1、南华大学机械工程学院毕业设计 第 1 页 共 59 页 100m2双管板废热锅炉设计 摘要： 本次设计的是一个换热面积为 100m2 的合成氨废热锅炉，论文首先介绍了废热锅炉的计算概述、废热锅炉的选型和钢材的选取，以及介绍有关锅炉的制造工艺。设计的重点是进行主要受压元件的强度计算和厚度选择，详细论述具体的设计过程，并且对主要受压元件进行强度校核。设计的重点主要包括筒体、封头的设计、汽包、支座、平盖、管板和法兰的设计等等，设计的难点体现在优化设计和强度计算上。 关键词： 双管板废热锅 ; 强度计算 ; 制造工艺 南华大学机械工程学院毕业设计 第 2 页 共 59 页 Abstract:The d
2、esign for a heat transfer area of 100m2 of ammonia waste heat boiler.The article firstly describes the computing overview of the waste heat boiler,waste heat boiler type selection and the choice of steel.And introduced the boiler manufacturing process.The focus of the design was the strength calcula
3、tion and thickness selection of major pressure components,detailed description of design steps.And check strength of the main components of the compression.The focus of the design were mainly cylinder and head of design ,drum,support,top,tube plate and flange design and so on .Difficulties in the de
4、sign embodied in the optimization of design and strength calculation . Key Words:double-tubesheet waste heat boiler; strength calculation； manufacturing process 南华大学机械工程学院毕业设计 第 3 页 共 59 页 引 言 能源是人类得以生存的基础，然而在 21 世纪的今天，能源危机已经是全世界都面临的问题。我国对节能环保是十分重视的，充分利用有限的能源有利于可持续发展。 合成氨工业会产生大量的废热，如果这些热量直接排放掉的话是一种很
5、大的浪费，因此得把这种热量回收利用，合成氨废热锅炉就是用来回收在合成氨的过程中所产生的余热的一种换热设备。通过废热锅炉产生蒸汽作为工厂的能源，这样就提高了热能的利用率，减少了能源的浪费，可以获得很大的经济效益。同时废热锅炉在合成氨系统中也是不可缺少的设备，工艺气体在进入下一个工艺时需要控制温 度，废热锅炉可以起到降温作用。除了在合成氨工业，废热锅炉在其他化工行业中也经常要用到。 根据不同的生产工艺要求，有不同的废热锅炉，双管板废热锅炉是目前使用比较广泛的一种。本次设计的是 100m2 双管板废热锅炉，与其他废热锅炉相比较，双管板废热锅炉有比较大的优越性，主要有： 换热面积大，气体压降减少；密封
6、结构改进，密封好，减少泄露；换热管之间的间隔大，便于清洗和维修；容易制造、结构相对简单、经济性好。 本次设计是对大学四年所学的一次综合考核，是通过运用自己学到的专业知识，查阅相关资料，在老师的指导 下去进行的，但是由于我的知识和设计经验不足，加上时间比较仓促，在设计的过程中难免会有些地方是错误和不完善的，希望老师指点。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 4 页 共 59 页 1 概 述 管板式废热锅炉属于压力容器的一种，所以在设计过程中的重点是锅炉的强度和失效形式，在管壳式换热器中，如果不考虑载荷的波动、高温高压以及实际钢材可能存在的各种缺陷，则强度失效可分为塑性失效和弹性失效，刚度失效则是失
