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粗丙酮塔冷凝器的设计1.docx

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粗丙酮塔冷凝器的设计1.docx

毕业设计(论文)任务书设计(论文)题目粗丙酮塔冷凝器的设计1.设计(论文)的主要任务及目标1)根据工艺条件查阅有关文献,写出文献综述,确定设计方案,正确选型。2)结构设计,材料选用,强度计算。3)设计图纸不少于6张1号图,设计说明书不少于40页。2.设计(论文)的主要内容详见设计工艺条件表3.设计(论文)的基本要求1)通过文献综述和外文文献翻译,提高查阅资料、阅读、翻译文献的能力和专业外语水平。2)综合运用已学的基础课和专业课知识掌握压力容器和化工设备的设计,熟练应用相关国家标准,部颁标准和规范,具有分析和解决工程实际问题的能力。3)能够较熟练掌握AutoCAD等计算机绘图软件,图纸各项内容符合制图标准,结构合理,视图正确,尺寸齐全,图表完备。4)设计中力争有创新,在设计中注重综合能力素质的培养,设计说明书要求论理正确,逻辑性强,文理通顺,层次分明,表达确切,有自己的见解和观点。4.主要参考文献09版固定式压力容器安全技术监察规程、GB150压力容器、GB151管壳式换热器、HG20580钢制化工容器设计基础规定等六合一;其他相关标准及参考资料等。5.进度安排阶段设计(论文)各阶段名称起止日期1查阅文献,文献综述,译文,开题2013.2.25~3.15(13周)2结构设计及计算2013.3.18~4.5(46周)3设计图纸(装配图)2013.4.8~4.26(79周)4设计图纸(零部件图)2013.4.29~5.17(1012周)5设计计算说明书2013.5.20~5.31(1314周)6答辩及查重检查2013.6.3~6.14(1516周)粗丙酮塔冷凝器的设计摘要本设计说明书详细介绍粗丙酮塔冷凝器的设计过程。首先根据工艺参数的要求,对换热器的管程结构和壳程结构进行初步设计,设计是根据现有换热器的结构标准进行参考和选择,包括了换热管、管程布置形式、前端管箱、折流板、浮头钩圈等零部件。确定浮头式换热器的结构后,然后依据管程工作介质和壳程工作介质的特性对换热器的各部分结构的制造材料进行一个合理的选择。结构设计计算部分是根据GB150-2011压力容器和GB151-1999管壳式换热器等标准对筒体、管箱、椭圆封头、球冠形封头、平盖、管板、浮头法兰、浮头盖等零件进行厚度计算和接管的开孔补强。此外还对管程、壳程进行水压试验计算及校核和介绍换热器的制造和检验。最后设计出来的换热器,以1张装配图,7张零部件图表现出来。关键词管板;浮头钩圈;浮头法兰CrudeacetonecolumncondenserdesignABSTRACTThedesignspecificationdescribesthecrudeacetonecolumncondenserdesignprocess.First,accordingtotherequirementsofprocessparameters,todothepreliminarydesignoftubestructureandshellstructureoftheheatexchanger.Designisbasedontheexistingheatexchangerstructurereferenceandselectioncriteria.Includingsomepartsandcomponentsoffloatingheadheatexchanger.suchastube,thearrangementofthepipe,tubeboxstructure,baffles,floatingheadhookandloop.Thendeterminethestructureoffloatingheadheatexchanger.Accordingtothefluidnatureselectthemanufacturingmaterialsoffloatingheadheatexchangerofshellandtube.Thestructuraldesignandintensityexaminationaboutmostofcomponentsinheatexchangerarecarriedoutbymeansofstandards,suchasGB1502011SteelpressurevesselsandGB1511999shellandtubeheatexchanger,includingtubebody,tubebox,ellipticalhead,sphericalcap-shapedhead,flatcaps,floatingheadflange,floatingheadcoveraswellasreinforcementforopeningandsoon.Besidestodothetubeandshellpressuretestcalculationandcheck,introductionfloatingheadheatexchangermanufacturingandtesting.Intheend,thefinaldesignresultsthroughoneassemblydrawingand7partsdiagramtodisplay.KEYWORDSTubeplate;floatingheadhookring;floatingflange目录前言.................................................