化工设备机械基础（设备部分）教案

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（3）采用标准碟形封头时，厚度为：

1.2pDi1.2?2.2?600??5.5(mm)t2?170?0.85?0.5?2.2 2[?]??0.5p?n??c?C???8(mm)?c?（4）采用平盖封头时，厚度为：

?c?DcKp0.25?2.2?600??37.1(mm)t170?0.85 [?]??n??c?C???40(mm)从受力状况来说，平盖封头最差，且它的名义厚度最大，所以不宜采用平盖封头；

从制造方面来说，平板封头容易，椭圆形封头较易，碟形封头较难，半球形封头最难。 所以本题可以选用标准椭圆形封头。

练习题

一、DN2000mm的内压薄壁圆筒，壁厚?n?22mm，承受的最大气体压力p?2MPa，焊接接头系数

??0.85，壁厚附加量为C?2mm，试求筒体的最大工作应力。

二、一台内径为1200mm的圆筒形容器。工作温度为10℃，最高工作压力为1.6Mpa。筒体采用双面对接焊，局部探伤。端盖为标准椭圆形封头，采用整板冲压成形，容器的材料为Q235-B，已知常温

?s?235MPa,?b?370MPa,ns?1.6,nb?3.0，容器的腐蚀裕度取C2=2mm，试设计该容器筒体及

封头壁厚。

三、有一承受内压的圆筒形容器，Di?2000mm，最高工作压力p?2MPa。工作温度≤200℃，壁厚?e?16mm，材料为16MnR，焊接接头系数??0.85，壁厚附加量C=1.8mm。试验算容器的强度够不够。

四、有一直径为Di?600mm，壁厚?e?4mm，计算长度L?5000mm的容器，材质为Q235-B，工作温度为200℃，试问该容器能否承受0.1Mpa的外压力？

第四节 钩圈式浮头

钩圈式浮头主要由浮头管板、钩圈、双头螺柱、螺母、浮头端盖（包括浮头法兰及无折边球面封头）等组成。其中，浮头管板的计算将在下一节中介绍，本节主要介绍钩圈及浮头端盖的强度计算。 一、无折边球面封头的设计计算

1．管程压力Pt及壳程压力Ps均为正压时 （1）按Pt（内压）作用下计算浮头盖厚度：

??5Pt?Ri6[?]t?? mm （5-21）

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?n???c?? mm （5-22）

式中：Ri──无折边球面封头内半径；

[?]t──封头材料在设计温度下许用应力。

（2）按Ps（外压）作用下计算浮头盖厚度：

① 假设δn，令δe=δn-c，定出Ro/δe（RO为球面封头外径）； ② 用A?0.125计算出A值；

R0?e③ 根据所用材料选用图5-5～图5-8，在图的下方找出系数A，若A值落在设计值温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设计温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点水平方向右移，在图的右方得到系数B，并按式（5-23）计算许用外压力[P]:

[P]?

Ro?e (5-23)

B若所得A值落在设计温度下材料线的左方，则用式（5-24）计算许用外压力[P]：

[P]?0.0833E

(Ro?e)2 (5-24)

④ [P]应大于或等于Ps，否则须再假设名义厚度δn，重复上述计算，直到[P]大于且接近Ps为止。比较按（1）和按（2）算出的名义厚度值，取大者作为浮头盖的实用名义厚度。 管程压力Pt为正，壳程压力Ps为负时

按（1）计算浮头盖厚度，取计算压力值为Pt与Ps之和。

(浮头法兰设计计算课后自学，不作要求)

2．管程压力Pt为负，壳程压力Ps为正时

按（2）计算浮头盖厚度，取计算压力值为Pt与Ps之和。

二、钩圈的设计计算

钩圈分A型与B型两种，其设计方法各不相同，当采用如图5-10所示的A型钩圈时，计算步骤为：

D（1）计算直径比K?fo；

DfiK2?lgK1Y?(0.66845?5.71692)K?1K?1（2）计算系数 ；

L?0.5[Db?0.5(De?Dfi)]（3）计算LG: G；

（4）计算力矩M：M?W?LG； 式中：W的计算值同上。

??2YMDfi?[?]tf?2C2计算钩圈厚度：

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注：公式中尺寸如图5-10所示

当采用如图5-11所示的B型钩圈时，其设计厚度计算式为： ???1?16

式中：?1──浮头管板厚度，mm。

第五节 管 板

一、管板的力学模型及受力分析

管板是管壳式换热器的主要部件之一，特别是在大直径和高压力的场合，准确合理的管板强度设计计算对换热器的安全运转、降低成本起着很重要的作用。但由于管板受力复杂，且与换热器的类型相关，且各国对管板强度设计的基本模型也不尽相同，导致各国标准中计算公式各异，甚至计算结果也可能有较大出入。本书主要介绍我国GB151-1999中对管壳式换热器管板的计算方法。

