0013-3124平方甲醇合成反應(yīng)器的設(shè)計(jì)（CAD圖+論文+翻譯）,平方,甲醇,合成,反應(yīng)器,設(shè)計(jì),cad,論文,翻譯 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 前言 甲醇是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的飽和一元醇，化學(xué)式 又稱(chēng)“木醇”或“木精”，是無(wú)色有酒精氣味易揮發(fā)的液體，有毒，誤飲5～10毫升能雙目失明，大量飲用會(huì)導(dǎo)致死亡，是基本有機(jī)原料之一。它被廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、塑料、醫(yī)藥、林產(chǎn)品加工等領(lǐng)域。它與現(xiàn)實(shí)中使用的液體燃料具有極為相似的燃燒性能，它既具有燃燒性能好、辛烷值高、抗爆性能好等特點(diǎn)，又具有生產(chǎn)原料非常廣泛的優(yōu)勢(shì),預(yù)期深加工后作為一種新型潔凈燃料和加入汽油摻燒，其燃燒熱的值及燃燒方程式為： 中國(guó)甲醇產(chǎn)量及消費(fèi)量持續(xù)快速增長(zhǎng)，甲醇技術(shù)發(fā)展很快，主要趨勢(shì)為： 1. 煤炭是我國(guó)甲醇生產(chǎn)最重要的原料，以煤炭為原料生產(chǎn)甲醇的比 例在逐步上升； 2. 生產(chǎn)規(guī)模大型化，可降低單位產(chǎn)品的投資成本； 3. 充分回收系統(tǒng)的熱量。實(shí)現(xiàn)了熱能的綜合利用； 4. 采用新型副產(chǎn)中壓蒸汽的合成塔，降低能耗； 5. 采用節(jié)能技術(shù)，如氫回收技術(shù)、預(yù)轉(zhuǎn)化、工藝?yán)淠猴柡图夹g(shù)等降低甲醇的消耗。 甲醇反應(yīng)器是甲醇生產(chǎn)的重要設(shè)備，歷經(jīng)多年發(fā)展，其設(shè)計(jì)制造技術(shù)日臻成熟且趨于大型化。國(guó)內(nèi)甲醇合成反應(yīng)器歷經(jīng)引進(jìn)、模仿、改進(jìn)到自主研發(fā)取得了較大成就，同時(shí)在反應(yīng)器內(nèi)件改進(jìn)與研制方面也得到了較快發(fā)展，產(chǎn)生了一批有較強(qiáng)研發(fā)實(shí)力的科研單位。在琳瑯滿(mǎn)目的設(shè)備面前，如何選擇一種合適的反應(yīng)器成為甲醇裝置投資建設(shè)必須面對(duì)解決的首要問(wèn)題。 國(guó)外主要反應(yīng)器 1.主流反應(yīng)器 (1)ICI冷激型反應(yīng)器 ICI冷激型甲醇合成塔是針對(duì)51-1型銅基催化劑的時(shí)空產(chǎn)率低、催化劑用量大、床層控溫困難，催化劑易失活等缺陷而開(kāi)發(fā)的一種絕熱型軸向流動(dòng)的低壓合成反應(yīng)器，由塔體、噴頭、菱形分布器等組成。合成氣預(yù)熱到230-250℃，進(jìn)入反應(yīng)器，段間用菱形分布器將冷激氣噴入床層中間降溫。根據(jù)規(guī)模大小，一般有3-6個(gè)床層，典型的是4個(gè)，上面3個(gè)為分開(kāi)的軸向流床，最下面1個(gè)為軸-徑向流床。在5MPa、230-270℃條件下合成甲醇。ICI低壓反應(yīng)器與高壓反應(yīng)器 與高壓反應(yīng)器相比，該類(lèi)反應(yīng)器的特點(diǎn)是：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔內(nèi)未設(shè)置電加熱器或換熱器，催化劑利用效率較高。由于采用菱形分布器，保證了反應(yīng)氣體和冷激氣體的均勻混合；②適于大型化甲醇裝置，易于安裝維修；③高活性、高選擇性催化劑選擇余地大，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的催化劑如美國(guó)的UCI C79-2、G106催化劑、ICI生產(chǎn)的ICI51-1、51-2、51-3催化劑、西南化工研究院開(kāi)發(fā)的C302和蘭化院生產(chǎn)的NC系列催化劑等均能應(yīng)用。 缺點(diǎn)是：①床層溫度隨其高度的變化而不同，不同高度的催化劑活性不同，整體活性不能有效發(fā)揮，也容易因溫度控制不好，導(dǎo)致催化劑局部過(guò)熱而影響催化劑的使用壽命；②反應(yīng)器結(jié)構(gòu)松散，出口的甲醇濃度低，導(dǎo)致大部分原料氣不能參與合成反應(yīng)，必須保持10倍左右的循環(huán)氣量，壓縮能耗高(約占總能耗的24%)，同時(shí)相同產(chǎn)能的反應(yīng)器體積比魯奇反應(yīng)器大，其一次性投資也較魯奇的多；③能源利用不合理，不能回收反應(yīng)熱，產(chǎn)品綜合能耗較高；④催化劑時(shí)空產(chǎn)率不高，用量大。 迄今為止，有50多套裝置采用該反應(yīng)器，其中最大的是1999年在智利投產(chǎn)的2850t/d甲醇裝置。四川維尼綸廠(chǎng)在上世紀(jì)70年代初引進(jìn)該反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)10多年的運(yùn)行，始終難以達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。1997年技術(shù)改造時(shí)，將該反應(yīng)器改為MRF-Z反應(yīng)器。 (2)魯奇管殼型甲醇合成塔 該反應(yīng)器也是一種軸向流動(dòng)的低壓反應(yīng)器，采用管殼式結(jié)構(gòu)。操作條件是：5.2-7MPa、230-255℃，列管內(nèi)裝催化劑，管外為沸騰水。反應(yīng)熱被沸水移走。兩種氣體分別呈軸向流動(dòng)，合成塔殼程的鍋爐水是自然循環(huán)的，通過(guò)控制沸騰水的蒸汽壓力，可以保持恒定的反應(yīng)溫度。該塔使用高含量銅催化劑時(shí)，可得到較高的單程轉(zhuǎn)化率，其最大生產(chǎn)能力為1500t/d。根據(jù)國(guó)內(nèi)應(yīng)用的情況來(lái)看，大部分催化劑均可使用，對(duì)生產(chǎn)影響不大。 與ICI反應(yīng)器相比，該反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：①熱量利用合理，每噸甲醇副產(chǎn)4MPa蒸汽1.4t，副產(chǎn)的蒸汽可用于驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)，也可用于天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化，裝置正常運(yùn)行時(shí)不需外供蒸汽；②合成反應(yīng)幾乎是在等溫條件下進(jìn)行，副反應(yīng)少，粗甲醇雜質(zhì)少，用雙塔精餾即可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；③催化劑床層溫度易控制，床層的溫差較小，操作平穩(wěn)；④出口甲醇濃度較高(甲醇含量約7%)，總循環(huán)氣量比ICI幾乎少一半；⑤相同產(chǎn)能下，催化劑用量較少。 缺點(diǎn)是：①殼體和管板、反應(yīng)管之間用焊接結(jié)構(gòu)，為消除熱應(yīng)力，對(duì)塔體的制造、材料的要求均比較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大，維護(hù)成本高；②列管占用了反應(yīng)器大量的空間，催化劑的裝填量?jī)H占反應(yīng)器的30%；③由于管內(nèi)外傳熱溫差較小，所需傳熱面積大，比冷面達(dá)125m2/m3；④因用副產(chǎn)蒸汽從催化劑床層移熱，受蒸汽壓力限制，在催化劑壽命后期難以提高反應(yīng)溫度；⑤限于列管長(zhǎng)度，擴(kuò)大生產(chǎn)時(shí)，只能增加列管數(shù)量，擴(kuò)大反應(yīng)器的尺寸，生產(chǎn)操作彈性小。 