固定管板式换热器_固定管板式换热器设计
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固定管板式换热器
内容提要：换热器是用于物料之间进行热量传递的过程设备。通过这种设备使物料能达到指定的温度以满足工艺的要求。在目前大型化工及石油化工装置中，采用各种换热的组合，就能充分合理地利用各种等级的能量，使产品的单位能耗降低，从而降低产品的成本已获得好的经济效益。因而，在大型化工及石油化工生产过程中，换热器得到越来越广泛的应用。在化工厂中，换热器所占比例也有了明显提高，成为最重要的单元设备之一。
绪论
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投资的10%-20%；在炼油厂中，约占总投资的35%-40%。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量又温度较高的流体传递给温度较低的流体，使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，换热设备也是回收余热，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，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，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。
一、设计压力的确定
压力为压力容器的设计载荷之一，其值不低于最高工作压力。最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。设计压力应视内压和外压容器分别取值。
当内压容器上装有安全泄放装置时，其设计压力应根据不同形式的安全泄放装置确定。装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不应低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的1.05-1.10倍；装设爆破片时，设计压力不得低于爆破片的爆破压力。
对于盛装液化气体的容器，由于容器内介质压力为液化气体的饱和蒸汽压，在规定的装量系数范围内，与体积无关，仅拒绝于温度的变化，故设计压力与周围的大气环境温度密切相关。此外还要考虑容器外壁有否保冷设施，可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响，即设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。
计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。
二、设计温度
设计温度也为压力容器的设计载荷条件之一，它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度。当元件金属温度不低于0℃时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金属温度低于0℃时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。GB150规定设计温度等于或低于-20℃的容器属于低温容器。元件的金属温度可以通过传热计算或实测得到，也可按内部介质的最高温度确定，或在基准上增加（或减少）一定数值。
设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。
三、厚度及厚度附加量的设计
设计时要考虑厚度附加量C由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2组成，C=C1+C2 ,不包括加工减薄量C3。
计算厚度（δ）是按有关公式采用计算压力得到的厚度。设计厚度（δd）系计算厚度与腐蚀裕量之和。
名义厚度（δn）指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。
有效厚度（δe）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。
腐蚀裕量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀，机械磨损而导致厚度消弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体，封头，接管，等受压元件，均应考虑材料的 2 腐蚀裕量。腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定。在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，C2 不小于1mm；对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取C2=0。
四、焊接接头系数
通过焊接制成的容器，焊缝中可能存在夹渣，未熔透，裂纹，气孔等焊接缺陷，且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使母材强度或塑性有所降低，因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体的强度削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数。焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。
五、许用应力
许用应力是容器壳体，封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数之比，设计时必须合理的选择材料的许用应力，采用过小的许用应力，会使设计的部分过分笨重而浪费的材料，反之则使部件过于单薄而容易破损。
材料强度失效判据的极限值可以用各种不同的方式表示，如屈服点s，抗拉强度b，持久强度D，蠕变极限n等。应根据失效类型来确定极限值。
在蠕变温度以下通常取材料常温下最低抗拉强度b，常温或设计温度下的屈服点或st三者除以各自的材料设计系数后所得到的最小值，作为压力容器受压元件设计时的许用应力，即按下式取值 []=min{
bsst}，也即是说设，nbnsns计受压元件时，以抗拉强度和屈服点同时来控制许用应力。因为对韧性材料制作的容器，按弹性失效设计准则，容器总体部位的最大应力强度应低于材料的屈服点，故许用应力应以屈服点为基准。目前在压力容器设计中，不少规范同时用抗拉强度作为计算许用应力的基准，其目的是为能在一定程度上防止断裂失效。
当碳素钢和低合金钢的设计温度超过420℃，铬钼合金钢的设计温度高于450℃，奥氏体不锈钢设计温度高于550℃时，有可能产生蠕变，因而必须同时
