%E6%B5%AE%E5%A4%B4%E6%8D%A2%E7%83%AD%E5%99%A8%E6%AF%95%E4%B8%9A%E8%AE%BE%E8%AE%A1-%E8%AF%B4%E6%98%8E

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目录

摘要 ................................................................. 1 Abstract ............................................................. 2 前言 ................................................................. 3 第一章 换热器概述 .................................................... 4

1.1 换热器的应用.................................................. 4 1.2 换热器的主要分类.............................................. 4 1.3 管壳式换热器特殊结构.......................................... 9 1.4 换热管简介................................................... 10 第二章 工艺计算 ..................................................... 11

2.1 设计条件..................................................... 11 2.2 核算换热器传热面积........................................... 11 2.3 压力降的计算................................................. 16 2.4 换热器壁温计算............................................... 19 第三章 换热器结构设计与强度计算 .................................... 22

3.1 壳体与管箱厚度的确定......................................... 22 3.2 开孔补强计算................................................. 24 3.3 水压试验..................................................... 30 3.4 换热管....................................................... 31 3.5 管板设计..................................................... 33 3.6 折流板....................................................... 39 3.7 拉杆与定距管................................................. 41 3.8 防冲板....................................................... 42 3.9 保温层....................................................... 42 3.10法兰与垫片 .................................................. 42 3.11 钩圈式浮头.................................................. 46 3.12 分程隔板.................................................... 52 3.13 鞍座........................................................ 52 3.14 接管的最小位置..............................................

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第四章 换热器的腐蚀、制造与检验 ..................................... 56

4.1 换热器的腐蚀................................................. 56 4.2 换热器的制造与检验........................................... 56 第五章 焊接工艺评定 ................................................. 60

5.1 壳体焊接工艺................................................. 60 5.2 换热管与管板的焊接........................................... 60 5.3 法兰与筒体的焊接............................................. 61 第六章 换热器的安装、试车与维护 ..................................... 62

6.1 安装......................................................... 62 6.2 试车......................................................... 62 6.3 维护......................................................... 63 总结 ................................................................ 致谢 ................................................................ 66 参考文献 ............................................................ 67 附录Ⅰ浮头法兰厚度计算程序 .......................................... 68 附录Ⅱ 相关文献 ..................................................... 72

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摘要

本设计说明书是关于PN2.5DN600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。最后设计结果可通过6张图表现出来。

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。 关键词：管壳式换热器 浮头式换热器 管板 浮头盖 浮头法兰

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Abstract

The design manual is about the PN2.5DN600 floating head heat exchanger, which included technology calculate of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger.

The first part of design is the technology calculation process. Mainly, the process of technology calculate is according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area, and then, select a suitable heat exchanger to check heat transfer coefficient ,just for the actual heat transfer area .Meanwhile the process above still include the pressure drop and wall temperature calculation . The second half of the design is about the structure and intensity of the design. This part is just on the selected type of heat exchanger to design the heat exchanger’s components and parts ,such as vesting ,baffled plates, the distance control tube, circle hook, tube boxes. This part of design mainly include：the choice of materials，identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube sheet, the thickness calculation of floating head planting and floating head flange, the opening reinforcement calculation etc. In the end, the final design results through six maps to display.

The each aspects of the floating head heat exchanger has detailed instructions in the design manual.

Key word: Shell-Tube heat exchanger, floating head heat exchanger, tube sheet, floating head planting, floating head flange.

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前言

毕业设计是完成教学计划实现专业培养目标的一个重要的教学环节；是教学计划中综合性最强的实践性教学环节。它对提高学生综合运用专业知识分析和解决实际问题的能力以及培养学生的工作作风、工作态度和处理问题等方面具有很重要的意义。

本次毕业设计的题目是浮头式换热器设计。浮头式换热器是长岭炼油厂的典型设备，主要用于原油和油品等的换热，并且设计的原始资料及数据均来源于工厂中正在运行的设备。

这次设计中的主要内容为换热器的工艺计算、换热器的结构与强度设计。其中，工艺计算主要是确定换热器的换热面积、换热器的选型、压降计算、壁温计算等；而结构与强度设计则主要包括：管板厚度计算、换热管的分布、折流板的选型、浮头盖及浮头法兰的计算、开孔补强计算以及各种零部件的材料选择等。在设计过程中，我尽量采用较新的国家标准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合生产实际需要，适合市场激烈的竞争。同时为了使本次设计能够进行顺利，我在设计前参阅了许多有关书籍和英文文献，并做了一定的摘要。

因为换热器设计是属于压力容器设计范畴，与我所学的课程有紧密的联系，所以这次设计对我的设计能力有了很大的提高。它不仅使我贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识，还培养和提高我们群体合作、相互配合的工作能力。换热器在设计过程中为技术分析与产品开发可以为设计者提供一个广阔的思维想象空间，还能激发设计者的创新意识。在设计过程中，我们可以很好地将所学的知识加以应用，在自己的脑海中巩固，这是我选择这个课题的初衷，而事实上我也达到了预期的目的。

由于水平有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处，恳请各位老师和同学批评指正。特此致谢！

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第一章 换热器概述

过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是在化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备，而换热设备则是广泛使用的一种通用的过程设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%～20%；在炼油厂，约占总投资的35%～40%。

1.1 换热器的应用

在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500℃）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。

随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。

1.2 换热器的主要分类

在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。

1.2.1 换热器的分类及特点

按照传热方式的不同，换热器可分为三类： 1.直接接触式换热器

又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。 2.蓄热式换热器

在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热

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流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染”。

蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面比较大，故较适合用于气--气热交换的场合。 3.间壁式换热器

这是工业中最为广泛使用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开，通过壁面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为： （1） 管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等； （2） 板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式等；

（3） 扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。 1.2.2 管壳式换热器的分类及特点

由于设计题目是浮头式换热器的设计，而浮头式又属于管壳式换热器，故特此介绍管壳式换热器的主要类型以及结构特点。

管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，其具体结构如下图所示。壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程，而图1-2-1所示为最简单的单壳程单管程换热器。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。 这种换热器的结构不算复杂，造价不高，可选用多种结构材料，管内清洗方便，适应性强，处理量较大，高温高压条件下也能应用，但传热效率、结构的紧凑性、单位传热面的金属消耗量等方面尚有待改善。

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由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种主要类型：

（1） 固定管板式换热器：其结构如图1所示。换热器的管端以焊接或胀接的方

法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程，同时制造成本较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。

（2） 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

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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。

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（3） U型管式换热器：其结构可参见图3。一束管子被弯制成不同曲率半径的U

型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束，从而省去了一块管板与一个管箱。因为管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，故消除了温差应力。其结构简单，造价便宜，管束可以在壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，故最好让不易结垢的物料从管内通过。由于弯管的外侧管壁较薄以及管束的部分存在较大的空隙，故U型管换热器具有承压能力差、传热能力不佳的缺点。

（4） 双重管式换热器：将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器，

其结构可以参看图4。管程流体（B流体）从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底部，然后返回，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热，但管程流体的阻力较大，设备造价较高。

（5） 填料函式换热器：图5为填料函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用

填料密封，管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰和壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低，但填料处容易泄漏，工作压力与温度受一定，直径也不宜过大。

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1.3 管壳式换热器特殊结构

包括有双壳程结构、螺旋折流板、双管板等特殊结构，这些结构将使换热器拥有更高的工作效率。

（1） 双壳程结构：在换热器管束中间设置纵向隔板，隔板与壳体内壁用密封

片阻挡物流内漏，形成双壳程结构。适用场合：①管程流量大壳程流量

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小时，采用此结构流速可提高一倍，给热系数提高1～1.2倍；②冷热流体温度交叉时，但壳程换热器需要两台以上才能实现传热，用一台双壳程换热器不仅可以实现传热，而且可以得到较大的传热温差。

（2） 螺旋折流板式换热器：螺旋折流板可以防止死区和返混，压降较小。物

流通过这种结构换热器时存在明显的径向变化，故不适用于有高热效率要求的场合。

（3） 双管板结构：在普通结构的管板处增加一个管板，形成的双管板结构用

于收集泄漏介质，防止两程介质混合。

1.4 换热管简介

换热管是管壳式换热器的传热元件，采用高效传热元件是改进换热器传热性能最直接有效的方法。国内已使用的新效的换热管有以下几种：

（1） 螺纹管：又称低翅片管，用光管轧制而成，适用于管外热阻为管内热阻

1.5倍以上的单相流及渣油、蜡油等粘度大、腐蚀易结垢物料的换热。 （2） T形翅片管：用于管外沸腾时，可有效降低物料泡核点，沸腾给热系数

提高1.6～3.3倍，是蒸发器、重沸器的理想用管。

（3） 表面多孔管：该管为光管表面形成一层多孔性金属敷层，该敷层上密布

的小孔能形成许多汽化中心，强化沸腾传热。

（4） 螺旋槽纹管：可强化管内物流间的传热，物料在管内靠近管壁部分流体

顺槽旋流，另一部分流体呈轴向涡流，前一种流动有利于减薄边界层，后一种流动分离边界层并增强流体扰动，传热系数提高1.3～1.7倍，但阻力降增加1.7～2.5倍。

（5） 波纹管：为挤压成型的不锈钢薄壁波纹管，管内、管外都有强化传热的

作用，但波纹管换热器承压能力不高，管心距大而排管少，壳程短而不易控制。

管壳式换热器的应用已经有悠久的历史，而且管壳式换热器被当作一中传统的标准的换热设备在很多工业部门中大量使用。尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，管壳式换热器仍处于主导地位，因此本次毕业设计特针对这类换热器中的浮头式换热器的工艺设计以及结构设计进行介绍。

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第二章 工艺计算

在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积。工艺设计中包括了热力设计以及流动设计，其具体运算如下所述：

2.1 设计条件

表2-1 油品与原油的操作参数 原 油 油 品 设计压力 进口温度出口温度流 量 进口温度 出口温度 流 量 （Mpa） （°C） （°C） （kg/s） （°C） （°C） （kg/s） 69 101 26.50 300 100 6.44 2.5

表2-2 油品与原油的物性参数

名称 平均温度（℃） 比热kJ/kg·k 3.165 2.587 导热系数W/（m·k） 0.140 0.114 密度 kg/ m3 805 918 粘度（*10-3）Pa·S 8.10 0.920 热阻（*10-3）㎡·K/w 0.52 0.52 原油 油品 85 200 2.2 核算换热器传热面积

