换热器的强度计算.doc

1、确 定 了 换 热 器 的 结 构 及 尺 寸 以 后 ， 必 须 对 换 热 器 的 所 有 受压 元 件 进 行 强 度 计 算 。 因 为 管 壳 式 换 热 器 一 般 用 于 压 力 介质 的 工 况 ， 所 以 换 热 器 的 壳 体 大 多 为 压 力 容 器 ， 必 须 按 照压 力 容 器 的 标 准 进 行 计 算 和 设 计 ， 对 于 钢 制 的 换 热 器 ， 我国 一 般 按 照 GB150标 准 进 行 设 计 ， 或者 美 国 ASME 标 准 进 行 设 计 。 对 于 其 它 一 些 受 压 元 件 ， 例如 管 板 、 折 流 板 等 ， 可 以 按 照

2、我 国 的 GB151或 者 美 国 TEMA 标 准 进 行 设 计 。 对 于 其 它 材 料的 换 热 器 ， 例 如 钛 材 、 铜 材 等 应 按 照 相 应 的 标 准 进 行 设 计 。下 面 提 供 一 氮 气 冷 却 器 的 受 压 元 件 强 度 计 算 ， 以 供 参考 。 该 换 热 器 为 U 形 管 式 换 热 器 ， 壳 体 直 径 500mm，管 程 设 计 压 力 3.8MPa， 壳 程 设 计 压 力 0.6MPa。 详 细 强度 计 算 如 下 ：1. 壳程筒体强度计算2. 前端管箱筒体强度计算3. 前端管箱封头强度计算4. 后端壳程封头强度计算5. 管板

3、强度计算6. 管程设备法兰强度计算7. 接管开孔补强计算氮气冷却器(U 形管式换热器)筒体计算计算条件 筒体简图计算压力 Pc 0.60 MPa设计温度 t 100.00 C内径 Di 500.00 mm材料 16MnR(热轧) ( 板材 )试验温度许用应力 170.00 MPa设计温度许用应力 t 170.00 MPa试验温度下屈服点 s 345.00 MPa钢板负偏差 C1 0.00 mm腐蚀裕量 C2 1.00 mm焊接接头系数 0.85厚度及重量计算计算厚度 = = 1.04mm有效厚度 e = n - C1- C2= 7.00mm名义厚度 n = 8.00mm重量 481.06 Kg

4、压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.7500MPa压力试验允许通过的应力水平 T T 0.90 s = 310.50 MPa试验压力下圆筒的应力 T = = 31.95MPa校核条件 T T校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力Pw= = 3.99014MPa设计温度下计算应力 t = = 21.73MPa t 144.50 MPa校核条件 t t结论 合格氮气冷却器前端管箱筒体计算计算条件 筒体简图计算压力 Pc 3.80 MPa设计温度 t 100.00 C内径 Di 500.00 mm材料 0Cr18Ni9 ( 板材 )试验温度许用应力

5、137.00 MPa设计温度许用应力 t 137.00 MPa试验温度下屈服点 s 205.00 MPa钢板负偏差 C1 0.80 mm腐蚀裕量 C2 0.00 mm焊接接头系数 0.85厚度及重量计算计算厚度 = = 8.29mm有效厚度 e = n - C1- C2= 11.20mm名义厚度 n = 12.00mm重量 75.76 Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 4.7500MPa压力试验允许通过的应力水平 T T 0.90 s = 184.50 MPa试验压力下圆筒的应力 T = = 127.53MPa校核条件 T T校核结果 合格压力及应

6、力计算最大允许工作压力Pw= = 5.10266MPa设计温度下计算应力 t = = 86.72MPa t 116.45 MPa校核条件 t t结论 合格氮气冷却器前端管箱封头计算计算条件 椭圆封头简图计算压力 Pc 3.80 MPa设计温度 t 100.00 C内径 Di 500.00 mm曲面高度 hi 125.00 mm材料 0Cr18Ni9 (板材)试验温度许用应力 137.00 MPa设计温度许用应力 t 137.00 MPa钢板负偏差 C1 0.80 mm腐蚀裕量 C2 0.00 mm焊接接头系数 1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度 = = 6.98mm

