loading2 在鞍坐标准规定的鞍座包角有θ=（120°） 和θ=（150°）两种。 3 采用补强板对开孔进行等面积补强时，其补强范围是： 有效补强宽度是（
B?max{2d,d?2?n?2?nt}）
h1?d?nt,接管实际外伸高度 }）
外侧有效补强高度是（min {
nt内侧有效补强高度是（min {2}）
4 根据等面积补强原则，必须使开孔削弱的截面积A≤Ae=(壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积)A1+(接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积)A2+(焊缝金属截面积)A3。
5 采用等面积补强时，当筒体径Di≤1500mm时，须使开孔最大直径d≤(1/2)Di,且不得超过（520）mm.当筒体直径Di,>1500mm时，，须使开孔最大直径d≤( 1/3)Di,,且不得超过（1000）。
6 现行标准中规定的圆形人孔公称直径有DN(400)mm, DN(450)mm, DN(500)mm, DN(600)mm等四种。 7 现行标准中规定，椭圆形人孔的尺寸为（400）（250）mm与（380）（280）mm。 8 现行标准中规定的标准手孔的公称直径有DN(150mm)和DN(250mm)两种。 三、是非判断题
1 法兰密封中，法兰的刚度与强度具有同等重要的意义。(×)
2 在法兰设计中，如欲减薄法兰的厚度t，则应加大法兰盘外径D0,加大法兰长径部分尺寸和加大臂长度。(×)
3 金属垫片材料一般并不要求强度高，为要求其软韧，金属垫片主要用于中高温和中高压的法兰联接密封。(√)
4 法兰连接中，预紧密封比压大，则工作时可有较大的工作密封比压，有利于保证密封。所以预密封比压越大越好。(×)
5 正压操作的盛装气体（在设计温度下不冷凝）的圆筒形处贮罐，采用双鞍式支座支承时，可以不必验算其轴向的拉应力。(×) 四、工程应用题
A 组：2.选择设备法兰密封面型式及垫片
介质 公称压力PN 介质温度 适宜密封面型式 垫片名称及材料
（MPa） ℃
丙 烷 1.0 150 平形 耐油橡胶石棉垫/耐油橡胶石棉板 蒸 汽 1.6 200 平形 石棉橡胶垫/中压石棉橡胶板 液 氨 2.5 ≤50 凹凸或榫槽 石棉橡胶垫圈/中压石棉橡胶板 氢 气 4.0 200 凹凸 缠绕式垫圈/08(15)钢带-石棉带 5) 试为一精馏塔配塔节与封头的联接法兰及出料口接管法兰。已知条件为：塔体内径800mm,接管公
称直径100mm，操作温度300℃，操作压力0.25MPa,材质Q 235-AR。绘出法兰结构图并注明尺寸。 解：塔节与封头的联接法兰——容器法兰
根据该塔的工艺条件：温度、压力及塔径，塔节与封头联接的法兰应该选用甲型平焊法兰。根据操作温度、设计压力和使用材料，由表6-4可知应按法兰的公称压力为0.6MPa来选择尺寸。由附录十四表32查得法兰各部尺寸，并绘注于图1中。由表6-1可采用平面密封面，垫片材料为石棉橡胶板，宽度从表6-3中查得值为20mm。联接螺栓为Ｍ20，共24个，材料由表6-6查得为35。螺母材料为Ｑ235-Ａ。 （2）出料口接管法兰——管法兰
根据计算压力、法兰材质和工作温度查附录十五表34，确定接管法兰的公称压力为0.25 MPa；根据公称压力、公称直径按表6-10确定法兰类型和密封面型式为突面板式平焊管法兰，法兰标记：
HG20592 法兰 PL100-0.25 RF Q235-A。根据公称压力、工作温度由附录十五表35查得垫片选用石棉橡胶垫圈，螺栓、螺柱材质为35。由表36得法兰各部尺寸及螺栓、螺柱规格，并绘于图2中。
h?d?,接管实际内伸高度图 1甲型平焊法兰（容器法兰）（法兰-RF 800-0.6 JB4702-92）
图 2突面板式平焊管法兰（HG20592 法兰 PL100-0.25 RF Q235-A） 6．有一卧式圆筒形容器，DN=3000mm，最大重量为100吨，材质为16MnR，选择双鞍式支座标准。 【解】每个支座上的载荷
根据承受载荷与公称直径查附录十六，应选用轻型（A型）120°包角带垫板鞍座。 JB/4712-92 鞍座 A3000-F JB/4712-92 鞍座 A3000-S
鞍座材料 Q235-AF 垫板材料16MnR 允许载荷Q=786KN
鞍座高度：
h?250mm 腹板:
?2?10mm
l3?341mml1?2180mmb1?360mm弧长?3490mmb4?500mmb2?316mmb3?406mm?4?10mme?65mm底版： 筋板： 垫板：
9．有一Ф89×6的接管，焊接于内径为1400mm，壁厚为16mm的筒体上，接管材质为10号无缝钢管，筒
体材料16MnR，容器的设计压力1.8Mpa，设计温度为250℃，腐蚀裕量2mm，开孔未与筒体焊缝相交，接管周围20mm内无其他接管，试确定此开孔是否需要补强？如需要，其补强圈的厚度应为多少？画出补强结构图。
t???? 解：由表16-1查得16MnR（厚度６～１６）在250℃下的=１５６MＰa，st??205MPa ???10号钢管在250℃下=92MＰa，s?1?14mm?3?10mm?325MPa