2.2.1 流动空间的确定

选择被冷却的油品走壳程，被加热的原油走管程。这管程：原油 是因为：被冷却的流体走壳程可便于散热，而传热系数大壳程：油品 的流体应走管程，这样可降低管壁的温差，减少热应力， 同时对于浮头式换热器，一般是将易结垢流体流经管程。 2.2.2 初算换热器传热面积A' 2.2.2.1 传热计算（热负荷计算）

热负荷：Qmc(TcoTci)mhcph(ThiTho) 式中：mc,mh——冷热流体的质量流量，kg/s；

cpc,cph——冷热流体的定压比热，J/(kg·k)；

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Tci,Tco——冷流体的进、出口温度，k； Thi,Tho——热流体的进、出口温度，k。

理论上，Qc=Qh，实际上由于热量损失，Qc≠Qh，通 常热负荷应该取max（Qc，Qh）。

Qcmc(TcoTci)26.53.165(10169)2683.9KW

Qc2683.9KW

Q=3332.1KW Qhmhcph(ThiTho) = 6.442.587(300-100)=3332.1KW； h 故Q3332.1KW。

2.2.2.2 有效平均温差t的计算

选取逆流流向，这是因为逆流比并流的传热效率高。其中t1为较小的温度差，t2为较大的温度差。

t11006931oC;'mQ3332.1KW

t131oCt2199oC

t2300101199oC;

t12，故采用对数平均温度差，则 t2因为

'tm91.4℃

tt119931t291.4℃;

t2199lnln31t1'm

K估=180W/（㎡

2.2.2.3 按经验值初选总传热系数K估 查表选得K估=180W/（㎡﹒℃）； 2.2.2.4 初算出所需的传热面积A'

﹒℃）

A'202.5m2

A'QK估3332.1103202.5m2； 'tm18091.4考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的

因素，应使所选用的换热器具有换热面积A0留有裕度

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10%-25%，故有A1.2A'1.2*202.5243m2，根据A查选A243m2

型手册，可选换热器的型式为：BES-2.5-85-6/25-4-Ⅱ，且 为达到所需换热面积，应采用三台同类换热器串联。

所选浮头式换热器的规格参数以及其工艺计算常用参 数可参考表2-3与表2-4（附第二章后）。 2.2.3 总传热系数K的校验

管壳式换热换热器面积是以传热管外表面为基准，则 在利用关联式计算总传热系数也应以管外表面积为基准， 因此总传热系数K的计算公式如下：

bdododo11RsoRsi KαOλwdmdiαidi 式中：K——总传热系数，W/（㎡﹒K）；

αi、αO——分别为管程和壳程流体的传热膜系数， W/（㎡﹒K）；

Rsi、Rso——分别为管程和壳程的污垢热阻，㎡·K/w；

di、do、dm——分别是传热管内径、外径及平均 直径，m；

λw——传热管壁材料导热系数，W/（㎡﹒K）； b——传热管壁厚，m。 2.2.3.1管程流体传热膜系数αi 其计算过程如下： ui4mc26.52.22m/s； cdi28050.0148diuii0.022.228054413，可知流体处于38.110

ui2.22m/s

ReiRe4413

过渡流状态；

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Prcpiii3.1651038.1103183；

0.140Pr183

当流体在管内流动为过渡流的时候，对流传热系数可 先按湍流的公式计算，然后把计算结果乘以校正系数， 即可得到过渡流下的对流传热膜系数。 先计算校正系数：

61056105110.835； 1.81.8Re4413

0.835

而湍流情况下的i'计算如下：

由于i2a，故原油为高黏度的流体，故应用 Sieder-Tate关联式：

i'0.027

Re0.8Pr1/3(i/w)0.14

0.14idi

1.05，当液

工程上，当液体被加热时，取(i/w)

体被冷却时，取(i/w)0.140.95，而管程流体原油是被加 热的，则有

i'0.0270.140； i'928W/（㎡44130.81831/31.05928 W/（㎡﹒K）

0.02﹒K）

故管内流体传热膜系数i为：

ii'0.835928775W/（㎡﹒K）； 2.2.3.2 壳程流体传热膜系数αO： 其计算过程如下：

换热器内需装弓形折流板，根据GB151-1999可知，折流板最小的间距一般不小于圆筒内直径的1/5，且不小于

i775W/（㎡﹒K）

lb300mm

50mm，故根据浮头式换热器折流板间距的系列标准，可取折流板间距lb300mm。

因为壳体选择为卷制圆筒，根据GB150-1999可知壳

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体内径DiDN600mm。 Di600mm

管间流速uo是根据流体流过管间最大截面积As计算：

AslbDi(1do) pt

do25mm

其中：do——管外径，即25㎜，

pt——为换热管中心距，此时选择换热管在管板上的排列方式为正方形排列，因为这样便于机械清洗，查GB151-1999得pt32mm。

pt32mm

AS0.0393m2

AS0.30.6(1uo0.025)0.0393m2； 0.032mh6.440.178m/s； hAs9180.0393uo0.178m/s

当换热管呈正方形排列时，其当量直径de为

1.27pt21.270.0322dedo0.0250.027；同时： de0.027

do0.025Redeuooocpo0.0270.1789184800； 30.9210

Re4800 Pr20.9

Pro2.587100.921020.9；

0.11433o420.8W/（㎡﹒K）

故可用Kern法求o，即：

o0.360.36odeRe0.55Pr(i/w)1/30.14dm22.5mm

b2.5mm

Rsi0.52103m

2

0.11448000.5520.91/30.95 ； 0.027420.8W/mKi与o都已经算出，而dmdido202522.5mm，Rso0.52103 22·K/W

b2.5mm，RsiRso0.52103m2K/W，同时查钢管壁m2·K/W 热导率为w46.9W/mK，则有

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w46.9W/m·K

K11

oRsobdoddRsi00wdmdiidiK191.6W/m·K

1

10.00250.0250.0250.0250.521030.52103420.846.90.02250.027750.02 191.6W/mK故K191.61.06，合适。 K估180K1.06 K估 R6.25

2.2.4 校核平均温差 与平均温差有关参数的计算如下： R热流体的温降ThiTho3001006.25;冷流体的温升TcoTci10169TT冷流体的温升10169coci0.139； 两流体最初温差ThiTci30069PP0.139

根据R、P值，查温度校正系数图可得温度校正系数0.860.8，因此有效平均温度差为： 'tmtm0.8691.478.6℃ 。 0.86℃

tm78.6

2.2.5 校核换热面积： 实际传热面积： 'A0

'A0216.2m2

QKtm3332.1216.2m2； 191.678.6校核：

'AA018% 'A0AA853216.2100%18%(15%25%)； 'A0216.2为了保证换热器的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于或等于15%--25%，由上可知所选换热器面积满足要求。 '0

2.3 压力降的计算

流体流经换热器因流动引起的压力降，可按管程压降和

16

壳程压降分别计算。 2.3.1 管程压力降pi

管程压力降有三部分组成，可按下式进行计算：

pi(pLpr)FtNpNspnNs

其中：pL——流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降， Pa；

pr——流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力 降，Pa；

pn——流体流经管箱进出口的压力降，Pa；

Ft——结构校正因数，无因次，对252.5mm的管 子，取为1.4；对192mm的管子，取为1.5；

Np——管程数； Ns——串联的壳程数。

其中，pL、pr、pn的计算式如下：

iui2iui2liiui2)；pn1.5()； pLi()；pr3(22di2 式中：ui——管内流速，m/s；di——管内径，m；

l——管长，m；i——摩擦系数，无量纲，可由下式求取；i——管内流体密度，kg/m3。

由于Re4413，在Re3103采用下面公式求取：

3106范围内，故可

0.730.730.012270.0434 i0.012270.380.38Re441368052.222()0.0258 Mpa； 所以pL0.04340.022i0.0434

pL0.0258Mpa

17

8052.222)0.00595 Mpa； pr3(28052.222)0.00298 Mpa； pn1.5(2pr0.00595Mpa pn0.00298 Mpa

pi0.2 Mpapi(0.02580.00595)1.4430.0029830.2 Mpa；

经查，可知每台换热器合理的压力降为

0.351.8105Pa，由此可知上述压力降符合要求。

2.3.2 壳程的压力降

当壳程装上折流板后，流体在管外流动为平行流和错流的耦合。尽管管束为直管，但流动却变得复杂化。由于制造安装公差不可避免地存在间隙，因而会产生泄漏和旁流，而流体横向冲刷换热管引起的旋涡，也使流动变得更加复杂。由于流动的复杂性，要准确地分析影响这种复杂流动的各种因素，精确地计算压力降是相当的困难。 下面通过埃索法来计算：

po(pp)FsNs 式中：p1'——流体横过管束的压力降，Pa；

' p2——流体通过折流板缺口的压力降，Pa；

'1'2

Fs1.15

Fs——壳程压力降的结垢修正系数，无因次，对液体可取1.15；对气体可取1.0。 其中：p1'Ff0nc(Nb1)u22o'；p2Nb(3.52lbu； )Di2

2o

式中：F——管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形排列F0.5。对正方形排列F0.3，对转置正方形排列

