U型全凝器设计
摘
文国家相关规范标准严格遵循GB15199GB15098着重介绍U型式换热器传热工艺计算物料结构素换热力影响换热器机械设计包括工艺结构机械结构设计换热器受力元件板受力计算强度校核保证蒸汽热器安全运行中前者确定关部件结构形式结构尺寸零件间连接封头接板折流板等结构形式尺寸板换热壳体箱连接等介绍U型式换热器制造检验安装维修时应注意事项
关键词：换热器 U形 设计
Abstract
This thesis is based on relevant national standards and strictly follows the GB15199 and GB15098 emphatically introduces the calculation of heat technologic process of Utube 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 Ushaped tube design
目 录
摘 I
ABSTRACT II
第章 绪 1
11 概 1
12 换热器研究现状发展趋势 1
121 换热器研究现状 1
122 换热器研究发展趋势 1
13 设计容思想 1
131 设计容 1
132 设计思想 1
第二章 换热器结构设计强度计算 1
21 壳体箱厚度确定 1
211 壳体箱材料选择 1
212 圆筒壳体厚度计算 1
213 箱厚度计算 1
22 开孔补强计算 1
221 壳程进出口接补强计算 1
222 箱开孔补强计算 1
223 排液排气孔补强计算 1
23 水压试验 1
24 换热 1
241 换热排列方式 1
242 验证U型尾部支撑 1
243 布限定圆 1
244 排 1
245 换热束分程 1
246 换热板连接 1
25 板设计 1
251 板壳体连接 1
252 板计算 1
26 折流板 1
261 折流板型式尺寸 1
262 折流板排列 1
263 折流板布置 1
27 拉杆定距 1
271 拉杆结构形式 1
272 拉杆直径数量布置 1
273 定距 1
28 防板 1
29 法兰垫片 1
291 固定端壳体法兰箱法兰箱垫片 1
292 接法兰型式尺寸 1
210 分程隔板 1
211 排气排液 1
212 吊耳 1
213 鞍座设计 1
214 接位置 1
2141 壳程接位置尺寸 1
2142 箱接位置尺寸 1
第三章 U型式式换热器制造工艺检验 1
31 总体制造工艺 1
32 换热器质量检验 1
33 箱壳体头盖制造检验 1
34 换热制造检验 1
35 板折流板制造检验 1
36 换热板连接 1
37 束组装 1
38 箱热处理 1
39 换热器水压试验 1
第四章 焊接工艺评定 1
41 壳体焊接工艺 1
411 壳体焊接序 1
412 壳体环焊缝 1
42 换热板焊接 1
421 焊接工艺 1
422 焊接缺陷 1
43 法兰筒体焊接 1
第五章 换热器安装维修 1
51 安装 1
52 维修 1
结 1
参考文献 1
致 谢 1
第章 绪
11 概
U形换热器壳式换热器种属石油化工设备箱壳体束等部件组成换热成U形名换热器化工炼油动力食品轻工原子制药机械许工业部门广泛种通设备化工厂中换热设备投资约占总资产1020炼油厂中约占总资产3540[3]
工业生产中换热设备作热量温度较高流体传递温度较低流体流体温度达工艺程规定指标满足工艺程需外换热设备回收余热废热特低位热效装置例烟道气高炉炉气需冷化学反应工艺气等余热通余热锅炉产生压力蒸汽作供热供气发电动力辅助源提高热总利率降低燃料消耗电耗提高工业生产济效益
12 换热器研究现状发展趋势
121 换热器研究现状
国外换热器研究工作直重视着源日趋紧张环境保护求提高换热器研究越越受方面欢迎支持
国研究机构高等院校传热理高效换热器研究直非常重视走引进消化吸收发展开发历程强化传热元件方面华南理工学相继开发出表面孔螺旋槽波纹横等西安交通学板翅式换热器研究方面已取定成果兰州石油机械研究开发出折流杆换热器高效重沸器新结构高效换热器等批实价值高系列高效换热器技术成果国民济快速发展中国炼油化工业发展起巨作中国传热技术水步入国际先进水[4]
20世纪70年代世界爆发源危机国传统换热设备强化传热研究逐渐兴起时日方兴未艾
国外换热市场调查表明式换热器占64然种板式换热器竞争力升式换热器占导低位着动力石油化工工业发展设备继续想着高温高压型化方发展换热器结构方面少新发展集中两方：开发新品种换热器板式螺旋板式振动盘式板翅式等换热器设计思想提高换热器紧凑度换热效率二传统式换热器采强化传热措施种异型强化取代原光螺纹横纹缩放翅片等
应国外关换热器设计软件层出穷
美国传热研究公司国际性非盈利性合作研究机构会员数百家遍全球传热机理两相流振动污垢模拟测试技术方面作出贡献年该公司计算机应软件开发发展快开发网络优化软件种换热器工艺设计软件计算准确仅节省力提高效率提高技术济性目前国20家企业成会员
英国传热流体服务中心隶属英国原子理局该中心会员数百家长期事传热流体课题研究积累验研究成果仅原子工业般工业传热流体计算更精确开发HTFSTASC类换热器计算软件备受欢迎国30家企业成会员
122 换热器研究发展趋势
1221 计算流体力学(CFD)模型化设计应
换热器热流分析中 引入计算机技术 换热器中介质复杂流动程进行定量模拟仿真目前 基计算机技术热流分析已然流剥离流振动流湍流热传导等直接模拟仿真 辐射传热相流稠液流机理仿真模拟等方面基础 换热器模型设计设计开发中 利CFD分析结果相应模型实验数 计算机换热器进行更精确细致设计
1222 换热器强化传热技术发展
采强化传热元件改进换热器结构强化传热技术种显著改善换热器传热性节技术根传热物流条件情况 壳程传热强化研究必然强化传热优化组合相联系换热器强化传热技术发展方
1223 非金属材料应
非金属材料定范围具金属材料拟优点石墨材料具优良导电导热性 较高化学稳定性良机加工性氟塑料具特优良耐腐蚀性氟塑料耐腐蚀性极强 金属材料相具成优势复合材料搪瓷玻璃具优良耐腐蚀性良耐磨性电绝缘性表面光滑易粘附物料等优点 已制作换热产品陶瓷材料优异耐腐蚀性耐高温性引起工业界高度重视已换热产品制造中应成果石墨换热器聚四氟乙烯换热器等
13 设计容思想
131 设计容
采固定板换热器设计计算条件：
壳程：介质丙烯晴苯乙烯乙苯微量凝气体混合物设计压力Pc01Mpa设计温度t70℃壳程圆筒径Di700 mm 材料0Crl8Ni9
程：介质冷冻盐水设计压力Pc045MPa设计温度t12℃程圆筒径壳程相材料20A换热长度3000mm换热规格19mm×20mm换热间距25mm数量280根4程
试完成结构设计强度计算
132 设计思想
设计应遵循优质高产安全低耗原采先进技术新国家行业标准满足技术先进济合理求具体概括：
（1）根GB1511999钢制压力容器压力容器钢等国家标准进行设计
（2）满足工艺操作求设计流程设备应确保质量稳定产品时设计流程设备具定操作弹性期方便流量传热量进行调节
（3）满足济求设计省热电消耗减少设备基础费选择合适回流节省水蒸汽设计时全面考虑力求总费低