(1)第1章绪论...........................................(2)第2章冷凝器的零部件结构.............................(4)第2.1节管程结构.....................................(4)2.1.1、换热管........................................(4)2.1.2、布管..........................................(5)2.1.3、分成隔板......................................(5)2.1.4、固定管板......................................(6)2.1.5、前端管箱......................................(7)2.1.6、换热管与管板连接..............................(7)第2.2节壳程结构.....................................(8)2.2.1、折流板、支持板................................(8)2.2.2、拉杆、定距管..................................(9)2.2.3、防冲板.......................................(10)2.2.4、滑道.........................................(10)第2.3节冷凝器后端结构..............................(11)2.3.1、钩圈和浮动管板...............................(11)2.3.2、浮头盖及外头盖...............................(12)2.3.3、浮头法兰.....................................(12)第2.4节容器法兰和管法兰............................(12)第2.5节支座........................................(14)第3章冷凝器制造材料的选择..........................(16)第3.1节壳程材料的选择..............................(16)第3.2节管程材料的选择..............................(17)第4章冷凝器的结构设计计算..........................(18)第4.1节壳体厚度计算................................(18)第4.2节前端管箱结构计算............................(19)4.2.1、短节的厚度计算...............................(19)4.2.2、平盖的设计计算...............................(20)4.2.3、管箱法兰.....................................(22)第4.3节外头盖结构计算..............................(24)4.3.1、后端短节厚度计算.............................(24)4.3.2、外头盖封头厚度计算...........................(25)4.3.3、外头盖侧法兰、外头盖法兰.....................(26)第4.4节管板的设计计算..............................(28)第4.5节钩圈式浮头的设计算..........................(34)4.5.1、球冠形封头厚度计算..........................(34)4.5.2、浮头法兰设计.................................(35)4.5.3、B型钩圈厚度计算.............................