F0.4；

fo——壳程流体摩擦系数，当Re500时，

F0.3

18

fo5.0Re0.228；

；

Ao0.0578m2

nc——横过管束中心线的管子数，对三角形排列

nc1.1Nt；对正方形排列nc1.19Nt；

uo——按壳程流通截面Ao计算的流速，m/s； Nb——折流板的数量。 其中：

Aolb(Dincdo)lb(Di1.19Ntdo)0.3(0.61.191880.025)0.0578m2m6.440.121m/s； 因此 uohhAo9180.0578

uo0.121m/s fo0.724

fo5.048000.2280.724； nc1.19Nt1.1918816.3； Nbl0.160.11118.6，取整为19。 lb0.3nc16.3

Nb19

9180.1212475.8 Pa，则有：p0.30.72416.320 2'1'2p1'475.8Pa

20.39180.1212)638.4 Pa； p38(3.5'0.62p2638.4Pa

po(475.8638.4)1.1530.0038 Mpa； 可知此时的压力降在合理范围之类。

po0.0038 Mpa

2.4 换热器壁温计算

2.4.1 换热管壁温tt计算 符号说明：

——以换热管外表面积为基准计算的总传热系数，

W/（m·℃）；

19

rd——污垢热阻，㎡·℃/w；

Tm,tm——分别为热、冷流体的的平均温度，℃； Ti,To——分别为热流体的进、出口温度，℃； ti,to——分别为冷流体的进、出口温度，℃；

tm——流体的有效平均温差，℃；

tth156.4oC

——以换热管外表面积为基准计算的给热系数， W/（m·℃）。 热流体侧的壁温：

tthTm(1hrdh)tm1200191.6(0.52103)78.6 ；

420.8156.4oC冷流体侧的壁温：

ttctm(1crdc)tm10.52103)78.6 ； 775ttc112.3oC

85191.6(112.3oC所以 tt

tthttc156.4112.3134.3℃。 22tt134.3oC

2.4.2 圆筒壁温ts的计算

由于圆筒外部有良好的保温层，故壳体壁温取壳程流体的平均温度：ts200℃。

ts200℃

到此换热器的工艺计算告一段落，其中工艺计算的主要目的是计算出其换热

面积，选出相应的换热器型式，因此，接下来应该是进行换热器的结构设计以及强度计算。

表2-3与表2-4附于下面：

20

表2-3 所选浮头式换热器规格 DN PN 管管换热管计算传规格型号 管程出入壳程出入设备净 充水水 长 程规格 热面积口公称直口公称直重 重 ㎡ 径，㎜ 径，㎜ mm Mpa m 数 ㎏ ㎏ 600 2.5 6 4 25 2.586.9 150 150 4327 1980 BES-2.5-85-6/25-4-

表2-4 工艺计算常用参数 公称直径ＤＮ管程平均通道面积弓形折流板缺口弓高管程Ｎ 中心排管数 换热管数 （mm） （c㎡） （㎜） 600 4 10 188

21

148 150 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GB66《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 时），壳体计算厚度按下式计算为：

2.56006.1mmt212512.52c；

设计厚度dC26.128.1mm；

22

cDi6.1mm

d8.1mm

名义厚度ndC18.1010mm（其中为向上n10mm 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

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

C10;C22mm，则封头计算厚度为：

t

1

C10;C22mm

hcDi20.5ct12.56006.03mm；

212510.52.5

h6.03mm dh8.03mm nh10mm

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

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 0.0353 34.6 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。

23

选用标准椭圆形封头，故1，且同上

C10;C22mm，则计算厚度为：

1

C10;C22mm

h'cDi20.5ct 12.57007.04mm；

212510.52.5h'7.04mm

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 0.05 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 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mm，本开孔外径为159mm，因此需要另行考虑 其补强。

24

Di300mm， d1mm 2

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：

tn860.688mm； 强度削弱系数frtfr0.688mm 125②开孔直径ddi2C150221mm 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：

et6mm

A962.2mm2

Ad2et(1fr)16.126.16(10.688)； 962.2mm23.2.1.3 有效补强范围 ①有效宽度B：

2d21208mmBmax308mm

d2n2nt121028190mm

②有效高度：

（a）外侧有效高度h1为：

dnt1835.1mmh1minh135.1mm 35.1mm；

实际外伸长度200mm

（b）内侧有效高度h2为：

dnt14.535.1mmh20mm h2min0mm；

实际内伸长度0mm

3.2.1.4 有效补强面积

①壳体多余金属面积：

e8mm

壳体有效厚度：enC1028mm; 则多余的金属面积A1为：

B308mm

25

A1(Bd)(e)2et(e)(1fr)(3081)(86.1)26(86.1)(10.688)； 285.5mm②接管多余金属面积： 接管计算厚度：

A1285.5mm

2.5150t2.2mm； t2nc28612.5 接管多余金属面积A2：

cdit2.2mm

A2A2h2h1(ett)fr2h2(etC2)fr235.1(62.2)0.6880178.2mm2③接管区焊缝面积（焊脚取为6mm）：

；

A2178.2mm2

A336mm

1A326636mm；

2④有效补强面积：

AeA1A2A3285.5178.236500mm；

Ae500mm

3.2.1.5 另需补强面积

A4A(A1A2A3)962.2500462.2mm2；

A4462.2mm2

拟采用补强圈补强

根据接管公称直径DN150，参照JB/T4736-2002补强圈标准选取补强圈的外径D2300mm，内径D11mm（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300mm D11mm

'A4462.23.4mm ；

D2D13001'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厚度为6mm，即n6mm。 3.2.2 前端管箱开孔补强计算

'n'6mm

26

3.2.2.1 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mm，本开孔外径为159mm，因此需要另行考虑 其补强。

②开孔直径dhdi2C150221mm

Di300mm， dh1mm 2

frh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。

3.2.2.2 开孔所需补强面积计算：

nf 强度削弱系数rhtt860.688mm； 125 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：

et6mm

Ah951.2mm2

Ahdhh2het(1fr)16.0326.036(10.688)； 951.2mm23.2.2.3 有效补强范围 ①有效宽度：

2dh21208mmBh308mm

Bhmax308mmdh2n2nt121028190mm

②有效高度：

（a）外侧有效高度h1为：

d1835.1mmh1hminhnt35.1mm；

实际外伸长度200mm

h1h35.1mm

（b）内侧有效高度h2为：

dhnt1835.1mm h2hmin0mm；

实际内伸长度0mm

h2h0mm

3.2.2.4 有效补强面积 ①管箱多余金属面积：

27

管箱有效厚度：hehnC1028mm; 则多余的金属面积A1为：

he8mm

Ah1296mm

Ah1(Bhdh)(heh)2et(heh)(1frh)(3081)(86.03)26(86.03)(10.688)； 296mm②接管多余金属面积： 接管计算厚度：

tcdi2nct2.51502.2mm；

28612.5t2.2mm

接管多余金属面积A2：

Ah22h1h(ett)frh2h2h(etC2)frh235.1(62.2)0.6880178.2mm2③接管区焊缝面积（焊脚取为6mm）：

；

Ah2178.2mm2

Ah336mm

1Ah326636mm；

2④有效补强面积：

AheAh1Ah2Ah3285.5178.236510.2mm； 3.2.2.5 另需补强面积

Ah4Ah(Ah1Ah2Ah3)951.2510.2441mm2 拟采用补强圈补强

Ahe510.2mm

Ah4441mm2

根据接管公称直径DN150，参照JB/T4736-2002补强圈标 准选取补强圈的外径D2300mm，内径D11mm（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300mm D11mm

h'Ah44413.24mm；

D2D13001

h'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厚

28

度为6mm，即hn'6mm。 3.2.3 外头盖开孔补强计算

hn'6mm

外头盖上的排污口与排气口接管材料也为20号钢，选用规格为328，主要是通过采用厚壁接管进行补强。 3.2.3.1 开孔所需补强面积

其开孔直径d'hdi2C162220mm； t 强度削弱系数f'nrht861250.688mm； 接管有效厚度'et'ntC826mm；

开孔所需补强面积：

A'''2'''hdhhhet(1frh) 207.0427.046(10.688)；

139mm23.2.3.2有效补强范围 ①有效宽度：

B'max2d'h22040mmd'''56mmh2hn2hnt202102856mm②有效高度：

（a）外侧有效高度h'1为：

h'1mind''hnt20812.6mm70mm12.6mm；

实际外伸长度（b）内侧有效高度h2为：

h'mind''hnt20812.6mm20mm0mm；

实际内伸长度3.2.3.3 有效补强面积 ①外头盖多余金属面积：

外头盖有效厚度：''hehnC826mm;

29

d'h20mm

f'rh0.688mm

'et6mm

A'h139mm2

B'56mm

h'112.6mm

h'20mm

'he6mm;

则多余的金属面积A1为：

A'(B'd')(''''''h1hheh)2et(heh)(1frh)(5620)(87.04)26(87.04)(10.688)； 31mm②接管多余金属面积： 接管计算厚度：

'cdi2.516t2tnc28612.50.235mm；

接管多余金属面积A2：

A''''2h2h1(et't)f'rh2h'2('etC2)frh212.6(60.235)0.6880；

145.3mm2③接管区焊缝面积（焊脚取为4mm）：

A'21h324416mm；

④有效补强面积：

AheA'h1A'h2A'h331145.316176.3mmA 由此可知已经达到了补强的目的。

3.3 水压试验

设试验温度为常温，则有

PT1.25P170t1.252.51254.25Mpa； 则校核水压试验时圆筒的薄膜压力T：

TPT(Die)4.25(6008)2e82

161.50.9s0.91345310.5 30

A'h131mm

't0.235mm

A'2h145.3mm2

A'h316mm

Ahe176.3mm

PT4.25Mpa

T161.50.9s

3.4 换热管

换热管的规格为252.5，材料选为20号钢。 3.4.1 换热管的排列方式

换热管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形错列三种

排列方式。各种排列方式都有其各自的特点：①正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高；②正方形排列：易清洗，但给热效果较差；③正方形错列：可以提高给热系数。

在此，选择正方形排列，主要是考虑这种排列便于进行机械清洗。

查GB151-1999可知，换热管的中心距S=32mm，分程隔板槽两侧相邻管的中心距为44mm；同时，由于换热管管间需要进行机械清洗，故相邻两管间的净空距离（S-d）不宜小于6mm。 3.4.2 布管限定圆DL

布管限定圆DL为管束最外层换热管中心圆直径，其由下式确定：

DLDi(b1b2b)

查GB151-1999可知，b=5，b1=3，bn=12，故b2= bn+1.5=13.5，则

DL600(3513.5)578.5mm。

3.4.3 排管

排管时须注意：拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，在靠近折流板缺边位置处布置拉杆，其间距小于或等于700mm。拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距的（0.5～1.5）3范围内。

多管程换热器其各程管数应尽量相等，其相对误差应控制在10%以内，最大不能超过20%。

31

相对误差计算：NNcpNmin(max)Ncp100%；

其中：Ncp——各程的平均管数；Nmin(max)——各程中最小或最大的管数。 实际排管如下所示：

由上图可知，经过实际排管后发现，每个管程的布管数目分别是38，56，56，38，而各管程的平均管数为47，因此可知各程管数的相对误差是：

NNcpNmin(max)Ncp100%47385247100%100%19%20% 47473.4.4 换热管束的分程

在这里首先要先提到管箱。管箱作用是把从管道输送来的流体均匀地分布到换热管和把管内流体汇集在一起送出换热器，在多管程换热器中管箱还起改变流体流向的作用。

由于所选择的换热器是4管程，故管箱选择为多程隔板的安置形式。而对于换热管束的分程，为了接管方便，采用平行分法较合适，且平行分法亦可使管箱内残液放尽。

3.4.5 换热管与管板的连接

换热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。

强度胀接主要适用于设计压力小≤4.0Mpa；设计温度≤300℃；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。