一般認(rèn)為該反應(yīng)器不適用于大型甲醇裝置，魯奇經(jīng)過(guò)改進(jìn)，將合成壓力提高到7-10MPa，第一套2000t/d的甲醇裝置在馬來(lái)西亞建成，2003年以來(lái)采用該反應(yīng)器建成的甲醇裝置多達(dá)21套，產(chǎn)能在1000-2500t/d。即將在伊朗建成的5000t/d甲醇裝置則采用兩套反應(yīng)器串聯(lián)，該反應(yīng)器可適用于石油和天然氣原料。山東齊魯?shù)诙蕪S(chǎng)及河南安陽(yáng)甲醇廠(chǎng)(原料為煤)、四川維尼綸廠(chǎng)、陜西榆林及河南濮陽(yáng)三化的天然氣甲醇裝置均采用該類(lèi)反應(yīng)器。國(guó)內(nèi)已能設(shè)計(jì)，產(chǎn)能可達(dá)30萬(wàn)t/a，應(yīng)用效果也不錯(cuò)。 (3)日本東洋公司MRF反應(yīng)器 MRF(Multi-stage-indirect-cooling Type Radial Folw)反應(yīng)器是日本東洋公司與三井化學(xué)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種多段、間接冷卻的徑向反應(yīng)器，由殼體、催化劑床層、催化劑筐、列管及集氣盒組成。反應(yīng)器內(nèi)裝有一直徑較小的內(nèi)膽，以改變物料流向，在其中心軸向安裝一個(gè)帶外殼的集束管，用于收集反應(yīng)后的氣體，外殼開(kāi)有直徑小于催化劑顆粒的小孔，收集的反應(yīng)氣沿徑向從外殼上的小孔流入，管束內(nèi)通過(guò)反應(yīng)后的高溫氣體。反應(yīng)器內(nèi)還有冷卻管束和催化劑托架，沿軸心均勻布置。冷卻管束為雙層同心管，沸水從內(nèi)管導(dǎo)入內(nèi)外管間的環(huán)隙，吸收反應(yīng)熱后生成高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽透平。催化劑填裝在冷卻管束外面，垂直地安裝在催化劑床層，與水平徑向流動(dòng)的合成氣垂直。鍋爐給水從爐底通入冷卻管，產(chǎn)生的蒸汽匯集在蒸汽室內(nèi)。冷卻管的排列是MRF反應(yīng)器的專(zhuān)利。其外型為圓筒狀，有上下兩個(gè)端蓋，下端蓋可以拆卸，便于將中心集氣管抽出，以方便催化劑裝填和內(nèi)部設(shè)施檢修。 該反應(yīng)器于1988年最初應(yīng)用在特立尼達(dá)-多巴哥的1200t/d甲醇裝置的改造上。該裝置采用ICI冷激反應(yīng)器。TEC為驗(yàn)證該反應(yīng)器，在該裝置合成工序改造時(shí)，安裝了一個(gè)260t/d的小型MRF反應(yīng)器并于1990年6月投運(yùn)，完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。據(jù)TEC稱(chēng)，該裝置易于從現(xiàn)在的2500-2800 t/d放大到5000 t/d，國(guó)內(nèi)有四川維尼綸廠(chǎng)的兩套甲醇裝置及四川瀘州天然氣化工廠(chǎng)的40萬(wàn)t/a甲醇裝置采用該反應(yīng)器。 國(guó)內(nèi)裝置采用ICI51-7/8催化劑，目前還沒(méi)有針對(duì)MRF反應(yīng)器開(kāi)發(fā)新的催化劑，從運(yùn)行的情況來(lái)看，產(chǎn)能未受影響，基本能達(dá)到設(shè)計(jì)能力，但雜質(zhì)含量較偏高，且有甲胺和石蠟生成。 冷卻管是MRF反應(yīng)器的核心部件，表2是MRF反應(yīng)器與普通反應(yīng)器對(duì)比。 該反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是： ①氣體徑向流動(dòng)，流道短，空速小，因此壓降小，約為軸向反應(yīng)器的1/10； ②合成氣垂直流經(jīng)冷卻列管，床層與冷管之間的傳熱效率較高； ③單程轉(zhuǎn)化率較高，循環(huán)氣量較?。? ④由于降低了壓降和循環(huán)氣量，循環(huán)系統(tǒng)的能耗從冷激反應(yīng)器111.6MJ/t降到57.6MJ/t。 其缺點(diǎn)是：催化劑床層的溫度難控制，沿徑向位于冷卻管遠(yuǎn)端的催化劑容易出現(xiàn)局部過(guò)熱而產(chǎn)生石蠟、氨、甲胺等，使粗甲醇的雜質(zhì)含量增高。 2.其他反應(yīng)器 (1)托普索(Topsoe)管殼式反應(yīng)器 該反應(yīng)器是一種徑向復(fù)合式反應(yīng)器，一組3個(gè)。在反應(yīng)器之間移去反應(yīng)熱。由于使用了高活性、小粒度催化劑，床層壓降為0.2-0.3MPa，反應(yīng)器直徑和壁厚均比其他反應(yīng)器小，反應(yīng)器的空速和甲醇出口濃度得到提高，造價(jià)較低。1997年在挪威投產(chǎn)的2400t/d甲醇裝置采用該反應(yīng)器。 其特點(diǎn)是：①利用平衡曲線(xiàn)限制絕熱升溫，控制各段出口溫度，增大循環(huán)比，使各段出口溫度控制在催化劑耐熱溫度以?xún)?nèi)；②允許使用小顆粒催化劑。 其缺點(diǎn)是：①循環(huán)氣量大，能耗和循環(huán)回路的設(shè)備費(fèi)用增加；②床層內(nèi)氣體呈軸向流動(dòng)，壓降較大；③由于氣體分布不均勻，反應(yīng)氣體的線(xiàn)速度與接觸時(shí)間不斷變化，造成床層各部分催化劑的利用程度不同，催化劑性能得不到充分發(fā)揮；④因采用多個(gè)反應(yīng)器，設(shè)計(jì)、制造復(fù)雜。國(guó)內(nèi)還未有使用該反應(yīng)器的報(bào)道。 第一章 主體材料選取及相關(guān)要求 甲醇合成反應(yīng)是甲醇合成氣（、CO、）在催化劑的作用下，反應(yīng)生成甲醇，其主要反應(yīng)如下： CO+2→+ +3→+ 本甲醇合成反應(yīng)器是立式管殼式固定管板換熱器。管板頂部裝有絕熱催化劑層，管內(nèi)裝催化劑，管外充滿(mǎn)帶走反應(yīng)熱的中壓沸騰水蒸氣。本甲醇合成反應(yīng)器是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外使用比較多的先進(jìn)塔型。其主要性能特點(diǎn)是：該塔反應(yīng)時(shí)觸媒層溫差小，合成反應(yīng)幾乎在等溫條件下進(jìn)行，反應(yīng)器能有效地除去熱量，采用低循環(huán)氣流并限制最高反應(yīng)溫度，使反應(yīng)在等溫的條件下進(jìn)行，單程轉(zhuǎn)化率高，雜質(zhì)生成少，循環(huán)壓縮功能消耗低，而且合成反應(yīng)中產(chǎn)生的熱副產(chǎn)物中壓蒸汽，便于廢熱綜合利用。 甲醇合成反應(yīng)器為三類(lèi)壓力容器，根據(jù)甲醇合成反應(yīng)器的工藝原理及特點(diǎn)，甲醇合成反應(yīng)器塔的筒體、封頭板料用中厚板，管程及殼程圓筒材料可選取低合金高強(qiáng)度鋼13MnNiMoNbR；，反應(yīng)管材料可選取ANDVIK SAF2205雙相不銹鋼管，管板材料可選取20MnMoⅣ級(jí)鍛件、封頭材料可選用15CrMoR板材。 1.1反應(yīng)管選材 換熱管材質(zhì)采用SANDVIK SAF2205雙相不銹鋼管，其制造、檢驗(yàn)及驗(yàn)收應(yīng)按ASTM的A-789M的規(guī)定。 制造前應(yīng)按下列指標(biāo)按批復(fù)驗(yàn)化學(xué)成分和力學(xué)性能。 (1) 化學(xué)成分（%） 表1.1 SAF2205換熱管化學(xué)成份 C Si max Mn max P max S max Cr Ni Mo N 標(biāo)準(zhǔn) 成分 ≤ 0.03 1.0 2.0 0.02 0.02 21.0～23.0 4.5～ 6.5 2.5～ 3.5 0.08 ～ 0.20 (2) 常溫機(jī)械性能（保證值） 表1.2 SAF2205換熱管常溫機(jī)械性能 MPa 620 MPa ≥450 MPa ≥25 布氏硬度 max 290 (3) 線(xiàn)膨脹系數(shù)（保證值） 表1.3 SAF2205換熱管常線(xiàn)膨脹系數(shù) 溫差℃ 20～100 20～200 203～00 a×10-6 mm/mm.℃ ≤13.0 ≤13.5 ≤14.0 (4) 彈性模量（保證值） 表1.4 SAF2205換熱管彈性模量 溫差℃ 20 100 200 300 彈性模量 MPa 1.99×105 1.93×105 1.86×105 1.79×105 (5) 高溫強(qiáng)度（保證值） 表1.5 SAF2205換熱管高溫強(qiáng)度 溫差℃ 100 200 300 385 354 334 617 578 558 對(duì)于反應(yīng)管材料的其他要求: (1) 反應(yīng)管必須采用整根鋼管，不允許拼接； (2) 反應(yīng)管應(yīng)每一批做一根鋼管的擴(kuò)口試驗(yàn)； (3) 反應(yīng)管金相組織：應(yīng)具有鐵素體——奧氏體兩相組織，其中鐵素體含 量范圍：40%～55%，組織中不允許有σ相出現(xiàn)； (4) 反應(yīng)管的尺寸允許偏差：外徑偏差±10%。 1.2管板的選材 管板所用20MnMo鍛件除嚴(yán)格按JB4726-2000Ⅳ級(jí)鍛件要求。 對(duì)于管板材料的其他要求: 管板加工后全表面及焊接坡口，經(jīng)磁粉檢測(cè)，符合JB/T4730-2005Ⅰ級(jí)； 進(jìn)行300℃下的高溫拉伸試驗(yàn)且高溫屈服強(qiáng)度應(yīng)符合JB/4726-2000A1要求。 1.3殼體選材 管程及殼程殼體所選用的13MnNiMoNbR、15CrMoR板材須滿(mǎn)足GB713-2008及第1，2號(hào)修改單的要求。 對(duì)于殼體材料的其他要求： (1) 板材逐張超聲波檢測(cè)滿(mǎn)足JB/T4730.3-2005Ⅱ級(jí)要求； (2) 13MnNiMoNbR鋼板測(cè)定其線(xiàn)膨脹系數(shù)，線(xiàn)膨脹系數(shù)要求見(jiàn)表1.6表 表1.6 13MnNiMoNbR鋼板線(xiàn)性膨脹系數(shù) 溫差℃ 線(xiàn)膨脹系數(shù) a×10-6mm/mm. ℃ 20～100 ≥11.53 20～200 ≥12.25 20～300 ≥12.90 1.4焊接材料的選用 甲醇反應(yīng)器制造埋弧自動(dòng)焊時(shí)，選用H08Mn2MoA+SJ101焊絲、焊劑，帶極堆焊時(shí)選用ER309L、ER308L、10SW焊條、焊絲、焊帶和焊劑；管子管板焊接時(shí)，選用ER00Cr22NiMo3N焊絲。 焊材質(zhì)量應(yīng)符合AWS A5.4、AWS A5.9、JB4747-2002，《壓力容器用鋼焊條訂貨技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)規(guī)定。各種材料選用的焊接材料見(jiàn)表1.7： 表1.7焊接材料選用表 材料種類(lèi)或 接頭部位 藥皮電弧焊 焊條 埋弧焊焊絲 （帶）+焊劑 氬弧焊焊絲 備注 13MnNiMoNbR 鋼板對(duì)接焊 J607RH H08Mn2MoA+SJ101 / 筒體 13MnNiMoNbR +15CrMoR J507RH H10Mn2+J431 / 封頭與 筒體 13MnNiMoNbR +20MnMo J507RH / / 筒體與 接管 20MnMo+堆焊 過(guò)渡層：E309L 面層：E308L 過(guò)渡層：ER309L面層：ER308L 焊劑：10SW / 管板 堆焊 15CrMoR R307 E5515-B2 封頭 拼接 15CrMoR +15CrMo R307 E5515-B2 封頭與 接管 SAF2205 +20MnMo / / ER00Cr22NiMo3N 管子 管板 第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算 2.1工藝參數(shù) 殼程 管程 工作壓力MPa 3.9 6.0 工作溫度 ℃ 240 255 物料名稱(chēng) 沸騰水 N2 H2 CH4 CH2OH CO CO2 腐蝕余量mm 2 3 換熱面積 3124 2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 2.2.1計(jì)算壓力Pc的確定 根據(jù)HG20580-1998表4-1設(shè)計(jì)壓力選取表要求，設(shè)備無(wú)安全泄放裝置的內(nèi)壓容器，其計(jì)算壓力Pc取1.0～1.1倍工作壓力Pw,故甲醇合成反應(yīng)器的計(jì)算壓力Pc為： 殼程：1.1×3.9MPa=4.29MPa，取4.3MPa，液柱靜壓力：P1=0 MPa；故殼程設(shè)計(jì)壓力P=Pc=4.3 MPa. 管程:1.1×6.0 MPa=6.6 MPa，液柱靜壓力：P1=0MPa， 故管程設(shè)計(jì)壓力P=Pc=6.6 MPa 2.2.2設(shè)計(jì)溫度的確定 根據(jù)HG20580-1998表5-1設(shè)計(jì)溫度選取表要求，當(dāng)工作溫度T>15℃,介質(zhì)最高（低）工作溫度不確定時(shí)，其設(shè)計(jì)溫度Tc為介質(zhì)工作溫度T加15～30℃，故取殼程設(shè)計(jì)溫度為260℃（240+20=260℃），管程設(shè)計(jì)溫度為280℃（255+25=280℃） 2.2. 3液壓試驗(yàn)壓力PT的確定 根據(jù)GB150-1998中式3-3 PT=1.25×P×/ 計(jì)算液壓試驗(yàn)壓力。 對(duì)于殼程：材料為13MnNiMoNbR ； PT——試驗(yàn)壓力 MPa； P——設(shè)計(jì)壓力 MPa； ————容器元件材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力 MP； ——容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 MPa； 查GB150-1998表4-1鋼板許用應(yīng)力，利用內(nèi)插法可以求得13MnNiMoNbR使用狀態(tài)為正火加回火，在設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力為： =190 MPa 又已知試驗(yàn)溫度下13MnNiMoNbR的許用應(yīng)力=190 MPa， 故液壓試驗(yàn)壓力PT=1.25×P×/=1.25×4.3×190/190=5.375 MPa，取5.4 MPa。 對(duì)于管程：材料有15CrMoR、20MnMo鍛件； 在液壓試驗(yàn)壓力PT=1.25×P×/式中： PT——試驗(yàn)壓力 MPa； P——設(shè)計(jì)壓力 MPa； ——容器元件材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力 MPa； ——容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 MPa； 查GB150-1998表4-1鋼板許用應(yīng)力，利用內(nèi)插法可以求得15CrMoR使用狀態(tài)為正火加回火，在設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力： 又已知在試驗(yàn)溫度下15CrMoR的許用應(yīng)力=150 MPa, 故液試驗(yàn)壓力： PT=1.25×P×/=1.25×6.6×150/136=9.1 MPa; 查GB150-1998表4-5可知：20MnMo鍛件在設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力=177 MPa; 又已知20MnMo鍛件在試驗(yàn)溫度下的材料許用應(yīng)力=177 MPa; 故液壓試驗(yàn)壓力： PT=1.25×P×/=1.25×6.6×177/177=8.25 MPa; 根據(jù)GB150-1998第3.8.1.1條注2規(guī)定：容器各元件（圓筒、封頭、法蘭及緊固件等）所用材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件材料的/比值中最小值。