7、有效厚度 e = n - C1- C2= 11.20mm最小厚度 min = 0.75mm名义厚度 n = 12.00mm结论 满足最小厚度要求重量 32.23 Kg压 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 6.06962MPa结论 合格氮气冷却器后端壳程封头计算计算条件 椭圆封头简图计算压力 Pc 0.60 MPa设计温度 t 100.00 C内径 Di 500.00 mm曲面高度 hi 125.00 mm材料 16MnR(热轧) (板材)试验温度许用应力 170.00 MPa设计温度许用应力 t 170.00 MPa钢板负偏差 C1 0.00 mm腐蚀裕量 C2 2.00 mm焊接接头系数

8、 1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度 = = 0.88mm有效厚度 e = n - C1- C2= 6.00mm最小厚度 min = 0.75mm名义厚度 n = 8.00mm结论 满足最小厚度要求重量 19.61 Kg压 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 4.05567MPa结论 合格氮气冷却器管板计算设 计 条 件壳程设计压力 0.60 MPa管程设计压力 3.80 MPa壳程设计温度 100.00 C管程设计温度 100.00 C壳程筒体壁厚 8.00 mm管程筒体壁厚 12.00 mm壳程筒体腐蚀裕量 C 1.00 mm管程筒体腐蚀裕量 C 0.00 m

9、m换热器公称直径 500.00 mm换热管使用场合 一般场合管板与法兰或圆筒连接方式 ( a b c d 型 ) a 型换热管与管板连接方式 ( 胀接或焊接 ) 焊接材料(名称及类型) 0Cr18Ni9 名义厚度 70.00 mm管 强度削弱系数 0.40 刚度削弱系数 0.40 材料泊松比 0.30 隔板槽面积 210.00 mm2换热管与管板胀接长度或焊脚高度 l 3.50 mm设计温度下管板材料弹性模量 191000.00 MPa设计温度下管板材料许用应力 137.00 MPa许用拉脱力 68.50 MPa壳程侧结构槽深 h1 0.00 mm板 管程侧隔板槽深 h2 4.00 mm壳程腐

10、蚀裕量 0.00 mm管程腐蚀裕量 0.00 mm材料名称 0Cr18Ni9换 管子外径 d 19.00 mm热 管子壁厚 2.00 mm管 U 型管根数 n 138 根换热管中心距 S 25.00 mm设计温度下换热管材料许用应力 137.00 MPa垫片材料 软垫片压紧面形式 1a 或 1b垫 垫片外径 Do 565.00 mm片 垫片内径 Di 515.00 mma 型 垫片厚度 g mm垫片接触面宽度 mm垫片压紧力作用中心园直径 DG 547.11 mm( c 型 ) 管板材料弹性模量 0.00 MPa( d 型 ) 管板材料弹性模量 0.00 MPa( b d 型 ) 管箱圆筒材料

11、弹性模量 0.00 MPa( b c 型 ) 壳程圆筒材料弹性模量 0.00 MPa( c d 型 ) 管板延长部分形成的凸缘宽度 0.00 mm( c 型 ） 壳体法兰或凸缘厚度 0.00 mm( d 型 ) 管箱法兰或凸缘厚度 0.00 mm参数计算管板布管区面积 三角形排列正方形排列一根换热管管壁金属横截面积= 106.81 mm2管板开孔前抗弯刚度 b c d 型0.00Nmm管板布管区当量直径436.43 mma 型其他系数 0.80系数 按 和 查图得 : = 0.000000系数 按 和 查图得 : = 0.000000a d 型 = 0b c 型 0.00a ,c 型 = 0b

12、 ,d 型0.00a 型 = 0其他 0.00旋转刚度无量刚系数 0.00系数 0.2696按 和 0.07130.0000管板厚度或管板应力计算a管板计算厚度取 、 大值61.345 mm型 管板名义厚度 66.000 mm管板中心处径向应力= 0 MPa= 0 MPabcd布管区周边处径向应力= 0 MPa型= 0 MPa边缘处径向应力 = 0 MPa= 0 MPa管板应力校核 单位：MPa| r|r=0 = b 工况 | r|r=Rt = c | r|r=R = d | r|r=0 = 型 工况 | r|r=Rt = | r|r=R = 换热管轴向应力计算及校核 : MPa (单位)计算