7、去了稳定性。然而在管壳式换热器的强度设计中，一般是按照静载荷的条件来考虑的。 1.1 双管板废热锅炉的设计参数 表 1.1 设计技术参数表 容器类别 三类 壳程 管程 设计压力 Mpa 2.5 3.14 设计温度 225 400 操作介质 脱氧软水 蒸汽 H2 N2 NH3 CH4 主要受压元件材质 16MnR 1Cr18Ni9Ti 换热管规格 mm 24 5 换热面积 m2 100 1.2 双管板废热锅炉的设计概述 在工程上一般把厚径比 t/R 0.1 的壳体看作薄壳，此时在内压作用下可以不计筒体上的径向应力，且认为两向应力沿壁厚的方向均匀分布，从而很大程度地简化了设计 。也就是可以运用回转
8、薄壳无力矩理论进行设计计算。 对于法兰，法兰的失效方式主要是由于法兰的刚度不够或垫片性能不好而引起泄漏，在设计计算时要通过强度计算来保证法兰和锥颈的刚度和连接螺南华大学机械工程学院毕业设计 第 5 页 共 59 页 栓的强度，同时采用优质的垫片。 在锅炉的壳体上一般有开孔接管，这样就会导致应力集中，加大了失效的危险，所以要进行开孔补强计算，注意补强的形式。 1.3 废热锅炉的选型 锅炉的设计必须满足产品工艺的要求，并且考虑锅炉的工作环境，要求锅炉能够工作稳定、结构简单、容易制造、价格便宜等因素。同时，在本次设计中，锅炉的最高工作温度 为 400，属于低温操作，因此工艺气体对材料的热膨胀影响比较
9、小，又考虑到管程压力大于壳程，所以选用 U 型双管板式废热锅炉。 1.4 双管板废热锅炉的结构和钢材的选择 1.4.1 钢材的选择 由于锅炉在高温高压下工作，还要承受不稳定的载荷，所以不是任何一种钢都可以采用的，一般要用压力容器专用的钢材，除了要考虑有足够的强度外，还要有比较好的机加工性能和与介质相容的性能。要有良好的化学性能和力学性能，同时具备经济性，所以本次设置中主要的元件材质选用 16MnR和 10MoWVNb。 1.4.2 废热锅炉的结构 本次设计的锅炉主要组成有 管束、管板、顶盖、壳体，壳体跟管束部件采用无垫片焊环法兰连接。顶盖是 1Cr5Mo 的 IV级锻件，进出口集气室由管板跟顶
10、盖组成，由于废热锅炉管束属于高温高压的设备，所以平盖和管板都要用自紧式双锥密封，用 2 12 80 4M 螺栓连接。汽包上的设备法兰组焊在锥形筒体下部的 600 筒体上，锅炉换热管为 24 5,10MoWVNb 的 U 型管，换热管数量为 101 根，换热面积为 100mm2，管孔采用正三角形的布置形式，管板材料为 10MoWVNb 的 IV 级锻件，换热管跟管板之间的连接用先焊后胀南华大学机械工程学院毕业设计 第 6 页 共 59 页 的焊接方式。废热锅炉的结构简图图如下所示： 1.螺纹法兰 2.顶盖 3.管板 4.封头 5.设备法兰 6.偏锥体 7.汽包 8.筒体 9.封头 10.支座 1
11、1.管束 图 1.1 双管板废热锅炉管束 -管板角缝 2 设计计算 2.1 废热锅炉壳程受压元件的强度计算及厚度确定 2.1.1 锅炉基本参数的确定和计算 本次设计的锅炉直径为 2200mm，则 最大液柱高度取 h=2.2m； 南华大学机械工程学院毕业设计 第 7 页 共 59 页 由于壳程介质为水，因此液体密度取 1000 Kg m3；已知锅炉壳程设计压力为 P=2.5Mpa ，M p aghp 0 2 2.02.2101 0 0 0 5设计压力，所以液柱静的压力可以忽略不计，则壳程计算压力： Pc=P=2.5Mpa； 通过查阅 GB150 表 4-1，然后利用内插法可求在设计温度下的材料许
12、用应力： 当 板厚为 6 16 时： t1 t2t t1 21 1 7 0 1 5 6t t1 1 7 0 2 2 5 2 0 0 1 6 3 at t 2 5 0 2 0 0 MP 又已知在试验温度下的材料许用应力为 170 aMP ， 则液压试验压力： t1. 25 1. 25 2. 5 17 0 16 3 3. 26 aTP P M P ； 当 板厚为 16 36 时： t1 t2t t1211 5 9 1 4 7t t1 1 5 9 2 2 5 2 0 0 1 5 3 at t 2 5 0 2 0 0 MP 又已知在试验温度下的材料许用应力 163 aMP ， 所以液压试验压力： t1
