浮头法兰的合理设计
浮头换热器浮头法兰浮头结构
浮头式换热器浮动端的结构——钩圈式浮头浮头换热器的浮头部分结构设计，除需考虑管柬能在设备内部自由伸缩，及检修、安裴、清洗方便外，还应保证浮头端盖的密封。
而钩圈对保证浮头端的密封、防止管壳间介质的串漏起重要的作用。
一、钩圈式浮头的结构及尺寸：5.7.1钩圈式浮头的结构及尺寸钩圈式浮头的详细结构见图5.7盖侧法兰一1。
外头盖法兰 B型钩圈浮头盖法兰图5. 7-1（或者GB151第82页图50）图5. 7-1中结构尺寸及符号说明如下：a-根据管束和壳体的伸缩量来确定；及、b2、bn -按5.3.3的规定； (GB151第25页)C-安装及拧紧浮头螺母所需空间尺寸，应考虑在各种情况下的热膨胀量，宜不小于60mm;Dfi——浮头法兰和钩圈的内直径，dfo=Di-2 (b1+ bn)，mm：Dfo——浮头法兰和钩圈的外直径，Dfo=Di+80，mm；Di——换热器圆筒内直径，mm：D L——布管限定圆直径，按5.5.3确定，mm：(GB151第25页)D-外头盖内直径，~Di+100，mm：Do——浮动管板外直径，Do=Di-2b1，mm。
图5.7.2钩圈：钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要的作用。
随着浮头换热器的设计、制造技术的发展、以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不断的改进和完善。
钩圈一般都是对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。
二、钩圈分类：5.7.2.1 A型钩圈和B型钩圈，GB151给出了两种型式的钩圈，即A型钩圈和B型钩圈。
见图5.7-2a、b。
A型钩圈在上世纪70年代及以前采用较多，由于A型钩圈的底部距浮动管板较远，使得浮头端壳程介质的死角增大，减少管束的有效传热面积。
且A型钩圈的厚度比B型钩圈厚一上紧双头螺柱也比B型长，稳定性差。
B型钩圈为国外引进型式，其特点是浮头管板和钩圈的斜槽采用不同倾角，浮头管板斜角采用18。
，外圈斜角2×45。
浮头式换热器设计【毕业作品】
浮头式换热器设计摘要：本次设计的题目是浮头式换热器。
浮头式换热器是管壳式换热器的换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只是一端与外壳固定，另一端可相对壳体滑移，称为浮头式。
浮头由浮动管板钩圈和浮头端盖组成。
它不会因为管束之间的差胀而产生温差热效应，同时还具有拆卸方便、易清洗的优点，另外与其他类型的管壳式换热器一样，能在高温、高压下工作，所以在化工工业方面应用广泛。
本设计中的浮头式换热器主要参照GB151在给定的设计条件下进行工艺设计，然后对筒体、管束、浮头端进行详细的机械结构设计、计算和校核，对于换热器的一些零部件则根据设计参数查找标准。
对于具体的设计步骤与准则在设计说明书中有详细的说明。
关键字:换热器；浮头；管板；钩圈The design of floating-head heat exchangerAbstract:The topic of my study is the design of floating-head heat exchanger. The floating-head heat exchanger is a special type of tube and shell heat exchanger. It is special for its floating head. One of its tube sheet is fixed，while another can float in the shell，so called floating head. The floating head floating tube sheet hook and loop and floating head cover. It is not because of the differential expansion between the tubes and the temperature difference between the thermal effects, but also has to facilitate the demolition, the advantages of easy to clean, but in addition it can work in high temperature and high pressure same as the other tube and shell heat exchanger, so widely used in the chemical industry. The design of the floating head heat exchanger major reference GB151,first make process design in a given design conditions, and then on the cylinder, tube, floating head end, a detailed mechanical structural design, calculation and check, for some of the heat exchanger components according to the design parameters. The specific design steps and design criterion is described in design specification.Keywords:heat exchanger; floating head; tube plate; hook and loop前言换热器是实现热量传递的一种设备，在工业生产中起着重要的作用，在各个化工相关领域得到了广泛的应用。
浮头法兰合理设计(丁伯民)
ａ ４８ Ｄ 了＋ ＇ 万万 二万 了而瓜 几万 簇Ｌ」 ‘ ＝ ａ‘ ’ 、
式（ 中 ｒ 是薄膜 力和弯曲 １ 的ａ因 ） 应 应力的 叠加， 所
以除按惯例对压力尸应取绝刘 外 ， 力矩Ｍ。 值 对 也应取
万方数据
２５ ０ 年第 １ ０ 期
为方便起见 ， 以文 【］ １ 的算例 中所采用 的法兰直
一现象， 见图 １ ） 现Ｐ 二 Ｐ ， （， ｇ ２ 如取Ｐ 为更大的 ， 值， 可能得不到 即 交点］Ｓ＝ ｝ 和Ｓ ＝ ２Ｌ ，ｆｆ（ Ｌ） ｆ （ ｆ ， ） 二者间并无交点， １ｅ， 不存在最佳设计。但 见图 （）即
１ 前言
由于 浮头法兰所 受力矩不仅 和垫 片结构 尺寸 、
的、 即最佳设计。文 【１［１ ３，４从求取最佳Ｌ， 出发 ， 认为
类型有关， 而且和法兰厚度本身以及封头在法兰上
的焊接位置有关 ， 以它和其它元件不 同， 既定 载 所 在
使法兰 在管、 壳程两种操 作工况下各自 求得的法兰 计 算厚度Ｓ趋于同值时 （ Ｓ＝ ｒ 即 ｉ ｉ Ｓ）即为最合适的Ｌ 了
值 。文 〔１［１ ３，４的主要思路无疑是可取的。
荷和结构 （ 例如封头在法兰 上的 焊人深度 ） ｌ 的条件 下， 增加法兰厚度 Ｓ有时反会提高法兰的所受力 ，
矩，从 而使在某一既定工 况下已满足强度校核 的法 兰变成不能满足强度校核 。
事实上， 对某些操作条件， ｒ 并不能得到 在Ｌ 时
－ ６· ４
一 二二二 二 一 二 ＝
化 工 设 备 与 管 道
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浅析浮头式换热器设计
156研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术中国设备工程 2018.06 （上）浮头式换热器应按照标准GB150-2011《压力容器》、GB/T151-2014《热交换器》的要求进行选材、设计、制造、检验、验收及安装和使用。
浮头式换热器一端管板与壳体固定，另一端管板可以在壳体内自由浮动；其优点如下。
（1）因这种结构管束和壳体之间不会产生温差应力，因此管壳程介质温差不受限制。