(42)第4.6节壳体法兰设计................................(42)第4.7节开孔补强....................................(46)4.7.1、壳体开孔补强.................................(46)4.7.2、前端管箱开孔补强.............................(48)第5章压力试验......................................(50)第5.1节壳程水压试验................................(50)第5.2节管程水压试验................................(51)第6章冷凝器的制造、检验和验收......................(51)第6.1节零部件的制造工艺及要求......................(52)第6.2节检验和验收..................................(53)结论................................................(54)参考文献............................................(55)致谢................................................(57)附录................................................(60)前言本次毕业设计的是粗丙酮塔冷凝器,题目来自生产实践。设计的冷凝器的功能是将粗丙酮塔中的丙酮、异丙苯等蒸汽介质冷凝成液体。粗丙酮塔冷凝器是属于管壳式换热器的范畴。粗丙酮塔冷凝器的结构设计是根据设计任务委托书中的工艺参数进行的。给定工艺参数主要有以下设计温度,设计压力,换热面积,换热器的公称直径,热管的规格、排列方式及长度,折流板数量,冷凝器简图,管口表等。常见的管壳式换热器有固定管板、U形管板、浮头式、填料函式、釜式重沸器这几种类型。本次设计的冷凝器,采用的换热类型为浮头式换热器。出于结构可操作性、经济合理性及使用安全性,设计的过程中尽量采用国家标准,其中主要参考的标准文献有GB151-1999管壳式换热器和GB150-2011压力容器。为了了解与本课题相关的换热器领域的知识和一些新的设计理念,本人查阅了一定数量的国内外文献。这些文献涉及到换热器的设计、制造、安装与维护等内容。设计的主要内容包括结构论证、强度计算,画出冷凝器的装配图和零件图。在满足工艺需求的前提下设计出的冷凝器还要达到结构安全可靠,便于制造、安装、操作和维修,经济上合理等要求。第1章绪论换热器是生产中占有重要地位的通用设备,其广泛用于化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门领域。比如,在化工厂总投资中换热设备占10~20,在炼油厂总投资中换热器占35~40。所谓的换热器就是用于不同温度下介质之间热量交换的装置设备。工业生产中,换热器的结构类型繁多,一般是按照用途、传热特性等来划分换热器的类型。按照传热的特征不同,可将换热器分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器[1]。按照用途,换热器可分为预热换热器(或加热器)、冷却换热器、冷凝换热器、蒸发换热器、再沸换热器[2]。近几十年来,在能源紧缺和市场竞争的推动下,研究和开发出了一系新型高效换热器,如气动喷涂翅片管换热器、焊接式板式换热器、螺旋折流板换热器、新型麻花管换热器、螺旋折流板换热器[3]。管壳式换热器归类为间壁式换热器,它是目前应用最广泛的换热设备。管壳式换热器具有结构简单、操作可靠、适用范围广等优点,其在高温、高压大型的换热器中占主导地位。管壳式换热器主要由筒体、管束、管箱、管板、等零部件组成,按照结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器、填料函式换热器和釜式重沸器[4]。管壳式换热器尽管有很多的优点,但是由于自身结构限制等因素,仍存在诸多的不足。管壳式换热器存在的缺陷流体诱导管束振动造成换热器内部结构的破坏;折流板和管板存在“死区”和“短路”,导致换热器整体换热率低;涡流区内容易积垢,影响换热器的寿命[5]。换热器的低流速区或者死区,这些区域是容易结垢发生腐蚀[6]。换热管与折流板间有相互碰撞的地方采用弹性缓冲件来防止破坏[7]。可以在壳程流体进口设档板,出口设置防涡流装置或采取导流筒结构来防止管束振动[8]。为了降低短路区域,可以设置如旁路挡板、挡管、中间档板等防短路结构。控制管程、壳程入口的流体流速,可以减少管壳换热器的污垢腐蚀[9]。为了提高换热器的热传递效率,对于管壳式换热器,是从管程和壳程两方面做传热强化。管程强化热,主要是采用各种异形换热管取代原来的光滑管[10]。螺旋槽纹管、缩放管、横纹管、螺旋扁管、内插物管等,都是通过扩展表传热面积来达到强化传热的异形换热管。