辽宁石油化工大学
第三章 换热器结构设计与强度计算
在确定换热器的换热面积后，应进行换热器主体结构以及零部件的设计和强度计算，主要包括壳体和封头的厚度计算、材料的选择、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，还有主要构件的设计（如管箱、壳体、折流板、拉杆等）和主要连接（包括管板与管箱的连接、管子与管板的连接、壳体与管板的连接等），具体计算如下。
3.1 壳体与管箱厚度的确定
根据给定的流体的进出口温度，选择设计温度为400℃；设计压力为2.5Mpa。 3.1.1 壳体和管箱材料的选择
由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择16MnR为壳体与管箱的材料。
16MnR是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。 3.1.2 圆筒壳体厚度的计算
焊接方式：选为双面焊对接接头，100%无损探伤，故焊 接系数??1；
??1
根据GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力 容器用低合金钢板》规定可知对16MnR钢板其
C1?0;C2?2mm。
C1?0;C2?2mm
假设材料的许用应力??t??125Mpa（厚度为6～16mm
24
辽宁石油化工大学
时），壳体计算厚度按下式计算为：
???cDi2??t
2.5?600?6.1mm??
??6.1mm
???c2?125?1?2.5；
设计厚度?d???C2?6.1?2?8.1mm；
名义厚度?n??d?C1???8.1?0???10mm（其中?为向上圆整量）；
查其最小厚度为8mm，则此时厚度满足要求，且经检查，???没有变化，故合适。 3.1.3 管箱厚度计算
t?d?8.1mm
?n?10mm
管箱由两部分组成：短节与封头；且由于前端管箱与后端管箱的形式不同，故此时将前端管箱和后端管箱的厚度计算分开计算。 3.1.3.1 前端管箱厚度计算
前端管箱为椭圆形管箱，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀，且其深度较半球形封头小得多，易于冲压成型。
此时选用标准椭圆形封头，故??1，且同上??1
C1?0;C2?2mm，则封头计算厚度为：
?1?2.5?6002?125?1?0.5?2.5?6.03mm；
C1?0;C2?2mm
?h???cDi2??
?h?6.03mm
?t??0.5?c 设计厚度?dh??h?C2?6.03?2?8.03mm；
名义厚度?nh??dh?C1???8.03?0???10mm（?为向上圆整量）；
经检查，???没有变化，故合适
t?dh?8.03mm
?nh?10mm
查JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》可得封头的型号参数如下：
表3-1 DN600标准椭圆形封头参数
DN(mm) 总深度H(mm) 内表面积A(㎡) 容积(m3) 封头质量（㎏） 600
175 0.4374 25
0.0353 34.6 辽宁石油化工大学
短节部分的厚度同封头处厚度，为10mm。 3.1.3.2 后端管箱厚度计算
由于是浮头式换热器设计，因此其后端管箱是浮头管箱，又可称外头盖。外头盖的内直径为700mm，这可在“浮头盖计算”部分看到。
选用标准椭圆形封头，故??1，且同上
C1?0;C2?2mm??1
，则计算厚度为：
?1?2.5?7002?125?1?0.5?2.5?7.04mm； C1?0;C2?2mm
?h?'??cDi2??
?h?7.04mm
'?t??0.5?c设计厚度?dh'??h?C2?7.04?2?9.04mm；
名义厚度?nh'??dh'?C1???9.04?0???10mm（?为向上圆整量）；
经检查，???没有变化，故合适。
t?dh?9.04mm
'?nh?10mm
'查JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》可得封头的型号参数如下：
表3-2 DN700标准椭圆形封头参数
DN(mm) 总深度H(mm) 内表面积A(㎡) 容积(m3) 封头质量（㎏） 700 200 0.5861 0.0545 41.3 短节部分的厚度同封头处厚度，为10mm。
3.2 开孔补强计算
在该台浮头式换热器上，壳程流体的进出管口在壳体上，管程流体则从前端管箱进入，而后端管箱上则有排污口和排气口，因此不可避免地要在换热器上开孔。开孔之后，出削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连接性被破坏，会产生很高的局部应力，会给换热器的安全操作带来隐患。因此此时应进行开孔补强的计算。
由于管程与壳程出入口公称直径均为150mm，按照厚度系列，可选接管的规格为?159?8，接管的材料选为20号钢。 3.2.1 壳体上开孔补强计算
26
辽宁石油化工大学
3.2.1.1 补强及补强方法判别：
①补强判别：根据GB150表8-1，允许不另行补强的最大接 管外径是?89mm，本开孔外径为159mm，因此需要另行考虑 其补强。
②开孔直径d?di?2C?150?2?2?154mm?Di2?300mm
， d?154mm
?0.688mm满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。
3.2.1.2 开孔所需补强面积计算： 强度削弱系数fr????nt???t?86125；
fr?0.688mm
接管有效厚度?et??nt?C?8?2?6mm； 开孔所需补强面积按下式计算：
A?d??2??et(1?fr)?154?6.1?2?6.1?6?(1?0.688)?962.2mm2?et?6mm
A?962.2mm2
；
B?308mm3.2.1.3 有效补强范围 ①有效宽度B：
?2d?2?154?208mm?B?max???308mmd?2??2??154?2?10?2?8?190mmnnt??
②有效高度：
（a）外侧有效高度h1为：
??d??nt?154?8?35.1mm??h1?min???35.1mm???实际外伸长度?200mm?；
h1?35.1mm
（b）内侧有效高度h2为：
??d??nt?154?4.5?35.1mm?? h2?min???0mm???实际内伸长度?0mm?
；
h2?0mm
3.2.1.4 有效补强面积 ①壳体多余金属面积：
27
辽宁石油化工大学
壳体有效厚度：?e??n?C?10?2?8mm; 则多余的金属面积A1为：
A1?(B?d)(?e??)?2?et(?e??)(1?fr)?(308?154)?(8?6.1)?2?6?(8?6.1)?(1?0.688)?285.5mm?e?8mm
；
A1?285.5mm
②接管多余金属面积： 接管计算厚度：
?t??cdi2??
?2.5?1502?86?1?2.5?2.2mm；
?n???ct
?t?2.2mm
接管多余金属面积A2：
A2?A2h?2h1(?et??t)fr?2h2(?et?C2)fr?2?35.1?(6?2.2)?0.688?0?178.2mm2；
A2?178.2mm2③接管区焊缝面积（焊脚取为6mm）：
A3?2?12?6?6?36mm
；
A3?36mm④有效补强面积：
Ae?A1?A2?A3?285.5?178.2?36?500mm；
3.2.1.5 另需补强面积
A4?A?(A1?A2?A3)?962.2?500?462.2mm2
；
Ae?500mm
拟采用补强圈补强
根据接管公称直径DN150，参照JB/T4736-2002补强圈标
A4?462.2mm
2准选取补强圈的外径D2?300mm，内径D1?164mm（选用E 型坡口）。因为B?308?D2，则补强圈在有效补强范围内。 补强圈的厚度为：
??'
D2?300mmD1?164mm
A4D2?D1?462.2300?164?3.4mm ；
考虑钢板负偏差并经圆整，取壳体和管箱上补强圈的名义?'?3.4mm
28