（2）浮头盖和钩圈可以拆卸，管束可以抽出，方便设备的维修和管束的清洗。
（3）可用于结垢比较严重的场合。
（4）可用于管程易腐蚀场合。
但浮头式换热器结构比较复杂，而且在浮头盖和浮动管板密封垫处发生泄漏（无法知道泄漏情况）；因此，如果管壳程介质成分要求比较严格时，尽量不要选用浮头式换热器。
浮头式换热器如图1所示，是为宁波某化工企业节能降耗项目而设计的一台双壳程双管程浮头式换热器。
该换热器主要是将塔侧采出的成品热二氯乙烷（～97℃）与裂解炉进料冷二氯乙烷进行充分热交换后，达到降低成品二氯乙烷的温度，提高裂解炉进料端二氯乙烷的温度，从而减少系统中蒸汽消耗和循环水的使用量，以减少生产成本。
图1 浮头换热器1 浮头式换热器设计计算1.1 工艺计算换热器的工艺计算有三种计算模式，即设计、模拟和校核计算。
常用的是设计与校核计算模式；设计计算的目的是根据给定的工艺参数选择换热器类型并计算热负荷，确定换热面积和部分换热器结构尺寸；校核计算的目的是对已有的换热器，校核它是否满足预定的换热要求，这是属于换热器的性能计算问题。
我们选择设计计算模式对浮头式换热器进行工艺计算，工艺参数详见表1。
表1 工艺参数壳程管程介质二氯乙烷二氯乙烷介质特性中毒危害、易爆中毒危害、易爆流量/（kg/ h）102995.6116006进/出口温度/℃9759.314077进口压力/MPa 0.892.12换热面积/㎡306进出口接管/mmDN150DN150DN150DN150程数22设备的结构数据如下：换热器型式BFS，材质为碳钢，换热器直径1000mm，换热管选用φ19×2。
浮头换热器结构设计要点要点
浮头换热器结构设计常用要点汇总（根据标准和手册综合整理）（碳钢、卧式、内导流）2011-11-11目录一、换热管————————————————————————————3二、筒体、隔板————————————————————————————3三、法兰——————————————————————————————3四、缠绕垫片————————————————————————————3五、双头螺柱/带肩双头螺柱/支耳————————————————————4六、管板结构————————————————————————————5七、钩圈与浮动管板——————————————————————————8八、折流板与支持板——————————————————————————9九、拉杆——————————————————————————————10十、滑道———————————————————————————————10 十一、内导流筒与防冲板———————————————————————11 十二、防短路结构—————————————————————————12 十三、排液（排气）口—————————————————————————13 十四、吊耳与顶丝——————————————————————————14附件1: Ⅰ级管束的管板管孔/折流板管孔—————————————————15 附件2 球面封头半径SR尺寸—————————————————————15 附件3 隔板槽处管孔中心距—————————————————————15 附件4 关于螺纹的一般要求—————————————————————15 附件5 关于技术要求—————————————————————15 附件6 分程隔板密封面加工——————————————————————16一、换热管（冷拔管）1.常用规格（PN≤6.4MPa）：φ25x2.5 φ19x2 ；常用材料：10#、20#外径偏差：±0.3（GB/T8163-2008）------仅为Ⅱ级管束（±0.2为Ⅰ级）普通级：±0.2 高级：±0.15 （GB9948-2006）----均为Ⅰ级管束可见，GB9948中普通级已达到GB151中高精度要求2.长度L：3、4.5、5、6、7.5、9、12m3.管心距：规格φ25x2.5 φ19x2管心距32 25分程隔板处44 （转角正方形取32x2-1/2=45.25）384.换热管数据：规格质量Kg/m 外表面积m2/m 内表面积m2/m 内截面积cm2φ25x2.5 1.390 0.0785 0.0628 3.142φ19x2 0.838 0.0597 0.0471 1.7675.换热管伸出管板最小长度（强度焊）：规格φ25x2.5 φ19x2长度 2 1.5二、筒体、分程隔板1．筒体规格：1）无缝钢管制筒体：DN300（φ324）2）钢板制筒体：DN400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800。
毕业设计：浮头式换热器设计
摘要随着石油化工行业的迅速发展，换热器在石化行业设备中占据着重要的部分和地位。
换热器是一种实现物料之间能量传递的设备，本设计主要是针对的浮头式换热器，浮头式换热器属于管壳式换热器的一种，是利用间壁使高温流体和低温流体进行对流传热从而实现物料间的热量传递。
在设计的整个过程中，严格按照GB150-1998《钢制压力容器》和GB151-1999《管壳式换热器》等标准进行设计和计算。
以及对换热器的强度，刚度和稳定性的校核。
本设计包括四个部分：说明部分；计算部分；绘图部分和翻译部分。
说明部分主要阐述了浮头式换热器的工艺流程及其在炼油化工生产中的地位，换热器设备及其发展现状和国内外换热器的最新发展趋势，同时介绍了换热器的结构设计，换热器主要零部件结构的设计及压力容器常用材料等。
最后对压力容器的制造，检验和验收等问题也作了简单的介绍。
计算部分主要针对筒体，封头，和法兰进行了详细计算，并对其进行了水压试验校核，还对换热器的管板，折流板，鞍座等进行了相关的设计计算。
除此之外，还参阅相关的设计手册及大量的文献，完成了各个零件图的绘制，还对两万字符的外文进行了翻译等工作。
因此，这是份比较具有创新性的毕业设计。
关键词：浮头式换热器；筒体；压力试验；校核AbstractWith the oil of the rapid development of the chemical industry, heat exchanger equipment in the petrochemical industry occupies an important part and status. Is a heat exchanger to achieve energy transfer between the materials of the equipment, mainly for the design of the floating head heat exchanger, floating head heat exchangers are shell and tube heat exchanger type is the use ofpartitions so that high-temperature fluid and low-temperature fluid for convective heat transfer in order to achieve the heat transfer between materials.In the design of the whole process, in strict accordance with GB150-1998 "Steel Pressure Vessels" and GB151-1999 "shell and tube heat exchanger" and other standards for the design and calculation. As well as the heat exchanger strength, stiffness and stability of the check.The design includes four parts: that part of it; calculation part; mapping and translation of some parts. Note on some of the main floating head heat exchanger and its application in the process of refining