壳程的强化传热主要是通过改进壳程管束的支撑和改变挡板结构来实现的,如螺旋折流式支撑结构、多弓形折流板等。虽然出现了这些新型的结构,但是出于加工制造成本以及使用时的稳定性等因素,没有得到推广。本次设计的冷凝器,由于壳程和管程温差较大,此外壳程介质丙酮具有可燃性,壳程容易结垢,除了采用浮头式换热器外,其他类型的管壳式换热器都不是很适合。所谓的浮头式换热器,就是两端管板中一端与壳体固定,而另一端可以相对壳体在轴向上能够自由移动。在浮头换热器中,能够移动的部位为浮头,它是由浮动管板、勾圈、浮头盖组成。由于浮头能够移动,所以壳体和管束不会产生热应力。管束能够从壳体抽出,清洗和维修很方便。粗丙酮塔冷凝器中的设计要考虑的因素很多,除了考虑是否满足工艺要求外,还要考虑到制造材料的选择、传热效果、换热器运行中将出现的故障等。换热管规格大小、管间距大小、挡板形状和数量等,这些参数都影响到冷凝器的传热效果[11]。对于分析故障问题,可以通过建立浮头式换热器故障树[12],对换热器存在的故障进行分析,从而从设计上做改进。冷凝器常见的故障主要有振动和腐蚀。振动破坏的形式有碰撞破坏、疲劳损坏、折流板的切割破坏、接头泄漏[13]。引起换热器振动并不是流体失稳,而是涡流脱落和流体湍流[14]。湍流颤振与折流板和换热管有很大的关系。管子长度和布置方式,影响到管子的固有频率、壳程流体流速,以及流体通过管束的流型[15]。选择合理管子布置和折流板形式,尤为重要。还有管子腐蚀是浮头式换热器常见的问题,可以在固定管板设置伸出管板的“牺牲部分管子”来解决这个问题[16]。浮头法兰和管板是浮头式换热器设计中关键的地方。浮头法兰设计的重点则是厚度的计算,在满足要求的提前下,算出的法兰厚度越薄就越经济。法兰的结构设计和厚度计算受到法兰偏心力臂的影响[17]。只要求出法兰最佳偏心力臂,就可以实现法兰的优化设计。国外学者C.Nadarajah,L.T.Foo[18],使用有限元分析的方法对浮头法兰进行分析设计,并且取得了很好的成果。管板的计算很复杂,因为受到的内力繁多。管板计算的力学模型是把管板的布管区视为弹性基础上受管孔均布削弱的圆平板,管板外周不布管区视为环板,整个管板周边简支,承受均布载荷[19]。管板与换热管的连接结构也是换热器设计的一个关键地方。换热器的失效,很大程度上是由管板与换热管连接部位失效造成的[20]。合理设计管板和换热管的连接方式是非常重要。第2章冷凝器的零部件结构常规设计中,换热器的零、部件都可以根据设计压力、设计温度、换热器的公称内径等设计参数,查标准来选。只要算出筒体,短节,管板,封头,平盖,浮头法兰等的厚度,换热器的结构基本能确定下。第2.1节管程结构2.1.1、换热管换热管常用的规格(外径壁厚,单位mm)有101.5、142、192252.5、382.5等,标准长有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0、12.0m等系列。在管板上换热管的排列方式有正三角形、转角三角形、正方形、转正方形[21]。在相同管板面积的情况下,正三角形排列能够排的管束最多,但此排列的管束不易清洗。为了清洗方便,可以采用正方形或者转角正方形的管束排列。根据换热面积和换热器的公称内径选管子的规格。根据壳程的介质是液态或者气态以及换热管的根数来确定管子的排列方式。设计的粗丙酮塔冷凝器工艺给定的换热管规格为192mm,标准管长为6m,排列方式是正三角形。图21换热管标准排列的几种形式2.1.2、布管设计的浮头式换热器,管程数4,壳程数为1。4管程的分法,有十字形,平形,工字形。平行分法的优点就是,接管的位置容易设置,管箱内残液能放尽,但是排的管子数量,没有十字形和工字形的多。设计要求的换热管根数为2308根,在一一对比这3种4管程的布置后,仅有十字形布置满足要求。按照,GB151-1999,5.6.3节的要求布管。前端管箱管板后端管箱管板图224管程十字形布管图2.1.3、分成隔板根据GB151-1999,5.2.3节表6,可知公称直径DN1400mm的换热器,碳素钢及低合金钢材料的分成隔板最小厚度为14mm,高合金钢材料的分成隔板最小厚度为10mm。厚度大于10mm的分成隔板,密封面处要削边至10mm。分成隔板的结构尺寸还待确定管箱、法兰、封头后才知。图23分程隔板及管板分程隔板槽图2.1.4、固定管板浮头式换热器的管板是通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接,出于管束抽出筒体进行清洗或者维修的考虑而采用这种连接方式。固定管板的密封面是根据所选的法兰结构及类型而确定的。管板的厚度在设计计算部分得出。图24固定管板图45管板的连接方式图2.1.5、前端管箱对于浮头换热器,前端管箱的型式有平盖管箱、封头管箱、用于可拆管束与管板制成一体的管箱,其中平盖管箱和封头管箱用得最广泛。根据GB/T4714-1992,4.6节的规定DN不大于400mm时,采用平盖管箱;DN在500mm和800范围内时,可用平盖管箱或者封头管箱,推荐使用浮头管箱;DN大于900mm时,采用浮头管箱[22]。