（4）保证生产安全设计换热器应具定刚度强度设计中应根设计压力确定壁厚校核零件强度进行水压试验保证容器具足够腐蚀裕度
第二章 换热器结构设计强度计算
确定换热器换热面积应进行换热器体结构零部件设计强度计算包括壳体封头厚度计算材料选择板厚度计算浮头盖浮头法兰厚度计算开孔补强计算构件设计（箱壳体折流板拉杆等）连接（包括板箱连接子板连接壳体板连接等）具体计算
21 壳体箱厚度确定
211 壳体箱材料选择
设计换热器属常规容器工厂中采低碳低合金钢制造综合成条件等考虑选择16MnR壳体箱材料[8]
16MnR低碳低合金钢具优良综合力学性制造工艺性强度韧性耐腐蚀性低温高温性均优相含碳量碳素钢时采低合金钢减少容器厚度减轻重量节约钢材
212 圆筒壳体厚度计算
焊接方式：选双面焊接接头100损探伤焊接系数
根GB6654压力容器钢板GB3531低温压力容器低合金钢板规定知16MnR钢板负偏差
材料许应力Mpa（厚度6～16mm时）壳体计算厚度式计算：
（31）
设计厚度
名义厚度（中圆整量）
查厚度8mm时厚度满足求检查没变化合适
213 箱厚度计算
箱两部分组成：短节封头
2131 箱厚度计算
箱椭圆形箱椭圆形封头应力分布较均匀深度较半球形封头易压成型
时选标准椭圆形封头封头计算厚度：
（32）
设计厚度023+2223mm
名义厚度223+1+10mm（圆整量）
检查没变化合适
查JBT4746—2002钢制压力容器封头封头型号参数：
表31 DN700标准椭圆形封头参数
DN(mm)
总深度H(mm)
表面积A(m)
容积()
封头质量（㎏）
700
200
05861
00545
461
短节部分厚度封头处厚度10mm
封头图示：
图31 椭圆封头示意图
2132 壳程筒体封头厚度计算
U形换热器设计端封头封头直径700mm
选标准椭圆形封头K1计算厚度：
（33）
设计厚度023+2223mm
名义厚度223+1+10mm（圆整量）
检查没变化合适
查JBT4746—2002钢制压力容器封头封头型号参数：
表32 DN700标准椭圆形封头参数
DN(mm)
总深度H(mm)
表面积A(m)
容积(m)
封头质量（㎏）
700
200
05861
00545
461
短节部分厚度封头处厚度10mm
22 开孔补强计算
该台U形换热器壳程流体进出口壳体程流体进出口箱避免换热器开孔开孔削弱器壁强度外壳体接连接处结构连接性破坏会产生高局部应力会换热器安全操作带隐患时应进行开孔补强计算
程壳程出入口公称直径分100mm250mm厚度系列选壳程接规格程接规格接材料选20号钢查GB1501998
计算中符号：
—开孔削弱需补强截面积
—补强面积
—壳体效厚度减计算厚度外余面积
—接效厚度减计算厚度外余面积
—焊缝金属面积
—补强效宽度
—开孔直径圆形孔取接径加两倍厚度附加量mm
—强度削弱系数等设计温度接材料壳体材料许应力值该值10时取
—接外侧效补强高度mm
—接侧效补强高度mm
—壳体开孔处计算厚度mm
—壳体开孔处效厚度
—接效厚度
—壳体开孔处名义厚度mm
—接名义厚度mm
—接计算厚度mm
—设计温度接材料许应力
—设计温度壳体材料许应力
221 壳程进出口接补强计算
2211 补强补强方法判
（1）补强判：根GB151表81允许行补强接外径开孔外径273mm需行考虑补强
（2）开孔直径满足等面积法开孔补强计算适条件等面积法进行开孔补强计算
2212 开孔需补强面积计算
强度削弱系数
接效厚度
开孔需补强面积式计算：
（34）
2213 效补强范围
（1）效宽度B：
（2）效高度：
（a）外侧效高度：
（b）侧效高度：
2214 效补强面积
（1）壳体余金属面积：
壳体效厚度：
余金属面积：
（35）
（2）接余金属面积：
接计算厚度：
（36）
接余金属面积：
（37）
（3）接区焊缝面积（焊脚取6mm）：
（4）效补强面积：
开孔需行补强
222 箱开孔补强计算
2221 补强补强方法判
（1）补强判：根GB151表81允许行补强接外径开孔外径116mm需行考虑补强
（2）开孔直径满足等面积法开孔补强计算适条件等面积法进行开孔补强计算
2222 开孔需补强面积计算
强度削弱系数
接效厚度
开孔需补强面积式计算：
2213 效补强范围
（1）效宽度B：
（2）效高度：
（a）外侧效高度：
（b）侧效高度：
2224 效补强面积
（1）箱余金属面积：
箱效厚度：
余金属面积：
（2）接余金属面积：
接计算厚度：
接余金属面积：
（3）接区焊缝面积（焊脚取6mm）：
（4）效补强面积：
>开孔需行补强
223 排液排气孔补强计算
排气排液孔开口远述两种开孔开孔需补强
23 水压试验
设试验温度常温
（38）
校核水压试验时圆筒薄膜压力：
（39）
水压试验合格
24 换热
设计条件知换热规格材料选12CrMo
241 换热排列方式
换热板排列正三角形排列正方形排列正方形错列三种排列方式图31种排列方式特点：①正三角形排列：排列紧凑外流体湍流程度高②正方形排列：易清洗热效果较差③正方形错列：提高热系数[9]
图32 换热排列方式
选择正三角形排列
查GB1511999知换热中心距S25mmU形弯曲半径R应两倍换热外径分程隔板槽两侧相邻中心距50mm时换热间需进行机械清洗相邻两间净空距离（Sd）宜6mm
242 验证U型尾部支撑
根GB151中U型换热器规定弯段起支撑作折流板图结构尺寸A+B+C应支撑跨距超表中数值时应弯部分加特殊支撑
图33 U型尾部支撑
参设计U型换热器装配图：
：
满足条件需行设置特殊支撑
243 布限定圆
查GB151知布限定圆直径式（38）计算：
（310）
中：
取
244 排
排时须注意：拉杆应量均匀布置束外边缘折流板缺边位置处布置拉杆间距等700mm拉杆中心折流板缺边距离应量控制换热中心距（05～15）范围[10]
布限定圆未布满空间假补充图
程换热器程数应量相等相误差应控制10超20
实际排示：
图34 布图
图知实际排发现知程数相误差0满足条件
245 换热束分程
里首先先提箱箱作道输送流体均匀分布换热流体汇集起送出换热器程换热器中箱起改变流体流作
选择换热器4程箱选择程隔板安置形式换热束分程采T型分程图布图34
246 换热板连接
换热板连接方式强度焊强度胀胀焊
强度胀接适设计压力≤40Mpa设计温度≤300°C操作中剧烈振动温度波动明显应力腐蚀等场合[11]
较振动缝隙腐蚀场合强度焊接材料焊性场合
胀焊密封性求较高承受振动疲劳载荷缝隙腐蚀需采复合板等场合
根设计压力设计温度操作状况选择换热板连接方式强度焊接
25 板设计
板壳式换热器重零部件排布换热程壳程流体分隔开避免冷热流体混合时受程壳程压力温度作[10]流体具轻微腐蚀性采工程常16MnR整体板查设计温度许应力：
251 板壳体连接
U形换热器求束够方便壳体中抽出进行清洗维修换热器固定端板采拆式连接方式U型换热器采a型连接方式
252 板计算
符号说明：
A——布区范围设置隔板槽拉杆结构需未换热支承面积mm正三角形排列
n——隔板槽侧排根数
S——换热中心距
S——隔板槽两侧邻中心距
A——板布区面积mm程正方形排列换热器
a——根换热壁金属横截面积mm