the position of chemical production, heat exchanger and the development of equipment and heat exchangers at home and abroad the latest development trends, at the same time introduced the structure of heat exchanger design, heat exchanger design of the structure of the main components and pressure vessels commonly used materials. Finally, pressure vessel manufacturing, testing and acceptance of other issues also made a brief introduction. Calculated for some of the main cylinder, head, and carried out a detailed calculation of the flange, and its hydraulic test checking, but also on the heat exchanger tube sheet, baffle, such as a saddle-related design calculation. In addition, see the related design manuals and a lot of literature, completed the mapping of various parts, but also on the20,000 foreign-language characters for the translation work. Therefore, it is a comparison of graduates with innovative design.Key words:Floating head heat exchanger; cylinder; pressure test; check目录1前言 (1)1.1管壳式换热器的分类 (1)1.2管壳式换热器的结构 (2)1.2.1管束 (2)1.2.2壳程 (3)1.2.3管子的排列方式 (3)1.2.4管板 (3)1.2.5折流板与折流杆 (3)1.3管壳式换热器相关分析 (4)1.3.1传热系数 (4)1.3.2平均温差 (4)1.3.3流体流速 (4)1.3.4流体压降 (4)1.3.5振动 (4)1.3.6其他 (4)1.4提高管壳式换热器传热能力的措施 (5)1.5管壳式换热器工作原理 (6)1.6管壳式换热器的发展 (7)1.6.1板式支承结构的发展 (7)1.6.2杆式支承结构的发展 (7)1.6.3空心环支承结构 (8)1.6.4管式自支承 (9)1.7管壳式换热器特点 (10)1.8管壳式与其他换热器的比较 (11)1.9腐蚀与防护 (14)1.9.1换热器腐蚀的原因 (14)1.9.2管壳式换热器的防腐蚀措施 (16)1.10换热器设计软件简介 (19)1.10.1HTFS (20)1.10.2 HTRI (21)1.10.3 ASPEN PLUS B—JAC (22)1.11结语 (23)2设计部分 (24)2.1浮头式换热器筒体的计算： (24)2.1.1计算条件 (24)2.1.2厚度的计算 (24)2.2前后端管箱封头的计算 (25)2.2.1设计条件 (25)2.2.2厚度计算 (25)2.2.3压力试验应力校核 (26)2.2.4压力试验应力校核 (27)2.3带法兰无折边球形封头及法兰计算 (27)2.3.1设计条件 (27)2.3.2厚度计算 (28)2.4管子排列方式的设计 (31)2.5开孔补强的计算 (31)2.5.1筒体开孔所需的补强面积要求 (32)2.5.2在有效补强范围内作为补强的截面积 (32)2.5.3选择补强圈补强 (33)2.6外头盖法兰厚度计算 (33)2.6.1设计条件 (33)2.6.2厚度计算 (34)2.7管板的厚度计算 (38)2.7.1设计条件 (38)2.7.2计算各参数 (39)2.7.3厚度计算 (41)2.7.4校核换热管轴向力 (42)3 致谢 (45)4 参考文献 (46)1 前言换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业应用普遍。
浮头法兰设计计算程序
浮头法兰设计计算一、a值计算主要参数的意义：1.Pt-换热器管程设计压力2.5Mpa2.Ps－换热器壳程设计压力 1.5MPa3.Di－法兰内直径755mm4.Ri-封头球面内半径700mm5.[δ]f t 法兰材料在设计温度下的许用应力135Mpa6.D-法兰外直径880mm7.δn－封头名义厚度15mm8.β1＝0.5335690.562814753 弧度 计算过程：Fst=-6.5935101Frt=1773202.98Bt=227.554525Frs=1063921.79Bs=136.532715B=27.6095155a=762.285344二、b值计算主要参数的意义：1.Db-螺栓中心圆直径840mm2.DG-垫片压紧力作用中心圆直径773mm3.b-垫片有效密封宽度17.5mm4.m－垫片系数 2.5计算过程：LD=42.5LG=33.5LT=38At=8648.23184Ft=16.4837753Ct=8919.94669As=793.921256Fs=9.89026519Cs=-696.10391φ＝-9572.5762Φ＝725.908964b=-40220.522三、c值计算c=Φ2-Cs=527639.929δf-浮头法兰计算厚度40mm 结论：（一）：当管程设计压力大于壳程设计压力时Lr=28.3319218mm那么L=-17.1997214mm (二)当管程设计压力小于壳程设计压力时Lr=24.4311578mm 那么L=-13.2989574mm (三）当管程设计压力等于壳程设计压力时Lr=34.578354mm。
浮头盖的设计要点
４球 冠 形 封 头
球 冠 形 封 头 球 面 内半 径 按 Ｇ ５ 表 ４ 的规 定 Ｂ１ １ ６ 取 值 ，根 据 公 式 （ ５ 即可 得 出计 算 厚 度 ，然 后 ４） 根 据计 算 厚 度取 一 个适 当 的名 义厚 度 ６ｌ 。此 时注 ＇ ｌ 意 浮 头 法 兰 计 算 时 ，球 冠 形 封 头 的名 义 厚 度 应 输 入 实 际厚 度 ，腐 蚀 裕量 输 入 ０ ，并考 虑 腐 蚀前 、腐 蚀后 两种 工 况 。 腐 蚀 前 ： 实 际 厚度 ＝ 义 厚 度 一 名 厚度 负偏 差 一 成 型减 薄量 腐 蚀 后 ：实 际 厚度 ＝ 义 厚 度 ． 度 负偏 差 一 名 厚 成 型减 薄量 一 蚀裕 量 腐 如 果 球 冠 形 封 头 的名 义 厚 度 与 实 际 厚度 对 应 的材 料 许 用 应 力 不 一 样 ， 则还 需 计 算 一种 工 况 ， 主 要 是核 算 球 冠 形封 头 厚度 是 否 合格 ，球 冠 形封 头 的名 义 厚度 输 入 名 义 厚度 ， 腐蚀 裕 量 输 入 实 际 腐 蚀裕 量 加厚 度 负偏 差 。
６７ ～ ｍｍ ￣ 可 。 Ｏ
２双 头 螺 柱
螺 柱 的规 格 和 数 量 可 参照 设备 法 兰 的螺 栓 规 格 ， 由于 浮数 量 可 根 据情 况 适 当减 少 。 当浮 头 端 空 间尺 寸 不 够 时 ，可 采 用减 小 螺栓 尺 寸 而 增 加 螺 栓 数量 的方 法 ，此 时应 注 意 核 算 螺栓 间距 是 否 满 足 ＧＢ１ ０ 表 ５
当２ ＞ｌ ２ 时 ，法 兰 计 算 厚度 开始 转 为 由正 ６ ＞０ 压 工 况 决 定 ，并 在 这 个 区 间 内计 算 厚 度 保 持 不 变
当Ｄｉ ７ ０ ｎ ０，ｂ ＝ ＜ ０ ，ｂ ＞１ ｌ ３；
浮头法兰的设计
法兰所受净力矩 * ) ! 增大。 由此可见， 较大的 %$ ， 虽然对降低 !" 作用时的
" 有利， 但会对 !) 作用下法兰所受净 法兰净力矩 *!
