前 端 管 箱 后端 管箱 管 板 前端管箱筒体名义厚度 校核 前端管箱封头名义厚度 校核 前端管箱法兰厚度 校核 后端管箱封头名义厚度 校核 管板厚度 校核 U形管式换热器筒体计算结果 计算所依据的标准 计算条件 6.00 合格 6.00 合格 85.00 合格 6.00 合格 40.00 合格 计算单位 mm mm mm mm mm 中航一集团航空动力控制系统研究所 GB 150.3-2011 筒体简图 计算压力 Pc 设计温度 t 外径 Do 材料 试验温度许用应力 ??? 设计温度许用应力 ???t 试验温度下屈服点 ?s 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ? 0.88 195.00 426.00 S31603 ( 板材 ) 120.00 108.90 180.00 0.30 0.00 1.00 MPa ? C mm MPa MPa MPa mm mm 厚度及重量计算 计算厚度 有效厚度 名义厚度 重量 压力试验类型 PcDo ? = 2[?]t??Pc = 1.71 mm mm mm Kg ?e =?n - C1- C2= 5.70 ?n = 6.00 124.29 压力试验时应力校核 液压试验 试验压力值 PT = 1.25P 压力试验允许通过 的应力水平 ???T 试验压力下 圆筒的应力 校核条件
[?][?]t = 1.1919 (或由用户输入) MPa ???T? 0.90 ?s = 162.00 MPa pT.(Do??e)2?e.? ?T = = 43.94 ?T? ???T 46
MPa
校核结果 合格 压力及应力计算 最大允许工作压力 设计温度下计算应力 ???t? 校核条件 结论 前端管箱筒体计算结果 [Pw]= ? = t2?e[?]t?(Do??e)= 2.95375 = 32.44 MPa MPa MPa Pc(Do??e)2?e 108.90 ???t? ≥?t 合格 计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所 GB 150.3-2011 筒体简图 计算所依据的标准 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 外径 Do 材料 试验温度许用应力 ??? 设计温度许用应力 ???t 试验温度下屈服点 ?s 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ? 0.44 100.00 414.00 S31603 ( 板材 ) 120.00 120.00 180.00 0.30 0.00 1.00 MPa ? C mm MPa MPa MPa mm mm 厚度及重量计算 计算厚度 有效厚度 名义厚度 重量 压力试验类型 PcDo ? = 2[?]t??Pc = 0.76 mm mm mm Kg ?e =?n - C1- C2= 5.70 ?n = 6.00 120.74 压力试验时应力校核 液压试验 试验压力值 PT = 1.25P 压力试验允许通过 的应力水平 ???T 试验压力下 圆筒的应力 校核条件
[?][?]t = 0.5500 (或由用户输入) MPa ???T? 0.90 ?s = 162.00 MPa pT.(Do??e)2?e.? ?T = = 19.70 ?T? ???T 47
MPa
校核结果 合格 压力及应力计算 最大允许工作压力 设计温度下计算应力 ???t? 校核条件 结论 [Pw]= ? = t2?e[?]t?(Do??e)= 3.35048 = 15.76 MPa MPa MPa Pc(Do??e)2?e 120.00 ???t? ≥?t 合格 前端管箱封头计算结果 计算所依据的标准 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 外径 Do 曲面深度 ho 材料 设计温度许用应力 ???t 试验温度许用应力 ??? 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ? 压力试验类型 试验压力值 PT = 1.25Pc压力试验允许通过的应力???t 0.44 100.00 426.00 107.00 计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所 GB 150.3-2011 椭圆封头简图 MPa ? C mm mm MPa MPa mm mm 压力试验时应力校核 S31603 (板材) 120.00 120.00 0.30 0.00 1.00 液压试验 [?][?]t= 0.5500 (或由用户输入) MPa ???T? 0.90 ?s = 162.00 MPa pT.(KDo?(2K?0.5)?e)试验压力下封头的应力 2?e.??T = = 20.81 校核条件 校核结果 ?T? ???T 合格 厚度及重量计算 MPa 48
形状系数 2???Do?2?nh?1??2?????6??2(ho??nh)??? = 1.0334 K = ?KPcDo2[?]t???2K?0.5?Pc计算厚度 有效厚度 最小厚度 名义厚度 结论 重量 ?h = = 0.80 mm mm mm mm Kg ?eh =?n - C1- C2= 5.70 ?min = 2.00 ?nh = 6.00 满足最小厚度要求 10.21 压 力 计 算 2[?]t??eKDo??2K?0.5??e最大允许工作压力 结论 [Pw]= 合格 = 3.17179 MPa 后端封头计算结果 计算所依据的标准 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 内径 Di 曲面深度 hi 材料 设计温度许用应力 ???t 试验温度许用应力 ??? 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ? 压力试验类型 试验压力值 0.88 195.00 426.00 101.00 计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所 GB 150.3-2011 椭圆封头简图 MPa ? C mm mm MPa MPa mm mm 压力试验时应力校核 S31603 (板材) 108.90 120.00 0.30 0.00 1.00 液压试验 PT = 1.25Pc压力试验允许通过的应力???t 试验压力下封头的应力 校核条件
[?][?]t= 1.1919 (或由用户输入) MPa ???T? 0.90 ?s = 162.00 MPa pT.(KDi?0.5?e)2?e.??T = = 48.16 ?T? ???T 49
MPa
校核结果 合格 厚度及重量计算 2????1??Di??2?6??2hi?????? = 1.0746 K = KPcDi形状系数 计算厚度 有效厚度 最小厚度 名义厚度 结论 重量 ?h = 2[?]t??0.5Pc = 1.85 mm mm mm mm Kg ?eh =?nh - C1- C2= 5.70 ?min = 2.00 ?nh = 6.00 满足最小厚度要求 10.63 压 力 计 算 2[?]t??eKDi?0.5?e最大允许工作压力 结论 筒体法兰计算结果 [Pw]= 合格 = 2.69518 MPa 计算单位 MPa MPa ? C N N.mm MPa MPa MPa MPa MPa mm mm 个 565.0 473.0 34.5 29.5 50
