确定了换热器的结构及尺寸以后，必须对换热器的所有受压元件进行强度计算。

因为管壳式换热器一般用于压力介质的工况，所以换热器的壳体大多为压力容器，必须按照压力容器的标准进行计算和设计，对于钢制的换热器，我国一般按照GB150<<钢制压力容器>>标准进行设计，或者美国ASME标准进行设计。

对于其它一些受压元件，例如管板、折流板等，可以按照我国的GB151<<管壳式换热器>>或者美国TEMA标准进行设计。

对于其它材料的换热器，例如钛材、铜材等应按照相应的标准进行设计。

下面提供一氮气冷却器的受压元件强度计算，以供参考。

该换热器为U形管式换热器，壳体直径500mm，管程设计压力3.8MPa，壳程设计压力0.6MPa。

详细强度计算如下：1.壳程筒体强度计算2. 前端管箱筒体强度计算3. 前端管箱封头强度计算4. 后端壳程封头强度计算5.管板强度计算6. 管程设备法兰强度计算7. 接管开孔补强计算氮气冷却器(U形管式换热器)筒体计算计算条件筒体简图计算压力P c0.60MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm材料16MnR(热轧) ( 板材)试验温度许用应力[σ]170.00MPa设计温度许用应力[σ]t170.00MPa试验温度下屈服点σs345.00MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C2 1.00mm焊接接头系数φ0.85厚度及重量计算计算厚度δ == 1.04mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 7.00mm名义厚度δn= 8.00mm 重量481.06Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.7500MPa压力试验允许通过的应力水平[σ]T[σ]T≤0.90 σs = 310.50MPa 试验压力下圆筒的应力σT = = 31.95MPa校核条件σT≤[σ]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[P w]= = 3.99014MPa 设计温度下计算应力σt = = 21.73MPa[σ]tφ144.50MPa 校核条件[σ]tφ≥σt结论合格氮气冷却器前端管箱筒体计算计算条件筒体简图计算压力P c 3.80MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm材料0Cr18Ni9 ( 板材)试验温度许用应力[σ]137.00MPa设计温度许用应力[σ]t137.00MPa试验温度下屈服点σs205.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C20.00mm焊接接头系数φ0.85厚度及重量计算计算厚度δ == 8.29mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 11.20mm名义厚度δn= 12.00mm 重量75.76Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25P = 4.7500MPa压力试验允许通过的应力水平[σ]T[σ]T≤0.90 σs = 184.50MPa 试验压力下圆筒的应力σT = = 127.53MPa校核条件σT≤[σ]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[P w]= = 5.10266MPa 设计温度下计算应力σt = = 86.72MPa[σ]tφ116.45MPa 校核条件[σ]tφ≥σt结论合格氮气冷却器前端管箱封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力P c 3.80MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm曲面高度h i125.00mm材料0Cr18Ni9 (板材)试验温度许用应力[σ]137.00MPa设计温度许用应力[σ]t137.00MPa钢板负偏差C10.80mm腐蚀裕量C20.00mm焊接接头系数φ 1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度δ = = 6.98mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 11.20mm最小厚度δmin= 0.75mm名义厚度δn= 12.00mm 结论满足最小厚度要求重量32.23Kg压力计算最大允许工作压力[P w]= = 6.06962MPa 