矩， 故一般应将 # "$ 作用位置设于法兰形心之上方，
" 则 可 与 #& 、 以此产生 的 # "$%$ 力 矩 方 向 为 顺 时 针， " " 、 产生的力矩抵消一部分， 使法兰在 !" 作用 #’ #(
力， （ !0； #/ K ’L,*M $% ； ) ( ! "）
— —壳程压力 ’& 作用的 #/ ， #& 0； /—
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（ !K ’L,*M $( ； ) ( ! "） $(!" ! ) -" ( !" ( ［ （ * "］ . ! ( !" ）
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!" 作用时的法兰受力图
) （ %& % %’ ）$ #（ ］ ， 所以增大 %$ ， 则会导致 ( %( % %’ ）
# "$%$ 力矩方向为顺时针； # "&、 # "’、 # "( 力矩方向为逆时针。
" " " 法兰在 !" 作用下， 法兰上的 #& 、 、 对法兰 #’ #( 产生的力矩方向是逆时针的。为了减小法兰所受力
设
计
计
算
浮头法兰的设计
中国石化工程建设公司
摘
桑如苞
浮头式换热器(过程设备设计课程设计说明书)
目录设计题目及工艺参数---------------------------------------------------1一、换热器的分类及特点---------------------------------------------------2二、结构设计-------------------------------------------------------------51、管径及管长的选择---------------------------------------------------52、初步确定换热管的根数n和管子排列方式-------------------------------53、筒体内径确定-------------------------------------------------------54、浮头管板及钩圈法兰结构设计-----------------------------------------65、管箱法兰、管箱侧壳体法兰和管法兰设计-------------------------------76、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计---------------------------------------77、外头盖结构设计-----------------------------------------------------88、接管的选择--------------------------------------------------------------------------------------89、管箱结构设计-------------------------------------------------------810、管箱结构设计------------------------------------------------------811、垫片选择----------------------------------------------------------912、折流板------------------------------------------------------------------------------------------913、支座选取----------------------------------------------------------1014、拉杆的选择--------------------------------------------------------1315、接管高度（伸出长度）确定------------------------------------------1316、防冲板------------------------------------------------------------1317、设备总长的确定----------------------------------------------------1318、浮头法兰---------------------------------------------------------------------------------------1419、浮头管板及钩圈----------------------------------------------------14三、强度计算--------------------------------------------------------------141、筒体壁厚的计算-----------------------------------------------------142、外头盖短节，封头厚度计算-------------------------------------------153、管箱短节、封头厚度计算 --------------------------------------------164、管箱短节开孔补强的核校 --------------------------------------------165、壳体压力试验的应力校核---------------------------------------------166、壳体接管开孔补强校核-----------------------------------------------177、固定管板计算-------------------------------------------------------188、无折边球封头计算 --------------------------------------------------199、管子拉脱力计算-----------------------------------------------------20四、设计汇总-----------------------------------------------------21五、设计体会--------------------------------------------------------------21参考文献--------------------------------------------------------------22设计题目：浮头式换热器工艺参数：管口表：符号公称直径（mm）管口名称a 130 变换气进口b 130 软水出口c 130 变换气出口d 130 软水进口e 50 排尽口设备选择原理及原因：浮头式换热器的结构较复杂，金属材料耗量较大，浮头端出现内泄露不易检查出来，由于管束与壳体间隙较大，影响传热效果。
六管程浮头式换热器设计
六管程浮头式换热器设计摘要换热器是化工、炼油等生产中最常见的过程设备之一，是用于物料之间进行热量传递的过程设备，使热量从热流体传递到冷流体的设备。
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。
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。
本设计说明书是关于浮头式换热器的设计，主要进行了换热器的工艺计算，换热器的结构和强度设计。
并且阐述了换热器的特点、换热器设备及其发展现状、国内发展趋势和研究热点以及换热器的分类，同时说明了浮头式换热器的优点，介绍了换热器的结构设计，换热器主要零部件结构的设计及压力容器常用材料等。
计算部分主要对浮头换热器的筒体、封头和法兰进行了详细的计算，并对其进行了水压试验的校核；还对换热管、管板、折流板、鞍座和钩圈等各个受压元件按照GB-150和GB-151的标准进行简单的结构设计，使其屈服应力在许用应力范围内。
除此之外，还参阅相关的设计手册及大量的文献，完成了各个零件图的绘制，还对一篇外文进行了翻译等工作。