中航一集团航空动力控制系统研究所 简 图 设 计 条 件 设计压力 p 0.880 计算压力 pc 0.880 设计温度 t 195.0 轴向外载荷 F 0.0 外力矩 M 0.0 壳 材料名称 S31603 体 108.9 [?]tn许用应力 法 材料名称 S31603 许用 [?]f 120.0 t兰 应力 [?]f 80.7 材料名称 35CrMoA 螺 许用 [?]b 228.0 应力 [?]tb 196.3 栓 公称直径 d B 24.0 螺栓根径 d 1 20.8 数量 n 16 Di 414.0 Do 结构尺Db 515.0 垫 D外 寸
D内 h m 414.0 59.0 2.00 δ0 δ1 y(MPa) 6.0 16.0 11.0 mm 材料类型 Le 25.0 软垫片 LA N
目录
第一章 过程工艺设计 ...................................................... 4 1.1碳纤维生产过程总述 .................................................... 4
1.1.1 生产合成氨与合成共聚单体 .................................... 4 1.1.2 PAN的生产 ................................................... 4 1.1.3 纺丝 ........................................................ 4 1.1.4 预氧化、炭化及废气处理 ...................................... 5 1.1.5 碳纤维的形成 ................................................ 5 1.1.6 包装，收丝过程 .............................................. 6 1.1.7 回收工程 .................................................... 6 1.2 湿法纺丝的设备 .................................................... 6
1.2.1 喷丝与凝固浴 ................................................ 7 1.2.2 热水牵伸及其设备 ............................................ 8 1.2.3 高压水蒸汽牵伸机 ............................................ 8 1.2.4 水洗及设备 .................................................. 8 1.2.5 上油剂工序及其设备 .......................................... 9 1.2.6 干燥致密化与热定型 .......................................... 9 1.3结束语 ............................................................ 9 第二章 水洗换热器温度的控制 ............................................. 10 2.1水洗换热器温度的控制的设计 ....................................... 10 2.2换热器温度控制调节阀的选用 ....................................... 11
2.2.1调节阀的类型及开关型式 ...................................... 11 2.2.2 调节阀得正反作用 ........................................... 11 2.2.3 调节阀的流量特性 ........................................... 11 2.3换热器温度控制仪表的选型 ......................................... 11
2.3.1 温度仪表 ................................................... 11 2.3.2 流量仪表 ................................................... 12 2.3.3液位仪表静压式液位计 ........................................ 13 2.4换热器温度控制执行器的选用 ....................................... 13 第三章 装备工艺设计 ..................................................... 15
3.1 原始数据 ......................................................... 15
3.1.1 工艺条件 ................................................... 15 3.1.2 生产能力 ................................................... 15 3.2.1 定性温度的确定 ............................................. 15 3.2.2饱和蒸汽和去离子水的其他物性参数: ........................... 15 3.2.3 质量流量 ................................................... 15 3.2.4热负荷计算 .................................................. 15
3.3 平均推动力?tm的计算 ............................................. 15 3.3.1 流体流动空间 ............................................... 15 3.3.2 流体走向确定 ............................................... 16 3.3.3 平均推动力计算 ............................................. 16 3.4 估算传热面积 ..................................................... 16
1
3.5 初步确定换热器结构参数 ........................................... 16