D——固定端板垫片压紧力作中心圆直径mm
D——板布区量直径mm
d——换热外径mm
l——换热板胀接长度焊脚高度mm
n——换热根数
q——换热板连接拉脱力MPa
[q]——许拉脱力查GB151MPa
——板计算厚度mm
——换热壁厚度mm
——板强度削弱系数般取
——系数
——设计温度时板材料许应力MPa
——设计温度时换热材料许应力MPa
板厚度计算程：
（a） 根布尺寸计算根法兰密封面形式垫片尺寸计算计算
（311）
（312）
根垫片尺寸法兰密封面知垫片基密封宽度
垫片效密封宽度
根式计算：
（b） 计算查表
根GB151表22查
（c） 确定板设计压力程壳程压力时作：
（d） 计算板计算厚度：
（313）
厚度附加量名义厚度：
考虑拉杆拧入板厚度20mm圆整板厚度30mm
圆整
（e） 计算换热轴应力
前知换热材料12CrMo设计温度需应力换热板间采强度焊接连接换热轴应力式（314）计算：
（314）
中：
列三种工况分布计算换热轴应力：
壳程设计压力程设计压力时根公式（314）：
程设计压力壳程设计压力时根公式（314）：
壳程设计压力程设计压力时作时根公式（314）：
工况计算结果均满足换热满足轴应力强度求
（f）换热板连接拉脱力
式（315）进行计算：
（315）
取工况换热轴应力计算轴应力满足求换热板拉脱离满足强度求：
GB151中关[q]规定：
根计算结果换热板连接拉脱力满足强度求
26 折流板
设置折流板目提高壳程流体流速增加湍动程度程流体垂直刷束改善传热增壳程流体传热系数时减少结构卧式换热器中起支撑束作常见折流板形式弓形圆盘—圆环形两种中弓形折流板单弓形双弓形三弓形三种工程较单弓形折流板
261 折流板型式尺寸
时选弓折流板方排列样造成液体剧烈扰动增传热膜系数
方便选材选折流板材料选16MnR前知弓形缺口高度195mm折流板间距300mm数量19块查GB1511999知折流板厚度4mm时选厚度6mm时查GB1511999知折流板名义外直径
262 折流板排列
该台换热器折流板排列示意图示：
图35 折流板排列示意图
263 折流板布置
般应束两端折流板壳程进出口余折流板等距离布置板折流板板间距离l应式计算：
（316）
中：L——壳程接位置尺寸mm
b ——板名义厚度mm
B——防板长度防板时B应接径mm
查GB151中C应3倍壳体壁厚50100mm取C60mm
取
38防挡板边长
取l550mm
27 拉杆定距
271 拉杆结构形式
常拉杆形式两种：
（1） 拉杆定距结构适换热外径等19mm束 （LGB1511999表45规定）
（2）拉杆折流板点焊结构适换热外径等14mm束
时换热外径25mm选拉杆定距结构
272 拉杆直径数量布置
具体尺寸示：
图36 拉杆示意图
表33 拉杆参数表
拉杆直径d
拉杆螺纹公称直径d
L
L
b
拉杆数量
16
16
20
≥60
2
8
中拉杆长度L需确定
拉杆应量均匀布置束外边缘直径换热器布区折流板缺口处应布置适数量拉杆折流板应少3支承点
台换热器拉杆布置参零件图
273 定距
定距规格换热长度实际需确定台换热器定距布置参部件图
28 防板
壳程流体需设置防板取防挡板矩形材料16MnR厚度6mm边长300mm防板外表面圆筒壁距离取50mm
换热流体流速036ms<3ms需程设置防板
29 法兰垫片
换热器中法兰包括箱法兰壳体法兰接法兰 垫片箱垫片
291 固定端壳体法兰箱法兰箱垫片
（1） 查JB47002000压力容器法兰选固定端壳体法兰箱法兰长颈焊法兰夹持板均凹面法兰材料锻件20MnMoⅡ具体尺寸：（单位mm）
图37 长颈焊法兰示意图
表34 DN700长颈焊法兰尺寸
DN
法兰
螺柱
接筒体厚度
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）时查JB47002000压力容器法兰根设计温度选择垫片型式金属包垫片材料0Cr18Ni9尺寸：
图38 垫片示意图
表35 箱垫片尺寸
PN(Mpa)
DN(mm)
外径D(mm)
径d(mm)
垫片厚度
01
700
739
700
3
292 接法兰型式尺寸
根接公称直径公称压力查HG20592～20635－97钢制法兰垫片紧固件选择带颈焊钢制法兰选凹凸密封面具体尺寸表37示： （单位mm）
图39 接法兰示意图
表36 带颈焊钢制法兰
公
称
直
径
DN
钢外径（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
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
63
16
10
68
156
100
116
116
220
180
18
8
M16
22
130
130
36
12
6
52
539
210 分程隔板
程换热器处需分程隔板材料封头箱短节相16MnR
查GB1511999知：分程隔板槽槽深取6mm槽宽12mm拐角处脚45°分程隔板厚度10mm取厚度12mm
分程隔板布置见图33
211 排气排液
提高传热效率排回收工作残液（气）分换热器壳程高点程低点设置排气排液接端部壳体箱壳体壁齐结构安装尺寸见装配图零部件图示
212 吊耳
该换热器箱部分重量30kg箱设置吊耳2尺寸安装尺寸见装配图零件图示
213 鞍座设计
该设备卧式换热器筒体直径根JBT4712选BI型重型鞍式支座：BI700S包角120°材料选Q235B安装尺寸见装配图中根GB151中相关规定取
中L换热长度两鞍座距离鞍座法兰密封面距离
表37 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
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310 鞍座基尺寸
214 接位置
换热器设计中传热面积充分利壳程流体进出口接应量接两端板箱进出口接量箱法兰缩短箱壳体长度减轻设备重量然保证设备制造安装口距距离太受位置限制
2141 壳程接位置尺寸
接带补强圈应式计算：
（316）
图311 壳程接位置示意图
式中：L——壳程接位置尺寸mm
C ——补强圈外边缘板壳体连接焊缝间距离计算中取C>4S（S壳体厚度mm）等50100mm
d——接外径mm
b ——板厚度mm
实际画图 mm满足位置
2142 箱接位置尺寸
带补强圈接应式计算：
（317）
图312 箱接位置示意图
式中：d——箱接外径
h——法兰高度100mm
实际画图满足位置求
换热器结构设计强度计算已基结束说换热器设计计算已完成计算结果通装配图部件图零件图表现出中该台U形换热器基结构图示：
图313换热器基结构
第三章 U型式式换热器制造工艺检验
31 总体制造工艺
制造工艺：选取换热设备制造材料牌号进行材料化学成分检验机械性合格钢板进行矫形方法包括手工矫形机械矫形火焰矫形
具体程：备料——划线——切割——边缘加工（探伤）——成型——组——焊接——焊接质量检验——组装焊接——压力试验
32 换热器质量检验
化工设备仅制造前原材料进行检验制造程中时进行检查质量检验[12]
设备制造程中检验包括原材料检验工序间检验压力试验具体容：