关键词：浮头式换热器；换热管；校核Six tube heat exchangers designAbstractHeat exchanger is widely used in chemical,oilrefining ect.It is used in materials to carry on the thermal transmission the process. At present, in large-scale chemical industry and in the petroleum chemical industry installment, each kind of heat transfer the combination can reasonably use each rank fully the energy, cause the production the unit energy consumption to reduce, thus reduce the production the cost to obtain the high economic efficiency. Thus, in the large-scale chemical industry and in the petroleum chemical industry production process, the heat exchanger obtains the more and more widespread application. In the chemical plant, the heat exchanger accounted for the proportion also to have the distinct enhancement, became one of most important unit equipment.The design manual is about floating head heat exachanger, which included technology, calculate of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger. And described the characteristics of heat exchanger, heat exchanger equipment and the development of the status quo, development trend of domestic and research hot spots and the classification of heat exchanger, floating head at the same time illustrates the advantages of heat exchanger. Introduced the structural design of heat exchangers, heat exchanger design of the structure of the main components and pressure vessels commonly used materials. The main part of the calculation of the cylinder, head and flange of the calculation in detail, and its verification of hydraulic test; also heat exchanger, tube sheet，baffle，circle hooks，such as saddles and all by pressure components in accordance withthe GB-150 and GB-151 standard for strength calculation, checking water pressure test intensity to yield stress in the range of allowable stress. In addition, see the related design manuals and a lot of literature, completed the mapping of various parts, but also a translation of a foreign languages and so on.Keywords :Floating Head Heat Exchanger; Heat Exchanger Tube;Check目录1 换热器概述 (1)1.1换热器的历史 (1)1.2换热器的概念及工作原理 (4)1.3换热器的分类 (4)1.4浮头式换热器的简介 (10)2浮头式换热器的设计 (11)2.1设备材料选择 (12)2.2设计参数的确定 (13)2.2.1设计压力 (13)2.2.2设计温度 (13)2.2.3厚度及厚度附加量 (14)2.2.4焊接接头系数 (14)2.2.5许用应力 (15)2.3结构的选择与论证 (16)2.3.1换热管 (16)2.3.2管板 (16)2.3.3管束分程 (17)2.3.4封头 (18)2.3.5折流板 (18)2.3.6开孔和开孔补强设计 (20)2.3.7法兰 (21)2.4各部件连接方式及结构 (22)3计算部分 (24)3.1后端管箱筒体计算 (24)3.1.1厚度计算 (24)3.1.2压力试验时应力校核 (25)3.1.3压力及应力计算 (25)3.2前端管箱封头计算 (26)3.2.1厚度计算 (26)3.2.2压力试验时应力校核 (27)3.2.3压力计算 (27)3.3前端管箱筒体计算 (27)3.3.1厚度计算 (28)3.3.2压力试验时应力校核 (28)3.3.3压力及应力计算 (29)3.4外头盖封头的计算 (29)3.4.1厚度计算 (30)3.4.2压力试验时应力校核 (30)3.4.3压力计算 (31)3.5浮头盖的设计计算 (31)3.5.1球冠形封头厚度计算 (31)3.5.2浮头法兰厚度计算 (33)3.6壳体圆筒计算 (41)3.6.1厚度计算 (41)3.6.2压力试验时应力校核 (42)3.6.3压力及应力计算 (42)3.7管板设计 (43)3.7.1符号说明 (43)3.7.2管板厚度计算 (44)3.7.3换热管的轴向应力校核 (47)3.7.4换热管与管板连接的拉脱力校核 (48)3.8开孔补强 (49)结论 (53)谢辞 (54)参考文献 (55)1 换热器概述换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，又称热交换器。
对浮头法兰厚度设计计算的一些看法
对浮头法兰厚度设计计算的一些看法第一篇：对浮头法兰厚度设计计算的一些看法对浮头法兰厚度设计计算的一些看法【关键词】换热器【摘要】对浮头法兰厚度设计计算的一些看法近年来，随着GB150---1998《钢制压力容器》和GB151-1999《管壳式换热器》等标准的不断修改，使得国标换热器(浮头式换热器、冷凝器、u形管式换热器)和洛阳石油化工工程公司(LPEC)的标准换热器(浮头式折流杆换热器、冷凝器，T形翅片管重沸器，浮头式双弓形及三弓形折流板换热器)中各个部件的计算方法也要做相应修改。
2OOO年根据“全国容委会”和“换热器分会”的计划，要求LPEC负责对国标换热器JB／T47l4_-92和JB／T4717—92中浮头盖部分的各个参数进行修订，且要求全部出计算书。
由于标准中公式的修改，该部件的计算程序也要相应修改，为此作者按GB151-1999中的要求编制了浮头盖部分的计算软件，但在对标准换热器浮头法兰系列重新进行校核计算过程中，发现压力较高、直径较大的换热器在用受外压计算浮头法兰厚度时，计算所需厚度很大，计算结果很不理想。
而浮头法兰厚度计算结果对换热器节约材料，减少加工难度，降低成本，确保使用安全，都具有重要意义。
困此，针对计算时出现的情况，简要阐述计算时应注意的问题。
l 几个问题的考虑一般情况下，在计算浮头法兰厚度时，首先必须假设法兰厚度δf，无折边球形封头装入深度h，然后进行计算，要取得法兰的合理计算厚度必须反复试算，直至取得的假设厚度与实际计算厚度相接近。
浮头法兰的厚度取决于强度和结构两个方面，强度包括法兰在管程压力和壳程压力单独作用下的厚度计算，并应分别考虑预紧和操作两种情况；结构方面受球冠形封头焊入法兰深度的影响很大。
1．1 压力对厚度的影响浮头法兰的厚度取决于管程压力和壳程压力单独作用时预紧及操作两种状态的强度要求。
(1)管程压力(Pt)作用时在Pt作用下(法兰受力状况见图1)，按照GB151~1991中规定的公式，分别计算出预紧螺栓时的力矩和操作情况下法兰的总力矩，从而计算出在管程压力作用下预紧时法兰的计算厚度和操作时法兰的计算厚度，取其大者作为浮头法兰的厚度。
浮头式换热器课程设计说明书
浮头式换热器课程设计说明书(共25页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--1.方案确定选择换热器的类型浮头式换热器：主要特点是可以从壳体中抽出便于清洗管间和管内。
管束可以在管内自由伸缩不会产生热应力。
换热面积的确定根据《化工设备设计手册》选择传热面积为 400m 2换热管数N 的确定我国管壳式换热器常用碳素钢、低合金钢钢管，其规格为φ19× 2、φ25× 、φ32× 3、φ38 × 3、φ57 × 等，不锈钢钢管规格为φ19 × 2、φ25 × 2、φ32 × 2、φ38 × 、φ57 × 。