故設(shè)備管城的液壓管程的液壓試驗(yàn)壓力：PT=8.25 MPa; 由于殼設(shè)計(jì)溫度為260℃，考慮到13MnNiMoNbR是可焊的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼，熱強(qiáng)性能高，抗裂紋擴(kuò)展敏感性好，故殼程筒體采用13MnNiMoNbR,管程球形封頭采用15CrMoR,管板采用20MnMo鍛件，過(guò)渡層堆ER309L面層堆ER308L,換熱管采用SAF2205,管箱筒體采用13MnNiMoNbR。 設(shè)備的A、B類(lèi)焊縫均進(jìn)行100%射線(xiàn)檢測(cè)，故焊縫系數(shù)取1.0。 2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1封頭類(lèi)型的選擇 由于球形封頭受力狀態(tài)好，且根據(jù)GB150-1998中球形封頭厚度計(jì)算公式： 而筒體厚度計(jì)算公式： 球形封頭厚度可以減薄到大約筒體的一半。且考慮本設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸，從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，選用球形封頭； 2.3.2管板結(jié)構(gòu)的確定 由于固定管板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、緊湊，能夠承受較高的壓力，制造成本低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換，但是由于其排管數(shù)比浮頭式、U形管式要多，故本設(shè)備采用管板與殼程圓筒和管箱圓筒形成整體結(jié)構(gòu)的固定管板式結(jié)構(gòu)。 2.3.3換熱管的選擇 由于本甲醇合成反應(yīng)器要求的換熱面積為3124m2,換熱管選用常見(jiàn)型號(hào)（l×d）：6m×0.038m。有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可得:換熱管的有效長(zhǎng)度（兩管板內(nèi)側(cè)的間距）L=5820mm。 由換熱面積的計(jì)算公式 ： 可得：n=4513(根) 2.3.4具體結(jié)構(gòu)尺寸 圖2.1 甲醇合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.4甲醇合成反應(yīng)器的厚度計(jì)算和強(qiáng)度校核 首先，將甲醇合成反應(yīng)器設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)羅列入表2.1 表2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) 殼程 管程 容器類(lèi)別 三類(lèi) 設(shè)計(jì)壓力 MPa 4.3 6.6 工作壓力 MPa 3.9 6.0 設(shè)計(jì)溫度 ℃ 260 280 工作溫度 ℃ 240 255 物料名稱(chēng) 沸騰水 合成氣（中度危害） 主要受壓元件材 殼程圓筒：13MnNiMoNbR 球形封頭：15CrMoR 換熱管：SAF2205 管板：13MnNiMoNbR 殼程圓筒：13MnNiMoNbR 焊縫系數(shù) 1 1 液壓試驗(yàn)壓力 MPa 5.4 8.25 換熱面積 3124 2.4.1管箱筒體的厚度計(jì)算和強(qiáng)度校核 2.4.1.1設(shè)計(jì)溫度下管箱筒體的厚度計(jì)算 由于本甲醇合成反應(yīng)器的換熱面積為3124m2，換熱管選取的類(lèi)型為：6m×0.038m（l×d），暫取兩換熱管中心距s=44.5mm,換熱管按照正三角形排列，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)n=4513時(shí)，Di圓整可取3400mm 即Di=Φ3400mm。 P——設(shè)計(jì)壓力（MPa）按設(shè)計(jì)參數(shù)取管程： P=6.6 MPa Pc——計(jì)算壓力（MPa） 管程：Pc=6.6 MPa PT——液壓實(shí)驗(yàn)壓力（MPa） 管程：PT=8.25 MPa [P] ——設(shè)計(jì)溫度下圓筒或封頭的最大允許工作壓力（MPa） [Pw] ——圓筒或封頭的最大允許工作壓力（MPa） δd ——圓筒或封頭的設(shè)計(jì)厚度(mm) δ——圓筒的計(jì)算厚度(mm) δe——圓筒的有效厚度(mm) δn——圓筒的名義厚度(mm) ——常溫下圓筒計(jì)算應(yīng)力（MPa） ——設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力（MPa） φ——焊接接頭系數(shù)：φ取1.0。 根據(jù)GB150-1998，當(dāng)計(jì)算壓力Pc≤0.4φ，設(shè)計(jì)溫度下管箱筒體的計(jì)算厚度可由GB150-1998式（5-1） δ=求得。 由于計(jì)算壓力Pc≤0.4φ=0.4×135×1=54 MPa， 故設(shè)計(jì)溫度下管箱筒體的計(jì)算厚度δ= =54.55 mm C——厚度附加量（mm） 管程：C=C1+C2=0+3=3mm C1——鋼材厚度負(fù)偏差（mm）按GB6654-1996標(biāo)準(zhǔn)： 管箱筒體C1=0mm C2——腐蝕裕量（mm）按設(shè)計(jì)參數(shù)取管程：C2=3mm 筒體的設(shè)計(jì)厚度：δd=δ+ C2=54.55+3=57.55mm 筒體的名義厚度：δn=δd + C1=57.55+0=57.55 mm，向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度60mm。 筒體的有效厚度：δe=δn-（C1+C2）=60-（0+3）=57 mm。 2.4.1.2壓力試驗(yàn)前管箱筒體應(yīng)力校核 根據(jù)GB150-1998中式（3-7）校核壓力試驗(yàn)前管箱筒體的應(yīng)力： = =250.18MPa≤0.9φ×1×390=351 MPa 所以筒體液壓試驗(yàn)前的應(yīng)力校核合格； 2.4.1.3 設(shè)計(jì)溫度下管箱筒體的應(yīng)力計(jì)算 根據(jù)GB150-1998中式（5-2）： 計(jì)算應(yīng)力==181.95 MPa≤φ=190×1=190MPa 所以筒體的計(jì)算應(yīng)力校核合格; 根據(jù)GB150-1998中式（5-4）：， 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓= MPa 6.3 MPa 因?yàn)橐话闱闆r下要求：工作壓力<設(shè)計(jì)壓力，故筒體名義厚度取=60 mm可以確保安全。 