13、工况 计算公式 计算结果 校核只有壳程设计压力 ,管程设计压力 =0 :|-1.59| 合格只有管程设计压力 ,壳程设计压力 =0 :=|6.29| 合格壳程设计压力 ,管程设计压力 同时作用:|4.69| 合格换热管与管板连接拉脱力校核拉脱力 q3.21 qMPa校核 合格重量 64.89 Kg氮气冷却器管箱法兰强度计算设 计 条 件 简 图设计压力 p 3.800 MPa计算压力 pc 3.800 MPa设计温度 t 100.0 C轴向外载荷 F 0.0 N外力矩 M 0.0 N.mm壳 材料名称 0Cr18Ni9体 许用应力 137.0 MPa法 材料名称 #许用 s f 137.0 M

14、Pa兰 应力 s tf 137.0 MPa材料名称 40Cr螺 许用 s b 212.0 MPa应力 s tb 189.0 MPa栓 公称直径 d B 24.0 mm螺栓根径 d 1 20.8 mm数量 n 24 个Di 500.0 Do 660.0垫 结构尺寸 Db 615.0 D 外 565.0 D 内 515.0 0 16.0mm Le 22.5 LA 31.5 h 35.0 1 26.0材料类型 软垫片 N 25.0 m 2.00 y 11.0压紧面形状 1a,1b b 8.94 DG 547.1片 b06.4mm b= b0 b06.4mm DG= ( D 外+D 内 )/2b0 6

15、.4mm b=2.53 b0 6.4mm DG= D 外 - 2b螺 栓 受 力 计 算预紧状态下需要的最小螺栓载荷 Wa Wa= bDG y = 169119.0 N操作状态下需要的最小螺栓载荷 Wp Wp = Fp + F = 1127044.1 N所需螺栓总截面积 Am Am = max (Ap ,Aa ) = 5963.2 mm2实际使用螺栓总截面积 AbAb = = 8117.5mm2力 矩 计 算操 FD = 0.785 pc= 745750.0N LD= L A+ 0.51= 44.5mm MD= FD LD= 33185876.0N.mm作 FG = Fp= 233573.5N

16、 LG= 0.5 ( Db - DG )= 33.9mm MG= FG LG= 7928625.5N.mmMp FT = F-FD= 147150.2N LT=0.5(LA + d 1 + LG )= 45.7mm MT= FT LT= 6728066.0N.mm外压: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 内压: Mp = MD+MG+MT Mp = 47842568.0 N.mm预紧 MaW = 1492550.6 N LG = 33.9 mm Ma=W LG = 50664460.0 N.mm计算力矩 Mo= Mp 与 中大者 Mo=50664460.0 N.mm

17、螺 栓 间 距 校 核实际间距= 80.5mm最小间距56.0 (查 GB150-98 表 9-3) mm最大间距158.4 mm形 状 常 数 确 定89.44 h/ho = 0.4 K = Do/DI = 1.320 1.6由 K 查表 9-5 得 T=1.789 Z =3.694 Y =7.145 U=7.851整体法兰 查图 9-3 和图 9-4 FI=0.85944 VI=0.31415 0.00961松式法兰 查图 9-5 和图 9-6 FL=0.00000 VL=0.00000 0.00000查图 9-7由 得f = 1.06578整体 法兰 = 572246.8松式 法兰 =

18、0.00.2=f e+1 =1.44 g = y /T = =0.811.59= 0.98剪应力校核 计 算 值 许 用 值 结 论预紧状态0.00MPa 操作状态0.00MPa 输入法兰厚度 f = 46.0 mm 时, 法兰应力校核应力性质计 算 值 许 用 值 结 论轴向应力158.57MPa =205.5 或=342.5( 按整体法兰设计的任 意 式法兰, 取 )校核合格径向应力77.96MPa = 137.0 校核合格切向应力54.14MPa = 137.0 校核合格综合应力= 118.27 MPa = 137.0 校核合格法兰校核结果 校核合格氮气冷却器开孔补强计算接 管: a,