除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于

32

其它任何场合。

胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。

在此，根据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊。这是因为强度焊加工简单、焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。

3.5 管板设计

管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用。由于流体只具有轻微的腐蚀性，故采用工程上常用的16MnR整体管板。 3.5.1 管板与壳体的连接

由于浮头式换热器要求管束能够方便地从壳体中抽出进行清洗和维修，因而换热器固定端的管板采用可拆式连接方式，即把管板利用垫片夹持在壳体法兰与管箱法兰之间。 3.5.2 管板计算 符号说明：

Ad——在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，mm2，对正方形排列，Adn'S(SnS)；

n'——隔板槽一侧的排管根数；

S——换热管中心距；

Sn——隔板槽两侧邻管的中心距；

At——管板布管区面积，mm2；对多管程正方形排列换热器，AtnS2Ad； Al——管板布管区内开孔后的面积，mm；AlAtna——一根换热管管壁金属的横截面积，mm2；

2d24；

mm；DG——固定端管板垫片压紧力作用中心圆直径，根据所选的垫片的尺寸，

33

且选择其压紧面型式为GB150表9-1的1a，可知密封面宽度

b0N66562510mm6.4mm；则b2.53b02.5322，10mm86.4mm故DG665289mm；

Dt——管板布管区当量直径，mm，Dt4At；

d——换热管外径，mm；

Ep——设计温度时，管板材料的弹性模量，Mpa； Ef——设计温度时，换热管材料的弹性模量，Mpa；

Gwe——系数，按K113Pa和1t查GB151图24；

Etna； LDtKt； Ep2Kt——管束模数，Mpa；KtKt——管束无量纲刚度，Mpa；Kt，mm； L——换热管有效长度（两管板内侧间距）

l——换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm；

n——换热管根数；

Pa——无量纲压力，PaPd1.5rt；

Pc——当量压力组合；Mpa； pd——管板设计压力，Mpa； ps——壳程设计压力，Mpa； pt——管程设计压力，Mpa；

q——换热管与管板连接拉脱力，Mpa；

q——许用拉脱力，查GB151，Mpa；

——系数，na； A134

——管板计算厚度，mm；

t——换热管管壁厚度，mm；

——管板刚度削弱系数，一般可取值； ——管板强度削弱系数，一般取0.4；

t——系数，tDt； DGt——换热管轴向应力，Mpa；

cr——换热管稳定许用压应力，Mpa；

； r——设计温度时，管板材料的许用应力，Mpa；

tt——设计温度时，换热管材料的许用应力，Mpa；

管板厚度计算过程如下： 3.5.2.1管板名义厚度计算：

'''Ad2AdAdt

Ad13824mm2

21332(4432)101332(4432)； 13824mm2 At1883213824206336；

3.14252114098.5； Al20633618842

At206336 Al114098.5

a42(dodi2)3.14(252202)176.625mm2； 4a176.625mm2

na188176.62533205.5； na33205.5

33205.50.291；

114098.206336512.7mm；

3.140.291

Dt512.7mm

Dt tt0.7911.26

1512.70.79；1.26；

t9 查GB150可知Et1.62105Mpa， Ep1.58105Mpa；

35

t1.6210533205.51778.3Mpa； 则 Kt(6000502)512.7Kt1778.3Mpa

Kt0.0281 Kt130.03

式中L应为换热管的有效长度，但由于管板厚度尚未计算出，暂估算管板厚度为50mm进行试算，待管板厚度算出再用有效长度核算，LL02n2(管端伸出长度)。

Kt1778.313K0.03 ；0.0281t50.41.5810当中的cr的计算如下： Cr2Et21.621053.14114.2；

245

Cr114.2

sti8.0

lcr600 lcri75

i0.25d2(d2t)20.25252(2522.5)28.0； 查GB151-1999可知lcr2lb600，则lcri600875Cr，t同时由于前面换热管的材料选为20号钢，故t86Mpa，

crst2(1lcri24575)(1)2Cr22114.2；

cr82.2Mpa

Pa0.048

82.2Mpat86Mpa由于此时不能保证ps与pt在任何时候都同时作用，则取

Pa120.22 2.512pd2.5Mpa；故Pa0.048，故Pa0.22；

1.50.486112131KP2a=1.36 根据K3Pa=1.36和1t1.26查GB151图可知

61.8mm

C0.55,Gwe1.9，则管板计算厚度为：

CDtPa0.55512.70.04861.8mm； 管板的名义厚度应不小于下列三部分之和，即

n68mm

nMAX(,min)MAX(Cs,h1)MAX(Ct,h2)圆整MAX(61.8,25)MAX(2,0)MAX(2,4)圆整=61.8+2+4圆整=68mm式中Cs和Ct分别是指壳程、管程的腐蚀裕量；而h1是指壳程侧管板结构槽深，为0；h2是指管程隔板槽深，为4mm。 36

此时应根据得到的管板名义厚度，重复以上步骤，使得管 子有效长度对应于管板厚度。

LL02n2(管端伸出长度)600026821.55861mmL5861mm

Kt1790.2Mpa Kt0.0283

1.6210533205.5Kt1790.2Mpa；

5861512.71790.2Kt0.0283； 50.41.5810故K113K113Pa=1.39

2Pa=1.39，查图可知C0.，Gwe1.92，则

2

60.8mm

n68mm

CDtPa0.512.70.04860.8mm，

n60.824圆整68mm；

3.5.2.2 换热管的轴向应力

换热管的轴向应力在一般情况下，应按下列三种工况分 别计算：

①壳程设计压力ps2.5Mpa，管程设计压力pt0： pcpspt(1)ps2.5Mpa；

A1tpc(pspt)tGweAl1206336(2.52.51.9)； 0.291114098.521.1Mpa

pc2.5Mpa

t21.1Mpa

明显地，tcr；

②管程设计压力pt2.5Mpa，壳程设计压力ps0： pcpspt(1)02.5(10.291)3.23Mpa；

tcr

pc3.23Mpa

tAt1p(pp)GcstweAl1206336(3.232.51.9)； 0.291114098.518.4Mpat18.4Mpa

tt86Mpa

t 37

明显地，tt86Mpa；

③壳程设计压力ps与管程设计压力pt同时作用：

pcpspt(1)2.52.5(10.291)0.73Mpa；

t

pc0.73Mpa

tAt1p(pp)GcstweAl1(0.73)； 0.2912.5Mpat2.5Mpa

tcr

明显地，tcr。

由以上三种情况可知，换热管的轴向应力符合要求。 3.5.2.3 换热管与管板连接拉脱力

qta21176.62513.5Mpa； dl3.14253.5q13.5Mpa

式中，ll1l31.523.5mm

l3.5mm

其中：l1——换热管最小伸出长度，查GB151-1999可 知 l11.5mm；

l3——最小坡口深度，l32mm； 许用拉脱力q0.5t0.58643Mpa；

明显地，qq。

3.5.3 管板重量计算

管板有固定管板以及活动管板，两者的重量计算分别如下所示： 3.5.3.1 固定管板重量计算

tl11.5mm l32mm

q43Mpa

qq

38

Q162532665683278501043.142.981077850109

4183kg229

Q1183kg

3.5.3.2 活动管板重量计算：

368

3

Q2

Q2147kg

43.142.3810778501094147kg229560325946832785010

3.6 折流板

设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使管程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结构，而且在卧式换热器中还起支撑管束的作用。常见的折流板形式为弓形和圆盘—圆环形两种，其中弓形折流板有单弓形，双弓形和三弓形三种，但是工程上使用较多的是单弓形折流板。

在浮头式换热器中，其浮头端宜设置加厚环板的支持板。 3.6.1 折流板的型式和尺寸

此时选用两端选用环形折流板，中间选用单弓形折流板，上下方向排列，这样可造成液体的剧烈扰动，增大传热膜系数。

为方便选材，可选折流板的材料选为16MnR，由前可知，弓形缺口高度为150mm，折流板间距为300mm，数量为19块，查GB151-1999可知折流板的最小厚度为5mm，故此时可选其厚度为6mm。同时查GB151-1999可知折流板名义外直径为

DN4.56004.5595.5mm。

39

3.6.2 折流板排列

该台换热器折流板排列示意图如下所示：

3.6.3 折流板的布置

一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进、出口管， 其余折流板按等距离布置。靠近管板的折流板与管板间的距离 l应按下式计算： l(L1

B215928 l290.5mm )(b4)(283)(684)290.5mm；

22

其中：L1——壳程接管位置的最小尺寸，mm；

b——管板的名义厚度，mm；

B2——为防冲板长度，若无防冲板时，B2应为接管的内径，mm；

3.6.4 折流板重量计算 符号说明如下：

Q——折流板质量，kg； Da——折流板外圆直径，；

2Af——折流板切去部分的弓形面积，AfDaC，mm2，

B2143mm

C——系数，由ha/Da查表求取；

ha——折流板切去部分的弓形高度，mm； d1——管孔直径，mm； d2——拉杆孔直径，mm； n1——管孔数量；

40

n2——拉杆孔数量；

——折流板厚度，mm。

计算过程如下：

ha/Da150595.50.252，查得C0.15528；

ha/Da0.252

2AfDaC595.520.1552855065.4mm2 C0.15528

22Q(DaAf)(d12n1d2n2)444

3.143.143.14(595.5255065.4)(2521881624)

444Q6.14kg

678506.14kgAf55065.4mm2

3.7 拉杆与定距管

3.7.1 拉杆的结构形式

常用拉杆的形式有两种： （1）

拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束，

l2La（La按GB151-1999表45规定）；

（2） 拉杆与折流板点焊结构，适用于换热管外径小于或等于14mm的管束，l1d；

（3） 当管板比较薄时，也可采用其他的连接结构。

由于此时换热管的外径为25mm，因此选用拉杆定距管结构。 3.7.2 拉杆的直径、数量及布置 其具体尺寸如下所示：

41

表3-3 拉杆的参数

拉杆的直径d 拉杆螺纹公称直径dn Ｌa 16 16 20 Ｌb ≥60 b 拉杆的数量 2 4 其中拉杆的长度L按需要确定。

拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。若对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。 对于本台换热器拉杆的布置可参照零件图。 3.7.4 定距管