tt考虑基于高温蠕变极限n或持久强度D的许用应力。
材料设计系数的一个强度保险系数，主要是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量，其大小与应力计算的精确性，材料性能的均匀性，载荷的确切程度，制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系。材料设计系数数值的确定，不仅需要一定的理论分析更需要长期实践经验积累。近年来，随着生产的发展和科学研究的深入，对压力容器设计，制造，检验和使用的认识日益全面，深刻，材料设计系数也逐步降低。例如，20实际50年代中国取nb≥4.0，ns≥3，0，而现在则为nb≥3.0，ns≥1.6.GB150给出了钢板，钢管，锻件以及螺栓材料在设计温度下的许用应力同时也列出了确定钢材许用应力的依据。螺栓的许用应力应根据材料的不同状态和直径大小而定。为保证螺栓法兰连接结构的密封性，必须严格控制螺栓的弹性变形。一般情况下，螺栓材料的许用应力取值比其他受压元件材料低；同时为防止小直径螺栓在安装时断裂，小直径螺栓的许用应力也比大直径的低。
六、材料的选取
压力容器材料的选取，压力容器材料费用占总成本的比例很大，一般超过30%。材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。选材不当，不仅会增加总成本，而且有可能导致压力容器破坏事故。因此，合理选材是压力容器设计的关键之一。压力容器用料多种多样，有钢，有金属，非金属，复合材料等，压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性，韧性，制造性能和与介质形容性。改善钢材性能的途径主要有化学成分的设计，组织结构的改变和零件表面改性。
（一）化学成分
钢材的化学成分对其性能和热处理有较大的影响。提高碳含量可能使强度 增加，但是可焊性变差，焊接时易在热影响区出现裂纹。因此，压力容器用钢的含碳量一般不大于0.25%。在钢中加入钒，钛，铌等元素，可提高钢的强度和韧性。
硫和磷是钢中最主要的有害元素。硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑料和 4 韧性降低。磷能使高钢的强度，使会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性，抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能，抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对磷，硫，氢等有害杂质元素含量的控制更加严格。例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0，020%和0.030%。随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在0.002%以内。
另外，化学成分对热处理也有决定性的影响，如果对成分控制不严，就达不到预期的热处理效果。
（二）力学与性能
由于载荷和应力状态的不同，以及钢材在受力状态下所处的工作环境的不同，钢材受力后所表现出的不同行为，称为材料的力学行为。例如，低碳钢拉伸试件缩颈中心部位处于三向应力状态，出现的是大体上与载荷方向垂直的纤维状断后，而边缘区域接近平面应力状态，产生的是与载荷成45°的剪切唇。因此，钢材的力学行为，不仅与钢材的化学成分，组织结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系。
钢材的力学性能主要的表征强度，韧性，塑性变形能力的判据，是近些设计时选材和强度计算的主要依据。压力容器设计中，常用的强度判据包括抗拉强度b，屈服点s，持久强度D，蠕变极限n和疲劳极限1；塑性判据包括延伸率5，断面收缩率；韧性判据包括吸收功AKV，韧脆转变温度，断裂韧性等。
韧性对压力容器安全运行具有重要意义。在载荷作用下，压力容器中的缺陷常会发生扩展，当裂纹扩展到某一临界尺寸时将会引起断裂事故，此临近裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性。如果钢的韧性高，压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大，安全性也越高。因此，为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展，压力容器常选用韧性好的钢材。
（三）制造工艺性能
材料制造工艺性能的要求与容器结构形式和使用条件紧密相关。制造过程中进行冷卷，冷冲压加工的零部件，要求钢材有良好的冷加工成型性能和塑性，其延伸率5应在15%-20%以上。为检验钢板承受弯曲变形能力，一般应根据钢板的 5 厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角度为180°的弯曲实验。试样外表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。
压力容器各零件间主要采用焊接连接，良好的可焊性是压力容器用钢一项极其重要的指标。可焊性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的可焊性主要取决于它的化学成分，其中影响最大的是碳含量。含碳量越低，越不容易产生裂纹，可焊性越好。
结论
通过这次对固定管板式换热器的设计，了解到了固定管板式换热器的基本组成和其内部的细节组成，并且设计计算了壳体，管箱等厚度等一系列计算。固定管板式换热器结构简单，紧凑，能承受较高的压力，造价低。但当壳体和管束的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中会产生较大的热应力。所以设计了U行膨胀节来补偿。
近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的发展。在换热器向高参数，大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位。
参 考 文 献
[1]GB150-1998《钢制压力容器》［Ｍ］．北京：中国标准出版社．1998 [2]GB151-1999《管壳式换热器》［Ｍ］．北京：中国标准出版社．1999[3]国家质量技术监督局《压力容器安全技术监察规程》［Ｍ］．北京： 中国劳动社会保障出版社．1999
[4] ]国家质量技术监督局GB-16749《压力容器波形膨胀节》［Ｍ］．北京： 中国标准出版社．1997
[5]丁伯民等编．《化工设计全书》［Ｍ］． 北京：化学工业出版社，2003 [6]王绍良主编．《化工设备基础》［Ｍ］． 北京：化学工业出版社，2002
[7]王宽福编．《压力容器焊接结构工程分析》［Ｍ］ 7
北京：化学工业出版社，1998