3.5.1换热管的选择 ................................................ 16 3.5.2 管内流速的确定 ............................................. 16 3.5.3 管子数目与管长的确定 ....................................... 16 3.5.4 壳体内径的估算 ............................................. 16 3.5.5 布管图 ..................................................... 17 3.5.6 拉杆的直径、数量及定距管的确定 ............................. 17 3.5.7 折流板直径、数量及相关尺寸的确定 ........................... 17 3.6 计算实际传热面积S0及总传热系数KO(选） ............................. 18 3.7 校核传热 ......................................................... 18 3.7.1 壳程流体传热膜系数 ......................................... 18 3.7.2 管程流体传热膜系数 ......................................... 19 3.7.3 污垢热阻及管壁热阻 ......................................... 19 3.8 压力降校核 ....................................................... 20
3.8.1 管程压力降 ................................................. 20 3.8.2 壳程压力降 ................................................. 21
第四章 设备结构设计 ..................................................... 23
4.1 设计条件的确定 ................................................... 23
4.1.1设计压力 .................................................... 23 4.1.2 设计温度 ................................................... 23 4.1.3 设计条件 ................................................... 23 4.2 金属壁温的确定 ................................................... 24
4.2.1 管程侧冷流体： ............................................. 24 4.2.2 壳程热流体侧： ............................................. 24 4.2.3 金属壁温 ................................................... 24 4.3 接管设计 ......................................................... 24
4.3.1 管程侧接管的设计 ........................................... 24 4.3.2 壳程侧的接管设计 ........................................... 24 4.3.3 排液排气口的设计 ........................................... 24 4.3.4 接管法兰的设计 ............................................. 25 4.3.5 接管与壳体的连接形式 ....................................... 27 4.4 管程的结构设计 ................................................... 27
4.4.1 封头结构设计 ............................................... 27 4.4.2 容器法兰的选取 ............................................. 28 4.4.3 管箱结构设计 ............................................... 31 4.4.4 管箱筒体短节与封头以及与容器法兰的连接 ..................... 32 4.5 管板结构设计 ..................................................... 33
4.5.1 管板的类型 ................................................. 33 4.5.2 管板的尺寸初选及布管设计 ................................... 33 4.5.3 换热管规格尺寸 ............................................. 34 4.5.4 管板与接管的连接形式 ....................................... 34 4.5.5 管板与壳体的连接 ........................................... 35
2
4.6 管程侧结构设计 ................................................... 35
4.6.1 壳体的结构设计 ............................................. 35 4.6.2 壳程侧封头的设计 ........................................... 35 4.6.3 折流板的设计 ............................................... 35 4.6.4 拉杆定距管的设计 ........................................... 37 4.6.5 滑道的设计 ................................................. 38 4.7 附件设计 ......................................................... 39
4.7.1 保温层的设计 ............................................... 39 4.7.2 支座设计 ................................................... 41
第五章 强度设计 ......................................................... 43
5.1 壁厚计算 ......................................................... 43 第六章 技术条件的编制 ................................................... 69
6.1 技术条件说明 ..................................................... 69