椭圆封头比平盖厚度要薄,经济成本低。使用平盖在后续的检修,试压方面都很方便。GB/T4714-1992,并不是强行规定的,在GB151-1999,GB150-2011,都没有规定采用哪一种管箱。由于本次设计的换热器,内径大,管束多,出于后续的检修成本考虑,故采用平盖管箱。图26平盖管箱结构图图27封头管箱结构图2.1.6、换热管与管板连接根据GB151-1991,5.8节,换热管与管板的连接方式主要有胀接、焊接、胀焊并用。为了提高密封性能和防止间隙腐蚀,提高使用寿命,选用胀焊并用的连接方法。胀焊并用分为强度胀加密封焊、强度焊加贴胀、强度焊加强度胀等几种形式。考虑到连接的密封性能,抗拉脱强度的焊接,消除换热管与管孔间的间隙,使用强度焊加贴胀适宜。强度焊加贴胀的结构如下图,其中强度焊接结构部分按GB151-1999,表33的规定,根据换热管规格为192mm,查得11.5mml32mml。图28强度胀加贴胀图图29强度焊图第2.2节壳程结构2.2.1、折流板、支持板在管壳式换热器中,为了能够改善传热性能和减少污垢,在壳体内设置折流板。折流板在卧式换热器中还起到了支撑管束的作用。浮头式换热器的钩圈浮头部位较重,并且壳程内的管束长,为了防止换热管无支撑跨距较长而容易变形,则要设置支持板。弓形、圆盘-圆环形是折流板和支持板常用的两种形式。弓形折流板可分为单、双、三,三种弓形结构。弓形折流板缺口高度取0.20到0.45倍的圆筒内径。折流板缺切在管排中心线以下,或切与两排管孔的小桥之间。对于壳程介质为气态的浮头式换热器,折流板缺口垂直左右布置,折流板最低出开通液口。浮头式换热器的浮头端宜设置环板支持板,支持板的名义外直径和折流板一样,厚度和折流板一样或者比折流板厚。设计的冷凝器,采用单弓形折流板。折流板、支持板的最小厚度,根据GB151-1999,表34的规定,得出δ10mm。又根据GB151-1999,表44得折流板的名义直径为DN-8,即为1392mm。折流板之间的间距取L580mm,管束两端的折流板靠近壳程进、出接管。图210折流板切口位置图211单弓形折流板2.2.2、拉杆、定距管拉杆与定距管的作用是固定折流板与折流板之间的距离,减少无支承长度,减少管板厚度。常用的拉杆形式有拉杆与定距管结构,拉杆与折流板电焊结构。换热管外径大于或者等于19mm时,采用拉杆与定距管结构,小于或者等于14mm时,采用拉杆与折流板电焊结构。拉杆设置在布管区的换热管边缘、设置防冲板边缘以及折流板缺口处。根据所设计换热的公称内径DN1400mm,换热管规格192mm,查GB151-1999,表43表44,得拉杆的数量为12根,公称直径为12mm。查GB151-1999,表45可到拉杆的具体尺寸15mmaL,50mmbL,2mmb图212拉杆定距管结构图图213拉杆结构图2.2.3、防冲板防冲板设计的位置、边长、厚度、固定形式,要符合GB151-1999,5.7.4节的要求。本设计的防冲板,焊在两侧的定居管上。2.2.4、滑道冷凝器设置滑道的目的是为了方便维修或者清洗时将管束从壳体的抽出,此外滑道具有旁路挡板的作用。常见的滑道结构有滑板、滚轮、滑条。滑板的结构简单,制造加工方便,成本低,而且安装也容易。滑板与管束为一体,它焊接在折流板和支持板的槽内,径向高出折流板0.5mm到1mm。图214a滑板布置位置和结构图图214b滑板布置位置和结构图第2.3节冷凝器后端结构图215钩圈浮头图2.3.1、钩圈和浮动管板浮头式换热器的钩圈形式有A型和B型两种。A型钩圈厚度是按照活套法兰公式计算,钩圈底部距浮动管板较远,双头螺柱长,刚性差,壳程介质流动的死区大。B型钩圈厚度是根据浮头管板的厚度加经验值(经验值一般取16mm)确定。较A型钩圈B型钩圈厚度薄,死区少,但加工要求高。为了便于拆装,钩圈采用对开的结构形式。基于上述分析,选用B型钩圈。浮动管板的厚度取与固定管板的厚度一样,其密封面宽度取5mm,与钩圈配合的部位见下图。根据GB151-1999,5.14.1节确定钩圈的外径和内径。图216B形钩圈与浮动管板配合尺寸2.3.2、浮头盖及外头盖因为球冠形浮头的结构简单易压制,占据空间少,用材少,最关键的是与浮头法兰的焊接方便,所以浮头盖采用球冠形浮头。外头盖采用标准椭圆形封头,椭圆形浮头应力分布均匀,容易加工成型。2.3.3、浮头法兰根据GB151-1999,5.14.1节确定浮头法兰的外径和内径,具体见计算部分,厚度则要经过计算确定。第2.4节容器法兰和管法兰法兰优先选取标准法兰,在标准里选不到满足条件的法兰时再进行设计计算。我国的标准容器法兰有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰﹑长颈对焊法兰这三种[23]。根据公称直径、设计压力、设计温度、工作介质特性、法兰的材料,查标准JB/T47004707-2000压力容器法兰来选用法兰。处于安全性的考虑,选用长颈对焊法兰。