定距管的规格同换热管，其长度同实际需要确定。本台换热器定距管的布置可以参照部件图。

3.8 防冲板

由于壳程流体的v29180.178229.1kg/(ms2)740kg/(ms2)，管程换热管流体的流速3m/s，因此在本台换热器的壳程与管程都不需要设置防冲板。

3.9 保温层

根据设计温度选保温层材料为脲甲醛泡沫塑料，其物性参数如下：

表3-4 保温层物性参数

导热系数 密度 （kcal／（kg／m3） mh℃） 0.0119～13～20 0.026 吸水率 12% 抗压强度 （kg／m３） 0.25～0.5 适用温度 （℃） -190～+500 3.10法兰与垫片

换热器中的法兰包括管箱法兰、壳体法兰、外头盖法兰、外头盖侧法兰、浮头盖法兰以及接管法兰，另浮头盖法兰将在下节进行计算，在此不作讨论。 垫片则包括了管箱垫片和外头盖垫片。 3.10.1固定端的壳体法兰、管箱法兰与管箱垫片

42

（1） 查JB4700-2000压力容器法兰可选固定端的壳体法兰和管箱法兰为长颈对焊法兰，凹凸密封面，材料为锻件20MnMoⅡ，其具体尺寸如下：（单位为mm）

表3-5 DN600长颈对焊法兰尺寸

法兰 DN 螺柱 对接筒体 d 规格 数量 最小 h a a1 1  D D1 D2 D3 D4  H 2 R 厚度 600 760 715 676 666 663 42 110 35 21 18 16 26 12 27 M24 24

43

10 （2）此时查JB4700-2000压力容器法兰，根据设计温度可选择垫片型式为金属包垫片，材料为0Cr18Ni9，其尺寸为：

表3-6 管箱垫片尺寸

PN(Mpa) DN(mm) 外径D(mm) 内径d(mm) 垫片厚度 反包厚度Ｌ 2.5 600 665 625 3 4 3.10.2外头盖侧法兰、外头盖法兰与外头盖垫片、浮头垫片

（1）外头盖法兰的型式与尺寸、材料均同上壳体法兰，凹密封面，查JB4700-2000压力容器法兰可知其具体尺寸如下所示：（单位为mm）。

表3-7 外头盖法兰尺寸

法兰 DN 螺柱 对接筒体 d 规格 数量 最小 h a a1 1  D D1 D2 D3 D4  H 2 R 厚度 700 860 815 776 766 763 50 120 35 21 18 16 26 12 27 M24 28 10 （2）外头盖侧法兰选用凸密封面，材料为锻件20MnMoⅡ，查JB/4721-92可知其具体尺寸如下表：

δ

44

1δ

表3-8 外头盖侧法兰尺寸

法兰 螺柱 对接DN 筒体D D1 D2 D3 D4  H h a1 1  2 R d 规格 数量 最小厚度 600 860 815 776 766 763 48 150 72 18 16 40 12 27 M24 28 10 （3）查JB/T4718-92选外头盖垫片的型式为金属包垫片，其外径D为765mm，内径d为725mm且查JB/T4718-92也选浮头垫片的型式为金属包垫片，则其外径D为592mm，内径d为568mm，两者材料均为0Cr18Ni9。 3.10.3 接管法兰型式与尺寸

根据接管的公称直径，公称压力可查HG20592～20635－97钢制管法兰、垫片、紧固件，选择带颈对焊钢制管法兰，选用凹凸密封面，其具体尺寸如下表所示： （单位为㎜）

45

表3-9 带颈对焊钢制管法兰

连接尺寸 螺钢管外径栓螺螺（法兰焊法孔栓栓端外径）A1 兰中孔孔外心直数径圆径量D A B 直Ｌ n 径K 33.7 32 115 85 14 4 168.3 159 300 250 26 8 法兰颈 法兰螺厚纹 度Th C 法Ｎ 法兰理兰Ｈ论重量高Ｓ １Ｒ （㎏） 度 ≈ H Ａ Ｂ 公称 通径 DN 25 150 M12 16 46 46 3.2 6 4 40 1.26 M24 28 190 190 6.3 12 8 75 12.7 3.11 钩圈式浮头

本台浮头式换热器浮头端采用B型钩圈式浮头，其详细结构如下图所示，而浮头盖采用了球冠形封头。

3.11.1 浮头盖的设计计算

46

球冠形封头、浮头法兰应分别按管程压力pt作用下和壳程压力ps作用下进行内压和外压的设计计算，取其大者为计算厚度。 符号说明如下：

Di——换热器圆筒内直径，mm；

Dfi——浮头法兰与钩圈的内直径，DfiDi2(b1bn)6002(312)570，mm；

Dfo——浮头法兰与钩圈的外直径，mm ，DfoDi80680mm；

D——外头盖内直径，mm， DDi100600100700mm；

Do——浮头管板外直径，mm， DoDi2b160023594mm； Db——螺栓中心圆直径，mm ，DbDoDfo2594680637mm； 2DG——垫片压紧力作用中心圆直径，mm；

FD——作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的轴向分力，N；FD0.785D2fip； Fr——作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的径向分力，N；FrFDtan1； pc——计算压力，Mpa；分别取管程压力pt（内压）和壳程压力ps（外压）；

Ri——封头球面内半径，mm；按GB151表46选取Ri500mm； LD——螺栓中心至法兰环内侧的径向距离，mm； Lr——Fr对法兰环截面形心的力臂，mm；

1——封头边缘处球壳中面切线与法兰环的夹角，（°）；1arcsin0.5DfiRi0.5；

——球冠形封头的计算厚度，mm；

n——球冠形封头的名义厚度，mm；

——封头材料在设计温度下的许用应力，Mpa；

——焊接接头系数。

t

3.11.1.1管程压力pt作用下（内压）浮头盖的计算：

47

（1）球冠形封头计算厚度按下式计算： 5ptRi6t；

t

为方便选材，故可将浮头盖的材料选择为16MnR，故=125Mpa，选择为双面焊对接接头，100%无损探伤，故1，则（2）浮头法兰计算厚度计算：

首先根据所选的浮头垫片可先确定DG：DG52.55008.3mm。

61251592568580mm； 2根据经验值选定螺栓数目为16，则可通过计算螺栓的根径，从而知道螺栓的规格：do4Am4465119.2mm，故将其圆整为规格为M24的螺柱，其根n3.1416径为20.752mm。

关于浮头法兰厚度的计算按GB151-1999的格式制作成一张表格，这样比较清晰明了，具体如下表所示：

表3-10 浮头法兰厚度计算表

设计条件 pc=2.5Mpa 垫 温度t=400℃ 垫片及螺栓计算 材料：0Cr18Ni9 N=12 mm y=62.1 Mpa m=3.75 片 外径×内径×厚度：592×b=6mm 568×3 材料：锻件JB/T4726 20MnMo 螺栓直径dB24mm 螺栓数量n=16 法 许 用 应 力 兰 ft177Mpa Fp6.28DGbmpc6.280.580.0063.752.51062.0510N5 2pc0.7850.5822.51066.6105N f163Mpa F0.785DGWa3.14DGyb3.140.5862.11060.006 6.79105NFFp8.65105 设f40,l6mm 48

螺 Am1(FFp)b52t Am2Wab6.791052771.4mm2245 材料：25Cr2MoVA 8.65101864651mm许245Mpa AA或A（取两者中较大值）=4651mm2 mm1m2 b用1t栓 A3.1420.75221609mm2 186Mpabb4应力 1arcsin0.5DfiRi0.5W0.5(AmAb)b0.59465169)245 12.3105N0.5570 arcsin5000.58.338.2o操作情况下法兰的受力 FD0.785D2fip0.7850.5722.51066.38105NLD力 臂 力 矩 (DbDfi)MDFDLD6.3810533.5 2.14107Nmm 2 63757033.5mm2DDGLGb2 63758028.5mm2LLGLTD2 33.528.531mm2FGFp2.05105N MGFGLG2.0510528.5 0.584107NmmFTFFD6.61056.38105 0.22105NFrFDtan16.38105ctg38.2o 9.32105NMTFTLT0.22105310.068107NmmMrFrLr9.321058.97 0.84107Nmm Lrf22cos1l408.36 22cos38.2o8.97mm 49

MpMDMGMTMr操作情况下法兰总力矩：(2.140.5840.0680.84)107 1.952107Nmm预紧螺栓时法兰的受力 FGW12.3105N 力 臂 力 矩 DbDG637580 2228.5mmLGMaFGLG12.310528.5 3.51107NmmLpcDfi4Ri2D2fi8ft2.55704500257028.2mm 8163(680570)(DfoDfi) JpMp操作状态：ftDfoDfiDDDfififo1.952107680570 1635706805702387.4mm2预紧状态：JaMafDfiDfoDfiDDfifo 法兰厚3.51107680570 1775706805703953.5mm2操作状态：fpLJpL28.22387.48.2257.7mm； 预紧状态：faJa3953.562.9mm； 且不小于球冠形封头名义厚度n的两倍，度 法兰厚度f取fp与fa之大者，故f62.9mm，则fn66mm。 3.11.1.2 壳程压力ps作用下（外压）浮头盖的计算

（1）球冠形封头GB150-1998第6章“外压圆筒和外压球壳”进行外压计算，即将球冠形封头当作球壳进行计算，具体过程如下：

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假设n16mm，腐蚀裕量Cs2mm，则enCs16214mm； RoRin50016516mm，故Roe5161437； 所以A力p为： pBRoe932.51Mpapc2.5Mpa，故n16mm合适。 370.1250.1250.0034；查GB150可知B93Mpa，此时许用外压

(Roe)516（2）浮头法兰厚度的计算可按上表进行，由于管程与壳程的设计压力相等，所以大部分的数据都与内压情况下相同，只是此时，表中的Mp应改为：

MpFD(LDLG)FT(LTLG)FrLr6.38105(33.528.5)0.22105(3128.5)9.321058.97 31.91050.5510583.610551.2105Nmm则此时操作状态下：

JpMpftDfoDfi51.21056805702； 626.2mmDD163570680570Dfififo所以此时fpLJpL28.22626.28.2234.5mm；

