1、確定了換熱器的結構及尺寸以后，必須對換熱器的所有受壓元件進行強度計算。因為管殼式換熱器一般用于壓力介質的工況，所以換熱器的殼體大多為壓力容器，必須按照壓力容器的標準進行計算和設計，對于鋼制的換熱器，我國一般按照GB150<<鋼制壓力容器>>標準進行設計，或者美國ASME標準進行設計。對于其它一些受壓元件，例如管板、折流板等，可以按照我國的GB151<<管殼式換熱器>>或者美國TEMA標準進行設計。對于其它材料的換熱器，例如鈦材、銅材等應按照相應的標準進行設計。  下面提供一氮氣冷卻器的受壓元件強度計算，以供參考。該換熱器為U形管式換熱器

2、，殼體直徑500mm，管程設計壓力3.8MPa，殼程設計壓力0.6MPa。詳細強度計算如下：        1.殼程筒體強度計算          2.前端管箱筒體強度計算3.前端管箱封頭強度計算4.后端殼程封頭強度計算5.管板強度計算6.管程設備法蘭強度計算7.接管開孔補強計算氮氣冷卻器(U形管式換熱器)筒體計算計算條件筒體簡圖計算壓力 Pc0.60MPa設計溫度 t100.00° C內徑 Di500.00mm材料16MnR

3、(熱軋) ( 板材 )試驗溫度許用應力 s 170.00MPa設計溫度許用應力 s t170.00MPa試驗溫度下屈服點 s s345.00MPa鋼板負偏差 C10.00mm腐蝕裕量 C21.00mm焊接接頭系數 f0.85厚度及重量計算計算厚度d = = 1.04mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 7.00mm名義厚度d n = 8.00mm重量481.06Kg壓力試驗時應力校核壓力試驗類型液壓試驗試驗壓力值PT = 1.25P = 0.7500MPa壓力試驗允許通過的應力水平 s T s T£ 0.90 s s = 310.50MPa試驗壓力下圓筒的應力s T =

4、= 31.95MPa校核條件s T£ s T校核結果合格壓力及應力計算最大允許工作壓力Pw= = 3.99014MPa設計溫度下計算應力s t = = 21.73MPa s tf144.50MPa校核條件 s tf s t結論合格氮氣冷卻器前端管箱筒體計算計算條件筒體簡圖計算壓力 Pc3.80MPa設計溫度 t100.00° C內徑 Di500.00mm材料0Cr18Ni9 ( 板材 )試驗溫度許用應力 s 137.00MPa設計溫度許用應力 s t137.00MPa試驗溫度下屈服點 s s205.00MPa鋼板負偏差 C10.80mm腐蝕裕量 C20.00mm焊接接頭系數

5、 f0.85厚度及重量計算計算厚度d = = 8.29mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 11.20mm名義厚度d n = 12.00mm重量75.76Kg壓力試驗時應力校核壓力試驗類型液壓試驗試驗壓力值PT = 1.25P = 4.7500MPa壓力試驗允許通過的應力水平 s T s T£ 0.90 s s = 184.50MPa試驗壓力下圓筒的應力s T = = 127.53MPa校核條件s T£ s T校核結果合格壓力及應力計算最大允許工作壓力Pw= = 5.10266MPa設計溫度下計算應力s t = = 86.72MPa s tf116.45MPa校

6、核條件 s tf s t結論合格氮氣冷卻器前端管箱封頭計算計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力 Pc3.80MPa設計溫度 t100.00° C內徑 Di500.00mm曲面高度 hi125.00mm材料0Cr18Ni9 (板材)試驗溫度許用應力 s 137.00MPa設計溫度許用應力 s t137.00MPa鋼板負偏差 C10.80mm腐蝕裕量 C20.00mm焊接接頭系數 f1.00厚度及重量計算形狀系數K = = 1.0000計算厚度d = = 6.98mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 11.20mm最小厚度d min = 0.75mm名義厚度d n = 12.00mm

7、結論滿足最小厚度要求重量32.23Kg壓 力 計 算最大允許工作壓力Pw= = 6.06962MPa結論合格氮氣冷卻器后端殼程封頭計算計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力 Pc0.60MPa設計溫度 t100.00° C內徑 Di500.00mm曲面高度 hi125.00mm材料16MnR(熱軋) (板材)試驗溫度許用應力 s 170.00MPa設計溫度許用應力 s t170.00MPa鋼板負偏差 C10.00mm腐蝕裕量 C22.00mm焊接接頭系數 f1.00厚度及重量計算形狀系數K = = 1.0000計算厚度d = = 0.88mm有效厚度d e =d n - C1- C2= 6.0