19、21916 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件 简 图计算压力 pc 3.8 MPa设计温度 100 壳体型式 圆形筒体壳体材料名称及类型0Cr18Ni9板材壳体开孔处焊接接头系数 0.85壳体内直径 Di 500 mm壳体开孔处名义厚度 n 12 mm壳体厚度负偏差 C1 0.8 mm壳体腐蚀裕量 C2 0 mm壳体材料许用应力 t 137 MPa接管实际外伸长度 100 mm 接管实际内伸长度 0 mm 接管材料 0Cr18Ni9接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材接管腐蚀裕量 0 mm 补强圈材料名称 补强圈外径 mm补强圈厚度 m

20、m接管厚度负偏差 C1t 2 mm 补强圈厚度负偏差 C1r mm接管材料许用应力 t 137 MPa 补强圈许用应力 t MPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度 8.293 mm 接管计算厚度 t 2.63 mm补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr 1 开孔直径 d 191 mm 补强区有效宽度 B 382 mm接管有效外伸长度 h1 55.28 mm 接管有效内伸长度 h2 0 mm开孔削弱所需的补强面积 A 1584 mm2 壳体多余金属面积 A1 555.2 mm2接管多余金属面积 A2 1257 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 64 mm2A1+A2+A3=

21、1876 mm2 ，大于 A，不需另加补强。补强圈面积 A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。氮气冷却器开孔补强计算接 管: b, 1086 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件 简 图计算压力 pc 0.6 MPa设计温度 100 壳体型式 圆形筒体壳体材料名称及类型16MnR(热轧)板材壳体开孔处焊接接头系数 0.85壳体内直径 Di 500 mm壳体开孔处名义厚度 n 8 mm壳体厚度负偏差 C1 0 mm壳体腐蚀裕量 C2 1 mm壳体材料许用应力 t 170 MPa接管实际外伸长度 100

22、 mm 接管实际内伸长度 0 mm 接管材料 20(GB8163)接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料名称 补强圈外径 mm补强圈厚度 mm接管厚度负偏差 C1t 0.75 mm 补强圈厚度负偏差 C1r mm接管材料许用应力 t 130 MPa 补强圈许用应力 t MPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度 1.04 mm 接管计算厚度 t 0.222 mm补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr 0.765 开孔直径 d 101.5 mm 补强区有效宽度 B 203 mm接管有效外伸长度 h1 24.68 mm 接管有效内伸长度 h2 0

23、 mm开孔削弱所需的补强面积 A 107.2 mm2 壳体多余金属面积 A1 595.8 mm2接管多余金属面积 A2 114.3 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 36 mm2A1+A2+A3=746.1 mm2 ，大于 A，不需另加补强。补强圈面积 A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。氮气冷却器开孔补强计算接 管: c, 895 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件 简 图计算压力 pc 0.6 MPa设计温度 100 壳体型式 圆形筒体壳体材料名称及类型16MnR(热轧)板材壳体开孔处焊接接

24、头系数 0.85壳体内直径 Di 500 mm壳体开孔处名义厚度 n 8 mm壳体厚度负偏差 C1 0 mm壳体腐蚀裕量 C2 1 mm壳体材料许用应力 t 170 MPa接管实际外伸长度 100 mm 接管实际内伸长度 0 mm 接管材料 20(GB8163)接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料名称补强圈外径 mm补强圈厚度 mm接管厚度负偏差 C1t 0.625 mm 补强圈厚度负偏差 C1r mm接管材料许用应力 t 130 MPa 补强圈许用应力 t MPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度 1.04 mm 接管计算厚度 t 0.183 mm补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr 0.765 开孔直径 d 84.25 mm 补强区有效宽度 B 168.5 mm接管有效外伸长度 h1 20.52 mm 接管有效内伸长度 h2 0 mm开孔削弱所需的补强面积 A 88.8 mm2 壳体多余金属面积 A1 495.5 mm2接管多余金属面积 A2 68.82 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 25 mm2A1+A2+A3=589.3 mm2 ，大于 A，不需另加补强。补强圈面积 A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。