根据上述内压与外压的计算可知浮头法兰的计算厚度应为f62.9mm，则圆整后其名义厚度为fn66mm。 3.11.2 钩圈

钩圈的型式查GB151可知选为B型钩圈，其图示如下：

而其设计厚度可按下式计算：

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116

其中：——钩圈设计厚度，mm； 1——浮动管板厚度，mm；

则681684mm。

3.12 分程隔板

由于是多管程换热器，故此处需要用到分程隔板。

查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深4mm，槽宽为12mm，且分程隔板的最小厚度为8mm。

3.13 鞍座

选择鞍座应首先计算支座反力，再根据支反力选择合适的鞍座。 3.13.1 支反力计算如下：

管板的质量：m1183147330kg； 圆筒的质量：

m2

m1330kg

m2969kg

22'(D2)DLini43.14226 (60020)600106.4457850； 4969kg

式中：L'——是指换热器中相当于圆筒的部分的总长度，包 括了壳体的有效长度与前后端管箱的短节部分；

——是指材料的密度，由于壳体与管箱的材料均选 用16MnR，故7850kg/m。 封头的质量：m334.641.375.9kg； 保温层的质量：

3

m375.9kg

52

3.14226m4(60020200)(60020)106.44520 4m432.2kg

32.2kg附件（如接管、法兰、浮头盖等）质量取为全部质量的20%：

m5280.5kg

m520%(m1m2m3m4)20%(33096975.927.5)280.5kg圆筒的体积：V1

4Di2L'3.14 V11.82m3 6002451091.82m3；4V20.0706m3

封头的体积：V220.03530.0706m3； 故总体积为：VV1V21.820.07061.m3；

V1.m3

由于水的密度比油品与原油的密度均大，故鞍座应在水压试 验时所受支反力较大，即如下：

水压试验时充液重量：m6VH2o1.100010kg； 水压试验时总质量：

m96974.627.5280.5103241.6kg；

m3241.6kg

水压试验时单位长度载荷：

q4.75Nmm mg3241.69.84.75Nmm； 44L'hi45185 3311水压试验时支座反力：Fmg3241.69.815884N； F15884N

22q3.13.2 鞍座的型号及尺寸

根据支反力查JB/T4712-92选择鞍座的型号为：DN600、120°包角重型带垫板鞍式支座。

表3-11 鞍座尺寸

允许载荷Ｑ（ＫＮ） 底板 腹板 筋板 垫板 螺栓间距鞍座质增加１００mm公称直径鞍座高度ＤＮ 高度增l2 量（kg） b4 4 e h l1 b1 1  加的质弧长3 b3 3 2 l 量（kg） 5 600 165 200 550 150 10 8 300 120 8 710 200 6 36 400 24

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3.14 接管的最小位置

在换热器设计中，为了使传热面积得以充分利用，壳程流体进、出口接管应尽量接近两端管板，而管箱进、出口接管尽量靠近管箱法兰，可缩短管箱、壳体长度，减轻设备重量。然而，为了保证设备的制造安装，管口距地的距离也不能靠得太近，它受到最小位置的。 3.14.1壳程接管位置的最小尺寸

接管带补强圈，故应按下式计算：

L1DH(b4)C 2

式中：L1——壳程接管位置最小尺寸，mm；

C——补强圈外边缘至管板与壳体连接焊缝之间的距离，计算中，取C4S（S为壳体厚度，mm），且30mm； DH——补强圈外圆直径，mm； b——管板厚度，mm。

1 L1300(684)402mm；

2C40mm

DH300mm

b68mm

L12mm L1340mm

经过实际画图后，L1340mm，满足最小位置的要求。 3.14.2 管箱接管位置的最小尺寸 带补强圈的接管，应按下式计算：

L2DHhfC 2

hf75mm

式中：hf——法兰高度，为75mm

1则L23007540265mm

2

L2265mm L2283mm

经过实际画图后，L2283mm，满足最小位置的要求。

到此，换热器结构设计及强度计算已经基本结束。可以说，换热器的主要设计计算已经完成，其计算结果将通过装配图、部件图以及零件图表现出来。其中该台浮头式换热器的基本结构如下图所示：

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第四章 换热器的腐蚀、制造与检验

4.1 换热器的腐蚀

换热器腐蚀的主要部位是换热管、管子与管板连接处、管子与折流板交界处、壳体等。腐蚀原因如下所述。 4.1.1 换热管腐蚀

由于介质中污垢、水垢以及入口介质的涡流磨损，易使管子产生腐蚀，特别是在管子入口端的40～50mm处的管端腐蚀，这主要是由于流体在死角处产生涡流扰动有关。

4.1.2 管子与管板、折流板连接处的腐蚀

换热管与管板连接部位及管子与折流板交界处都有应力集中，容易在张胀管部位出现裂纹，当管子与管板存在间隙十，易产生Cl+的聚积及氧的浓差，从而容易在换热管表面形成点坑或间隙腐蚀。管子与折流板交界处的破裂，往往是由于管子长，折流板多，管子稍有弯曲，容易造成管壁与折流板处产生局部应力集中，加之间隙的存在，故其交界处成为应力腐蚀的薄弱环节。 4.1.3 壳体腐蚀

由于壳体及附件的焊缝质量不好也易发生腐蚀，当壳体介质为电解质，壳体材料为碳钢，管束用折流板为铜合金时，易产生电化学腐蚀，把壳体腐蚀穿孔。

4.2 换热器的制造与检验

4.2.1 总造工艺

制造工艺：选取换热设备的制造材料及牌号，进行材料的化学成分检验，机械性能合格后，对钢板进行矫形，方法包括手工矫形、机械矫形及火焰矫形。

具体过程为：备料——划线——切割——边缘加工（探伤）——成型——组对——焊接——焊接质量检验——组装焊接——压力试验 4.2.2 换热器质量检验

化工设备不仅在制造之前对原材料进行检验，而且在制造过程中也要随时进行检查，即质量检验。

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设备制造过程中的检验，包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验，具体内容如下：

1.原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验；

2.原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织试验，总称为破坏试验；

3.原材料和焊缝内部缺陷的检验，其检验方法是无损检测，它包括：射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等；

4.设备试压，包括：水压试验、介质试验、气密性试验等。 4.2.3 管箱、壳体、头盖的制造与检验

1.壳体在下料和辊压过程中必须小心谨慎，因为筒体的椭圆度要求较高，这主要是为了保证壳体与折流板之间有合适的间隙；

2.管箱内的分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝； 3.用板材卷制圆筒时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外圆周允许上偏差为10mm，下偏差为零；

4.圆筒同一断面上，最大直径与最小直径之差为e≤0.5%DN，且由于DN≤1200mm，则其值≤5mm；

5.圆筒直线度允许偏差为L/1000（L为圆筒总长），且由于此时L=6000mm，则其值≤4.5mm；

6.壳体内壁凡有碍管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至与母材表面齐平； 7.在壳体上设置接管或其他附件而导致壳体变形较大，影响管束顺利安装时，应采取防止变形措施；

8.由于焊接后残余应力较大，因此管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力热处理，最后再进行机械加工。 4.2.4 换热管的制造与检验

1. 加工步骤：下料——校直——除锈（清除氧化皮、铁锈及污垢等杂质）； 2. 换热管为直管，因此应采用整根管子而不允许有接缝。

3.由于换热管的材料选为20号钢，则其管端外表面也应除锈，而且因为采用焊接方法，则管端清理长度应不小于管外径，且不小于25mm。 4.2.5 管板与折流板的制造与检验

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1.管板在拼接后应进行消除应力热处理，且管板拼接焊缝须经100%射线或超声波探伤检查；

2.由于换热管与管板是采用焊接连接，则管孔表面粗糙度Ra值不大于25m； 3.管板管孔加工步骤：下料——校平——车削平面外圆及压紧面——划线——定位孔加工——钻孔——倒角；

4.管板钻孔后应抽查不小于60°管板中心角区域内的管孔，在这一区域内允许有4%的管孔上偏差比+0.20大0.15m；

5.折流板管孔加工步骤：下料——去毛刺——校平——重叠、压紧——沿周边点焊——钻孔（必须使折流板的管孔与管板的管孔中心在同一直线上）——划线——钻拉杆——加工外圆；

6.折流板外圆表面粗糙度Ra值不大于25m。，外圆面两侧的尖角应倒钝； 7.应去除管板与折流板上任何的毛刺。 4.2.6 换热管与管板的连接

1.连接部位的换热管和管板孔表面应清理干净，不应留有影响胀接或焊接连接质量的毛刺、铁屑、锈斑、油污等；

2.焊接连接时，焊渣及凸出于换热管内壁的焊瘤均应清除。焊缝缺陷的返修，应清除缺陷后焊补。 4.2.7 管束的组装 4.2.7.1 组装过程：

将活动管板、固定管板和折流板用拉杆和定距管组合。调整衬垫使管板面与组装平台垂直，并使固定管板、活动管板与折流板的中心线一致，然后一根一根地插入传热管。

4.2.7.2 组装时应注意：

1.两管板相互平行，允许误差不得大于1mm；两管板之间长度误差为±2mm；管子与管板之间应垂直；

2.拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管；

3.穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤；

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4.除换热管与管板间以焊接连接外，其他任何零件均不准与换热管相焊。 4.2.8 管箱、浮头盖的热处理

碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖以及管箱的侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱，在施焊后作消除应力的热处理，设备法兰密封面应在热处理后加工。

4.2.9 换热器水压试验

水压试验的目的是为了检验换热器管束单管有否破损，胀口有否松动，所有法兰接口是否严密，而不同管壳式换热器的水压试验的顺序不一样，因此在此特别说明一下浮头式换热器的水压试验顺序：

1.用试验压环和浮头专用试压工具进行管头试压：管束装入壳体后，在浮头侧装入试压环，在管箱侧装试压法兰或将管箱平盖卸下用管箱代替也可以，然后对壳程试压，检查胀口是否泄漏，如果从管板的某个管口滴水，则该管已经破损，由现场技术人员决定更换新管或堵死；