8、0mm最小厚度d min = 0.75mm名義厚度d n = 8.00mm結論滿足最小厚度要求重量19.61Kg壓 力 計 算最大允許工作壓力Pw= = 4.05567MPa結論合格氮氣冷卻器管板計算設 計 條 件殼程設計壓力0.60MPa管程設計壓力3.80MPa殼程設計溫度100.00° C管程設計溫度100.00° C殼程筒體壁厚8.00mm管程筒體壁厚12.00mm殼程筒體腐蝕裕量 C1.00mm管程筒體腐蝕裕量 C0.00mm換熱器公稱直徑500.00mm換熱管使用場合一般場合管板與法蘭或圓筒連接方式 ( a b c d 型 )a型換熱管與管板連接方式 ( 脹接或

9、焊接 )焊接材料(名稱及類型)0Cr18Ni9名義厚度70.00mm管強度削弱系數 0.40剛度削弱系數 0.40材料泊松比 0.30隔板槽面積 210.00mm2換熱管與管板脹接長度或焊腳高度 l3.50mm設計溫度下管板材料彈性模量191000.00MPa設計溫度下管板材料許用應力137.00MPa許用拉脫力 68.50MPa殼程側結構槽深 h10.00mm板管程側隔板槽深 h24.00mm殼程腐蝕裕量0.00mm管程腐蝕裕量0.00mm材料名稱0Cr18Ni9換管子外徑 d19.00mm熱管子壁厚 2.00mm管U型管根數 n138根換熱管中心距 S25.00mm設計溫度下換熱管材料許用

10、應力 137.00MPa墊片材料軟墊片壓緊面形式1a或1b墊墊片外徑 Do565.00mm片墊片內徑 Di515.00mma型墊片厚度 d gmm墊片接觸面寬度 Wmm墊片壓緊力作用中心園直徑 DG547.11mm ( c 型 )管板材料彈性模量0.00MPa ( d 型 )管板材料彈性模量0.00MPa( b d 型 )管箱圓筒材料彈性模量0.00MPa ( b c 型 )殼程圓筒材料彈性模量0.00MPa ( c d 型 )管板延長部分形成的凸緣寬度0.00mm ( c 型 ）殼體法蘭或凸緣厚度0.00mm ( d 型 )管箱法蘭或凸緣厚度0.00mm參數計算管板布管區面積三角形排列正方形

11、排列一根換熱管管壁金屬橫截面積= 106.81mm2管板開孔前抗彎剛度 b c d 型0.00N·mm管板布管區當量直徑436.43mma 型其他系數 0.80系數 按和 查圖得 : = 0.000000系數 按和 查圖得 : = 0.000000a d 型= 0b c型0.00a ,c 型= 0b ,d 型0.00a 型= 0其他0.00旋轉剛度無量剛系數 0.00系數0.2696按和 0.07130.0000管板厚度或管板應力計算a管板計算厚度 取、大值61.345mm型管板名義厚度66.000mm管板中心處徑向應力= 0MPa= 0MPabcd布管區周邊處徑向應力= 0MPa型

12、= 0MPa邊緣處徑向應力 = 0MPa= 0MPa管板應力校核 單位：MPa|s r|r=0 = b工況|s r|r=Rt = c|s r|r=R = d|s r|r=0 = 型工況|s r|r=Rt = |s r|r=R = 換熱管軸向應力計算及校核 : MPa (單位)計算工況計算公式計算結果校核只有殼程設計壓力,管程設計壓力=0 :|-1.59| 合格只有管程設計壓力,殼程設計壓力=0 :=|6.29| 合格殼程設計壓力,管程設計壓力同時作用:|4.69| 合格換熱管與管板連接拉脫力校核拉脫力 q3.21 qMPa校核合格重量64.89Kg氮氣冷卻器管箱法蘭強度計算設 計 條 件簡 圖

13、設計壓力 p3.800MPa計算壓力 pc3.800MPa設計溫度 t100.0° C軸向外載荷 F0.0N外力矩 M0.0N.mm殼材料名稱0Cr18Ni9體許用應力 137.0MPa法材料名稱#許用s f137.0MPa蘭應力s tf137.0MPa材料名稱40Cr螺許用s b212.0MPa應力s tb189.0MPa栓公稱直徑 d B24.0mm螺栓根徑 d 120.8mm數量 n24個Di500.0Do660.0墊結構尺寸Db615.0D外565.0D內515.0016.0mmLe22.5LA31.5h35.0126.0材料類型軟墊片N25.0m2.00y11.0壓緊面形狀

14、1a,1bb8.94DG547.1片b06.4mm b= b0b06.4mm DG= ( D外+D內 )/2b0 > 6.4mm b=2.53b0 > 6.4mm DG= D外 - 2b螺 栓 受 力 計 算預緊狀態下需要的最小螺栓載荷WaWa= bDG y = 169119.0N操作狀態下需要的最小螺栓載荷WpWp = Fp + F = 1127044.1 N所需螺栓總截面積 AmAm = max (Ap ,Aa ) = 5963.2mm2實際使用螺栓總截面積 AbAb = = 8117.5mm2力 矩 計 算操FD = 0.785pc= 745750.0NLD= L A+ 0.