2.4.2殼程筒體的厚度計(jì)算和強(qiáng)度校核 2.4.2.1設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度 Di——圓筒的內(nèi)徑（mm）按設(shè)計(jì)參數(shù)?。篋i=Φ3400mm P——設(shè)計(jì)壓力（MPa）按設(shè)計(jì)參數(shù)取殼程： P=4.3 MPa Pc——計(jì)算壓力（MPa） 殼程：Pc=4.3 MPa PT——液壓實(shí)驗(yàn)壓力（MPa） 殼程：PT=5.4 MPa [P] ——設(shè)計(jì)溫度下圓筒或封頭的最大允許工作壓力（MPa） [Pw] ——圓筒的最大允許工作壓力（MPa） δd ——圓筒或封頭的設(shè)計(jì)厚度(mm) δ——圓筒的計(jì)算厚度(mm) δe——圓筒的有效厚度(mm) δn——圓筒的名義厚度(mm) ——常溫下圓筒計(jì)算應(yīng)力（MPa） ——設(shè)計(jì)溫度下應(yīng)力（MPa） φ——焊接接頭系數(shù)：φ取1.0。 根據(jù)GB150-1998，當(dāng)計(jì)算壓力Pc≤0.4φ，設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度可由GB150-1998式（5-1）： δ=求得。 由于計(jì)算壓力Pc≤0.4φ=0.4×190×1=76MPa， 故設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度 MPa C——厚度附加量（mm） 殼程：C=C1+C2=0+2=2mm C1——鋼材厚度負(fù)偏差（mm）按GB6654-1996標(biāo)準(zhǔn)：殼程C1=0mm， C2——腐蝕裕量（mm）按設(shè)計(jì)參數(shù)取殼程C2=2mm， 筒體的設(shè)計(jì)厚度：δd=δ+ C2=38.91+2=40.91 mm 筒體的名義厚度：δn=δd + C1=40.91+0=40.91mm，向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度42mm。 筒體的有效厚度：δe=δn-（C1+C2）=42-（0+2）=40 mm。 2.4.2.2壓力試驗(yàn)前殼程筒體應(yīng)力校核 根據(jù)GB150-1998式（3-7）校核壓力試驗(yàn)前殼程筒體的應(yīng)力： = =232.2MPa≤0.9φ×1×390=351 MPa 所以筒體液壓試驗(yàn)前的應(yīng)力校核合格； 2.4.2.3 設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算應(yīng)力 根據(jù)GB150-1998式(5-2)： = =172MPa≤φ=190×1=190MPa 所以筒體的計(jì)算應(yīng)力校核合格; 根據(jù)GB150-1998式(5-4)：， 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓力：= =4.42MPa 因?yàn)橐话闱闆r下要求：工作壓力<設(shè)計(jì)壓力，故筒體名義厚度取=42 mm可以確保安全。 2.4.3球形的厚度計(jì)算和強(qiáng)度校核 2.4.3.1設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度 Di——圓筒的內(nèi)徑（mm）按設(shè)計(jì)參數(shù)?。篋i=Φ3400mm P——設(shè)計(jì)壓力（MPa）按設(shè)計(jì)參數(shù)取P=6 MPa Pc——計(jì)算壓力（MPa） 按設(shè)計(jì)參數(shù)取Pc=6 MPa PT——液壓實(shí)驗(yàn)壓力（MPa） [P] ——設(shè)計(jì)溫度下圓筒或封頭的最大允許工作壓力（MPa） [Pw] ——圓筒或封頭的最大允許工作壓力（MPa） δd ——圓筒或封頭的設(shè)計(jì)厚度(mm) δ——圓筒或封頭的計(jì)算厚度(mm) δe——圓筒或封頭的有效厚度(mm) δn——圓筒或封頭的名義厚度(mm) ——常溫下圓筒或封頭計(jì)算應(yīng)力（MPa） ——設(shè)計(jì)溫度下應(yīng)力（MPa） φ——焊接接頭系數(shù)：φ取1.0。 根據(jù)GB150-1998，當(dāng)計(jì)算壓力Pc≤0.6φ，設(shè)計(jì)溫度下球形封頭的計(jì)算厚度可由GB150-1998式（5-5）： δ=求得。 由于計(jì)算壓力Pc≤0.6φ=0.6×135×1=81MPa， 故設(shè)計(jì)溫度下殼程筒體的計(jì)算厚度mm C——厚度附加量（mm）C=C1+C2=0+3=3mm C1——鋼材厚度負(fù)偏差（mm）按GB6654-1996標(biāo)準(zhǔn)： C1=0mm， C2——腐蝕裕量（mm）按設(shè)計(jì)參數(shù)取殼程C2=3mm， 球形封頭的設(shè)計(jì)厚度：δd=δ+ C2=38.2+3 =41.2 mm 球形封頭的名義厚度：δn=δd + C1=41.2+0=41.2mm，考慮到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)以及沖壓減薄等因素，向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度60mm。 球形封頭的有效厚度：δe=δn-（C1+C2）=60-（0+3）=57mm。 2.4.3.2壓力試驗(yàn)前球形封頭應(yīng)力校核 根據(jù)GB150-1998式（3-7）校核壓力試驗(yàn)前球形封頭的應(yīng)力： = =250.18MPa≤0.9φ×1×295 =265.5MPa 所以筒體液壓試驗(yàn)前的應(yīng)力校核合格。 2.4.3.3 設(shè)計(jì)溫度下球形封頭的計(jì)算應(yīng)力 根據(jù)GB150-1998式(5-2)： = =90.97MPa≤φ=135×1=135MPa 所以球形封頭的計(jì)算應(yīng)力校核合格。 設(shè)計(jì)溫度下球形封頭的最大允許工作壓力按《鋼制壓力容器》式(5-7)： = =8.90MPa≥P=6 MPa 因?yàn)橐话阋蠊ぷ鲏毫Γ荚O(shè)計(jì)壓力，故筒體名義厚度取=60mm可以確保安全。 2.4.4管板的厚度選擇和強(qiáng)度校核 (1) 殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積A：， A===9074600 在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支撐的面積: =s（Sn-0.866s）=0×44.5（0-0.866×44.5） =0 上式中， Sn隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距，mm；沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)。 (2) 殼體法蘭或管箱法蘭內(nèi)徑： =3400 mm (3) 換熱管中心距S：此設(shè)備中取S=44.5mm (4) 換熱管根數(shù)n：此經(jīng)計(jì)算取n=4513（根） (5) 換熱管外徑d：此設(shè)備中取d=38mm (6) 殼程圓筒厚度：=42mm (7) 換熱管壁厚度：此設(shè)備中取=2mm (8) 管板開(kāi)孔后的面積： =A-n=9074600- =3858933.98； (9) 圓筒殼壁金屬橫截面積As： As==3.14×42×（3400+42）=453930.96； (10) 管板布管區(qū)面積： =0.866n+ =0.866×4513×+0=7739327.91； (11) 一根換熱管管壁金屬的橫截面積a： a==3.14×2×（38-2）=226.08； (12) 殼體法蘭或管箱法蘭的寬度：=0mm (13) 系數(shù)： 按和查GB150-1999《管殼式換熱器》圖25，得=0.00712 (14) 系數(shù) ： 按和查GB151-1999圖25，得=0.01015 (15) ——?dú)んw法蘭或管箱法蘭外直徑，mm； (16) ——?dú)んw法蘭或管箱法蘭內(nèi)徑，mm； (17) 管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑： ===3139.91 mm； (18) 管箱筒體材料彈性模量：=1.916e+05 MPa (19) 管板材料彈性模量： =1.916e+05 MPa (20) 殼程材料彈性模量： =1.938e+05 MPa (21) 換熱管材料彈性模量： =1.916e+05 MPa (22) 系數(shù)：當(dāng)m>0時(shí)，取與兩者中的較大值； 當(dāng)m<0時(shí)，取值； (23) 系數(shù)：僅用于m>0時(shí)，=3μm/k (24) 系數(shù)：當(dāng)m>0時(shí)，按k和m查GB150-1999《管殼式換熱器》圖31（a）實(shí)線(xiàn)；當(dāng)m<0時(shí)，按k和m查GB150-1999《管殼式換熱器》圖31（b）； (25) 系數(shù)：按k和f查GB150-1999《管殼式換熱器》圖29，=5.368 (26) 換熱管的回轉(zhuǎn)半徑i： i= = 4.24mm (27) 換熱管加強(qiáng)管系數(shù)K： =10.64 (28) 殼體圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)： ==3.874 MPa (29) 管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)： ==9.286 MPa (30) 管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)： =+=3.874+9.286=13.16 MPa (31) 旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量綱參數(shù)： ==0.001056 (32) 管束模數(shù)： ==9785 MPa (33) 管板周邊不布管區(qū)無(wú)量綱寬度k：k=K(1-ρt)=0.816 (34) 換熱管有效長(zhǎng)度（兩管板內(nèi)測(cè)間距）L：L=5820mm (35) 換熱管與管板焊腳高度l：l=4.5mm (36) 管板邊緣力矩系數(shù)：對(duì)于不帶法蘭的管板= (37) 系數(shù)：= (38) 邊界效應(yīng)壓力組合系數(shù)：= (39) 管板總彎矩系數(shù)m：m= (40) 管板第一彎矩系數(shù)m1:按K和查GB150-1999圖27，m1=0.4564 (41) 管板第二矩系數(shù)m2:按K和QGB150-1999圖27，m2=1.872 (42) 有效壓力組合Pa: Pa= MPa (43) 邊界效應(yīng)壓力組合Pb: Pb=(PS-0.15Pt)-0.85Pt MPa (44) 當(dāng)量壓力組合Pc: Pc=Ps-Pt(1+β) MPa (45) 殼程設(shè)計(jì)壓力Ps: Ps=4.3 MPa (46) 管程設(shè)計(jì)壓力Pt: Pt=6.6MPa (47) 殼體不帶波形膨脹節(jié)時(shí)，換熱管束與圓筒剛度比Q： Q==2.312 (48) 換熱管與管板連接的拉脫力q: q=|| (49) 焊接許用拉脫力[q]: [q]=69.3 MPa (50) 制造環(huán)境溫度: =15℃ (51) 沿長(zhǎng)度平均的殼程圓筒金屬溫度: =260℃ (52) 沿長(zhǎng)度平均的換熱管金屬溫度: =280℃ (53) 管板邊緣剪切系數(shù)ν: ν=ψ (54) 殼程圓筒材料線(xiàn)性膨脹系數(shù); =1.258e-0.5 (55) 換熱管材料線(xiàn)性膨脹系數(shù): =1.259e-0.5 (56) 系數(shù)β: β==0.2577 (57) 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差γ: γ= (58) 管板計(jì)算厚度δ: δ=88mm (59) 管板假設(shè)厚度： =90mm (60) 管箱筒體厚度： =60mm (61) 管板感度削弱系數(shù):一般取μ值:η=μ=0.4 (62) 系數(shù)λ: λ=A1/A=0.4363 (63) 管板強(qiáng)度削弱系數(shù)μ:一般可μ=0.4 (64) 管板布管區(qū)的當(dāng)量直徑與殼程筒體內(nèi)徑之比: ==0.9233 (65) 系數(shù): =0.4+=4.955 (66) 系數(shù)： =0.4=7.177 (67) 殼程圓筒軸向應(yīng)力，MPa (68) 管程徑向應(yīng)力，MPa (69) 管程布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力，MPa (70) 管板徑向應(yīng)力系數(shù)，= (71) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力系數(shù)，= (72) 換熱管軸向應(yīng)力（位于管束周邊出換熱管軸向應(yīng)力），MPa (73) 在設(shè)計(jì)溫度時(shí)，殼程圓筒材料的許用應(yīng)力，=190MPa (74) 換熱管受壓換穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度：查GB150-1999圖32，=1160mm (75) 系數(shù)Cr： Cr==129.3 (76) 換熱管穩(wěn)定許用應(yīng)力：由于Cr=129.3>/i=91，故==71.62 MPa (77) 設(shè)計(jì)溫度時(shí)，換熱管材料的屈服點(diǎn)： =221 MPa (78) 設(shè)計(jì)溫度時(shí)，管板材料的許用應(yīng)力： =177 MPa (79) 設(shè)計(jì)溫度時(shí)，換熱管材料的許用應(yīng)力： =138.6 MPa (80) 系數(shù)ψ： ψ=m1/K=40.63 (81) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力：， = MPa3 (82) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)： = (83) 殼程圓筒的裝配環(huán)向焊縫系數(shù) ： =1.0 (84) 系數(shù)ψ： (85) 系數(shù)：查GB150-1999圖26，=0.0002399 (86) 系數(shù)：查GB150-1999圖26，=0.0005816 2.4.5危險(xiǎn)工況的組合 2.4.5.1校驗(yàn)僅有殼程壓力Ps作用下的危險(xiǎn)組合工況（Pt），不計(jì)溫差應(yīng)力 根據(jù)上面的已知條件，可計(jì)算得： (1) 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差，=0 (2) 當(dāng)量壓力組合，Pc=Ps=4.3MPa (3) 有效壓力組合，Pa=Ps+βγ=21.31 MPa (4) 邊界效應(yīng)壓力組合，Pb=Ps=0.03062 MPa (5) 邊界效應(yīng)壓力組合系數(shù)， ==0.003294 (6) 管板邊緣力矩系數(shù)，==0.003294 (7) 管板邊緣剪切系數(shù)，=0.1338 (8) 管板總彎矩系數(shù)，m= =0.6235 系數(shù)，僅用于m>0時(shí)，Gle=3μm/k=0.07035 