结论合格氮气冷却器后端壳程封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力P c0.60MPa设计温度 t100.00︒ C内径D i500.00mm曲面高度h i125.00mm材料16MnR(热轧) (板材)试验温度许用应力[σ]170.00MPa设计温度许用应力[σ]t170.00MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C2 2.00mm焊接接头系数φ 1.00厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度δ = = 0.88mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 6.00mm最小厚度δmin= 0.75mm名义厚度δn= 8.00mm 结论满足最小厚度要求重量19.61Kg压力计算最大允许工作压力[P w]= = 4.05567MPa 结论合格氮气冷却器管板计算设计条件0.60MPa壳程设计压力3.80MPa管程设计压力100.00︒ C壳程设计温度100.00︒ C管程设计温度8.00mm壳程筒体壁厚12.00mm管程筒体壁厚壳程筒体腐蚀裕量C 1.00mm管程筒体腐蚀裕量 C0.00mm500.00mm换热器公称直径换热管使用场合一般场合管板与法兰或圆筒连接方式 ( a b c d 型 ) a型换热管与管板连接方式 ( 胀接或焊接 ) 焊接材料(名称及类型) 0Cr18Ni970.00mm名义厚度管强度削弱系数0.40刚度削弱系数0.40材料泊松比0.30210.00mm2隔板槽面积换热管与管板胀接长度或焊脚高度l 3.50mm191000.00MPa 设计温度下管板材料弹性模量137.00MPa 设计温度下管板材料许用应力68.50MPa许用拉脱力壳程侧结构槽深h10.00mm 板管程侧隔板槽深h2 4.00mm0.00mm壳程腐蚀裕量0.00mm管程腐蚀裕量材料名称0Cr18Ni9换管子外径d19.00mm2.00mm热管子壁厚管U型管根数n138根换热管中心距 S25.00mm137.00MPa 设计温度下换热管材料许用应力垫片材料软垫片压紧面形式1a或1b垫垫片外径D o565.00mm 片垫片内径D i515.00mm a型垫片厚度δg mm 垫片接触面宽度Ωmm垫片压紧力作用中心园直径D G547.11mm 管板材料弹性模量0.00MPa ( c 型 )管板材料弹性模量0.00MPa ( d 型 )( b d 型 )管箱圆筒材料弹性模量0.00MPa ( b c 型 )壳程圆筒材料弹性模量0.00MPa ( c d 型 )管板延长部分形成的凸缘宽度0.00mm ( c 型）壳体法兰或凸缘厚度0.00mm ( d 型 )管箱法兰或凸缘厚度0.00mm参数计算管板布管区面积三角形排列正方形排列一根换热管管壁金属横截面积= 106.81mm2管板开孔前抗弯刚度b c d 型0.00N·mm管板布管区当量直径436.43mma 型其他系数0.80系数按和查图得 : = 0.000000系数按和查图得 : = 0.000000a d 型= 0b c型0.00a ,c 型= 0b ,d 型0.00a 型= 0其他0.00旋转刚度无量刚系数0.00系数0.2696按和0.07130.0000管板厚度或管板应力计算a 管板计算厚度取、大值61.345mm型管板名义厚度66.000mm管板中心处径向应力= 0MPa = 0MPab c d 布管区周边处径向应力= 0MPa型= 0MPa 边缘处径向应力= 0MPa = 0MPa管板应力校核单位：MPa|σr|r=0=b工况|σr |r=Rt=c|σr|r=R=d|σr|r=0=型工况|σr|r=Rt=|σr|r=R=换热管轴向应力计算及校核: MPa (单位)计算工况计算公式计算结果校核只有壳程设计压力, 管程设计压力=0 : |-1.59|≤合格只有管程设计压力,壳程设计压力=0 : =|6.29|≤合格壳程设计压力,管程设计压力同时作用: |4.69|≤合格换热管与管板连接拉脱力校核拉脱力q3.21 ≤[q]MPa校核合格重量64.89Kg氮气冷却器管箱法兰强度计算设计条件简图设计压力 p 3.800 MPa计算压力 pc 3.800 MPa设计温度 t 100.0 ° C轴向外载荷 F 0.0 N外力矩 M 0.0 N.mm壳材料名称0Cr18Ni9体许用应力137.0 MPa法材料名称#许用[s ]f 137.0 MPa兰应力[s ]tf 137.0 MPa材料名称40Cr螺许用[s ]b 212.0 MPa应力[s ]tb 189.0 MPa栓公称直径 d B 24.0 mm螺栓根径 d 1 20.8 mm数量 n 24 个Di 500.0 Do 660.0垫结构尺寸Db 615.0 D外565.0 