6.1.1 钢材 ....................................................... 69 6.1.3 焊接条件 ................................................... 69 6.1.4 热处理 ..................................................... 69 6.1.5 无损探伤 ................................................... 69 6.2总装配图的技术条件编制 ........................................... 69 6.3 零部件图的技术条件编制 ........................................... 70
6.3.1 管箱部件图的技术条件编制 ................................... 70 6.3.2 管束技术部件图的技术条件编制 ............................... 70 6.3.3 管板零件图的技术条件编制 ................................... 70 6.3.4 容器法兰零件图的技术条件编制 ............................... 70 6.3.5 折流板的技术条件编制 ....................................... 70 6.3.6 滑道的技术条件编制 ......................................... 70 6.3.7 垫片的技术条件编制 ......................................... 71 6.3.8 带肩双头螺柱和拉杆的技术条件编制 ........................... 71 6.3.9 分程隔板的技术条件编制 ..................................... 71 6.3.10支座的技术条件编制 ......................................... 71
致谢 .................................................................... 72 参考文献 ................................................................ 73
3
第一章 过程工艺设计
1.1碳纤维生产过程总述
碳纤维不仅属于多学科、多技术的高新技术产品，而且属于高能耗、高附加值的新产品。PAN基碳纤维的流程如图所示。丙烯腈引发剂（AIBN）、共聚单体和溶剂属于石油化工产品；聚合物属于高分子；纺丝属于纺织工学；预 氧化、炭化属于碳素工学；表面处理电化学等。流程长、学科多、技术交叉，是技术密集型产品，回收未反应单 体AN和溶剂聚合、纺丝必须配套环保设备。PAN基碳纤维的生产流程如图1-1
空气合成溶剂溶剂DMAC氢合成氨合成催化剂引发济AIBN氨合成共聚单体共聚单体衣康酸原油蒸馏石脑油分解丙烷合成ANAN聚合1001PAN回收工程水溶剂10011002合成油剂油剂PEO纺丝1002回收AN回收溶剂燃料丙烷废气处理工程PAN纤维AN溶剂DMAC燃料无害化氧气、炭化废气电解质溶液碳酸氨氧气、炭化1003-1合成碳酸氢乙烯合成上浆剂上浆剂溶液EP树脂表面处理上浆剂乙烯聚合碳纤维包装工程制造纸管纸管PE膜PE制膜收丝.包装碳纤维
图1-1 PAN基碳纤维的生产流程
1.1.1 生产合成氨与合成共聚单体
合成氨的生产的原料主要是空气和氢气，合成氨以备生产合成AN时原料用。合成催化剂与溶剂DMAC制得引发剂AIBN，合成共聚单体与引发剂共同作用生成共聚单体衣康酸，以备与AN生成聚合1001时用。 1.1.2 PAN的生产
以原油为原料，经过蒸馏得到石脑油，再将石脑油分解得到丙烷，丙烷分成俩部分，一部分与氨合成AN，另外一部分供给到废气处理工程和包装工程。丙烷与合成工程来的氨合成AN，AN单体通过共聚单体衣康酸的作用，生成聚合的AN长链，最后得到PAN。 1.1.3 纺丝
纺丝过程是一个物理过程，也是一个相分离成纤过程。在这个过程中发生了纺丝液细流与凝固液细流之间的传质、传热、相平衡移动，导致PAN沉淀形成凝胶结构的丝条。
湿法纺丝采用一步法，碳纤维对PAN原丝的最基本要求是碱，碱土金属和铁等的含量愈少愈好，采用有机溶剂较好，金属杂质可控制在100mg/kg以下。无机溶剂的代表
4
是NaSCN,残留在PAN原丝中的钠高达10-3级，如果要洗到100mg/kg以下，必须消耗大量的能源，加大生产成本。
溶剂不同，黏度不同，对PAN树脂的溶解性能也不同，溶剂对PAN树脂溶解能力的顺序如下：
DMF>DMAc>DMSO>EC>NaSCN>HNO3>ZnCl2
合成油剂PEO与PAN长链在水做溶剂的情况下进行纺丝工艺，合成PAN纤维。 1.1.4 预氧化、炭化及废气处理
如果说优质PAN原丝是制取高性能碳纤维的前提，那么预氧化工序则是承前启后的桥梁。PAN原丝的质量直接影响碳纤维的性能。
预氧化的关键是预氧化炉。预氧化炉的效率是控制生产碳纤维周期的主要因素之一，也是直接影响碳纤维质量的关键所在。目前，预氧化时间大致为60~120min，炭化时间为几分钟到几十分钟，而石墨化时间则以秒计算。同样的预氧化设备，缩短预氧化时间是当前研究热点之一。
预氧化分为外热循环式预氧化炉和内热式预氧化炉。所谓外热循环式预氧化炉是指加热空气的组件在预氧化炉的外部，此种预氧化炉具有自动控制循环鼓风机，热空气可循环使用，实现节电省能，降低生产成本。对于内热式预氧化炉，它分为四个炉膛，四个温区，横向温度控制在±2℃，实际操作高达±4℃，循环热风入口出的温度高，出口处温度低，从两边预氧丝颜色的深浅不均匀可以看出温差的影响。其特点是热风通道内安装热风分布装置，使预氧化炉内的热风均匀流动。
炭化过程可分为低温炭化和高温炭化两个阶段。前者的温度一般为300~1000℃，后者为1100~1600℃，但标志性炭化温度在700℃左右。炭化主要释放气体氰化氢在700℃前有一个释放高峰，700℃之后又出现释放高峰，这可能是由两种类型的反应所导致。在高温区，主要释放N2和HCN。N的脱除会留下残留分子级的微孔，导致碳纤维拉伸强度下降。加压炭化可抑制N的释放。目前加压炭化用于工业生产还有许多工作要做，但研究思路指出：可调控N的溢出，减少孔隙，实现致密化，有益于提高碳纤维的力学性能。
表1-1 在炭化过程中释放的废气废物 温度区 低温区 高温区 HCN 8 4 NH3 1 0.1 N2 0 14 H2O 8 1 CO与CO2 2 1 焦油 11 0 在碳纤维实际生产过程中，除释放废气外，也产生了相当量的焦油。焦油一旦沾污纤维，轻则变硬、发脆，重则断丝。不让废气在炉内冷凝成焦油和瞬时排除废气、焦油是稳定质量、稳定生产的重要因素之一。在炭化过程中释放的废气废物见表。在低温区释放出大量焦油，在高温区主要释放出的是N2。如何使低温炭化炉内的热解废气不冷凝为焦油和瞬时排出炉外是一重要的技术课题。只有这样才能防止焦油对运行纤维的污染。
废气处理是预氧化、炭化必须配套的环保设备。碳纤维增强热固性树脂（CFRP）和热塑性树脂（CFRTP）复合材料的废旧物处理已列入议事日程，特别是CFRTP的再生利用引起人们的极大关注。掩埋废旧CFRP、CFRTP是下策，再生利用有待进一步试验。
废气处理工程是通过石脑油分解段来的丙烷将氧化和炭化段产生的废气无害化。 1.1.5 碳纤维的形成
PAN原丝经整丝后送入1#、2#预氧化炉制得预氧化碳纤维（俗称预氧丝）；预氧丝相继进入低温炭化炉，高温炭化炉制得碳纤维，碳纤维再经表面处理，上浆既得碳纤维
5
a 筒体部分保温层材料用量
V??D??m3/m
D??D??