换热管长度规格为、、、、、、、、等。
换热器换热管长度与公称直径之比，一般在 4～25 之间，常用的为 6～10。
管子的材料选择应根 据介质的压力、温度及腐蚀性来确定。
选用32×3mm 的无缝钢管，材质为 0Cr18Ni9，管长为 6000mmn=A/πd 0L 3-5式 3-5：n —换热管数 A —换热面积m 2 d0—换热管外径mm L —换热管长度mm故 -3-3400n==6133.1432600010⨯⨯10⨯⨯根表拉杆直径 /mm表拉杆数量换热器公称直径DN/mm400＜d400≤d＜700700≤d＜900900≤d＜2600 44810拉杆需 10根。
换热管的排布与连接方式的确定换热管排列形式如图所示。
换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和转正三角形、转三角形。
正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用的最为广泛，但管外不易清洗。
为便于管外便于清洗可以采用正方形或转正方形的管束。
换热管中心距要保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和宽度。
管间需要清洗时还要留有进行清洗的通道。
换热管中心距宜不小于倍的换热管的外径。
浮头法兰的合理设计
在 $ $ 作用时， 作用于法兰上的力 " $ "$ &， ( 对 法兰产生的力矩方向是顺时针的， 为了减小法兰 所受力矩， 也应将 " $ ! 作用位置设于法兰形心之上 方， 此 力 产 生 的 力 矩 "$ 可与 ! # ! 方 向 为 逆 时 针， 从而减小法兰所 "$ "$ &， ( 产生的力矩抵消一部分， 万方数据
— —法兰力矩计算力臂 （见图 (） ， " !— ))； — —法兰操作力矩， ・ # *— + ))； — — ! ! 对法兰环形心产生的力矩， ・ # !— + ))；
$ — — —由管程压力 $ $ 作用引起的 ! #， !# +； $ !# " ,-./0 % 1 2 $$ $ — — —管程压力 $ $ 作用下的 ! 3， !3 +； $ !3 "1 !% 3 &’$ $ $ — — —管程压力 $ $ 作用下的 ! 4， !4 +； $ 1 （ %1 !4 " ,-./0 $$ 3 ’ %2 ）
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受的净力矩， 如图 + 所示。否则也会因两部分力 矩相叠加， 导致法兰力矩大增， 对设计不利。 需要明确的是： 在 $（正压） 作用时， 作用于 #
# # # ， ， 产生的 法兰上的两个方向的力矩， 由 "& "’ "(
— — $ $ 作用下的法兰操作力矩， ・ # $6— + ))；
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浮头式换热器设计说明书
浮头式换热器设计说明书摘要本设计说明书是关于浮头式换热器的设计，主要是进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。
设计的前半部分是工艺计算部分，主要是根据给定的设计条件估算换热面积，从而进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降和壁温的计算。
设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件（如接管、折流板、定距管、钩圈、管箱等）的设计，包括：材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。
关于浮头式换热器设计的各个环节，设计说明书中都有详细的说明。
浮头式换热器：其结构如图2所示。
管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板夹持在用螺柱连接的浮头盖与钩圈之间，形成可在壳体内自由移动的浮头，故当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。
浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。
由上述特点可知，浮头式换热器多用于温度波动和温差大的场合，尽管与固定管板式换热器相比其结构更复杂、造价更高。
1.1设计任务根据给定的工艺设计条件，此设计为无相变热、冷流体间换热的浮头式换热器设计任务。
1.2总体设计①确定结构形式。
由于介质换热温差较大，因此选用浮头式换热器。
②合理安排流程。
安排冷的污水走壳程，处理过的热清水走管程。
1.3热工计算①原始数据○2定性温度与物性参数○3物料与热量恒算○4有效平均温差○5初算传热面积○6换热器结构设计○7管程传热与压降○8壳程传热与压降结构设计与强度设计1)换热流程设计：采用壳程为单程、管程为单程的结构型式.2)换热管及其排列方式:采用的无缝钢管，材料为2520钢，热管排列方式为三角形排列，如图所示，共101根。
另外6根拉杆,共排列107根。
重叠式浮头换热器设计
重叠式浮头换热器设计[摘要]本文主要讨论了如何正确地计算和分析重叠式浮头换热器的浮头部件的尺寸和特性。
特别强调的是，浮头法兰、浮动管板和双鞍座的尺寸都需要进行精确的计算。
此外，这篇文章还总结和提炼出有助于读者更好地掌握这些技能的有效信息。
[关键词]换热器；浮头；重叠式；设计浮头式换热器的管束可以从壳体内抽出，固定管板由管箱法兰及壳体法兰之间用螺柱螺母紧固件连接，另一端浮动管板可在壳体内自由伸缩。
浮头部分由浮动管板、钩圈和浮头盖组成，结构可拆，适用于管壳程之间温差较大或壳程物料易结垢的场合。
浮头换热器的浮头部分结构，可按GB/T151-2014换热器标准设计为A型或B型，除要考虑管束能在壳体内自由伸缩外，还需要考虑到浮头部分的安装、检修和清洗的方便。
处于壳程介质内的浮动密封面操作时容易发生泄漏，较难采取堵漏措施，所以就要求在设计制造浮头盖时严格控制密封要求。
本文简单归纳了浮头盖设计重要尺寸的确定以及重叠浮头式换热器鞍座简要计算方法及重叠换热器制造要点，利用SW6计算软件对支座和壳体进行强度计算和稳定性校核。
1浮头法兰尺寸的确定图11.1浮头法兰的内外径及垫片宽度根据GB/T151-2014标准6.9.1的规定，浮头法兰的内外径和垫片宽度应当由De-浮动管板外径和De=Di-2b1式中的b1来决定，具体参数可参照GB/T151表1；表1在Dfo-浮头法兰的设计中，其外部尺寸为Di+80mm；而在Dfi-浮头法兰与钩圈的设计中，其内部尺寸为Dfi=Di-2（b1+b2）+3=Di-2（b1+bn），其值可以通过公式计算得出。
在进行换热器的安装时，bn-作为垫板的宽度，应参考表1中的数字，以获得最佳的性能。
此外，还应参考GB/T29463-2012管壳式热交换器用垫片，以及GB/T19066.1-2008柔性石墨金属波齿复合垫片，以便更好地满足换热器的安装要求。
一旦bn被确认，换热器的内外径也就随之得到了确定。
也谈浮头法兰的合理设计
·46·化工设备与管道第42卷1前言由于浮头法兰所受力矩不仅和垫片结构尺寸、类型有关,而且和法兰厚度本身以及封头在法兰上的焊接位置有关,所以它和其它元件不同,在既定载荷和结构(例如封头在法兰上的焊入深度l)的条件下,增加法兰厚度δf有时反会提高法兰的所受力矩,从而使在某一既定工况下已满足强度校核的法兰变成不能满足强度校核。
以前考核SW6-1998压力容器强度计算软件包时,仅注意了对管程压力P t和壳程压力P s两者单个工况的考核,疏忽了对于有可能经受两者工况时的综合考核。
以致用户提出了在既定焊入深度l的情况下如分别按管程工况或壳程工况单独设计的法兰厚度δf t或δf s并最终取二者的大值作为最终法兰厚度[δf]时,按此最终厚度返回校核其中的某一工况,出现了不再合格的情况。
对此,SW6-1998的主要技术负责人,多次对软件作出修改并发表文章[1][2],指明问题所在以及解决此问题的途径并作出尽可能比较经济合理的设计。
GB150法兰章的编写者更提出了合理设计的方法[3][4](文[3]、[4]实为同一内容),并用实例表明,该法的浮头法兰厚度仅约为SW6软件计算厚度的1/2,体现了合理设计的价值,并也已编成软件[3]。
由于文[1]、[2]是从基本固定封头的焊入深度l 出发,所以随着设计工况的改变、法兰厚度δf的增加而导致力臂L r也相应改变,反过来又改变了法兰的受载条件。
因此,尽管想尽了各种方法,充其量也只能作出比较经济合理的选择,对于某些能求出最佳力臂L r和最佳法兰厚度δf的操作条件,难以得到最合理的、即最佳设计。
文[3]、[4]从求取最佳L r出发,认为使法兰在管、壳程两种操作工况下各自求得的法兰计算厚度δf趋于同值时(即δf t=δf s)即为最合适的L r 值。
文[3]、[4]的主要思路无疑是可取的。