1原材料设备零件尺寸形状检验
2原材料焊缝化学成分分析力学性分析试验金相组织试验总称破坏试验
3原材料焊缝部缺陷检验检验方法损检测包括：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
33 箱壳体头盖制造检验
1壳体料辊压程中必须心谨慎筒体椭圆度求较高保证壳体折流板间合适间隙
2箱分程隔板两侧全长均应焊接应具全焊透焊缝
3板材卷制圆筒时直径允许偏差通外圆周长加控制外圆周允许偏差10mm偏差零
4圆筒断面直径直径差e≤05DNDN≤1200mm值≤5mm
5圆筒直线度允许偏差L1000（L圆筒总长）时L6000mm值≤45mm
6壳体壁碍束利装入抽出焊缝均应磨母材表面齐
7壳体设置接附件导致壳体变形较影响束利安装时应采取防止变形措施
8焊接残余应力较箱封头法兰等焊接须进行消应力热处理进行机械加工
34 换热制造检验
1 加工步骤：料——校直——锈（清氧化皮铁锈污垢等杂质）
2 换热直应采整根子允许接缝
3 端清理长度应外径25mm
35 板折流板制造检验
1板拼接应进行消应力热处理板拼接焊缝须100射线超声波探伤检查
2换热板采焊接连接孔表面粗糙度Ra值25
3板孔加工步骤：料——校——车削面外圆压紧面——划线——定位孔加工——钻孔——倒角
4板钻孔应抽查60°板中心角区域孔区域允许4孔偏差+020015
5折流板孔加工步骤：料——毛刺——校——重叠压紧——周边点焊——钻孔（必须折流板孔板孔中心直线）——划线——钻拉杆——加工外圆
6折流板外圆表面粗糙度Ra值25外圆面两侧尖角应倒钝
7应板折流板毛刺
36 换热板连接
1连接部位换热板孔表面应清理干净应留影响胀接焊接连接质量毛刺铁屑锈斑油污等
2焊接连接时焊渣凸出换热壁焊瘤均应清焊缝缺陷返修应清缺陷焊补
37 束组装
组装程：
板折流板拉杆定距组合调整衬垫板面组装台垂直板折流板中心线致然根根插入传热
组装时应注意：
1两板相互行允许误差1mm两板间长度误差±2mm子板间应垂直
2拉杆螺母应拧紧免装入抽出束时折流板窜动损伤换热
3穿时应强行敲换热表面应出现凹瘪划伤
4换热板间焊接连接外零件均准换热相焊
38 箱热处理
碳钢低合金钢制焊分程隔板箱箱侧开孔超13圆筒径箱施焊作消应力热处理设备法兰密封面应热处理加工
39 换热器水压试验
水压试验目检验换热器束单否破损胀口否松动法兰接口否严密壳式换热器水压试验序样特说明浮头式换热器水压试验序：
1试验压环进行头试压：束装入壳体箱侧装试压法兰然壳程试压检查胀口否泄漏果板某口滴水该已破损现场技术员决定更换新堵死
2程试压：程加压检查箱法兰结合处泄漏
3壳程试压：安装壳体封头壳体加压检查封头接口泄漏
第四章 焊接工艺评定
章叙述部件焊接工艺中应注意问题
41 壳体焊接工艺
411 壳体焊接序
焊接壳体时应先焊筒节缝焊校圆组装焊接环缝注意必须先焊缝焊环缝先环缝焊焊缝时筒体膨胀收缩受环缝限制结果会引起应力甚产生裂纹
条焊缝焊接次序先焊筒体里面焊完外面碳弧气刨清理焊根容易产生裂纹气孔第层焊缝基刨掉磁粉着色探伤确信没缺陷存焊外侧
412 壳体环焊缝
壳体材料16MnR焊性较焊前需进行预热采埋弧动焊开V型坡口采H08Mn2焊丝HJ431焊剂焊完需加热600～650℃进行焊热处理消残余应力软化淬硬部位提高韧性
42 换热板焊接
421 焊接工艺
换热板焊接般采手工电弧焊广泛采惰性气体保护焊选择焊接方式手工电弧焊子材料12CrMo板材料锻件16MnR两者焊接性较板厚度较时应进行焊前预热预热温度100～200°C选焊条J506焊热处理温度600～650°C消残余应力
422 焊接缺陷
子板焊接问题焊接缺陷缺陷般气孔裂纹直接关系工程质量产生气孔附子板孔油脂铁锈空气堆焊板时复层中夹焊渣受热时分解造成焊接前特注意焊接部位脱脂锈产生缺陷裂纹果接头化学成分控制热影响区度硬化结点处油污子板孔配合间隙等易焊缝处引起裂纹
43 法兰筒体焊接
法兰筒体焊接属C类接头法兰材料锻件20MnMoⅡ筒体材料16MnR两者具良综合机械性焊接性时采埋弧动焊焊丝H10MnSiA焊剂HJ250焊需进行消应力热处理需热处理温度控制550～650°C
第五章 换热器安装维修
51 安装
1．基础：基础必须满足换热器发生沉道变形传
换热器接
2．脚螺栓：采二次交法连接
3．基础质量检查验收：
(1) 基础工程表面概况
(2) 基础标高面位置否符合设计求
(3) 基础形状尺寸基础留空否符合设计求
(4) 脚螺栓位置否正确螺纹情况否良螺纹长度否符合标准螺帽垫圈否齐全
(5)放置垫板基础表面否整
52 维修
壳式换热器失效原形式：
1．法兰垫片泄漏腐蚀引起失效
2．介质流动诱导震动引起束失效
3．结垢引起束失效
官壳式换热器束修理：
1．堵
2．更换束
3．更换换热
修理换热器 应列关修理文件存入换热器技术档案中：
1．换热器修理更换零部件竣工图
2．材料审批手续
3．材料焊材合格证
4．换热器检修记录全面检验验收纪录
结
周努力该U形换热器研究工作已全部完成该换热器块板束根U形组成两端固定块板子伸缩壳体U形温差时会产生热应力
台换热器存弊端受弯曲曲率半径限制换热排布较少束层间距较板利率较低壳程流体易形成短路传热利弥补种弊端笔者壳体中部设置两块中间挡板质解决问题外子泄漏损坏时束外围处U形便更换层换热坏更换堵死
尚解决问题：板利率高问题程流体进出口偏置引起强度削弱问题U形束难清洗问题
参考文献
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[2] ASME Boiler & Pressure Vessel CodeSection ⅧRules for Construction of Pressure VesselDivision 21998
[3] 秦叔叶文邦等换热器[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] 匡国柱史启化工单元程设备课程设计[M]北京化学工业出版社2001
[6] GB1511999壳式换热器[S]北京：中国标准出版社2000
[7] 郑津洋程设备设计[M]北京：化学工业出版社2001
[8] JB473295钢制压力容器—分析设计标准[S]北京：中国标准出版社
[9] 聂清德编化工设备设计[M] 北京：化学工业出版社1996
[10] 钱颂文编换热器设计手册[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 FHarveyPE Theory and Design of Pressure VesselSecond EditionNew YorkVan Nostrand Reinhold Company1991
致 谢
较仓促完成毕业设计期间遇种繁琐问题杨老师帮助支持求严格细节追求印象深刻受益匪浅丝苟作风仅学术问题应该坚持更时生活中应该恪守衷感谢杨老师谢谢期间老师学热心帮助表示衷心感谢然该设计足处希老师予纠正次感谢
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摘