其中D—设备外径；δ—保温曾厚度 筒体部分保温层用量
D??D???0.426?0.06?2?0.546m
V??D??l?3.14?0.546?0.06?2.205?0.2268m3/m
故筒体部分保温层的质量约为：G筒?V???0.2268?100?22.68 kg/m b 封头部分的保温层材料用量
V封??D（?h?0.35D?)?
D??D??；h为直边段长度=0.025m
V封??D?(h?0.35D?)??3.14?0.546?(0.025?0.35?0.546)?0.06?0.0228m3 故封头保温层用量
G封=V封??2.28kg c 设备总保温层材料质量 G=G封+G筒=27.24 4.7.2 支座设计
① 换热器的净重估算
G?G封头?G筒体?G法兰?G管板?G接管?G换热管?G保温层 封头质量：G封?2?16.6?33.2kg
kg
筒体质量：G筒?7.69?103?2?3.14??0.4262-0.4142??4?121.7法兰总重：G法兰?2.5?3?2.0?1.0?29.5?39 kg
接管总重：G接管?1.63?0.06?1?2.80?3?0.105?4.62?1?0.108?1.48 kg
2管板质量：G管板???v???0.25?(D2?do?n)???45.3 kg
换热管束质量：G换热管?194.98 kg 保温层质量：G保温层?27.24 kg
41
故净重G?33.2?121.7?39?1.48?45.3?194.98?27.24?462.9 kg ② 水压试验时水重
G水?（V筒?2V封）??1?103?（0.25?Di2?l?2V封）?314.69 kg 故支座承受最大载荷G总?462.9?314.69?777.59Kg?7.7759KN ③支座的选取
查[13]，容器支座P10，表3，JB/T4712-92
选取重型鞍式支座（B），120o 包角、带垫板。材料选用Q235B。 尺寸如下表：
表4-22 鞍座机构尺寸表 DN mm 426
筋板 b3 96
δ3 8 14 质量Kg 带垫板 不带垫板 9 弧长 500 垫板 b4 180 δ4 6 e 38 允许载荷 Q(KN) 60 鞍座高度 h 200 l1 390 底板 b1 120 δ1 8 腹板 δ2 8 螺栓间距 l2 280 可见允许载荷59KN>>3.983KN，支座选取满足要求。 鞍座示意图如下：
D。δ4120°排气孔直径Φ8b4eb3δ1δ32-Φ11hL2L1-10L11/2b1b110δ22-Φ20R10
图4-26 鞍座结构尺寸示意图
42
20
第五章 强度设计
5.1 壁厚计算
5.1.1 壳程壁厚的计算 （1）筒体壁厚的计算
查[14]，00Cr17Ni14Mo2钢号为S31603,查[6]，P62，在Ts=195℃时，。 [?]t?108MPa 筒体计算厚度为：??PcDI0.88?315??1.52mm t2[?]??Pc2?108?0.85?0.88对于高合金钢，钢板负偏差C1?0，腐蚀余量取C2?0。 设计厚度?d???C2?1.52?0?1.52mm；
名义厚度?n??d?C1?1.52?0?1.52mm，圆整到6mm； 有效厚度?e??n?C1?C2?6?0?0?6mm。 （2）壳程侧封头壁厚的计算
查[14]，00Cr17Ni14Mo2钢号为S31603,查[6]，P62，在Ts=195℃时，。 [?]t?108MPaD1 封头形状系数为：K?[2?(i)2]?1.0395
62hi 封头壁厚为：??KPCDI?1.58mm
2[?]t??Pc对于高合金钢，钢板负偏差C1?0，腐蚀余量取C2?0。 设计厚度?d???C2?1.58?0?1.58mm；
名义厚度?n??d?C1?1.58?0?1.58mm，圆整到6mm； 有效厚度?e??n?C1?C2?6?0?0?6mm。 5.1.2 管箱侧后壁的计算
43
（1）管箱短节壁厚的计算
查[14]，00Cr17Ni14Mo2钢号为S31603,查[6]，P62，在Ts=100℃时，
[?]t?118MPa。
筒体计算厚度为：??PcDi0.44?315??0.69mm t2[?]??Pc2?118?0.85?0.44对于高合金钢，钢板负偏差C1?0，腐蚀余量取C2?0。 设计厚度?d???C2?0.69?0?0.69mm；
名义厚度?n??d?C1?0.69?0?0.69mm，圆整到6mm； 有效厚度?e??n?C1?C2?6?0?0?6mm。 （2）管程侧封头壁厚的计算
查[14]，00Cr17Ni14Mo2钢号为S31603,查[6]，P62，在Ts=100℃时，。 [?]t?118MPaD1 封头形状系数为：K?[2?(i)2]?1.0395
62hi 封头壁厚为：??KPCDI?0.72mm t2[?]??Pc对于高合金钢，钢板负偏差C1?0，腐蚀余量取C2?0。 设计厚度?d???C2?0.72?0?0.72mm；
名义厚度?n??d?C1?0.72?0?0.72mm，圆整到6mm； 有效厚度?e??n?C1?C2?6?0?0?6mm。 5.1.3 压力试验的校核
本次设计采用液压试验压力方法对设备进行检验，以检测管板 和换热管焊接处受压泄漏和设备是否满足压力要求。
内压容器的试验压力计算式为：Pt?1.25
44
[?]Pc t[?]