13、. 25 1. 25 2. 5 16 3 15 3 3. 33 aTP P M P ； 因此可以最终确定设备的液压试验压力： 3 . 2 6 , 3 . 3 3 3 . 2 6 aTP M IN M P ； 因为要对壳体接缝进行 100的无损检测，故取焊接接头系数1 ；由于在 GB6654-1996压力容器用钢板中规定 16MnR的钢板厚度偏差要为正，所以钢板厚度负偏差取 C1=0mm；因为锅炉壳程的介质是脱氧软水和蒸汽，所以壳程的腐蚀裕量取C2=2mm；由于 GB150 规定碳素钢、低合金钢制压力容器的最小厚度是 3+C2，因此壳体的最小厚度为 5mm。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 8
14、 页 共 59 页 2.1.2 锅炉筒体的强度计算及厚度的选择 由上面可知计算压力 Pc=2.5Mpa, tc 0.4 0.4 153 1 61.2 aP M P ， 由于焊接可能会引起强度削弱， t 要乘以焊接接头系数 ，但前面已经确定了壳体对接焊缝需要进行 100%的无损检测，故取焊接接头系数 =1 ，则可用下式求锅炉筒体的计算厚度： cit c 2.5 220 0 18.1 219 m m2 153 1 2.52 PD P 筒体的设计厚度： d2 1 8 . 1 2 2 2 0 . 1 2 m mC ； 筒体的名义厚度： n d 1 2 0 . 1 2 m mC 考虑到选材的方便性，所得
15、的名义厚度向上圆整到钢材标准规格的厚度 22mm，由于 22mm 5mm（ 5mm 为最小厚度），故最终得到筒体的名义厚度为 n 22mm ； 筒体的有效厚度： e n 1 2 2 2 0 2 2 0 m mCC ； 锅炉在压力试验前对筒体应力的校核，由 GB150.3 2011 式（ 3-3）得： ieT s 0 . 2e3 .2 6 2 2 0 0 2 0 1 8 0 .9 3 a 0 .92 2 2 0TPD MP 0 .9 1 3 2 5 2 9 2 .5 aMP 由上式可知 锅炉筒体液压试验前的应力校核合格； 在设计温度下锅炉筒体的计算应力： c i ete2.5 220 0 202
16、 2 20PD 南华大学机械工程学院毕业设计 第 9 页 共 59 页 t13 8. 75 a 15 3 1 15 3 aM P M P 由上可知锅炉筒体的计算应力校核合格； 在设计温度下锅炉圆筒最大能够允许的工作压力，由 GB150.32011 式（ 3-6）得： teWie2 2 2 0 1 5 3 1P 2 . 7 5 a2 2 0 0 2 0 MPD 一般情况下要求工作压力小于设计压力，所以锅炉筒体名义厚度取 n 22mm 可以保证安全。 2.1.3 大端 标准椭圆封头的强度计算及厚度选择 本次设计废热锅炉的椭圆封头形状与尺寸如下图所示： 图 2.1 标准椭圆形封头 当公称直径 DN=
17、2200 时， h1=550， h2=25/40/50, 当公称直径 DN=1800 时， h1=450， h2=25/40/50, 当公称直径 DN=1000 时， h1=250， h2=25/40/50, 以上单位为毫米。 当 10mm 时，封头直边段的高度 h2 取 25mm； 当 10 20mm mm 时 ，封头直边段的高度 h2 取 40mm； 南华大学机械工程学院毕业设计 第 10 页 共 59 页 当 20mm 时，封头直边段的高度 h2 取 50mm 由于本次设计的锅炉椭圆封头采用 JB/T4746-2002 的标准椭圆封头，所以封头内直径 Di 是封头曲面高度 hi 两倍的一
18、半，即 22 iihD于是椭圆封头的形状系数为： 2 2ii112 2 2 16 2 h 6DK ； 已知 Pc=2.5MPa M p ap tc 8.9111536.06.0 故可以用下式计算椭圆封头的计算厚度： cit c 1 2.5 220 0 18.0 5m m2 153 1 0.5 2.52 0.5K P D P ；椭圆封头的设计厚度： 由于封头在制造时会因为冲压变薄，所以考虑十分之一的椭圆封头冲压减薄量，可得 C2=2+2.4=4.4mm，于是封头的设计厚度： d2 1 8 . 0 5 4 . 4 2 2 . 4 5 m mC ； 椭圆封头的 名义厚度： n d 1 2 2 . 4 5 m mC 所得值向上圆整到钢材标准规格的厚度得 24mm，由于24mm 5mm（最小厚度），因此初定确定椭圆封头的名义厚度n 24mm ； 椭圆封头的有效厚度： e n 1 2 2 4 0 4 . 4 1 9 . 6 m mCC ； 考虑封头的有效厚度要大于椭圆封头内径的 0.15%，由 0 0ei1 9 . 6 m m 0 . 1 5 0 . 0 0 1 5 2 2 0 0 3 . 3 m mD ，