2.管程试压：将浮头侧试压环卸掉，清理净浮头封面，将浮头上好，管箱侧将管箱或平盖清理换垫安装，然后对管程加压，检查浮头钩圈密封及管箱法兰结合处有无泄漏；

3.壳程试压：安装壳体封头，对壳体加压，检查封头接口有无泄漏。

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第五章 焊接工艺评定

本章主要叙述各主要部件的焊接工艺以及当中应注意的问题。

5.1 壳体焊接工艺

5.1.1 壳体焊接顺序

焊接壳体时，应先焊筒节纵缝，焊好后校圆，再组装焊接环缝。要注意的是必须先焊纵缝后焊环缝，因为若先将环缝焊好再焊纵缝时筒体的膨胀和收缩都要受到环缝的，其结果会引起过大的应力，甚至产生裂纹。

每条焊缝的焊接次序是先焊筒体里面，焊完后从外面用碳弧气刨清理焊根，将容易产生裂纹和气孔的第一层焊缝基本刨掉，经磁粉或着色探伤确信没有缺陷存在后再焊外侧。 5.1.2 壳体的纵环焊缝

壳体的材料为16MnR，其可焊性较好。焊前不需要进行预热，采用埋弧自动焊，开V型坡口，采用H08Mn2焊丝和HJ431焊剂，焊完后需将其加热到600～650℃，要进行焊后热处理，以消除残余应力，而且也可软化淬硬部位，提高韧性。

5.2 换热管与管板的焊接

5.2.1 焊接工艺

换热管与管板的焊接一般采用手工电弧焊，也广泛采用惰性气体保护焊，在此选择其焊接方式为手工电弧焊。管子的材料为20号钢，而管板的材料为锻件16MnⅡ，两者的焊接性能都较好，由于管板厚度较大，此时应进行焊前预热，预热温度为100～200℃，选用焊条J506，焊后热处理温度为600～650℃，以消除残余应力。 5.2.2 焊接缺陷

管子与管板焊接最主要的问题是焊接缺陷，缺陷一般为气孔或裂纹。它们直接关系到工程的质量。产生气孔的主要是附在管子和管板孔上的油脂、铁锈、空气和堆焊管板时复层中夹有的焊渣在受热时分解而造成。因此在焊接前，要特别

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注意焊接部位的脱脂和除锈。另一个可能产生的缺陷是裂纹，如果接头的化学成分控制不当，热影响区过度硬化，结点处有油污及管子与管板孔配合间隙过大等，都易在焊缝处引起裂纹。

5.3 法兰与筒体的焊接

法兰与筒体的焊接属于C类接头。法兰的材料为锻件20MnMoⅡ，筒体的材料为16MnR，两者都具有良好的综合机械性能和焊接性能，此时可以采用埋弧自动焊，焊丝为H10MnSiA，焊剂为HJ250，焊后需要进行消除应力热处理，需要将热处理温度控制在550～650℃。

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第六章 换热器的安装、试车与维护

6.1 安装

6.1.1 场地和基础

1.应根据换热器的结构型式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要；

2.活动制作的基础面撒谎能够应预埋滑板。 6.1.2 安装前的准备

1.可抽管束换热器安装前应抽芯检查、清扫。抽管束时，应注意保护密封面和折流板。移动和起吊管束时，应将管束放置在专用的支承结构上，以避免损伤换热管；

2.安装前一般应进行压力试验。当图样有要求时，应进行气密性实验。 6.1.3 地脚螺栓和垫铁

1.活动支座的地脚螺栓应装有两个锁紧的螺母，螺母与底板间应留有1～3㎜ 的间隙。

2.地脚螺栓两侧均应有垫铁。设备找平后，斜垫铁可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死； 3.垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。 6.1.4 其他要求

1.应在不受力的状态下连接管线，避免强力装配；

2.拧紧换热器螺栓时，一般应按GB151-1999图63表示的顺序进行，并应涂 抹适当的螺纹润滑剂。

6.2 试车

1.试车前应查阅图纸有无特殊要求和说明，铭牌有无特殊标志，如管板是否按压差设计，对试压、试车程序有无特殊要求等； 2.试车前应清洗整个系统，并在入口接管处设置过滤网； 3.系统中如无旁路，试车前应增设临时旁路；

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4.开启放气口，使流体充满设备；

5.当介质为蒸汽时，开车前应排空残液，以免形成水击；有腐蚀性的介质，停车后应将残存介质排净；

6.开车或停车过程中，应缓慢升温和降温，避免造成压差过大和热冲击。

6.3 维护

1.换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行；

2.应经常对管、壳程介质的温度及压降进行监督，分析换热器的泄漏和结垢情况；在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，应根据介质和换热器的结构，选择有效的方法进行清洗； 3.应经常监视管束的振动情况。

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总结

时间如流水，转眼之间我们的毕业设计即将结束。本次设计是大学四年来任务最重，耗时最多，最为重要，然而这次毕业设计让我受益匪浅。在毕业设计即将结束之际，我对这次设计进行了总结。

首先，这次毕业设计对培养我的实际工程能力具有重要意义。通过毕业设计，我把先修课程中所获得的理论知识在实际的设计工作中综合地加以动用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产实践密切地结合起来。这次设计，初步培养了我对压力容器设计的工作能力；树立正确的设计的思想；掌握一些容器设计有基本方法和步骤，为以后进行设计工作打下了良好的基础。另外还使我能训练地应用有关参考资料、计算图表、手册；熟悉有关的国家标准，为成为一个工程技术人员在培养基本技能。

其次，我从这次设计中得到了以下经验： 一、设计前应做好计划 1. 学习计划

在设计前进行相关知识的系统学习，包括过程设备的结构特点以及AUTOCAD软件的熟悉；设计时对此设计内容进行学习。 2. 布图计划

①设置图层（便于整体修改）；②颜色不宜多；③细节使用应注意。 二、设计中应做到以下几点： 1.学习相关基础知识。

2.借鉴以前的实例，对别人的设计多问几个为什么。 3.向指导老师以及工厂的工程师咨询，与同学讨论。 三、关于计算

首先，计算公式必须符合规范的要求，在多种公式中选择更安全、更合理的公式；其次，计算的步骤可以参照以往的计算书或者其它资料，计算的每一步结果都要确保正确；最后，要认真地对计算书进行检查校正。

四、关于制图

首先，图框应按标准纸张画；其次，标注必须充分并且剖面的位置要正确。

总之，要尽量避免错误。

最后，我想说：通过这次设计，使我的各方面的能力得到提高和增强，不仅在英语和计算机能力得到提高，还有增强了我的思考和创新能力。但是由于水平的有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处，恳请各位老师和同学批评指正。

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致谢

本设计是在刘丽芳老师的帮助和指导下完成的，在设计的选题以及设计的方法上，刘老师给了我们莫大的帮助与关怀。刘老师在毕业设计期间，对我们严格要求，要求我们能够完成设计图纸的任务，培养我们解决问题的能力，还从自己的宝贵时间中抽时间为我们审阅图，并提出修改意见和建议。刘老师渊博的理论知识、丰富的实践经验、严谨的治学作风、乐观的生活态度及热情待人的品格都深深地影响和教育了我们，我们从她身上学到了很多做人的道理。同时在生活上也很关心我们，经常问我们的设计情况，鼓励我们学习。在这里，谨向刘老师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意

在此还要感谢我的其他老师。在过去的大学四年里，老师循循善诱的教导我们，为我们的付出了无数的汗水，还要感谢机械工程学院的各位领导和老师四年来对我们的辛勤培育与教导。

时间过得很快，大学本科的生活快要结束了。在这最后的时间里，我得到了同学的很多帮助。我们在一起设计，互相讨论，互相请教问题，大家共享资料。在我碰到困难的时候，他们帮我渡过了难关。这般友谊，弥足珍贵，我不会忘记。 谢谢你们！

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参考文献

1. 国家标准与行业标准： ⑴.GB150-1999钢制压力容器； ⑵.GB151-1999管壳式换热器；

⑶.压力容器安全技术监察规程，1999年； ⑷.JB／T4700～4707-2000，压力容器法兰；

⑸.JB／T4714－92，浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数； ⑹.JB／T4718－92，管壳式换热器用金属包垫片； ⑺.JB／T4721－92，外头盖侧法兰； ⑻.JB／T4712－92，鞍式支座；

⑼.HG20592～20635－97，钢制管法兰、垫片、紧固件； ⑽.JB／T4736－2002，补强圈；

⑾.JB／T4746－2002，钢制压力容器用封头；

⑿.HG20580－～HG20581-1998，钢制化工容器设计基础规定等； ⒀.CD130A20－86，化工设备设计文件编制规定； ⒁.TCED41002－2000，化工设备图样技术要求； ⒂.JB4726－94，压力容器用碳素钢和低合金钢锻件。 2. 其它参考书：

⑴.钱颂文主编，换热器设计手册，化学工业出版社，2002；

⑵.石油化学工业部石油化工规划设计院组织编写，冷换设备工艺计算，石油工 业出版社，1979；

⑶.李功祥，陈兰英，崔英德编，常用化工单元设备设计，华南理工大学出版， 2003；

⑷.贾绍义，柴诚敬主编，化工原理课程设计，天津大学出版社，2002； ⑸.郑津洋，董其伍，桑芝富主编，过程设备设计，化学工业出版社，2001； ⑹.王志魁主编，化工原理，化学工业出版社，2005； ⑺.聂清德主编，化工设备设计，化学工业出版社，1991。

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附录Ⅰ浮头法兰厚度计算程序

1.C程序如下所示： #include #include #define Dfo 680 #define Dfi 570 #define Db 637 #define DG 580 #define v 1 #define m 3.75 #define y 67.1 #define ob 245 #define obt 186 #define of 177 #define oft 163 #define ot 125 #define b 6 #define ri 500 void main() { double

a,a2,c,fd,fr,pc,pt,ld,lr,b1,fp,f,L1,L2,Wa,Am1,Am2,Am,Ab,d,d1,d2,lg,lt,ft,Mg,Mp,Md,Mt,Mr,Ma,W,L,Jp,Ja,afa,afp,a0,a1,ae,Mp1,Jp1,a3,afp1,Mr1,lr1;

/*管程压力作用下浮头法兰厚度的计算*/ pc=pt=2.5;

a0=(5*pc*ri)/(6*ot*v); d=0.5*Dfi;

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d1=ri+0.5*a0; b1=asin(d/d1); fp=6.28*DG*b*m*pc; f=0.785*DG*DG*pc; Wa=3.14*DG*y*b; Am1=(f+fp)/obt; Am2=Wa/ob; if(Am1>Am2)Am=Am1; else Am=Am2;