式中，PT——试验压力，MPa； Pc——设计压力，MPa；
[?]——容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa； [?]t——容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。 （1） 壳程侧的校核
壳程侧的试验压力为：PT?1.25[?]118?1.25??0.44?1.1919MPa；
108[?]t压力试验允许通过的应力：[?]T?0.09?s?159.3MPa； 试验压力下圆筒的应力：?T?则?T?[?]T，满足要求。 （2） 管程侧的校核
管程侧的试验压力为：PT?1.25[?]118?1.25??0.88?1.1MPa； t118[?]PT(Di??e)?84.63MPa；
2?e?压力试验允许通过的应力：[?]T?0.09?s?159.3MPa； 试验压力下圆筒的应力：?T?则?T?[?]T，满足要求。
PT(Di??e)?41.41MPa；
2?e?
以下是SW6软件的计算以及校核结果： U形管换热器设备计算 计算单位 壳程设计压力 0.88 MPa 壳程设计温度 195.00 ℃ 筒 体
中航一集团航空动力控制系统研究所 管程设计压力 0.44 MPa 管程设计温度 100.00 ℃ 426.00 3.50 6.00 合格 85.00 合格 45
筒体公称直径 换热器筒体最小壁厚 筒体名义厚度 校核 筒体法兰厚度 校核 mm mm mm
4-11 带肩双头螺柱结构尺寸示意图
没有防松支耳的法兰连接部分用标准等长双头螺栓，尺寸与带肩螺栓一致。螺栓材料选择35GrMoA
螺母的选择：
查[8] P690 表5-455 按GB52-76得到螺母的尺寸如下表：
表4-13 容器法兰螺母尺寸表 d 24 S 36 H 16 D 42 质量Kg/1000个 50 螺母尺寸图如下：
dHDS
图4-12容器法兰用螺母结构尺寸示意图
螺母用钢选30CrMoA ，固溶热处理。 4.4.3 管箱结构设计 ① 管箱短节的确定
接管外壁面到封头及法兰焊缝的距离L?3?。δ为管箱壁厚度，3δ=18mm，故取L=30mm。
管箱侧接管的外径D=38mm 故短节长度L’=D+2L=100mm ② 管箱总长度的确定
L?L'?H?H'?100?132?74?306mm
其中，L'为短节长度；H为封头总高度；H'为容器法兰的高度 ③ 分层隔板的设计
查[7] GB151 P20
公称直径DN426<600mm,分层隔板的厚度不低于6mm这里取6mm
材料选用00Cr17Ni14Mo2，排液孔取φ6mm。隔板槽深度取4mm，则槽宽为11mm 隔板与管板的密封用垫片见容器发兰处的管箱侧垫片。 分层隔板的结构示意图如下：
31
图4-13 分程隔板及其连接尺寸示意图
分程隔板与封头的焊接如下图：
666
图4-14 分程隔板与封头的焊接
4.4.4 管箱筒体短节与封头以及与容器法兰的连接
查[6] GB150 P220 管箱与法兰的连接、封头与筒体的连接都采用对接单面焊、全焊透型式
连接形式如图
图4-15 管箱筒体短节与封头以及与容器法兰的连接
32
4.5 管板结构设计
4.5.1 管板的类型
按[7]GB151-1999 P28 选取a型管板。管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接。 4.5.2 管板的尺寸初选及布管设计 ① 管板厚度计算
查[7],5.7,管板的设计标准，对于正方形排列的双管程管板， Ad?n'S(Sn?S)?10?25(80?25)?13750mm2
管板布管区面积At（转角45度正方形布管）
At?2nS2?Ad?2?50?252?Ad?76250mm2
管板布管区当量直径Dt
Dt?4At4?76250?312mm ??3.14垫片压紧力作用中心圆直径DG
管板外圆直径为473mm，垫片接触面宽度N=（473-426）/2=23.5mm
基本密封宽度查[8] GB150-98 表9-1
bo?N/2?23.5/2?11.75mm?6.4mm 故b?2.53bo?8.67mm
所以DG=473-238.67=455.66mm
布管区的当量直径与壳程圆角内径之比?t?Dt/2R，对于a型管板2R=DG 故?t?Dt/DG?312/455.66?0.685；