文国家相关规范标准严格遵循GB15199GB15098着重介绍U型式换热器传热工艺计算物料结构素换热力影响换热器机械设计包括工艺结构机械结构设计换热器受力元件板受力计算强度校核保证蒸汽热器安全运行中前者确定关部件结构形式结构尺寸零件间连接封头接板折流板等结构形式尺寸板换热壳体箱连接等介绍U型式换热器制造检验安装维修时应注意事项
关键词：换热器 U形 设计
Abstract
This thesis is based on relevant national standards and strictly follows the GB15199 and GB15098 emphatically introduces the calculation of heat technologic process of Utube 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 Ushaped tube design
目 录
摘 I
ABSTRACT II
第章 绪 1
11 概 1
12 换热器研究现状发展趋势 1
121 换热器研究现状 1
122 换热器研究发展趋势 1
13 设计容思想 1
131 设计容 1
132 设计思想 1
第二章 换热器结构设计强度计算 1
21 壳体箱厚度确定 1
211 壳体箱材料选择 1
212 圆筒壳体厚度计算 1
213 箱厚度计算 1
22 开孔补强计算 1
221 壳程进出口接补强计算 1
222 箱开孔补强计算 1
223 排液排气孔补强计算 1
23 水压试验 1
24 换热 1
241 换热排列方式 1
242 验证U型尾部支撑 1
243 布限定圆 1
244 排 1
245 换热束分程 1
246 换热板连接 1
25 板设计 1
251 板壳体连接 1
252 板计算 1
26 折流板 1
261 折流板型式尺寸 1
262 折流板排列 1
263 折流板布置 1
27 拉杆定距 1
271 拉杆结构形式 1
272 拉杆直径数量布置 1
273 定距 1
28 防板 1
29 法兰垫片 1
291 固定端壳体法兰箱法兰箱垫片 1
292 接法兰型式尺寸 1
210 分程隔板 1
211 排气排液 1
212 吊耳 1
213 鞍座设计 1
214 接位置 1
2141 壳程接位置尺寸 1
2142 箱接位置尺寸 1
第三章 U型式式换热器制造工艺检验 1
31 总体制造工艺 1
32 换热器质量检验 1
33 箱壳体头盖制造检验 1
34 换热制造检验 1
35 板折流板制造检验 1
36 换热板连接 1
37 束组装 1
38 箱热处理 1
39 换热器水压试验 1
第四章 焊接工艺评定 1
41 壳体焊接工艺 1
411 壳体焊接序 1
412 壳体环焊缝 1
42 换热板焊接 1
421 焊接工艺 1
422 焊接缺陷 1
43 法兰筒体焊接 1
第五章 换热器安装维修 1
51 安装 1
52 维修 1
结 1
参考文献 1
致 谢 1
第章 绪
11 概
U形换热器壳式换热器种属石油化工设备箱壳体束等部件组成换热成U形名换热器化工炼油动力食品轻工原子制药机械许工业部门广泛种通设备化工厂中换热设备投资约占总资产1020炼油厂中约占总资产3540[3]
工业生产中换热设备作热量温度较高流体传递温度较低流体流体温度达工艺程规定指标满足工艺程需外换热设备回收余热废热特低位热效装置例烟道气高炉炉气需冷化学反应工艺气等余热通余热锅炉产生压力蒸汽作供热供气发电动力辅助源提高热总利率降低燃料消耗电耗提高工业生产济效益
12 换热器研究现状发展趋势
121 换热器研究现状
国外换热器研究工作直重视着源日趋紧张环境保护求提高换热器研究越越受方面欢迎支持
国研究机构高等院校传热理高效换热器研究直非常重视走引进消化吸收发展开发历程强化传热元件方面华南理工学相继开发出表面孔螺旋槽波纹横等西安交通学板翅式换热器研究方面已取定成果兰州石油机械研究开发出折流杆换热器高效重沸器新结构高效换热器等批实价值高系列高效换热器技术成果国民济快速发展中国炼油化工业发展起巨作中国传热技术水步入国际先进水[4]
20世纪70年代世界爆发源危机国传统换热设备强化传热研究逐渐兴起时日方兴未艾
国外换热市场调查表明式换热器占64然种板式换热器竞争力升式换热器占导低位着动力石油化工工业发展设备继续想着高温高压型化方发展换热器结构方面少新发展集中两方：开发新品种换热器板式螺旋板式振动盘式板翅式等换热器设计思想提高换热器紧凑度换热效率二传统式换热器采强化传热措施种异型强化取代原光螺纹横纹缩放翅片等
应国外关换热器设计软件层出穷
美国传热研究公司国际性非盈利性合作研究机构会员数百家遍全球传热机理两相流振动污垢模拟测试技术方面作出贡献年该公司计算机应软件开发发展快开发网络优化软件种换热器工艺设计软件计算准确仅节省力提高效率提高技术济性目前国20家企业成会员
英国传热流体服务中心隶属英国原子理局该中心会员数百家长期事传热流体课题研究积累验研究成果仅原子工业般工业传热流体计算更精确开发HTFSTASC类换热器计算软件备受欢迎国30家企业成会员
122 换热器研究发展趋势
1221 计算流体力学(CFD)模型化设计应
换热器热流分析中 引入计算机技术 换热器中介质复杂流动程进行定量模拟仿真目前 基计算机技术热流分析已然流剥离流振动流湍流热传导等直接模拟仿真 辐射传热相流稠液流机理仿真模拟等方面基础 换热器模型设计设计开发中 利CFD分析结果相应模型实验数 计算机换热器进行更精确细致设计
1222 换热器强化传热技术发展
采强化传热元件改进换热器结构强化传热技术种显著改善换热器传热性节技术根传热物流条件情况 壳程传热强化研究必然强化传热优化组合相联系换热器强化传热技术发展方
1223 非金属材料应
非金属材料定范围具金属材料拟优点石墨材料具优良导电导热性 较高化学稳定性良机加工性氟塑料具特优良耐腐蚀性氟塑料耐腐蚀性极强 金属材料相具成优势复合材料搪瓷玻璃具优良耐腐蚀性良耐磨性电绝缘性表面光滑易粘附物料等优点 已制作换热产品陶瓷材料优异耐腐蚀性耐高温性引起工业界高度重视已换热产品制造中应成果石墨换热器聚四氟乙烯换热器等
13 设计容思想
131 设计容
采固定板换热器设计计算条件：
壳程：介质丙烯晴苯乙烯乙苯微量凝气体混合物设计压力Pc01Mpa设计温度t70℃壳程圆筒径Di700 mm 材料0Crl8Ni9
程：介质冷冻盐水设计压力Pc045MPa设计温度t12℃程圆筒径壳程相材料20A换热长度3000mm换热规格19mm×20mm换热间距25mm数量280根4程
试完成结构设计强度计算
132 设计思想
设计应遵循优质高产安全低耗原采先进技术新国家行业标准满足技术先进济合理求具体概括：
（1）根GB1511999钢制压力容器压力容器钢等国家标准进行设计
（2）满足工艺操作求设计流程设备应确保质量稳定产品时设计流程设备具定操作弹性期方便流量传热量进行调节
（3）满足济求设计省热电消耗减少设备基础费选择合适回流节省水蒸汽设计时全面考虑力求总费低