在JB/T47004707-2000压力容器法兰标准里,还给出了与法兰相应垫片、螺栓形式。根据设计任务书,给的管法兰,采用的是美洲标准体系[24],即HG20615-2009,选用的是带颈对焊法兰,突面密封。根据HG20615-2009表8.2.4,由PN20,DN查得各接管的参数如下表21接管法兰参数公称尺寸DN钢管外径A连接尺寸法兰厚度C法兰颈大端N法兰内径B法兰高度H法兰质量kg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螺栓Th2026.910069.9164M1411.23821510.912502734053622612M2428.630525510024.52450457635577.93316M3038.150543413874.905005087006353316M3041.355948615189.44查HG20615-2009表3.2.5-1,得到突面法兰的尺寸表22突面法兰的密封面尺寸(单位mm)公称尺寸DN突台外径d突台高度1f2042.92250323.82400469.92450584.22图217带颈对焊钢制法兰WN尺寸图218突面法兰RF的密封面尺寸第2.5节支座设计的浮头换热器是卧式的,所以选用鞍式支座[25]。根据JB/T4712-2007,选用的是DN100mm-2000mm级别,120o包角,重型带垫板鞍座支座。鞍座的具体参数见JB/T4712-2007,表7。表23鞍座尺寸参数公称直径DN允许载荷QKN鞍座高度h底板腹板筋板垫板螺栓间距2l鞍座质量Kg增加100m高度增加的质量Kg1l1b123l3b3弧长4b4e14005752001000170121023020010164035087084010113图219鞍座的结构图第3章冷凝器制造材料的选择本设计的粗丙酮塔冷却器,壳程工作介质是丙酮、异丙苯等,管程工作介质是冷却水。壳程设计温度为150℃,设计压力为0.35MPa;管程设计温度为60℃,设计压力为0.8MPa。丙酮具有腐蚀性,所以壳程选的材料为不锈钢,冷却水没有腐蚀性,管程可以选低合金钢或者碳素钢。浮头换热器的附件材料,主要根据管程、壳程的材料而选与之匹配性质的材料,如焊接性能,强度等。紧固件件螺栓螺母,密封件垫片,则根据所选的法兰类型及材料来定。第3.1节壳程材料的选择不锈钢的种类繁多,按照组织状态主要分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体铁素体不锈钢。根据壳程的工作介质,设计温度,设计压力,选奥氏体不锈钢最为合适。奥氏体不锈钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和冷加工性,能够抵抗氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质的腐蚀。设计任务书推荐的材料为00Cr17Ni14Mo2(S31603),它是一种超低碳奥氏体不锈钢。S31603不锈钢的焊接性能良好,适合多层焊,焊后无刀口腐蚀倾向,对丙酮酸良好的耐蚀性。适合制造容器、管道及结构件,在化学工业设备用得比较广泛。1设计的换热器公称内径为1400mm,壳体、后管箱短节、外头盖封头、浮头法兰封头采用的是板材,均选S31603钢板,钢板标准号为GB24511。2浮头法兰、钩圈、管板、壳程管法兰、壳程接管选S31603锻件,锻件标准号为NB/T47010。3换热管、定距管、壳程接管选S31603钢管,钢管标准号为GB13296。4壳体法兰、外头盖侧法兰选用16Mn锻件,锻件级别为Ⅱ级,钢锻件标准号NB/T47008。对于有腐蚀的介质,法兰要加衬环,衬环的材料选S30408。钢的标准、冶炼方法、热处理状态、无损检测标准及检测项目要满足GB150-2011第二部分材料所规定的要求。第3.2节管程材料的选择管程的工作压力是属低压,温度不是很高,工作介质也无毒无害,对于材料的要求不是很高,处于经济性的考虑,选择碳素钢或者低合金就能满足要求。低合金钢是在碳素钢里加入一种或几种含量低于3.5的合金元素。低合金在强度,焊接性能,耐温,耐腐蚀性及成型性等各个方面优于碳素钢。Q345R是压力容器常用的低合金钢钢板,其屈服强度为345MPa,主要用于制造中低压压力容器筒体和短节。它的综合力学性能和制造工艺性能都非常良好,普遍用于压力容器制造行业。碳锰钢16Mn也是属于低合金钢,含碳量为0.16,合金含量少,故焊接性能好,具有良好的综合力学性能和低温冲击韧性,此外在冷冲压可切削性方面均良好。20号钢是优质低碳碳素钢,其强度低,在韧性、塑性和焊接性方面较好,而且价格低廉,在用于制造压力容器的一些零部件非常广泛。在一些没有腐蚀或者腐蚀很低的场合的接管可选用选用20号钢管。1前端管箱的短节、分成隔板选用Q345R钢板,钢板标准号为GB713。2管箱法兰、平盖以及管程管法兰选用16Mn锻件,锻件标准号为NB/T47008,锻件的制造检测检测级别Ⅱ级。