1?1.46
?t查[6] GB151-99 P33 表2得到CC?0.2551 管板设计压力
在不保证管程设计压力pt与壳程设计压力ps在任何情况下都同时作用，两侧均为正压时，取两者中的最大值。
Pd?max(Pt,Ps)?max(0.44,0.88)?0.88MPa 管板设计厚度为：
[?]tr为在设计温度下管板材料的许用应力，查[6]GB150 P20 得[?]tr=108MPa
考虑4mm的分程隔板槽深，不锈钢的腐蚀余量取为0mm
33
管板的计算厚度为：??0.82?DG?Ccpd????rt?26.9mm
对于不锈钢00Cr17Ni14Mo2钢板负偏差取为0。
故管板的名义厚度 ?d=26.9+432=34.9mm ；取
40mm
②布管设计
按转45度正方形布管，管子中心距为25mm，最小弯管直径为80mm，最大弯管直径为166mm，换热管最外层管壁离壳体内径距离为48mm。实际布管方式见工艺计算部分。 4.5.3 换热管规格尺寸
由于换热管直径1932mm，管板上管孔直径为19.25mm 换热管材料选用00Cr17Ni14Mo2，尺寸如下表：单位：mm
表4-14 换热管尺寸表 规格 φ1932
管长 2000 排列 转45正方形 管孔直径 19.25 允许偏差 ±0.15 4.5.4 管板与接管的连接形式
查[7] GB151-1999 P69
本次设计的设计压力<4.0MPa；设计温度<300℃。且在操作中无剧烈的震动、温度过大变化及无明显的应力腐蚀。故选用强度焊接。管板材料选用00Cr17Ni14Mo2。
焊接接尺寸如下：
表4-15 管板与接管的连接尺寸 换热管外径d φ1932
换热管最小伸出长度L1 1.5 最小破口深度L3 2 强度焊接示意图如下：
34
图4-16 接管与管板的强度胀接示意图
4.5.5 管板与壳体的连接
查[7] GB151-1999 P144
U型换热器管板采用a型连接，不兼作法兰，通过垫片和壳体法兰及管箱法兰连接。对于公称直径小于800mm时，设2个放松支耳，放松支耳应对称布置
管板的结构尺寸如下表：（单位：mm）
表4-16 管板尺寸表 D 473
D1 414 B 40 b 32 管板结构示意图如下：
图4-17 管板结构尺寸示意图
4.6 管程侧结构设计
4.6.1 壳体的结构设计
选用DN426的无缝钢管作为筒体，厚度初定6mm。材料选用00Cr17Ni14Mo2，壳程侧的总长度约为2205mm 4.6.2 壳程侧封头的设计
由布管图得到最外层U型管的弯曲直径为332mm。壳程侧的封头采用和管程侧相同，具体尺寸见管箱封头设计 4.6.3 折流板的设计
考虑提高换热器的壳程流体的湍流程度，提高换热效率以及对换热管起到支撑作用，防止刚度不足引起失效。以及防止防止管子振动。当换热管无支撑最大跨距超过规
35
定标准时，设置一定数量的折流板。
本次设计的卧式换热器的壳程为单相清洁蒸汽，为蒸汽的冷凝换热。故采用水平上下布置，且在缺口对侧开通液口、通气口。查[7]GB151-1999 P73 如图
90°90°15~2515~20
图4-17 折流板示意图
最大无支撑跨距：查[7]，GB151-1999 P74 表42得：
表4-18 换热管最大无支撑跨距 换热管外径mm 19 最大无支撑跨距（钢管）mm 1500 查[12] P73 表41，DN<426mm的无缝钢管作圆筒时，折流板名义直径为无缝钢管内径减2mm。所以折流板与壳体的间隙为1mm。
折流板直径： Nc=414-2=412mm
切去弓形板高度h：h=(20%～40%）Dc=0.223414=91.08mm 但由GB151 P71图38
<1/2dd 图4-19 折流板切口位置示意图
弓形板缺口应在排管中心线以下如图4-18，或切于两排管孔的小桥之间 这里折流板管口直径为19.4mm，故取h=94mm
L?0.12?0.1?1??1?8.5 折流板数NB：初取板间距为200mm则：NB?h0.2
36
圆整为8块
实际折流板间距h： GB150 P74规定：折流板间距一般不小于圆筒内经的1/5，且不小于50mm
由实际换热器内部结构取为200mm 折流板最小厚度：查[6] P72 表34
对于1级管束的折流板直径小于400，故取折流板厚度为6mm。 折流板管孔直径：GB151-1999 P72表35：
