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摘 要

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 高压螺纹锁紧环换热器发展背景 1

1.2 主要工作内容 2

1.2.1 工艺设计 2

1.2.2 结构设计 2

1.2.3 强度计算 2

1.2.4 经济评价 2

第二章 设备工艺计算 4

2.1 蜡油加氢装置简介 4

2.1.1 装置组成及其规模 4

2.1.2 物料平衡 4

2.1.3 生产方案 5

2.2 换热器操作介质 5

2.3 换热器换热面积 5

2.3.2 物料与热量衡算 6

2.3.4 传热面积计算 7

第三章 高压螺纹锁紧环换热器的结构设计 8

3.1 整体结构 8

3.2 设备选材 11

3.3 焊接处理 12

3.4 热处理^[18] 12

3.5 机械加工 12

3.6 部件装配 13

3.6.1 管束装配 13

3.6.2 内件装配 13

第四章 高压螺纹锁紧环换热器的强度计算 14

4.1 换热器主要技术参数 14

4.2 筒体强度计算 14

4.2.1 壳体筒体 14

4.2.2 管箱筒体 14

4.3 封头强度计算 16

4.3.1 平盖 16

4.3.2 标准椭圆型封头 17

4.4 开孔补强计算 17

4.5 螺纹锁紧环设计 18

4.5.1 锁紧环螺纹（主螺纹）设计 18

4.5.2 垫片设计 20

4.5.3 压紧螺栓设计 20

4.6 确定管板的厚度 23

第五章 高压螺纹锁紧环换热器经济评价 33

5.1 总成本费用的构成 33

5.2 利润 34

参考文献 35

致谢 37

摘要

蜡油加氢装置中螺纹锁紧环换热器的存在是非常必要的，本文根据加氢装置的工艺流程、原料及流量，对换热器会有温度、压力、密封和换热能力等方面的要求。基于其设计参数可对螺纹锁紧环换热器进行结构设计及强度分析计算，因其管箱主要受压零部件多有特殊结构，尤其是其螺纹锁紧环部分，故其设计计算及装配相较普通U型管换热器复杂，同时注意要点也会更多。本课题设计的换热器是双壳程“高-低压”螺纹锁紧环换热器，在文中有对其具体的结构设计，因换热器工作工况复杂，其强度计算不可或缺，在保证其强度校核合格后方能投入使用，此文对同类换热器的设计有一定参考价值。

关键词：螺纹锁紧环 高压换热器 设计 强度计算

Abstract

The existence of the screw lock ring heat exchanger in the wax hydrogenation device is very necessary. In this paper, according to the process flow, raw material and flow rate of the hydrogenation device, the heat exchanger will have the requirements of temperature, pressure, sealing and heat transfer capacity.Based on its design parameters, the structure design and strength analysis of the screw lock ring heat exchanger can be calculated. Because the main pressurized parts of the pipe box have special structures, especially the screw lock ring part, its design, calculation and assembly are more complex than the common u-tube heat exchanger, and more important points should be noted.The heat exchanger designed in this paper is a double-shell side "high-low pressure" screw locking ring heat exchanger, in the paper there is a specific structural design, because the heat exchanger working conditions are complex, its strength calculation is indispensable, in order to ensure its strength check qualified before can be put into use, this paper has a certain reference value for the design of similar heat exchangers.

Key words: screw lock ring; high pressure heat exchanger ;design; strength calculation

绪论

高压螺纹锁紧环换热器发展背景

因着重质原油产量的逐渐增高，国际上对石油质量也随着提高了要求，使得重油加氢工艺（例如蜡油加氢等）成为十分重要的重油加工过程。^[1]而加氢裂化装置的操作工况多为高压、高温(或中压)，同时其介质是氢气和烃类，有易燃、易爆的特性，因此对设备在设计、制造方面的要求较高，首先必要使设备的安全可靠性有所保证，哪怕是在长周期的运行下，泄漏情况也应杜绝；其次加氢装置的设备应易维修，检修周期短，这样可提升装置的经济效益。^[2]{!!! INVALID CITATION !!! {尉洪阳`, 2013 `#11`;陈建玉，张凯，王文利，王迎君，黄仰东，谷杰，李建华，韩越，谈利民，毕晓敏，高亚萍`, 2010 `#13}, ;励国辉, 2003 #21}加氢装置现今使用的高压换热器主要有螺纹锁紧环密封结构、Q环密封结构、八角垫密封结构及隔膜密封结构这四种密封结构形式。较早出现的密封结构有八角垫密封和Q环密封，随着生产技术的拔高，1990年代新开发出了螺纹锁紧环密封的密封结构，2000年之后隔膜密封衍生出现。^[3]对几种形式的密封结构分析对比后，首选螺纹锁紧环换热器形式，其优点主要表现为：1.在高温、高压下运行可靠、方便操作、内外圈螺栓在带压拧紧后可实现二次密封；^[4]2.不必采用大法兰结构，管箱部分采用整锻件；3.螺纹锁紧环管板及平盖的尺寸通常较小，因而其换热高效且可热紧。^[5]4. 设备直径大但占地面积小、结构紧凑从而泄露点减少，金属耗量也少。事物必有两面性，螺纹锁紧环换热器也有结构复杂、加工件多，制造装配技术以及各部件间配合精度要求高，难以批量生产等缺点。^[6]

上世纪的日本千代公司是高压螺纹锁紧环式换热器的起源地，几十年来，在先辈们的不断探索和努力下，国内外高压螺纹锁紧环换热器的设计及制造技术持续创新，水平显著提高。^[7]但其仍有很大的发展空间，螺纹锁紧环式换热器投用后，多年以来管壳程内漏现象不绝，后果可能是产品质量受到影响，更有甚者会造成装置停工，随之而来的是生产装置安全、长周期运行受到制约的局面。^[8]日本某炼油厂加氢装置就曾出现过螺纹环换热器的螺纹承压环失效使承压环和压盖飞出的事故。^[9]任何事故无论严重与否都应该被强调关注，并尽可能扼杀，换热器在设计过程中要做好周全的考虑，完善其设计及制造技术是新一代学者努力的方向。

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