塔顶冷凝器器机械设计

塔顶冷凝器器机械设计

汪海洋

中汽昌兴（洛阳）机电设备工程有限公司 471000

摘  要

本设计说明书是关于PN2.5，DN800浮头式换热器的设计，主要是进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。

设计的前半部分是工艺计算部分，主要是根据给定的设计条件估算换热面积，从而进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降和壁温的计算。设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件（如接管、折流板、定距管、钩圈、管箱等）的设计，包括：材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。最后设计结果可通过6张图表现出来。

关于浮头式换热器设计的各个环节，设计说明书中都有详细的说明。

关键词：管壳式换热器；浮头式换热器；管板；浮头盖；浮头法兰

引言

换热器是以两种不同温度的流体进行热量交换的设备，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。

2 机械设计计算

机械设计工艺参数

2.1 筒体厚度

计算压力：2.0×1.1=2.2Mpa

设计温度：200℃

内径：800mm

材料：Q345R

试验温度许用压力：170 Mpa

设计温度许用压力：170 Mpa

试验温度下屈服极限：345 Mpa

钢板负偏差：C1=0.8mm

腐蚀裕量：C2=2mm

计算厚度： 

取碳素钢或低合金钢筒体最小厚度10mm

设计厚度：

名义厚度：

有效厚度：

取碳素钢或低合金钢筒体最小厚度14

满足水压试验要求。

2.1.2 前端管箱筒体计算

计算压力：2.0×1.1=2.2Mpa

设计温度：200℃

内径：800mm

材料：Q345R

试验温度许用压力：170MPa

设计温度许用压力：170 MPa

试验温度下屈服极限：345 MPa

钢板负偏差：C1=0.8mm

腐蚀裕量：C2=2mm

计算厚度： 

取碳素钢或低合金钢筒体最小厚度10mm

设计厚度：

名义厚度：

有效厚度：

取碳素钢或低合金钢筒体最小厚度14mm

满足水压试验要求。

3 换热器的特性

3.1 腐蚀

换热器腐蚀的主要部位是换热管、管子与管板连接处、管子与折流板交界处、壳体等。

3.2 制造

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

3.3 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。

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：

原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验；

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；

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；

设备试压，包括：水压试验、介质试验、气密性试验等。

3.4 焊接

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。

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20号钢，而管板的材料为锻件16MnⅡ，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℃，选用焊条J506，焊后热处理温度为600～650℃，以消除残余应力。

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℃。

3.5 安装

应根据换热器的结构型式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要；

活动制作的基础面撒谎能够应预埋滑板。

可抽管束换热器安装前应抽芯检查、清扫。抽管束时，应注意保护密封面和折流板。移动和起吊管束时，应将管束放置在专用的支承结构上，以避免损伤换热管；

安装前一般应进行压力试验。当图样有要求时，应进行气密性实验。

活动支座的地脚螺栓应装有两个锁紧的螺母，螺母与底板间应留有1～3㎜的间隙。

地脚螺栓两侧均应有垫铁。设备找平后，斜垫铁可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死；

垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。

应在不受力的状态下连接管线，避免强力装配；

拧紧换热器螺栓时，一般应按GB151-1999图63表示的顺序进行，并应涂

抹适当的螺纹润滑剂。

3.6 试车

试车前应查阅图纸有无特殊要求和说明，铭牌有无特殊标志，如管板是否按压差设计，对试压、试车程序有无特殊要求等；

试车前应清洗整个系统，并在入口接管处设置过滤网；

系统中如无旁路，试车前应增设临时旁路；

开启放气口，使流体充满设备；

当介质为蒸汽时，开车前应排空残液，以免形成水击；有腐蚀性的介质，停车后应将残存介质排净；

开车或停车过程中，应缓慢升温和降温，避免造成压差过大和热冲击。

3.7 维护

换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行；

应经常对管、壳程介质的温度及压降进行监督，分析换热器的泄漏和结垢情况；在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，应根据介质和换热器的结构，选择有效的方法进行清洗；

应经常监视管束的振动情况。

参考文献

[1] GB150-1999, 钢制压力容器.

[2] GB151-1999, 管壳式换热器.

[3] JB／T4700～4707-2000, 压力容器法兰.

[4] JB／T4714-92, 浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数.

[5] JB／T4705-2000, 缠绕垫片.

[6] JB／T4721-92, 外头盖侧法兰.

[7] JB／T4712-92, 鞍式支座.

[8] HG20592～20635-97, 钢制管法兰、垫片、紧固件.

[9] JB／T4736-2002, 补强圈.

[10] JB／T4746-2002, 钢制压力容器用封头.

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