由于在力学上已导出弹性基础圆板的分析解，因此，在GB151-1999中将管板看作弹性基础圆板，对不同类型的管壳式换热器分别考虑管子的支撑作用及管孔的削弱作用，将换热器假想地分解为若干个单独的部件，然后依靠变形协调及力的平衡建立以各部件之间作用力为未知量的方程组，并求出各部件之间的作用力，最后按弹性基础圆板的分析解可求出管板内危险截面上的应力。 管板的受力分析

将换热器各部件假想地分解开后，其各部件之间内力作用如图5-12所示，共存在14个未知内力：作用在封头与法兰之间的弯矩Mh、径向剪力Hh，轴向力Vh；作用在管板的圆形布管区与环形不布管区之间即半径为Rt处的弯矩Mt，径向力Ht，轴向剪力Vt；作用在环形的不布管区与壳体法兰之间即半径为R处的弯矩MR，径向剪力HR，轴向力VR；作用在壳体法兰与壳体之间的弯矩MS、径向剪力HS，轴向力VS；作用在垫片上的轴向内力VG与作用在螺栓圆上的螺栓力Vb。

在上述受力分析中，将管板分成两部分，即环形不布管区和圆形布管区，管板的最大应力发生在这两个区中，对环形不布管区，应力沿径向呈单调变化，则?max发生在环形板的内缘或外缘；对圆形布管区，视作弹性基础圆板，其应力分布由外向内衰减变化，?max发生在圆板外缘或内部具有最大径向弯矩Mrmax值的半径ri处，要求在各危险工况下，上述各?max均应满足设计准则要求。 二、管板的设计计算（摘自GB151-1999） 1．管板的名义厚度应不小于下列三者之和：

(1) 管板的计算厚度或最小厚度（按表5-6选取）中的最大值； (2) 壳程腐蚀裕量或结构开槽深度中的最大值； (3) 管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度中的最大值。

表5-6 管板最小厚度（不含腐蚀裕量）查取表(单位：mm)

换热管外径 d0≤25 25< d0<50 d0≥50 ?min ?min≥0.75 d0 ?min≥0.70 d0 ?min≥0.65 d0

2．U形管式换热器管板计算步骤

见P127—134

3．浮头式与填料函式换热器管板计算步骤

见P135—137

4．固定管板式换热器管板计算

见P137—145

第六节 膨胀节

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在固定管板式换热器中，当管程介质存在较大温差及压差时，在筒体与管子之间就会引起较大热膨胀差，在筒体、管子及管板中也会产生较大的附加应力，正是为了缓和这些应力，可以在筒体上设置挠性元件──膨胀节，以补偿筒体的轴向变形。

膨胀节的类型很多，计算方法也较多，本节主要介绍应用最多的U形膨胀节（不带加强装置）的常规计算方法。

一、膨胀节设置判断

因为膨胀节不是每台固定管板式换热器均需安装，只有当附加应力较大至不满足强度要求时才设置膨胀节，因此，在进行膨胀节设计计算之前需先判断是否需要设置（未注明符号同第四节）。 1．计算温差引起的轴向应力F1

?d???t??0??ds??s??0???As?na?Es?EtF1=t N (5-29)

AsEs?naEt式中：

dt,ds──管子与壳体材料的线膨胀系数，10C；

?t,?s──管子与壳体的操作壁温，℃； ?0──换热器的安装温度，通常取常温，℃。

2．计算介质压力引起的轴向力Q Q=

?4[n(d2?2?t)2?Pt?Di2?nd2?ps] N (5-30)

AsEs?Q (5-31)

AsEs?na?Etn?a?Et?Q (5-32)

AsEs?na?Et??F2=

F3=

式中：

F2──Q作用在壳壁上的轴向力，N； F3──Q作用在管壁上的轴向力，N。

3．应力评定

对壳壁应力?s，管壁应力?t,管子与管板连接处的拉脱力q应满足： ?s=F1?F2≤2???ts?? (5-33)

As?t =?F1?F3≤2???tt (5-34)

na当?t<0时，还要求|?t|<[?]cr

q=

?t?a?[q] ??d?l当应力评定中有一项或几项不能满足要求时，就需要设置膨胀节或调节有关尺寸。 二、U形膨胀节的设计计算

U形膨胀节的计算内容包括轴向刚度计算、应力计算、应力评定、疲劳寿命核算、外压核算等五部分，其计算方式见P155—1159 1．膨胀节轴向刚度计算 2．应力计算 3．应力评定

4．疲劳寿命核算 5．外压核算

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