事实上,对某些操作条件,在L r时并不能得到δf t=δf s即最佳值,或者说取δf t=δf s时对L r可能是无解(尽管文[3]、[4]列出了L r的解,但却是错误的),文[3]、[4]既未指出这一现象的存在,更未对出现这一情况时提供该如何设计的方法,而一律笼统地都按最佳设计、即所解出的L r处置,从而导致出错。
大直径中压钩圈式浮头法兰的设计
大直径中压钩圈式浮头法兰的设计陆嘉懿【摘要】简述了在中压设计工况下,大直径钩圈式浮头换热器的浮头法兰设计要点,主要包括:计算需考虑腐蚀前后两种状态;钩圈和浮头垫片的选型;超设计标准适用范围时结构参数b、b1、bn数值的确定;浮头法兰双头螺柱规格及数量的确定等,着重介绍了运用SW6计算程序试算并通过方案比对来辅助确定l(球冠形封头焊入浮头法兰深度)的合理取值,从而完成浮头法兰外径和厚度的优化设计.为今后类似设计提供借鉴.%The key points in the design of large diameter flange attached with hook ring type floating head under medium pressure condition was introduced in this article, including calculated conditions with corroded and non-corroded pressure parts, the selection of hook ring and floating head gasket, the determination of structural parameters b, b1, bnin case of beyond applicable scope of the standard, and the determination of the size and the number of the stud bolts. It was also introduced to use SW6 software and then to compare the results for obtaining appropriate value of l (the welding depth of floating heat to flange), with which the optimum design was fulfilled. What presented herein may be referenced in similar designs later.【期刊名称】《化工设备与管道》【年(卷),期】2017(054)004【总页数】4页(P10-13)【关键词】钩圈;浮头法兰;大直径;中压;换热器【作者】陆嘉懿【作者单位】上海寰球工程有限公司,上海 200032【正文语种】中文【中图分类】TQ050.2;TH122随着我国科技与工业的飞速发展，化工和石化产品的生产装置在不断大型化，如乙烯装置已由原来的几万吨、几十万吨发展到目前的上百万吨规模。
【晨鸟】浮阀塔的设计方案(优秀)
滨州学院课程设计任务书一、课题名称甲醇——水分离过程板式精馏塔设计二、课题条件（原始数据）原料：甲醇、水溶液处理量：3200Kg/h原料组成：33%（甲醇的质量分率）料液初温：20℃操作压力、回流比、单板压降：自选进料状态：冷液体进料塔顶产品浓度：98%（质量分率）塔底釜液含甲醇含量不高于1%（质量分率）塔顶：全凝器塔釜：饱和蒸汽间接加热塔板形式：筛板生产时间：300天/年，每天24h运行冷却水温度：20℃设备形式：筛板塔厂址：滨州市三、设计内容1、设计方案的选定2、精馏塔的物料衡算3、塔板数的确定4、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算（加热物料进出口温度、密度、粘度、比热、导热系数）5、精馏塔塔体工艺尺寸的计算6、塔板主要工艺尺寸的计算滨州学院化工原理课程设计说明书7、塔板的流体力学验算8、塔板负荷性能图（精馏段）9、换热器设计10、馏塔接管尺寸计算11、制生产工艺流程图（带控制点、机绘，A2图纸）12、绘制板式精馏塔的总装置图（包括部分构件）（手绘，A1图纸）13、撰写课程设计说明书一份设计说明书的基本内容⑴课程设计任务书⑵课程设计成绩评定表⑶中英文摘要⑷目录⑸设计计算与说明⑹设计结果汇总⑺小结⑻参考文献14、有关物性数据可查相关手册15、注意事项⑴写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源⑵每项设计结束后列出计算结果明细表⑶设计最终需装订成册上交四、进度计划（列出完成项目设计内容、绘图等具体起始日期）1、设计动员，下达设计任务书0.5天2、收集资料，阅读教材，拟定设计进度1-2天3、初步确定设计方案及设计计算内容5-6天4、绘制总装置图2-3天5、整理设计资料，撰写设计说明书2天6、设计小结及答辩1天目录摘要 (1)绪论 (2)第一章设计方案的选择和论证 (3)1.1设计思路 (3)1.2设计方案的确定 (3)1.3设计步骤 (4)第二章塔的工艺设计 (4)2.1基础物性数据 (4)2.2精馏塔的物料衡算 (6)2.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 (6)2.2.2进料热状况q的确定 (6)2.2.3操作回流比R的确定 (7)2.2.4求精馏塔的气液相负荷 (7)2.2.5操作线方程 (7)2.2.6用图解法求理论塔板数 (8)2.2.7实际板数的求取 (8)2.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (9)2.3.1进料温度的计算 (9)2.3.2 操作压强 (9)2.3.3平均摩尔质量的计算 (10)2.3.4平均密度计算 (10)2.3.5液体平均表面张力计算 (11)2.3.6液体平均粘度计算 (12)2.4 精馏塔工艺尺寸的计算 (12)2.4.1塔径的计算 (12)2.4.2精馏塔有效高度的计算 (14)2.5 塔板主要工艺尺寸的计算 (15)2.5.1溢流装置计算 (15)2.6浮阀数目、浮阀排列及塔板布置 (16)2.7塔板流体力学验算 (17)2.7.1计算气相通过浮阀塔板的静压头降 (17)2.7.2淹塔 (17)2.8精馏段塔板负荷性能图 (19)2.8.1雾沫夹带线 (19)2.8.2液泛线 (19)2.8.3液相负荷上限线 (20)2.8.4气体负荷下限线（漏液线） (20)2.8.5液相负荷下限线 (20)2.9小结 (21)第三章辅助设备的计算 (21)3.1精馏塔的附属设备 (21)3.1.1再沸器（蒸馏釜） (22)3.1.2塔顶回流全凝器 (23)3.1.3原料贮罐 (24)3.1.4泵的计算及选型 (24)第四章塔附件设计 (24)4.1接管 (24)4.1.1进料 (24)4.1.2回流管 (25)4.1.3塔底出料管 (25)4.1.4塔顶蒸气出料管 (25)4.1.5塔底进气管 (25)4.2除沫器 (25)4.3裙座 (26)4.4人孔 (26)4.5塔总体高度的设计 (26)4.5.1塔的顶部空间高度 (26)4.5.2塔的底部空间高度 (26)4.5.3塔立体高度 (26)设计结果汇总 (28)致谢 (29)主要符号说明 (31)附录 (33)摘要化工生产常需进行二元液相混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同，并借助于多次部分汽化和多次部分冷凝达到轻重组分分离目的的方法。
也谈浮头法兰的合理设计
也谈浮头法兰的合理设计
丁伯民
【期刊名称】《化工设备与管道》
【年(卷),期】2005(42)1
【摘要】通过对浮头法兰计算原理分析并以数值解为基础作出线算图,对可能存在最佳设计或最经济设计作出判别,作出最佳或最经济设计的程序框图.
【总页数】6页(P46-51)
【作者】丁伯民
【作者单位】华东理工大学,上海,200237
【正文语种】中文
【中图分类】TQ055.81
【相关文献】
1.浮头式换热器浮头法兰合理设计方法分析 [J], 桑如苞;林上富
2.浮头法兰的合理设计 [J], 桑如苞
3.浮头式换热器浮头法兰的优化设计方法(一) [J], 桑如苞;林上富
4.浮头式换热器浮头法兰的优化设计方法(二) [J], 桑如苞;林上富
5.以算例浅谈夹持管板用成对法兰中低压侧法兰合理设计 [J], 丁金翔
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FsT ———壳程压力 ps 作用下的 FT ,N ;
FsT = 01785 ( D2G - D2i ) ps Mps ———ps 作用下的法兰操作力矩 ,N·mm ;
Mps = FrsL r - [ FDS ( LD - L G) + FsT ( L T - L G) ] Mpt ———pt 作用下的法兰操作力矩 ,N·mm ; Mpt = ( FDt LD + FtTL T + FtGL G) - Ftr L r δf ———浮头法兰厚度 ,mm ; δfsp ———浮头法兰在 ps 作用下的强度计算厚