取φ=1
S?壳体计算壁厚：
2???t??PcPcDi?1.8?1400?8.12mm2?156?1?1.8
St?接管计算壁厚：
壳体与接管的壁厚附加量取C=２mm 则开孔直径： 壳体的名义壁厚： 壳体的有效壁厚：
2???t??PcPcD0?1.8?89?0.86mm2?92?1?1.8
Sn?16mm
Se??n?C?16?2?14mmSnt?6mm接管的名义壁厚： 接管的有效壁厚：
Set?Snt?C?6?2?4mm接管有效补强宽度：
B?2d?2?81?162mmh1?h2?dSnt?81?6?22mm接管外侧、内侧有效补强高度：
fr?t[?]管t[?]壳?92?0.59156
强度削弱系数：
需要补强金属面积：
可作为补强的金属面积：
焊缝按R=8计算，则
可作为有效补强的金属截面积：
因为Ae＜A，所以需要另加补强。
1A3?2??8?8?64mm22
另加补强面积：
用补强圈补强结构，补强材料与壳体材料相同为16MnR，厚度与筒体壁厚相同为16mm。
A4?A?Ae?684.35?654.4?30mm2第三篇: 典型化工设备的机械设计 第七章 管壳式换热器的机械设计
2
衡量换热器好坏的标准大致有哪些？
答：传热效率高，流体阻力小，强度足够，结构可靠，节省材料；成本低；制造、安装、检
修方便。
列管式换热器主要有哪几种？各有何优缺点？
答：如下表1所示： 表 1 列管式换热器 优 点 缺 点 种类 管外清洗困难； 结构较简单，造价较低，相对其它管壳间有温差应力存在； 固定管板式 列管式换热器其管板最薄。 当两种介质温差较大时必须 设置膨胀节。 一端管板固定，另一端管板可在壳结构较复杂，金属耗量较大； 浮头式 体内移动；管壳间不产生温差应浮头处发生内漏时不便检查； 力；管束可抽出，便于清洗。 管束与管体间隙较大，影响传热。 管束一端可自由膨胀；造价比浮头壳程内介质有外漏的可能； 填料函式 式低；检修、清洗容易；填函处泄壳程中不宜处理易挥发、易燃、 漏能及时发现。 易爆、有毒的介质。 管内不便清洗； 只有一个管板；管程至少为两程； 管板上布管少，结构不紧凑， U型管式 管束可以抽出清洗；管子可自由膨管外介质易短路，影响传热效果； 胀。 内层管子损坏后不易更换。 列管式换热器机械设计包括哪些内容？ 答：①壳体直径的决定和壳体壁厚的计算；
②换热器封头选择，压力容器法兰选择； ③管板尺寸确定； ④管子拉脱力的计算； ⑤折流板的选择与计算； ⑥温差应力计算。
此外还应考虑接管、接管法兰选择及开孔补强等。
我国常用于列管式换热器的无缝钢管规格有哪些？通常规定换热管的长度有哪些？
答：我国管壳式换热器常用无缝钢管规格（外径壁厚），如下表2所示。换热管长度规定为：1500mm, 2000mm, 2500mm, 3000mm, 4500mm, 5000mm, 6000mm, 7500mm, 9000mm, 12000mm。
3
4 5
换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在4~25之间，常用的为6~10。立式换热器，其比值多为4~6。
表 2 换 热 管 规 格（mm） 碳钢低合金钢 ￠192 ￠252.5 ￠323 ￠383 不 锈 钢 ￠192 ￠252 ￠322.5 ￠382.5 6 换热管在管板上有哪几种固定方式？各适用范围如何？ 答：固定方式有三种：胀接、焊接、胀焊结合。
胀接：一般用在换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过
4.0MPa，设计温度在350℃以下，且无特殊要求的场合。
焊接：一般用在温度压强都较高的情况下，并且对管板孔加工要求不高时。
胀焊结合：适用于高温高压下，连接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力
作用，工作环境极其苛刻，容易发生破坏，无法克服焊接的“间隙腐蚀” 和“应力腐蚀”的情况下。
7 换热管胀接于管板上时应注意什么？胀接长度如何确定？
答：采用胀接时，管板硬度应比管端硬度高，以保证胀接质量。这样可避免在胀接时管板产
生塑性变形，影响胀接的紧密性。如达不到这个要求时，可将管端进行退火处理，降低硬度后再进行胀接。另外，对于管板及换热器材料的线膨胀系数和操作温度与室温的温差△t，必须符合表3的规定。
表 3 线 膨 胀 系 数 和 温 度 10%≤△α/α≤30% △t≤155℃ 30%≤△α/α≤50% △t≤128℃ △α/α＞50% △t≤72℃ 表中：α=1/2（α1+α2），α1，α2分别为管板与换热管材料的线膨胀系数，1/℃。 △α=∣α1-α2∣，1/℃。
△t等于操作温度减去室温（20℃）。
8 换热管与管板的焊接连接法有何优缺点？焊接接头的形式有哪些？
答：焊接连接比胀接连接有更大的优越性：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密
性；管板孔加工要求低，可节省孔的加工工时；焊接工艺比胀接工艺简单；在压力不太高时可使用较薄的管板。
