焊接方式为手工电弧焊。管子的材料为12CrMo，而管板的材料为锻件16MnR，两者的焊接性能都较好，由于管板厚度较大，此时应进行焊前预热，预热温度为100～200°C，选用焊条J506，焊后热处理温度为600～650°C，以消除残余应力。

4.2.2 焊接缺陷 管子与管板焊接最主要的问题是焊接缺陷，缺陷一般为气孔或裂纹。它们直接关系到工程的质量。产生气孔的主要是附在管子和管板孔上的油脂、铁锈、空气和堆焊管板时复层中夹有的焊渣在受热时分解而造成。因此在焊接前，要特别注意焊接部位的脱脂和除锈。另一个可能产生的缺陷是裂纹，如果接头的化学成分控制不当，热影响区过度硬化，结点处有油污及管子与管板孔配合间隙过大等，都易在焊缝处引起裂纹。

4.3 法兰与筒体的焊接 法兰与筒体的焊接属于C类接头。法兰的材料为锻件20MnMoⅡ，筒体的材料为16MnR，两者都具有良好的综合机械性能和焊接性能，此时可以采用埋弧自动焊，焊丝为H10MnSiA，焊剂为HJ250，焊后需要进行消除应力热处理，需要将热处理温度控制在550～650°C。

第五章 换热器的安装与维修 5.1 安装 1．基础：基础必须满足以使换热器不发生下沉，而使管道把过大的变形传 到换热器的接管上。

2．地脚螺栓：采用二次交管法连接。

3．基础质量的检查和验收：
(1) 基础工程的表面概况。

(2) 基础的标高和平面位置是否符合设计要求。

(3) 基础的形状和主要尺寸，及基础与留空是否符合设计要求。

(4) 地脚螺栓的位置是否正确，螺纹情况是否良好，螺纹长度是否符合标准，螺帽和垫圈是否齐全。

(5)放置垫板的基础表面是否平整。

5.2 维修 管壳式换热器的失效原因和形式：
1．法兰、垫片的泄漏；
腐蚀引起的失效；

2．介质流动诱导震动引起的管束失效；

3．结垢引起的管束失效。

官壳式换热器的管束的修理：
1．堵管；

2．更换管束；

3．更换换热管。

经过修理的换热器， 应把下列有关修理文件存入换热器技术档案中：
1．换热器修理或更换的零部件竣工图；

2．待用材料审批手续；

3．所用材料、焊材的合格证；

4．换热器检修记录和全面检验、验收纪录。

结 论 经过多周的努力，该U形管换热器的研究工作已经全部完成。该换热器只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩，当壳体与U形管有温差时，不会产生热应力。

但是，这台换热器也存在其弊端，由于受到弯曲曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。为了弥补这种弊端，笔者在壳体中部设置了两块中间挡板。但是并不能从本质上解决问题。另外，当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死。

尚待解决的问题：管板利用率不高的问题；
管程流体进出口偏置引起的强度削弱问题；
U形管管束难以清洗的问题。

参考文献 [1] ASME Boiler & Pressure Vessel Code,Section Ⅷ,Rules for Construction of Pressure Vessel,Division 1,1998. [2] ASME Boiler & Pressure Vessel Code,Section Ⅷ,Rules for Construction of Pressure Vessel,Division 2,1998. [3] 秦叔经,叶文邦等.换热器[M].北京：化学工业出版社，2002. [4] 丁博民,黄正林.化工容器[M].北京:化学工业出版社,2002. [5] 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计[M].北京:化学工业出版社,2001. [6] GB151-1999，管壳式换热器[S].北京：中国标准出版社，2000. [7] 郑津洋.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001. [8] JB4732-95,钢制压力容器—分析设计标准[S].北京：中国标准出版社， [9] 聂清德主编.化工设备设计[M] .北京：化学工业出版社，1996 [10] 钱颂文主编.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002. [11] 蔡纪宁 .化工设备机械设计[M]. 北京：化学工业出版社教材出版中心,2000. [12] John F.Harvey,P.E. Theory and Design of Pressure Vessel.Second Edition.New York:Van Nostrand Reinhold Company,1991. 致 谢 比较仓促的完成了毕业设计，期间遇到了各种繁琐的问题，杨老师给了我很大的帮助和支持。他要求严格，对于细节的追求让我印象深刻，受益匪浅。他一丝不苟的作风不仅是我们在学术问题上应该坚持的，更是平时生活中应该恪守的。在此我由衷的感谢杨老师，谢谢！期间，我得到了其他老师及同学的热心帮助，在此一并表示衷心的感谢！当然，该设计还有很多不足之处，希望老师予以纠正，再次感谢！