（4）保证生产安全设计换热器应具定刚度强度设计中应根设计压力确定壁厚校核零件强度进行水压试验保证容器具足够腐蚀裕度
第二章 换热器结构设计强度计算
确定换热器换热面积应进行换热器体结构零部件设计强度计算包括壳体封头厚度计算材料选择板厚度计算浮头盖浮头法兰厚度计算开孔补强计算构件设计（箱壳体折流板拉杆等）连接（包括板箱连接子板连接壳体板连接等）具体计算
21 壳体箱厚度确定
211 壳体箱材料选择
设计换热器属常规容器工厂中采低碳低合金钢制造综合成条件等考虑选择16MnR壳体箱材料[8]
16MnR低碳低合金钢具优良综合力学性制造工艺性强度韧性耐腐蚀性低温高温性均优相含碳量碳素钢时采低合金钢减少容器厚度减轻重量节约钢材
212 圆筒壳体厚度计算
焊接方式：选双面焊接接头100损探伤焊接系数
根GB6654压力容器钢板GB3531低温压力容器低合金钢板规定知16MnR钢板负偏差
材料许应力Mpa（厚度6～16mm时）壳体计算厚度式计算：
（31）
设计厚度
名义厚度（中圆整量）
查厚度8mm时厚度满足求检查没变化合适
213 箱厚度计算
箱两部分组成：短节封头
2131 箱厚度计算
箱椭圆形箱椭圆形封头应力分布较均匀深度较半球形封头易压成型
时选标准椭圆形封头封头计算厚度：
（32）
设计厚度023+2223mm
名义厚度223+1+10mm（圆整量）
检查没变化合适
查JBT4746—2002钢制压力容器封头封头型号参数：
表31 DN700标准椭圆形封头参数
DN(mm)
总深度H(mm)
表面积A(m)
容积()
封头质量（㎏）
700
200
05861
00545
461
短节部分厚度封头处厚度10mm
封头图示：
图31 椭圆封头示意图
2132 壳程筒体封头厚度计算
U形换热器设计端封头封头直径700mm
选标准椭圆形封头K1计算厚度：
（33）
设计厚度023+2223mm
名义厚度223+1+10mm（圆整量）
检查没变化合适
查JBT4746—2002钢制压力容器封头封头型号参数：
表32 DN700标准椭圆形封头参数
DN(mm)
总深度H(mm)
表面积A(m)
容积(m)
封头质量（㎏）
700
200
05861
00545
461
短节部分厚度封头处厚度10mm
22 开孔补强计算
该台U形换热器壳程流体进出口壳体程流体进出口箱避免换热器开孔开孔削弱器壁强度外壳体接连接处结构连接性破坏会产生高局部应力会换热器安全操作带隐患时应进行开孔补强计算
程壳程出入口公称直径分100mm250mm厚度系列选壳程接规格程接规格接材料选20号钢查GB1501998
计算中符号：
—开孔削弱需补强截面积
—补强面积
—壳体效厚度减计算厚度外余面积
—接效厚度减计算厚度外余面积
—焊缝金属面积
—补强效宽度
—开孔直径圆形孔取接径加两倍厚度附加量mm
—强度削弱系数等设计温度接材料壳体材料许应力值该值10时取
—接外侧效补强高度mm
—接侧效补强高度mm
—壳体开孔处计算厚度mm
—壳体开孔处效厚度
—接效厚度
—壳体开孔处名义厚度mm
—接名义厚度mm
—接计算厚度mm
—设计温度接材料许应力
—设计温度壳体材料许应力
221 壳程进出口接补强计算
2211 补强补强方法判
（1）补强判：根GB151表81允许行补强接外径开孔外径273mm需行考虑补强
（2）开孔直径满足等面积法开孔补强计算适条件等面积法进行开孔补强计算
2212 开孔需补强面积计算
强度削弱系数
接效厚度
开孔需补强面积式计算：
（34）
2213 效补强范围
（1）效宽度B：
（2）效高度：
（a）外侧效高度：
（b）侧效高度：
2214 效补强面积
（1）壳体余金属面积：
壳体效厚度：
余金属面积：
（35）
（2）接余金属面积：
接计算厚度：
（36）
接余金属面积：
（37）
（3）接区焊缝面积（焊脚取6mm）：
（4）效补强面积：
开孔需行补强
222 箱开孔补强计算
2221 补强补强方法判
（1）补强判：根GB151表81允许行补强接外径开孔外径116mm需行考虑补强
（2）开孔直径满足等面积法开孔补强计算适条件等面积法进行开孔补强计算
2222 开孔需补强面积计算
强度削弱系数
接效厚度
开孔需补强面积式计算：
2213 效补强范围
（1）效宽度B：
（2）效高度：
（a）外侧效高度：
（b）侧效高度：
2224 效补强面积
（1）箱余金属面积：
箱效厚度：
余金属面积：
（2）接余金属面积：
接计算厚度：
接余金属面积：
（3）接区焊缝面积（焊脚取6mm）：
（4）效补强面积：
>开孔需行补强
223 排液排气孔补强计算
排气排液孔开口远述两种开孔开孔需补强
23 水压试验
设试验温度常温
（38）
校核水压试验时圆筒薄膜压力：
（39）
水压试验合格
24 换热
设计条件知换热规格材料选12CrMo
241 换热排列方式
换热板排列正三角形排列正方形排列正方形错列三种排列方式图31种排列方式特点：①正三角形排列：排列紧凑外流体湍流程度高②正方形排列：易清洗热效果较差③正方形错列：提高热系数[9]
图32 换热排列方式
选择正三角形排列
查GB1511999知换热中心距S25mmU形弯曲半径R应两倍换热外径分程隔板槽两侧相邻中心距50mm时换热间需进行机械清洗相邻两间净空距离（Sd）宜6mm
242 验证U型尾部支撑
根GB151中U型换热器规定弯段起支撑作折流板图结构尺寸A+B+C应支撑跨距超表中数值时应弯部分加特殊支撑
图33 U型尾部支撑
参设计U型换热器装配图：
：
满足条件需行设置特殊支撑
243 布限定圆
查GB151知布限定圆直径式（38）计算：
（310）
中：
取
244 排
排时须注意：拉杆应量均匀布置束外边缘折流板缺边位置处布置拉杆间距等700mm拉杆中心折流板缺边距离应量控制换热中心距（05～15）范围[10]
布限定圆未布满空间假补充图
程换热器程数应量相等相误差应控制10超20
实际排示：
图34 布图
图知实际排发现知程数相误差0满足条件
245 换热束分程
里首先先提箱箱作道输送流体均匀分布换热流体汇集起送出换热器程换热器中箱起改变流体流作
选择换热器4程箱选择程隔板安置形式换热束分程采T型分程图布图34
246 换热板连接
换热板连接方式强度焊强度胀胀焊
强度胀接适设计压力≤40Mpa设计温度≤300°C操作中剧烈振动温度波动明显应力腐蚀等场合[11]
较振动缝隙腐蚀场合强度焊接材料焊性场合
胀焊密封性求较高承受振动疲劳载荷缝隙腐蚀需采复合板等场合
根设计压力设计温度操作状况选择换热板连接方式强度焊接
25 板设计
板壳式换热器重零部件排布换热程壳程流体分隔开避免冷热流体混合时受程壳程压力温度作[10]流体具轻微腐蚀性采工程常16MnR整体板查设计温度许应力：
251 板壳体连接
U形换热器求束够方便壳体中抽出进行清洗维修换热器固定端板采拆式连接方式U型换热器采a型连接方式
252 板计算
符号说明：
A——布区范围设置隔板槽拉杆结构需未换热支承面积mm正三角形排列
n——隔板槽侧排根数
S——换热中心距
S——隔板槽两侧邻中心距
A——板布区面积mm程正方形排列换热器
a——根换热壁金属横截面积mm
D——固定端板垫片压紧力作中心圆直径mm