15、51= 44.5mmMD= FD LD= 33185876.0N.mm作FG = Fp= 233573.5NLG= 0.5 ( Db - DG )= 33.9mmMG= FG LG= 7928625.5N.mmMpFT = F-FD= 147150.2NLT=0.5(LA + d 1 + LG )= 45.7mmMT= FT LT= 6728066.0N.mm外壓: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 內壓: Mp = MD+MG+MT Mp = 47842568.0N.mm預緊 MaW = 1492550.6NLG = 33.9mmMa=W LG = 5066446

16、0.0N.mm計算力矩 Mo= Mp 與 中大者 Mo=50664460.0N.mm螺 栓 間 距 校 核實際間距= 80.5mm最小間距56.0 (查GB150-98表9-3)mm最大間距158.4mm形 狀 常 數 確 定89.44h/ho = 0.4K = Do/DI = 1.3201.6由K查表9-5得T=1.789Z =3.694Y =7.145U=7.851整體法蘭查圖9-3和圖9-4FI=0.85944VI=0.314150.00961松式法蘭查圖9-5和圖9-6FL=0.00000VL=0.000000.00000查圖9-7由得f = 1.06578整體 法蘭 = 572246

17、.8松式 法蘭 = 0.00.2=f e+1 =1.44 g = y /T = =0.811.59= 0.98剪應力校核計 算 值許 用 值結 論預緊狀態0.00MPa操作狀態0.00MPa輸入法蘭厚度f = 46.0 mm時, 法蘭應力校核應力性質計 算 值許 用 值結 論軸向應力158.57MPa=205.5 或=342.5( 按整體法蘭設計的任 意 式法蘭, 取 )校核合格徑向應力77.96MPa= 137.0校核合格切向應力54.14MPa= 137.0校核合格綜合應力= 118.27MPa= 137.0校核合格法蘭校核結果校核合格氮氣冷卻器開孔補強計算接 管: a, 219×

18、;16計 算 方 法 : GB150-1998 等 面 積 補 強 法, 單 孔設 計 條 件簡 圖計算壓力 pc3.8MPa設計溫度100殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型0Cr18Ni9板材殼體開孔處焊接接頭系數0.85殼體內直徑 Di500mm殼體開孔處名義厚度n12mm殼體厚度負偏差 C10.8mm殼體腐蝕裕量 C20mm殼體材料許用應力t137MPa接管實際外伸長度100mm接管實際內伸長度0mm接管材料0Cr18Ni9接管焊接接頭系數1名稱及類型管材接管腐蝕裕量0mm補強圈材料名稱補強圈外徑mm補強圈厚度mm接管厚度負偏差 C1t2mm補強圈厚度負偏差 C1rmm接管材料許用應力t

19、137MPa補強圈許用應力tMPa開 孔 補 強 計 算殼體計算厚度8.293mm接管計算厚度t2.63mm補強圈強度削弱系數 frr0接管材料強度削弱系數 fr1開孔直徑 d191mm補強區有效寬度 B382mm接管有效外伸長度 h155.28mm接管有效內伸長度 h20mm開孔削弱所需的補強面積A1584mm2殼體多余金屬面積 A1555.2mm2接管多余金屬面積 A21257mm2補強區內的焊縫面積 A364mm2A1+A2+A3=1876 mm2 ，大于A，不需另加補強。補強圈面積 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2結論: 補強滿足要求,不需另加補強。氮氣冷卻器開孔補強計算接 管

20、: b, 108×6計 算 方 法 : GB150-1998 等 面 積 補 強 法, 單 孔設 計 條 件簡 圖計算壓力 pc0.6MPa設計溫度100殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型16MnR(熱軋)板材殼體開孔處焊接接頭系數0.85殼體內直徑 Di500mm殼體開孔處名義厚度n8mm殼體厚度負偏差 C10mm殼體腐蝕裕量 C21mm殼體材料許用應力t170MPa接管實際外伸長度100mm接管實際內伸長度0mm接管材料20(GB8163)接管焊接接頭系數1名稱及類型管材接管腐蝕裕量2mm補強圈材料名稱補強圈外徑mm補強圈厚度mm接管厚度負偏差 C1t0.75mm補強圈厚度負偏差 C1rmm接管材料許用應力t130MPa補強圈許用應力tMPa開 孔 補 強 計 算殼體計算厚度1.04mm接管計算厚度t0.222mm補強圈強度削弱系數 frr0接管材料強度削弱系數 fr0.765開孔直徑 d101.5mm補強區有效寬度 B203mm接管有效外伸長度 h124.68mm接管有效內伸長度 h20mm開孔削弱所需的補強面積A107.2mm2殼體多余金屬面積 A1595.8mm2接管多余金屬面積 A2114.3mm2補強區內的焊縫面積 A336mm2A1+A2+A