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，按K和m查GB150-1999圖31（a）實(shí)線(xiàn)得，Gli=0.05 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，Gle取Gli與兩者中的比較大值，Gl=0.07035 (9) 管板徑向引力系數(shù)， =0.002596 (10) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力系數(shù)，=0.006491 (11) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)， = =0.03691 (12) 管板徑向應(yīng)力，=90.06 MPa<1.5=265.5 MPa (13) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力， ==25.53 MPa<1.5=265.5 MPa (14) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力，=30.59 MPa<0.5=88.5 MPa (15) 換熱管軸向應(yīng)力, =-37.77 MPa<=138.6 MPa =-37.77 MPa<=71.62 MPa (16) 殼程圓筒軸向應(yīng)力， =28.82 MPa<Ψ=190 MPa (17) 換熱管與管板連接的拉脫力，15.9<[q]=69.3 MPa 2.4.5.2校驗(yàn)僅有殼程壓力作用下的危險(xiǎn)組合工況（=0），計(jì)溫差應(yīng)力 根據(jù)上面的已知條件，可計(jì)算得： (1) 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差，= 0.0001848 (2) 當(dāng)量壓力組合，Pc=Ps=4.3 MPa (3) 有效壓力組合，Pa=Ps+=30.34 MPa (4) 邊界效應(yīng)壓力組合，Pb=0.03062 MPa (5) 邊界效應(yīng)壓力組合系數(shù)，=0.002313 (6) 管板邊緣力矩系數(shù)，=0.002313 (7) 管板邊緣剪切系數(shù)，0.09397 (8) 管板總彎矩系數(shù)，m= =0.578 系數(shù)，僅用于m>0時(shí)，Gle=3μm/k=0.06521 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，按K和m查GB150-1999圖31（a）實(shí)線(xiàn)得，Gli=0.05 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，Gle取Gli與兩者中的比較大值，Gl=0.06521 (9) 管板徑向引力系數(shù)， =0.002322 (10) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力系數(shù)，=0.005806 (11) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)， = =0.03561 (12) 管板徑向應(yīng)力，=114.7 MPa<3=531 MPa (13) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力， ==20.02 MPa<3=531 MPa (14) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力，=42.04 MPa<1.5=265.5 MPa (15) 換熱管軸向力 =-62.27MPa<3=415.8 MPa =-62.27 MPa<=71.62 MPa (16) 殼程圓筒軸向應(yīng)力， =39.6 MPa<3Ψ=570 MPa (17) 換熱管與管板焊接的拉脫力，26.22<3[q]=207.9 MPa 2.4.5.3校驗(yàn)僅有管程壓力作用下的危險(xiǎn)組合工況（=0），不計(jì)溫差應(yīng)力 根據(jù)上面的已知條件，可計(jì)算得： (1) 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差，=0.0 (2) 當(dāng)量壓力組合，Pc=-=-7.546 MPa (3) 有效壓力組合，Pa=-=-43.06 MPa (4) 邊界效應(yīng)壓力組合，Pb=0.15Pt-0.85Pt=0.05816 MPa (5) 邊界效應(yīng)壓力組合系數(shù)，=0.003095 (6) 管板邊緣力矩系數(shù)，=0.003095 (7) 管板邊緣剪切系數(shù)，0.1258 (8) 管板總彎矩系數(shù)，m= =0.6146 系數(shù)，僅用于m>0時(shí)，Gle=3μm/k=0.06934 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，按K和m查GB150-1999圖31（a）實(shí)線(xiàn)得，Gli=0.05 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，Gle取Gli與兩者中的比較大值，Gl=0.06934 (9) 管板徑向引力系數(shù)， =0.002541 (10) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力系數(shù)，=0.006352 (11) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)， = =0.03665 (12) 管板徑向應(yīng)力， =178.2 MPa<1.5=265.5 MPa (13) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力， ==-46.91 MPa<1.5=265.5 MPa (14) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力， =-61.4 MPa<0.5=88.5 MPa (15) 換熱管軸向應(yīng)力, =-81.19MPa<=138.6 MPa (16) 殼程圓筒軸向應(yīng)力， =68.18 MPa<Ψ=190 MPa (17) 換熱管與管板焊接的拉脫力，34.19<[q]=69.3 MPa 2.4.5.4 校驗(yàn)僅有管程壓力作用下的危險(xiǎn)組合工況（=0），計(jì)溫差應(yīng)力 根據(jù)上面的已知條件，可計(jì)算得： (1) 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差， =0.0001848 (2) 當(dāng)量壓力組合，Pc=-=-7.546 MPa (3) 有效壓力組合，Pa=-=-34.03 MPa (4) 邊界效應(yīng)壓力組合，Pb=0.15Pt-0.85Pt=-0.05816 MPa (5) 邊界效應(yīng)壓力組合系數(shù)，=0.003917 (6) 管板邊緣力矩系數(shù)，=0.003917 (7) 管板邊緣剪切系數(shù)，0.1592 (8) 管板總彎矩系數(shù)，m= =0.6508 系數(shù)，僅用于m>0時(shí)，Gle=3μm/k=0.07342 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，按K和m查GB150-1999圖31（a）實(shí)線(xiàn)得，Gli=0.05 系數(shù)，當(dāng)m>0時(shí)，Gle取Gli與兩者中的比較大值，Gl=0.07342 (9) 管板徑向引力系數(shù)， =0.002771 (10) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力系數(shù)，=0.006926 (11) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)， = =0.03773 (12) 管板徑向應(yīng)力，=153.5 MPa<3=531 MPa (13) 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力， ==-52.41 MPa<3=531 MPa (14) 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力，=-49.96 MPa<1.5=265.5 MPa (15) 換熱管軸向應(yīng)力, =56.68MPa<3=415.8 MPa =56.68MPa<=71.62 MPa (16) 殼程圓筒軸向應(yīng)力， =78.96 MPa<3Ψ=570 MPa (17) 換熱管與管板焊接的拉脫力，23.87<[q]=207.9 MPa 因此，管板名義厚度=90mm校核通過(guò) 2.4.6開(kāi)孔接管與補(bǔ)強(qiáng) 表2.2管口表 合成氣入口a φ549×66 合成氣出口b φ450 下降管c φ219×8 蒸汽入口d φ100 蒸汽出口e1-6 φ205×30 出水口f φ136×20 排氣口g1-2 φ25 排氣口h φ25 排凈口j φ25 卸料口k1-2 φ250 人孔m1 φ500 人孔m2-3 φ500 吊耳t1-2 φ500 2.4.6.1接管a與其中心線(xiàn)垂直的截面的單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 接管內(nèi)徑：接管內(nèi)徑為417mm，假定接管的名義厚度=66mm； 接管材料為15CrMo鍛件，在設(shè)計(jì)溫度280℃下的許用應(yīng)力=126.6 MPa 因?yàn)橛?jì)算壓力：=0.4×126.6×1=50.64MPa 故接管的計(jì)算厚度： = =11.61mm 接管的有效厚度：=66-（0+11.1）=54.9mm 開(kāi)孔直徑：d=417+2=417+2×3=423mm開(kāi)孔為圓形孔時(shí)，開(kāi)孔直徑取接管內(nèi)直徑加兩倍壁厚附加量） 所以，最大有效補(bǔ)強(qiáng)范圍： 最大有效寬度: B=MAX(2d,d+2)=MAX(2×423,423+2×60+2×66)=846mm 最大有效外伸或內(nèi)伸長(zhǎng)度：h==167.1mm 強(qiáng)度削弱系數(shù)（等于設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比值，當(dāng)該比值大于1.0時(shí)，強(qiáng)度削弱系數(shù)等于1.0，對(duì)于安放式接管，其值取1.0） 故=0.938 殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余金屬面積A1：（846-423）×（57-38.2）-2×66×（57-38.2）×（1-0.938）=7798.54； 接管實(shí)際外伸167.1，則有效外伸=167.1mm 接管實(shí)際內(nèi)伸0，則有效內(nèi)伸mm； 接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外多余金屬面積A2 =2×167.1×（54.9-11.61）×0.938+2×0×（54.9-2）×0.938=13570.53； 接管與筒體焊角高定位8mm，所以補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的焊縫金屬面積為； 可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積：7798.54+13570.53+64=21433.07； 開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：423×38.2+2×38.2×54.9（1-0.938）=16418.65； 因?yàn)榭勺鳛檠a(bǔ)強(qiáng)的截面積>開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A,所以單孔補(bǔ)強(qiáng)滿(mǎn)足要求，不需另加補(bǔ)強(qiáng)。 2.4.6.2接管m1、m2與其中心線(xiàn)垂直的截面的單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 接管內(nèi)徑：接管內(nèi)徑為500mm，假定接管的名義厚度=62mm； 接管材料為20MnMoNb鍛件，在260℃設(shè)計(jì)溫度下的許 用應(yīng)力=207 MPa 因?yàn)橛?jì)算壓力：=0.4×207×1=82.8MPa 故接管的計(jì)算厚度：=5.248mm 接管的有效厚度：=62-（0+2）=60mm 開(kāi)孔直徑：d=500+2=500+2×2=504mm 所以，最大有效補(bǔ)強(qiáng)范圍： 最大有效寬度: B=MAX(2d,d+2)=MAX(2×504,504+2×42+2×62)=1008mm 最大有效外伸或內(nèi)伸長(zhǎng)度：h==176.8mm 強(qiáng)度削弱系數(shù)：=1 殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余金屬面積：（1008-504）×（40-38.91）-2×62×（40-38.91）×（1-1）=547.3； 接管實(shí)際外伸176.8，則有效外伸=176.8mm 接管實(shí)際內(nèi)伸0，則有效內(nèi)伸mm； 接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余金屬面積： =2×176.8×（60-5.248）×1+2×0×（60-2）=19357； 接管與筒體焊角高定位8mm，所以補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的焊縫金屬面積為； 可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積：547.3+19357+64=19969； 開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：504×38.91+2×38.91×60×（1-1）=19610.64； 因?yàn)榭勺鳛檠a(bǔ)強(qiáng)的截面積>開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A,所以單孔補(bǔ)強(qiáng)滿(mǎn)足要求，不需另加補(bǔ)強(qiáng)。 第三章 設(shè)備的制造要求和檢驗(yàn)要求 3.1筒體的制造要求和檢驗(yàn)要求 (1) 筒節(jié)按劃線(xiàn)下料，下料尺寸應(yīng)準(zhǔn)確，以保證筒節(jié)卷制焊接后內(nèi)徑偏差和不圓度最小，以達(dá)到對(duì)筒節(jié)組要求的偏差。 (2) 焊接坡口進(jìn)行機(jī)加工，除進(jìn)行形狀和尺寸檢查外，對(duì)坡口鄰近區(qū)域和坡口表面進(jìn)行磁粉或滲透檢測(cè)。不得有裂紋、分層、夾雜及其他影響焊接質(zhì)量的缺陷。 (3) 在滾圓是應(yīng)保證做到筒體兩邊與滾板機(jī)軋滾平行，用不大于400mm弧長(zhǎng)的樣板檢查筒體的棱角度、圓度、錯(cuò)邊、錯(cuò)口，保證焊接接頭的棱角度≤5mm，焊接接頭的錯(cuò)邊量≤3mm，殼體最大最小直徑差（包括管箱殼體）≤2mm，使?jié)L圓的筒體為理想的幾何狀態(tài)。 (4) 焊接結(jié)構(gòu)為全焊透結(jié)構(gòu)，焊接前焊接工藝按JB/T4708-2000評(píng)定合格，焊接采用埋弧自動(dòng)焊，