D——板布区量直径mm
d——换热外径mm
l——换热板胀接长度焊脚高度mm
n——换热根数
q——换热板连接拉脱力MPa
[q]——许拉脱力查GB151MPa
——板计算厚度mm
——换热壁厚度mm
——板强度削弱系数般取
——系数
——设计温度时板材料许应力MPa
——设计温度时换热材料许应力MPa
板厚度计算程：
（a） 根布尺寸计算根法兰密封面形式垫片尺寸计算计算
（311）
（312）
根垫片尺寸法兰密封面知垫片基密封宽度
垫片效密封宽度
根式计算：
（b） 计算查表
根GB151表22查
（c） 确定板设计压力程壳程压力时作：
（d） 计算板计算厚度：
（313）
厚度附加量名义厚度：
考虑拉杆拧入板厚度20mm圆整板厚度30mm
圆整
（e） 计算换热轴应力
前知换热材料12CrMo设计温度需应力换热板间采强度焊接连接换热轴应力式（314）计算：
（314）
中：
列三种工况分布计算换热轴应力：
壳程设计压力程设计压力时根公式（314）：
程设计压力壳程设计压力时根公式（314）：
壳程设计压力程设计压力时作时根公式（314）：
工况计算结果均满足换热满足轴应力强度求
（f）换热板连接拉脱力
式（315）进行计算：
（315）
取工况换热轴应力计算轴应力满足求换热板拉脱离满足强度求：
GB151中关[q]规定：
根计算结果换热板连接拉脱力满足强度求
26 折流板
设置折流板目提高壳程流体流速增加湍动程度程流体垂直刷束改善传热增壳程流体传热系数时减少结构卧式换热器中起支撑束作常见折流板形式弓形圆盘—圆环形两种中弓形折流板单弓形双弓形三弓形三种工程较单弓形折流板
261 折流板型式尺寸
时选弓折流板方排列样造成液体剧烈扰动增传热膜系数
方便选材选折流板材料选16MnR前知弓形缺口高度195mm折流板间距300mm数量19块查GB1511999知折流板厚度4mm时选厚度6mm时查GB1511999知折流板名义外直径
262 折流板排列
该台换热器折流板排列示意图示：
图35 折流板排列示意图
263 折流板布置
般应束两端折流板壳程进出口余折流板等距离布置板折流板板间距离l应式计算：
（316）
中：L——壳程接位置尺寸mm
b ——板名义厚度mm
B——防板长度防板时B应接径mm
查GB151中C应3倍壳体壁厚50100mm取C60mm
取
38防挡板边长
取l550mm
27 拉杆定距
271 拉杆结构形式
常拉杆形式两种：
（1） 拉杆定距结构适换热外径等19mm束 （LGB1511999表45规定）
（2）拉杆折流板点焊结构适换热外径等14mm束
时换热外径25mm选拉杆定距结构
272 拉杆直径数量布置
具体尺寸示：
图36 拉杆示意图
表33 拉杆参数表
拉杆直径d
拉杆螺纹公称直径d
L
L
b
拉杆数量
16
16
20
≥60
2
8
中拉杆长度L需确定
拉杆应量均匀布置束外边缘直径换热器布区折流板缺口处应布置适数量拉杆折流板应少3支承点
台换热器拉杆布置参零件图
273 定距
定距规格换热长度实际需确定台换热器定距布置参部件图
28 防板
壳程流体需设置防板取防挡板矩形材料16MnR厚度6mm边长300mm防板外表面圆筒壁距离取50mm
换热流体流速036ms<3ms需程设置防板
29 法兰垫片
换热器中法兰包括箱法兰壳体法兰接法兰 垫片箱垫片
291 固定端壳体法兰箱法兰箱垫片
（1） 查JB47002000压力容器法兰选固定端壳体法兰箱法兰长颈焊法兰夹持板均凹面法兰材料锻件20MnMoⅡ具体尺寸：（单位mm）
图37 长颈焊法兰示意图
表34 DN700长颈焊法兰尺寸
DN
法兰
螺柱
接筒体厚度
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）时查JB47002000压力容器法兰根设计温度选择垫片型式金属包垫片材料0Cr18Ni9尺寸：
图38 垫片示意图
表35 箱垫片尺寸
PN(Mpa)
DN(mm)
外径D(mm)
径d(mm)
垫片厚度
01
700
739
700
3
292 接法兰型式尺寸
根接公称直径公称压力查HG20592～20635－97钢制法兰垫片紧固件选择带颈焊钢制法兰选凹凸密封面具体尺寸表37示： （单位mm）
图39 接法兰示意图
表36 带颈焊钢制法兰
公
称
直
径
DN
钢外径（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
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
63
16
10
68
156
100
116
116
220
180
18
8
M16
22
130
130
36
12
6
52
539
210 分程隔板
程换热器处需分程隔板材料封头箱短节相16MnR
查GB1511999知：分程隔板槽槽深取6mm槽宽12mm拐角处脚45°分程隔板厚度10mm取厚度12mm
分程隔板布置见图33
211 排气排液
提高传热效率排回收工作残液（气）分换热器壳程高点程低点设置排气排液接端部壳体箱壳体壁齐结构安装尺寸见装配图零部件图示
212 吊耳
该换热器箱部分重量30kg箱设置吊耳2尺寸安装尺寸见装配图零件图示
213 鞍座设计
该设备卧式换热器筒体直径根JBT4712选BI型重型鞍式支座：BI700S包角120°材料选Q235B安装尺寸见装配图中根GB151中相关规定取
中L换热长度两鞍座距离鞍座法兰密封面距离
表37 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
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310 鞍座基尺寸
214 接位置
换热器设计中传热面积充分利壳程流体进出口接应量接两端板箱进出口接量箱法兰缩短箱壳体长度减轻设备重量然保证设备制造安装口距距离太受位置限制
2141 壳程接位置尺寸
接带补强圈应式计算：
（316）
图311 壳程接位置示意图
式中：L——壳程接位置尺寸mm
C ——补强圈外边缘板壳体连接焊缝间距离计算中取C>4S（S壳体厚度mm）等50100mm
d——接外径mm
b ——板厚度mm
实际画图 mm满足位置
2142 箱接位置尺寸
带补强圈接应式计算：
（317）
图312 箱接位置示意图
式中：d——箱接外径
h——法兰高度100mm
实际画图满足位置求
换热器结构设计强度计算已基结束说换热器设计计算已完成计算结果通装配图部件图零件图表现出中该台U形换热器基结构图示：
图313换热器基结构
第三章 U型式式换热器制造工艺检验
31 总体制造工艺
制造工艺：选取换热设备制造材料牌号进行材料化学成分检验机械性合格钢板进行矫形方法包括手工矫形机械矫形火焰矫形
具体程：备料——划线——切割——边缘加工（探伤）——成型——组——焊接——焊接质量检验——组装焊接——压力试验
32 换热器质量检验
化工设备仅制造前原材料进行检验制造程中时进行检查质量检验[12]
设备制造程中检验包括原材料检验工序间检验压力试验具体容：