浮头法兰的合理设计与法兰所受力矩的大小 密切相关 ,其中 L r 起着重要的作用 ,对法兰操作 力矩 (无论 ps 或 pt 工况) 具有很大的影响 。 3 浮头法兰的合理设计原理
欲使浮头法兰厚度得到较经济合理的设计结 果 ,其关键是控制合适的 L r (封头中面与法兰的 连接点至法兰环形心的垂直距离) ,其对法兰操作 力矩有至关重要的影响 。以下先就 L r 对法兰操 作力矩的影响进行分析 ,尔后讨论最佳 L r 的确定 ( L r 对法兰预紧力矩不发生影响) 。
解得法兰在操作力矩作用下 ( ps , pt 两工况) 使法 兰设计厚度趋于最小值时的 L r 。
该方程及解为 :
aL
2 r
+
bL r
浮头法 兰 的 厚 度 受 控 于 强 度 和 结 构 两 个 方 面 。强度方面包括法兰在管程压力和壳程压力单 独作用下的厚度计算 ,并应分别考虑预紧和操作 两种情况 ,其中较复杂的是球冠形封头与法兰连 接位置的确定 ,其位置得当与否对法兰设计结果 有很大的影响 (可使法兰厚度相差一倍之多) 。此 外该种法兰的厚度尚受结构要求的限制 。总之 , 设计时既要保证封头与法兰的连接焊缝尺寸又要 确保浮头盖内侧有足够的“横跨流通面积”。
图 2 ps 作用时法兰受力示意图
在 ps 作用时 ,作用于法兰上的力 FDs , FsT 对 法兰产生的力矩方向是顺时针的 ,为了减小法兰 所受力矩 ,也应将 Frs 作用位置设于法兰形心之上 方 ,此 力 产 生 的 力 矩 FrsL r 方 向 为 逆 时 针 , 可 与 FDs , FsT 产生的力矩抵消一部分 ,从而减小法兰所
·6 ·
石 油 化 工 设 备 技 术 2002 年
起的径向分力 ,N ; Fr = FDtan - 1β1
L r ———法兰力矩计算力臂 (见图 1) ,mm ;
MP ———法兰操作力矩 ,N·mm ;
Mr ———Fr 对法兰环形心产生的力矩 ,N·mm ; FDt ———由管程压力 pt 作用引起的 FD ,N ;
FDs , FsT 产 生 的 反 向 力 矩 , 即 法 兰 净 力 矩
M
s P
=
FrsL r - [ FDs ( LD - L G) + FsT ( L T - L G) ] 。所以增大
Lr
,则会导致法兰所受净力矩
M
s P
增大 。
由此可见 ,较大的 L r 虽然对降低 pt 作用时
的法兰净力矩 MtP 有利 ,但会对 ps 作用下法兰所
前述符号说明 : ps ———换热器壳程设计压力 ,MPa ; pt ———换热器管程设计压力 ,MPa ; l ———封头焊入法兰的深度 (见图 1) ,mm ; Fr ———由作用在法兰内侧的封头薄膜应力引
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静设备
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浮头法兰的合理设计
桑如苞
(中国石化工程建设公司 ,北京 100101)
摘 要 :浮头式换热器的浮头法兰是一种特殊法兰 ,不能采取一般法兰的“分工况独立计算法兰厚度 ,尔 后取其大值”的方法进行设计 。同时 ,浮头法兰设计中涉及一重要参数 Lr ,能否适当地确定 Lr ,是浮头法兰 设计成败的关键 。文中介绍了该种法兰的合理设计原理及方法 ,并附以实例 。实例表明 ,用这种方法设计的 浮头法兰厚度仅约为用 SW6 (经校正 ,使之全面满足强度要求) 软件计算厚度的 1/ 2 ,体现出合理设计的价值 。
对于 ps 作用工况 ,根据外压法兰 δfp 的计算 式 ,也可将 δfsp 表达成以 L r 为自变量的函数 , 即
δfsp = Fs + F2s J s 。其中 Fs 可视为常量 ,而 J s =
Mps ( D + [σ]ft Di ( D
Di) - Di)
。
其中的 Mps = FrsL r - [ FDs ( LD - L G) + FsT ( L T
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第 23 卷第 4 期 桑如苞. 浮头法兰的合理设计
·5 ·
上述影响法兰设计厚度的各个因素在不同的 设计条件下 ,均可成为控制因素且互相影响 ,为此 使浮头法兰的设计复杂化 。 2 浮头法兰设计现状
浮头法兰的设计通常应用 SW6 软件进行计 算 。老版 SW6 软件在浮头法兰设计中存在经常 发生死循环的问题〔1〕,使设计难于进行 。
新版 (98 版) SW6 软件进行了改造 ,可免于死 循环的发生 ,可以设计出一定的结果〔2〕。因为浮 头法兰需经受管程设计压力 ( pt) 和壳程设计压力 ( ps) 两种工况 ,所以软件中分别按两种工况进行 计算 ,而后取其大值作为最终设计结果 。然而这 种作法存在问题 ,即当按某工况的“大值”确定的
LD ———法兰力矩计算力臂 (见图 1) ,mm ;
L G ———法兰力矩计算力臂 (见图 1) ,mm ;
L T ———法兰力矩计算力臂 (见图 1) ,mm ;
Frs ———由壳程压力 ps 作用引起的 Fr ,N ; Frs = FDs tan - 1β1
FDs ———由壳程压力 ps 作用引起的 FD ,N ; FDs = 01785 D2i ps
FDt = 01785 D2i pt FtG ———管程压力 pt 作用下的 FG ,N ;
FtG = 2πD G bmpt
FtT ———管程压力 pt 作用下的 FT ,N ;
FtT = 01785 ( D2G - D2i ) pt Ftr ———由管程压力 pt 作用引起的 Fr ,N ;
Ftr = FDs tan - 1β1
法兰厚度回代到另一工况进行校核计算时 ,可能 出现强度尚不能满足要求的情况 。其原因是随着 法兰厚度的加厚 ,当封头焊入法兰的深度 ( l) 保持 不变时 ,由于封头水平力 Fr 对法兰形心的作用力 臂 L r 也随之增大 ,故使 FrL r 增加 ,导致法兰力矩 Mp 增大 ,使法兰的计算厚度需进一步加厚 。因此 现行 SW6〔3〕软件在浮头法兰的设计上存在不安全 的隐患 ,并且由于固定封头埋入法兰的深度 ,可导 致浮头法兰设计结果极不合理 ,甚至不能得到设 计结果 。
收稿日期 :2002202226 作者简介 :桑如苞 (1945 —) ,男 ,浙江绍兴人 。1964 年毕业于 浙江工业大学 (现名) 化工机械专业 ,高级工程师 。长期从事 压力容器设计标准工作 ,为 GB150 等十项标准的主要编制人 之一 。专长压力容器强度设计 ,在法兰 、管板 、凸缘 、开孔补 强及应力分类等专题上 ,提出合理设计方法并指出国外同类 方法中的错误 ,发表系列论文 50 余篇 。
受净力 矩
M
s P
不利
,导致较大的法兰设计厚度。
相反 ,较小的 L r 虽然对降低 ps 作用下的法兰净
力矩
M
s P
有利
,但会对
pt
作用下的法兰净力矩
M
t P
不利
,同样导致较大的法兰设计厚度 。L r
对
ps , pt 作用工况的法兰净力矩的影响如图 3 所示 。
图 1 pt 作用时法兰受力示意图
b) ps 作用时的情况 (见图 2)
图 3 法兰力矩随 Lr 的变化图
因此 ,L r 应使法兰在 pt 和 ps 两种工况作用 下所形成的法兰力矩相接近 (当 ps = pt 时 ,应使 Mp 相等) 较为合理 。若同时顾及到 ps , pt 尚对法 兰产生环向薄膜应力的作用 (上述 MP 产生弯曲 应力) ,则对 L r 的合理取值以使法兰在 ps 和 pt 两 种操作工况下的法兰计算厚度 (δf) 趋于相同值时 最为合适 ,即使 δftp =δfsp 。
- L G) ] ,此式中唯有 L r 为变量 ,其他均属常量 。
并且 L r 与 δfsp间存在 L r 增大则 δfsp增大的单调变
化关系 。
为便于分析 ,令 δftp = δfsp ,即 Ft + F2t + J t =
Fs + F2s + J s ,并代入相应各量的计算式并经数 学整理可化解得到以下以 L r 为自变量 ,以 δfsp = δftp为目标的一元二次代数方程 ,求解该方程则可
311 L r 对法兰力矩的影响 L r 的存在 ,使 Fr (封头薄膜力的水平分量) 对
法兰环形心产生力矩 Mr , Mr = Fr L r 。在 pt 作用 时 (相当于法兰受内压) 和在 ps 作用时 (相当于法 兰受外压) , Mr 对法兰的作用方向相反 。
a) pt 作用时的情况 在 pt 作用下 ,作用于法兰上的力 FDt , FtG , FtT 对法兰产生的力矩方向是逆时针的 。为了减小法 兰所受力矩 ,故一般应将 Ftr 作用位置设于法兰形 心之上方 ,此力产生的力矩 FtrL r 方向为顺时针 , 可与 FDt , FtG , FtT 产生的力矩抵消一部分 ,使法兰 在 pt 作用下的法兰净力矩减小 ,如图 1 所示 。如 Ftr 作用位置位于形心下方 ,则会使法兰净力矩因 两者叠加而大增 ,故不可取 。