Ab=(3.14*20.752*20.752*16)/4; W=0.5*(Am+Ab)*ob;

printf(\"a0=%lf\\n,b1=%lf\\n,fp=%.2e\\n,f=%.2e\\n,Wa=%.2e\\n,Am1=%.2e\\n,Am2=%.2e\\n,Am=%.2e\\n,Ab=%.2e\\n,W=%.2e\\n\fd=0.785* Dfi*Dfi*pc; ld=(Db-Dfi)/2; Md=fd*ld; lg=(Db-DG)/2; Mg=fp*lg; ft=f-fd; lt=(ld+lg)/2; Mt=ft*lt; d2=tan(b1); fr=fd*(1/d2); c=2*cos(b1); lr=40/2-a0/c-6; Mr=fr*lr; Mp=Md+Mg+Mt-Mr; Ma=W*lg;

printf(\"fd=%.2e\\n,ld=%lf\\n,Md=%.2e\\n,lg=%lf\\n,Mg=%.2e\\n,ft=%.2e\\n,Mt=%

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.2e\\n,lt=%.2e\\n,lr=%.2e\\n,fr=%.2e\\n,Mr=%.2e\\n,Mp=%.2e\\n,Ma=%.2e\\n\ld,Md,lg,Mg,ft,Mt,lt,lr,fr,Mr,Mp,Ma); L1=8*oft*(Dfo-Dfi);

L=pc*Dfi*sqrt(4*ri*ri-Dfi*Dfi)/L1; L2=(Dfo+Dfi)/(Dfo-Dfi); Jp=Mp*L2/(oft*Dfi); Ja=Ma*L2/(of*Dfi); afp=L+sqrt(Jp+L*L); afa=sqrt(Ja); if(afp>afa)a2=afp; else a2=afa;

printf(\"L=%.2e\\n,Ja=%.2e\\n,Jp=%lf\\n,afa=%lf\\n,afp=%lf\\n,a2=%lf\\n\,Jp,afa,afp,a2);

/*壳程压力作用下浮头法兰厚度计算*/ a1=16.00; ae=14.00; lr1=40/2-ae/c-6; Mr1=fr*lr1;

Mp1=fd*(ld-lg)+ft*(lt-lg)-fr*lr1; Jp1=Mp1*L2/(oft*Dfi); afp1=L+sqrt(Jp+L*L); if(afp1>afa)a3=afp1; else a3=afa; if(a2>a3)a=a2; else a=a3;

printf(\"Mr1=%.2e\\n,Mp1=%.2e\\n,Jp1=%.2e\\n,afp1=%lf\\n,a3=%lf\\n\Jp1,afp1,a3);

printf(\"浮头法兰的计算厚度为%lf\

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2.程序结果：程序结果如下所示：

由上可知，程序的计算结果与手算结果比较接近，只是程序计算的结果比较精确。

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附录Ⅱ 相关文献

关键词：管壳式换热器

1.【篇名】管壳式换热器的结构设计 【作者】唐淑萍

【单位】南化公司催化剂厂

【刊名】化学工业与工程技术，2002年第23卷第5期 【中文关键词】换热器，结构设计，管板，强度 【中文摘要】主要介绍了管壳式换热器的结构设计情况。 2.【篇名】管壳式换热器研究进展 【作者】董其伍，刘敏珊，苏立建

【单位】郑州大学热能研究中心CAD/CAE研究室 【刊名】化工设备与管道，第43卷第6期2006年12月 【中文关键词】管壳式换热器，折流板，自支承，折流杆

【中文摘要】根据国内外现有的管壳式换热器的发展情况，着重介绍了管壳式换热器的发展进程和现状，并且分析比较了它们的优缺点。 3.【篇名】管壳式换热器失效分析及解决措施 【作者】孙勇

【单位】徐州工业职业技术学院继续教育学院 【刊名】化工装备技术，第27卷第4期2006年 【中文关键词】管壳式换热器，管子，管板，失效，腐蚀

【中文摘要】管壳式换热器是石油、化工生产中广泛使用的换热设备, 由于结构、使用条件的多样性, 在使用过程中可能会发生多种形式的失效。针对管壳式换热器常见的失效形式, 分析引起失效的原因, 提出预防及解决措施, 并为管壳式换热器的设计、制造和使用提出建议。

4.【篇名】管壳式换热器管束振动分析及防振措施 【作者】符兴承，吴金星

【单位】岳阳工业技术学院，郑州大学

【刊名】化学工业与工程技术，第24卷第3期2003年6月

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【中文关键词】换热器，管束振动，机理分析，预防措施

【中文摘要】针对管壳式换热器常见的振动破坏形式，全面分析了管束振动的机理，并提出了相应的防振措施。 5.【篇名】管壳式换热器的设计计算 【作者】王新，张湘凤

【单位】盘锦职业技术学院，山东省化工规划设计院 【刊名】小氮肥设计技术，2006年第27卷第2期

【中文关键词】管壳式换热器，传热计算，结构设计，传热能力，影响 【中文摘要】通过对管壳式换热器传热计算的分析, 说明管壳式换热器的结构因素对换热器性能的影响和提高管壳式换热器性能的途径,为换热器的结构设计，提高换热器的性能提供借鉴和参考。

关键词：浮头式换热器

1.【篇名】浮头式换热器管束的组装 【作者】顾天杰

【单位】洛阳隆惠石化设备制造安装公司 【刊名】河南化工，2002年第3期 【中文关键词】换热器管束，组装，焊接

【中文摘要】从管板与折流板定位、管子的准备和穿管以及管子与管板的连接三个方面阐述了浮头式换热器管束的制造过程，并针对每一道工序提出了相应的要求。

2.【篇名】大型浮头式换热器制造的关键工艺 【作者】伍国臣 【单位】哈尔滨锅炉厂

【刊名】压力容器，1995年06期 【中文关键词】热处理，水压，装配

【中文摘要】该产品是我厂为渭河30万吨/年合成氨工程生产的一台大型浮头式换热器,产品结构复杂,操作压力、操作温度均比较高,但由于制定了合理的工艺方案,故保证了产品生产的顺利进行。

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3.【篇名】内导流筒折流杆浮头式换热器壳程进出口降阻优化研究 【作者】郭丽华，冯志力，冯兴奎；魏超 【单位】武汉化工学院；长岭炼油厂

【刊名】化工装备技术，第20卷第3期1999年 【中文关键词】折流杆换热器，流阻，内导流筒

【中文摘要】对浮头式内导流筒折流杆换热器进行了壳程进出口降阻试验研究, 优化出了可较大幅度减小压降的导流筒开孔范围、开孔率和导流筒与壳壁间距的适宜配合参数。

4.【篇名】内导流筒折流杆浮头式换热器冷凝效果研究 【作者】郭丽华，廖义德，冯兴奎；魏超 【单位】武汉化工学院；长岭炼油厂

【刊名】石油化工设备， 第31卷第3期2002年5月 【中文关键词】换热器，内导流筒，传热，压降

【中文摘要】对内导流筒折流杆浮头式换热器中不同结构管束的冷凝传热试验研究表明,在适宜的气速下,折流杆换热器比折流板换热器壳程传热系数提高1 倍以上,压降降低50 %左右,综合性能指αo/Δps 提高2 倍以上,且气速愈高冷凝效果愈好,说明将GB 151 所规定的内导流筒浮头式换热器的折流板管束改为折流杆管束是行之有效的。

5.【篇名】大直径浮头换热器的结构设计 【作者】王巍，倪云峰；霍凤华

【单位】中国石油工程设计有限公司东北分公司设备室；中国石油吉化集团公司农药化工有限责任公司

【刊名】化工科技，2005，13（6）

【中文关键词】弓形支撑板，防噪音板，管板外径

【中文摘要】：介绍了吉林石化公司乙烯装置中大直径浮头换热器结构设计特点。重点阐述了对于专利商工艺条件中两相邻折流板之间滑轮结构的改进，即把两相邻折流板之间的滑轮结构改为焊接两块弓形支撑板，这样既对整个管束起到了加强作用又避免了抽拉过程中的偏转。 关键词：管板

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1.【篇名】高压U形管换热器管板设计 【作者】徐鸣镝

【单位】中国石化工程建设公司

【刊名】石油华工设计，2003，20（1）22～24 【中文关键词】高压，U形管，管板计算，应力分析

【中文摘要】通过实例对美国的TEMA标准和ASMEⅧ-1与我国的GB151标准的管板计算进行分析、比较。对特殊结构管板计算进行应力分析。 2.【篇名】固定管板式换热器管板（不兼做法兰）的设计实践 【作者】刘平

【单位】中国石化宁波工程公司

【刊名】石油化工设计，2004，21（2）18～20 【中文关键词】不兼做法兰管板，GB151，TEMA

【中文摘要】针对工程实例，对采用SW6-1998V3.0程序（基于GB151-1999）计算方法与TEMA标准的计算方法所得结果进行比较分析，总结出管壳式换热器不兼做法兰管板的设计经验。

3.【篇名】纵流壳程换热器薄管板的可行性及设计计算 【作者】王定标，李培宁；董其伍，刘敏珊 【单位】华东理工大学；郑州工业大学

【刊名】化工装备技术，第20卷第4期1999年

【中文关键词】纵流壳程换热器，薄管板，可行性，设计计算

【中文摘要】 论述了薄管板在纵流壳程换热器中应用的可行性及其设计计算问题。利用应力分析设计方法, 研究了薄管板的应力分布。结果表明, 薄管板适用于纵流壳程换热器, 并可产生可观的经济效益。 4.【篇名】论换热器管板强度的稳定性设计 【作者】杨维强

【单位】江苏省金桥盐业有限公司银海化工厂 【刊名】苏盐科技，2000年6月第2期 【中文关键词】管板，稳定性

【中文摘要】在分析影响换热器稳定性因素的基础上，论述了确保换热器管板

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强度稳定性的必要条件。

5.【篇名】薄管板换热器的设计及薄管板计算的探讨 【作者】丁雪晶

【单位】吉化公司化肥厂设计所 【刊名】化工设计，2003年04期

【中文关键词】薄管板，强度校核，安全实用

【中文摘要】结合化肥厂丁辛醇装置薄管板换热器的设计，着重分析薄管板的特点，应用合理的计算方法对薄管板进行强度校核，验证这一新型换热器的安全性和经济实用性。

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