表4-18 折流板管孔尺寸表 换热管外径或支撑跨距mm L>900且d<32 管孔直径 d+0.4 0折流板外直径允许偏差为：D?0.5
允许偏差 ?0.3 0折流板材料选用：00Cr17Ni14Mo2
U型管尾部支撑
U型管换热器中，靠近弯管段起支撑作用的折流板如下图，结构尺寸A+B+C应不大于最大无支撑跨距。
CAB
图4-20 U型管尾部支撑示意图
A+B+C<332+296+500=1128mm<1500mm 故在弯管部分不用加特殊支撑。 4.6.4 拉杆定距管的设计 ① 拉杆的直径与数量
由[7]， P75 表43查得
表4-19 拉杆直径 换热管外径d（mm） 14 由[7] GB 151-1999 P76 查得拉杆尺寸： 37 表4-20 拉杆尺寸表 拉杆直径 12 螺纹公称直径dn 12 La 15 Lb ≥50 b 2.0 且L2>La，故取L2=15mm，Lb=38mm，拉杆长取1824mm。 拉杆连接尺寸如下图： b345°dnLaLLbdnd 图4-21 拉杆结构尺寸示意图 拉杆定距管结构如下图： 图4-22 拉杆定距管距管板连接示意图 ③ 拉杆的布置 拉杆的尺寸应尽量布置在管束的外边缘，且任何折流板不小于3个支点。 4.6.5 滑道的设计 按[7] GB151-1999 P85 滑道焊接在折流板的槽内，在直径方向高出折流板0.5～1mm，并与管束成一整体。 取滑道高出折流板0.5mm，长度为940mm，厚度取为8mm，材料选用：00Cr17Ni14Mo2。其形状尺寸如下图： 38 图4-23 滑道结构尺寸示意图 滑道和管板以及折流板板的连接采用焊接。 0.52345°15~25° 图4-24 滑道和折流板连接示意图 综上得折流板示意图如下： 图4-25 折流板结构尺寸示意图 4.7 附件设计 4.7.1 保温层的设计 ① 设置目的 保温层是为了防止生产过程中的设备和管道向四周散发或吸收热量而进行的绝热过程。为了保证操作人员安全，改善劳动条件，防止烫伤和减少热损失等因素，故设置保温层。 本设备的表面温度高于50℃，且对温度控制的要求比较高，为防止日晒或外界因素影响及工作人员安全考虑设置保温层。 ② 结构材料的选用 查[12]，P708，GB4277-84 对材料及其制品的基本性能要求做了如下规定： 导热系数低（<0.12kcal/m?h℃）； 密度小，不大于500kg/ m3 耐振动，化学性能好，对被保温金属无腐蚀作用 39 吸水率小，耐活性好，价格低廉，施工方便 按[10] P709 表6-1选取保温材料如下在： 表4-21 保温层材料物性表 类型 名称 密度kg/ m3 导热系数kcal/m?h℃ 纤维 玻璃棉 80~120 0.04~0.08 使用温度℃ 350 吸水率 大 ③ 厚度计算 查[12]，P718，对于单层保温的设备，其保温层厚度设计如下： 壳程金属壁温tf?175℃ 对于外径<1m的管道，圆筒形设备单层保温热损失q： q?ts?tat?t?sa 1Rs??oD1周围空气温度，室内一般取ta?13℃左右 保温层外径D1?Do?2? tf?tsD1D12?ln?() D2D2?o?Dots?ta一般采用ts?te=15~20℃，本设备取ts?25℃ 保温材料导热系数??0.06kal/m?h?℃ 室内总传热系数?o ?o?8.1?0.045(ts?ta)?8.775kcal/m?h℃ 计算得 DD1D1ln?0.322，查[4] P757 附表3.1 得到1=1.285 DoDoDoDoD1(?1)?60.705mm 取整为60mm 2Do所以δ= 故热损失q?13???8.775?0.546?195.57kal/m2?h 由[12] P761 附表六 查得在175℃下的最大许用热损失[q]=210kcal/m2?h q?[q]，实际热损失小于最大许用热损失 故保温层厚度δ=60mm满足要求。 ④ 保温层质量计算 40 百度搜索“yundocx”或“云文档网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，云文档网，提供经典综合文库毕业设计说明书-最终版在线全文阅读。
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