3管程接管选用20号钢管,钢管标准号为GB6479。钢的标准、冶炼方法、热处理状态、无损检测标准及检测项目要满足GB150-2011第二部分材料所规定的要求。第4章冷凝器的结构设计计算第4.1节壳体厚度计算筒体材料S31603(GB24511)钢板卷制圆筒设计温度150t℃公称直径1400mmiD接接头系数0.85腐蚀裕量20C钢板负偏差10.3mmCGB24511-2009表2筒体材料设计温度下的许用应力87MPta(GB150.2-2011表5)设计压力0.35MP/FVPa,器承受的液柱静压力小于5设计压力,可以略[26]。计算压力0.35MPacP(受内压)0.1MPacP(受外压)圆筒体的厚度分别按内压和外压计算,取大者为计算厚度。(1)按内压计算0.35MPacP计算厚度(41)设计厚度23.3203.32mmdC(42)名义厚度13.320.34mmndC(43)注(⊕为圆整)(2)按外压计算0.1MPacP假设厚度10mmn有效厚度121000.39.7mmenCC(44)圆筒外径214002101420mmoinDD(45)圆筒计算长度6000mmL0.3514003.32mm2870.850.352citcPDP由1420146.49.7oeD60004.231420oLD查GB150.3-2011图4-2得-4A1.7510查GB150.3-2011图4-11得21MPaB,许用外压力210.14MPa0.1MPa146.4oeBPD满足设计要求,故10mmn合适。所以圆筒体厚度取10mmn,满足GB151-1999,5.3.2表9公称直径为1400mm不锈钢圆筒的最小厚度为8mm。第4.2节前端管箱结构计算4.2.1、短节的厚度计算设计压力0.8MPaP计算压力0.8MPacPP设计温度60t℃焊接接头系数0.85钢板负偏差10.3mmC腐蚀余量22mmC材料Q345R板材(GB713)设计温度下的许用应力189MPta(GB150.2-2011表2)计算厚度0.814003.5mm21890.850.82citcPDP(46)设计厚度23.525.5mmdC(47)名义厚度15.50.36mmndC(48)根据GB151-1999,5.3.2表8圆筒的厚度不小于112mm1mm按C,故12113mmn,由于13mm规格的不常见,所以取14mmn。4.2.2、平盖的设计计算a材料选16MNⅡ锻件(NB/T47008),设计温度t60℃,查GB150.2-2011表9得,设计温度下平盖材料的许用应力178MPatp,常温下平盖材料许用应力178MPap,查GB150.2-2011表B.13得钢材的弹性模量198MPatE。b垫片选用缠绕式B5114001.0JB/T47052000垫片系数m3.0比压y69MPa。c螺栓的规格为M24,数量为44,螺纹小径220.8mmd,螺栓材料40Cr,查GB150.2-2011表12,知设计温度下40Cr的许用应力200.5MPatb,常温下的许用应力212MPabA.垫片压降力作用中心圆直径GD垫片接触面宽宽度1453141519mm2N基本密封宽度199.5mm22oNb当06.4mmb时,02.532.539.57.80mmbb42145327.81437mmGDDb(4D垫片接触的外径,即管箱法兰的4D)B.螺栓载荷①预紧状态下需要的最小螺栓载荷3.143.1414377.8692428455NaaGWFDby(49)②操作状态下需要的最小螺栓载荷220.7856.280.78514370.86.2814377.83.00.81465737NppGcGcWFFDPDbmP(410)C.螺栓面积①预紧状态下需要的最小螺栓面积2242845511455mm[]212aabWA(411)②操作状态下需要的最小螺栓面积2tmm73105.2001465737][bppWA(412)③需要的螺栓面积2mm11455},max{pamAAA④实际使用的螺栓总截面积mbAndA2222mm14951448.2044(413)D.螺栓设计载荷①预紧状态下螺栓设计载荷N279903621221495111455][2bbmGAAFW(414)②操作状态下螺栓设计载荷N1465737pWWE.结构特征系数垫片压紧力臂mm39143715155.05.0GbGDDL(415)操作时G33G1.781.781465737390.30.30.3430.81437cWLKPD(416)预紧时G33G1.781.781465737390.0430.81437cWLKPD(417)600mmDN,平盖中心挠度14001.75800800DNYF.平盖计算厚度①预紧时0.0430.8143721.67mm1780.85cpGpKPD(418)②操作时0.3430.8143761.20mm1780.85cpGtpKPD(419)③有隔板时13313330.50

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