焊接连接的缺点是：由于在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀和破裂；同时管
子与管板间存在间隙，这些间隙内的流体不流动，很容易造成“间隙腐蚀”。 焊接接头的形式有：①管板孔上不开坡口； ②管板孔端开60坡口； ③管子头部不突出管板； ④孔四周开沟槽。
9 换热管采用胀焊结合方法固定于管板上有何优点？主要方法有哪些？
答：胀焊结合方法的优点：由于焊接连接产生应力腐蚀及间隙腐蚀，尤其在高温高压下，连
接接头在反复的热冲击、热变形、热腐蚀及介质压力作用下，工作环境极其苛刻，容易发生破坏，无论采用胀接或焊接均难以满足要求。而胀焊结合法能提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。
主要方法有：先强度焊后贴胀、先强度焊后强度胀、先强度胀后密封焊等多种。 11 管子在管板上排列的标准形式有哪些？各适用于什么场合？
答：排列的标准形式有：（1）正三角形和转角正三角形排列，适用于壳程介质污垢少，且不
需要进行机械清洗的场合。
（2）正方形和转角正方形排列，一般可用于管束可抽出清洗管间的场合。
10．《钢制管壳式换热器设计规定》中换热器管板设计方法的基本思想是什么？
答：其基本思想是：将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这一弹性基础上的圆平板，
然后根据载荷大小、管束的刚度及周边支撑情况来确定管板的弯曲应力。由于它比较全面地考虑了管束的支承和温差的影响，因而计算比较精确。但计算公式较多，计算过程也较繁杂。但应用计算机进行设计计算，是一种有效的设计方法。
11． 换热管分程原因是什么？一般有几种分程方法？应满足什么条件？其相应两侧的管箱隔板形
式如何？
答：分程原因：当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排
列较多的管子。此时为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。
分程方法：为了把换热器做成多管程，可在流道室（管箱）中安装与管子中心线相平行的分程隔板。管程数一般有1，2，4，6，8，10，12等七种。
满足条件：①各程换热管数应大致相等；②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；③各程间的密封长度应最短；④分程隔板的形式应简单。 管箱隔板形式有：单层和双层两种。
12．折流板的作用如何？常用有哪些形式？如何定位？
答：在对流传热的换热器中，为了提高壳程内流体的流速和加强湍流强度，以提高传热效
率，在壳程内装置折流板。折流板还起支撑换热管的作用。
常用形式有：弓形、圆盘-圆环形和带扇形切口三种。
折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。拉杆是一根两端皆有螺纹的长杆，一端拧
入管板，折流板就穿在拉杆上，各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离。最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。
13．固定管板式换热器中温差应力是如何产生的？有哪些补偿温差应力的措施？
答：当操作时，壳体和管子温度都升高，若管壁温度高于壳壁温度，则管子自由伸长量比壳
体自由伸长量大，但由于管子与壳体是刚性连接，所以管子和壳体的实际伸长量必须相等，因此就出现壳体被拉伸，产生拉应力；管子被压缩，产生压应力。此拉、压应力就是温差应力，也称热应力。
补偿温差应力的措施有：解决壳体与管束膨胀的不一致性；或是消除壳体与管子间刚性
约束，使壳体和管子都自由膨胀和收缩。
①减少壳体与管束间的温度差； ②装设侥性构件；
③使壳体和管束自由热膨胀； ④双套管温度补偿。
14．何谓管子拉脱力？如何定义？产生原因是什么？
答：换热器在操作中，承受流体压力和管壳壁的温度应力的联合作用，这两个力在管子与管
板的连接接头处产生了一个拉脱力，使管子与管板有脱离的倾向。
拉脱力的定义：管子每平方米胀接周边上所受到的力，单位为帕。 15．壳程接管挡板的作用是什么？主要有哪些结构形式？
答：在换热器进口处设置挡板（常称为导流筒），它可使加热蒸汽或流体导致靠近管板处才进
入管束间，更充分的利用换热面积，目前常用这种结构来提高换热器的换热能力。
三、试验算固定管板式换热器的拉脱力
已知条件如下： 项 目 管 子 壳 体 操作压力MPa 1.0 0.6 操作温度℃ 200 100 材质 10 16MnR -6 -6 线膨胀系数1/℃ 11.81011.8106 6 弹性模数MPa 0.21100.2110许用应力MPa 113 173 尺寸mm ￠252.52000￠10008 管子根数 562 排列方式 正三角形 管间距mm a=32 管子与管板连接结构： 开槽胀接 胀接长度mm l =30 许用拉脱力MPa [q]=4 解：在操作压力下，每平方米胀接周边产生的力
qp:
其中：
f?0.866a2??4d?2?0.866?322?
?4?252?396(mm2)