1原材料设备零件尺寸形状检验
2原材料焊缝化学成分分析力学性分析试验金相组织试验总称破坏试验
3原材料焊缝部缺陷检验检验方法损检测包括：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
33 箱壳体头盖制造检验
1壳体料辊压程中必须心谨慎筒体椭圆度求较高保证壳体折流板间合适间隙
2箱分程隔板两侧全长均应焊接应具全焊透焊缝
3板材卷制圆筒时直径允许偏差通外圆周长加控制外圆周允许偏差10mm偏差零
4圆筒断面直径直径差e≤05DNDN≤1200mm值≤5mm
5圆筒直线度允许偏差L1000（L圆筒总长）时L6000mm值≤45mm
6壳体壁碍束利装入抽出焊缝均应磨母材表面齐
7壳体设置接附件导致壳体变形较影响束利安装时应采取防止变形措施
8焊接残余应力较箱封头法兰等焊接须进行消应力热处理进行机械加工
34 换热制造检验
1 加工步骤：料——校直——锈（清氧化皮铁锈污垢等杂质）
2 换热直应采整根子允许接缝
3 端清理长度应外径25mm
35 板折流板制造检验
1板拼接应进行消应力热处理板拼接焊缝须100射线超声波探伤检查
2换热板采焊接连接孔表面粗糙度Ra值25
3板孔加工步骤：料——校——车削面外圆压紧面——划线——定位孔加工——钻孔——倒角
4板钻孔应抽查60°板中心角区域孔区域允许4孔偏差+020015
5折流板孔加工步骤：料——毛刺——校——重叠压紧——周边点焊——钻孔（必须折流板孔板孔中心直线）——划线——钻拉杆——加工外圆
6折流板外圆表面粗糙度Ra值25外圆面两侧尖角应倒钝
7应板折流板毛刺
36 换热板连接
1连接部位换热板孔表面应清理干净应留影响胀接焊接连接质量毛刺铁屑锈斑油污等
2焊接连接时焊渣凸出换热壁焊瘤均应清焊缝缺陷返修应清缺陷焊补
37 束组装
组装程：
板折流板拉杆定距组合调整衬垫板面组装台垂直板折流板中心线致然根根插入传热
组装时应注意：
1两板相互行允许误差1mm两板间长度误差±2mm子板间应垂直
2拉杆螺母应拧紧免装入抽出束时折流板窜动损伤换热
3穿时应强行敲换热表面应出现凹瘪划伤
4换热板间焊接连接外零件均准换热相焊
38 箱热处理
碳钢低合金钢制焊分程隔板箱箱侧开孔超13圆筒径箱施焊作消应力热处理设备法兰密封面应热处理加工
39 换热器水压试验
水压试验目检验换热器束单否破损胀口否松动法兰接口否严密壳式换热器水压试验序样特说明浮头式换热器水压试验序：
1试验压环进行头试压：束装入壳体箱侧装试压法兰然壳程试压检查胀口否泄漏果板某口滴水该已破损现场技术员决定更换新堵死
2程试压：程加压检查箱法兰结合处泄漏
3壳程试压：安装壳体封头壳体加压检查封头接口泄漏
第四章 焊接工艺评定
章叙述部件焊接工艺中应注意问题
41 壳体焊接工艺
411 壳体焊接序
焊接壳体时应先焊筒节缝焊校圆组装焊接环缝注意必须先焊缝焊环缝先环缝焊焊缝时筒体膨胀收缩受环缝限制结果会引起应力甚产生裂纹
条焊缝焊接次序先焊筒体里面焊完外面碳弧气刨清理焊根容易产生裂纹气孔第层焊缝基刨掉磁粉着色探伤确信没缺陷存焊外侧
412 壳体环焊缝
壳体材料16MnR焊性较焊前需进行预热采埋弧动焊开V型坡口采H08Mn2焊丝HJ431焊剂焊完需加热600～650℃进行焊热处理消残余应力软化淬硬部位提高韧性
42 换热板焊接
421 焊接工艺
换热板焊接般采手工电弧焊广泛采惰性气体保护焊选择焊接方式手工电弧焊子材料12CrMo板材料锻件16MnR两者焊接性较板厚度较时应进行焊前预热预热温度100～200°C选焊条J506焊热处理温度600～650°C消残余应力
422 焊接缺陷
子板焊接问题焊接缺陷缺陷般气孔裂纹直接关系工程质量产生气孔附子板孔油脂铁锈空气堆焊板时复层中夹焊渣受热时分解造成焊接前特注意焊接部位脱脂锈产生缺陷裂纹果接头化学成分控制热影响区度硬化结点处油污子板孔配合间隙等易焊缝处引起裂纹
43 法兰筒体焊接
法兰筒体焊接属C类接头法兰材料锻件20MnMoⅡ筒体材料16MnR两者具良综合机械性焊接性时采埋弧动焊焊丝H10MnSiA焊剂HJ250焊需进行消应力热处理需热处理温度控制550～650°C
第五章 换热器安装维修
51 安装
1．基础：基础必须满足换热器发生沉道变形传
换热器接
2．脚螺栓：采二次交法连接
3．基础质量检查验收：
(1) 基础工程表面概况
(2) 基础标高面位置否符合设计求
(3) 基础形状尺寸基础留空否符合设计求
(4) 脚螺栓位置否正确螺纹情况否良螺纹长度否符合标准螺帽垫圈否齐全
(5)放置垫板基础表面否整
52 维修
壳式换热器失效原形式：
1．法兰垫片泄漏腐蚀引起失效
2．介质流动诱导震动引起束失效
3．结垢引起束失效
官壳式换热器束修理：
1．堵
2．更换束
3．更换换热
修理换热器 应列关修理文件存入换热器技术档案中：
1．换热器修理更换零部件竣工图
2．材料审批手续
3．材料焊材合格证
4．换热器检修记录全面检验验收纪录
结
周努力该U形换热器研究工作已全部完成该换热器块板束根U形组成两端固定块板子伸缩壳体U形温差时会产生热应力
台换热器存弊端受弯曲曲率半径限制换热排布较少束层间距较板利率较低壳程流体易形成短路传热利弥补种弊端笔者壳体中部设置两块中间挡板质解决问题外子泄漏损坏时束外围处U形便更换层换热坏更换堵死
尚解决问题：板利率高问题程流体进出口偏置引起强度削弱问题U形束难清洗问题
参考文献
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[2] ASME Boiler & Pressure Vessel CodeSection ⅧRules for Construction of Pressure VesselDivision 21998
[3] 秦叔叶文邦等换热器[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] 匡国柱史启化工单元程设备课程设计[M]北京化学工业出版社2001
[6] GB1511999壳式换热器[S]北京：中国标准出版社2000
[7] 郑津洋程设备设计[M]北京：化学工业出版社2001
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[9] 聂清德编化工设备设计[M] 北京：化学工业出版社1996
[10] 钱颂文编换热器设计手册[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 FHarveyPE Theory and Design of Pressure VesselSecond EditionNew YorkVan Nostrand Reinhold Company1991
致 谢
较仓促完成毕业设计期间遇种繁琐问题杨老师帮助支持求严格细节追求印象深刻受益匪浅丝苟作风仅学术问题应该坚持更时生活中应该恪守衷感谢杨老师谢谢期间老师学热心帮助表示衷心感谢然该设计足处希老师予纠正次感谢
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