D内515.0 δ0 16.0 mm Le 22.5 LA 31.5 h 35.0 δ1 26.0 材料类型软垫片N 25.0 m 2.00 y 11.0 压紧面形状1a,1b b 8.94 DG 547.1 片b0≤6.4mm b= b0 b0≤6.4mm DG= ( D外+D内 )/2b0 > 6.4mm b=2.53b0 > 6.4mm DG= D外 - 2b螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa Wa= πbDG y = 169119.0 N操作状态下需要的最小螺栓载荷WpWp = Fp + F = 1127044.1N所需螺栓总截面积 Am Am = max (Ap ,Aa ) = 5963.2 mm2 实际使用螺栓总截面积 AbAb = = 8117.5mm2力矩计算操FD = 0.785pc= 745750.0 N LD= L A+ 0.5δ1= 44.5mm MD= FD LD= 33185876.0N.mm作FG = Fp= 233573.5 N LG= 0.5 ( Db - DG )= 33.9mm MG= FG LG= 7928625.5N.mmMp FT = F-FD= 147150.2 N LT=0.5(LA + d 1 + LG )= 45.7mm MT= FT LT= 6728066.0N.mm外压: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 内压: Mp = MD+MG+MT Mp = 47842568.0 N.mm 预紧MaW = 1492550.6 N LG = 33.9 mm Ma=W LG = 50664460.0 N.mm 计算力矩 Mo= Mp 与中大者 Mo=50664460.0N.mm螺栓间距校核实际间距= 80.5mm最小间距56.0 (查GB150-98表9-3)mm最大间距158.4mm形状常数确定89.44 h/ho = 0.4 K = Do/DI = 1.3201.6由K查表9-5得T=1.789 Z =3.694 Y =7.145 U=7.851整体法兰查图9-3和图9-4 FI=0.85944 VI=0.31415 0.00961 松式法兰查图9-5和图9-6 FL=0.00000 VL=0.00000 0.00000 查图9-7 f = 1.06578整体法兰 = 松式法兰 = 0.2由得572246.8 0.0ψ=δf e+1 =1.44 g = y /T = =0.811.59= 0.98 剪应力校核计算值许用值结论预紧状态0.00MPa操作状态0.00MPa输入法兰厚度δf = 46.0 mm时, 法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力158.57MPa=205.5 或=342.5( 按整体法兰设计的任意式法兰, 取 )校核合格径向应力77.96MPa= 137.0校核合格切向应力54.14MPa= 137.0校核合格综合应力= 118.27MPa= 137.0校核合格法兰校核结果校核合格氮气冷却器开孔补强计算接管: a,φ219×16计算方法 : GB150-1998 等面积补强法, 单孔设计条件简图计算压力p c 3.8MPa设计温度100℃壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型0Cr18Ni9 板材壳体开孔处焊接接头系数φ0.85壳体内直径D i500mm壳体开孔处名义厚度δn12mm壳体厚度负偏差 C10.8mm壳体腐蚀裕量C20mm壳体材料许用应力[σ]t137MPa接管实际外伸长度100mm接管实际内伸长度0mm 接管材料0Cr18Ni9接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量0mm 补强圈材料名称补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差C1t2mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t137MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa开孔补强计算壳体计算厚度δ8.293mm 接管计算厚度δt 2.63mm 补强圈强度削弱系数f rr0接管材料强度削弱系数f r1开孔直径d191mm 补强区有效宽度B382mm 接管有效外伸长度h155.28mm 接管有效内伸长度h20mm 开孔削弱所需的补强面积A1584mm2壳体多余金属面积A1555.2mm2接管多余金属面积A21257mm2补强区内的焊缝面积A364mm2A1+A2+A3=1876 mm2 ，大于A，不需另加补强。