mvr工业废水处理设备升膜蒸发器研究 128页

分类号,TH16学号0907330125而要逢統科技太#学位论文MVR工业废水处理设备升膜蒸发器研究作者_________李晓鹏___________指导教师姓名原思聪教授熊富仓高工由请学位级别工程硕士专业名称机械工程论文提交日期2015.04论文答辩日期2015.06学位授予单位函要達統新技丈摩答辩委员会主席姚怀新评阅人王发展n声明本人郑重声明我所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：I日期：加关于学位论文使用授权的说明本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，S卩：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存学位论文。(保密的论文在论文解密后应遵守此规定）本人授权中国学术期刊（光盘版）杂志社、中国科学技术信息研究所等单位将本学位论文收录到有关“学位论文数据库”之中，并通过网络向社会公众提供信息服务。因某种特殊原因需要延迟发布学位论文电子版，同意在封一年/□两年/□三年以后，在网络上全文发布。（此声明处不勾选的，默认为即时公开）私日期：汉以初n西安建筑科技大学硕士学位论文MVR工业废水处理设备升膜蒸发器研究专业：机械工程硕士生：李晓鹏指导教师：原思聪教授熊富仓高工摘要MVR（蒸汽机械再压缩技术）从2007年起开始从北美和欧洲进入中国市场，主要应用在工业废水处理、食品深加工、奶制品行业和饮料等行业。目前，国内MVR工业废水处理设备供应商的规模普遍较小，高端水处理技术、化学品和设备的研发实力偏弱，在核心水处理设备研制方面与国外专业水处理设备研制厂家存在较大差距，其主要设备依然以进口为主。本课题以国外某公司一套MVR（蒸汽机械再压缩技术）污水处理设备为基础，参照ASME制造规范，结合我国国情，按照GB150.1-GB150.4-2011《压力容器》及TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》制造规范，对其中的升膜蒸发部分进行了设计与改造。随着我国压力容器用材制造标准的逐年完善及国产材料性能的逐年提高，国产材料完全可以达到甚至超过国外对应牌号材料的性能指标。本课题在文献研究的基础上，对国产厚度为6mm的TA2板材和厚度为12mm的TA10板材以及规格为φ38.1x1.2的TA10换热管的化学成分、力学性能进行了试验，证明设备改造所选材料的化学成分、力学性能达到或超过国家标准和ASTM规范要求值，同时也确认厚度为6mm的Q345R热轧板及厚度为40mm的Q345R正火板的各项性能指标均超过国家标准和ASTM规范要求值。本课题在对国产材料性能检测试验的基础上，通过NX8.0软件实体建模及Fluent软件模拟分析，对比了鸭嘴管型蒸发罐和伸入管型蒸发罐的工作情况。选用规则设计规范，按弹性失效设计准则中的最大拉应力设计准则对MVR升膜蒸发器换热器完成内压容器强度计算，按稳定失效设计准则对MVR升膜蒸发器换蒸发罐完成外压容器稳定性校核，根据校核结果确定设备国产化制造的基本参数及技术特性。n西安建筑科技大学硕士学位论文本课题依据规则设计所定的设备基本参数及技术特性及所选材料的实际性能对MVR升膜蒸发器换热器及MVR升膜蒸发器蒸发罐进行了国产化设计、优化、制造和验收。本课题的研究，对打破工业废水处理先进设备的研制技术为大型跨国水处理公司所垄断的局面做了有益尝试，同时也为我国该类设备的研发、制造奠定了一些基础。关键词：MVR升膜蒸发器；TA2；TA10；Q345R；模拟分析；规则设计规范；国产化论文类型：应用研究n西安建筑科技大学硕士学位论文TheresearchofMVRclimbingfilmevaporatorInIndustrialwastewatertreatmentequipmentSpecialty:MechanicalEngineeringandautomationPostgraduate:LiXiaopengInstructor:Prof.YuanSicongSeniorEng.XiongFucangAbstractMVR(MechanicalMaporRecompression)startedfromNorthAmericaandEuropesince2007toentertheChinesemarket,mainlyusedinindustrialwastewatertreatment,foodprocessing,dairyindustryandbeverageindustry.Atpresent,thedomesticMVRindustrialwastewatertreatmentequipmentsuppliersgenerallysmallerscale,high-endtechnology,watertreatmentchemicalsandequipmentresearchanddevelopmentstrengthweak,incorewatertreatmentequipmentdevelopedwithforeignprofessionalmanufacturerofwatertreatmentequipmentresearchandthereisabiggap,themainequipmentisstillmainlyimports.ThisstudyinaforeigncompanyisasetofMVR(mechanicalvaporrecompression)sewagetreatmentequipment,onthebasisofreferencetoASMEspecifications,combinedwithChina'snationalconditions,inaccordancewiththeGB150.1-GB150.4-2011《PressureVessels》andTSGR0004-2009《SuervisionRegulationonSafetyTechnologyforStationaryPressureVessel》,onthepartofclimbingfilmevaporationinthedesignandretrofit.Alongwithourcountrypressurecontainermaterialmanufacturingstandardsandmaterialstoimproveyearbyyear,theperformanceofdomesticmaterialcanachieveevengreaterthanthatofthecorrespondingbrandforeignmaterialperformancemetrics.Thistopiconthebasisofliteraturestudy,ondomesticthicknessis6mmTA2platesandthethicknessof12mmTA10sheetandspecificationsforthephi38.1x1.2TA10heatexchangetubeofthechemicalcomposition,mechanicalperformancetest,confirmequipmentmodificationoftheselectedmaterialchemicalcomposition,mechanicalperformancemeetorexceednationalstandardsandASTMspecificationrequirementsn西安建筑科技大学硕士学位论文value,butalsoconfirmthethicknessis6mmQ345Rhotrolledplateandthethicknessof40mmQ345RarefireboardofvariousperformanceindicatorsthanthenationalstandardvalueandASTMspecificationrequirements.Ondomesticmaterialperformancetestsonthebasisoftheselectionrulesofdesignspecifications,designrulesaccordingtotheelasticfailureruleofmaximumtensilestressinthedesignofMVRclimbingfilmevaporatorheatexchangercompleteinternalpressurevesselstrengthcalculationanddesignaccordingtostabilityfailurecriterionofMVRclimbingfilmevaporatorinevaporationtankcompleteexternalpressurevesselstabilitychecking,accordingtothecheckingresulttodeterminethebasicparametersofequipmentmanufacturingandtechnicalcharacteristics.AccordingtotherulesofdesignofequipmentandthetechnicalcharacteristicsandbasicparametersoftheactualperformanceoftheselectedmaterialsMVRclimbingfilmevaporatorheatexchangerandMVRclimbingfilmevaporatorevaporationtankhascarriedonthelocalizationofmanufacturingandacceptance.Thistopicresearchsuccessfullybrokethedevelopmentoftheindustrialwastewatertreatmentequipment,advancedtechnologyforlargemultinationalcompanymonopolysituation,thewatertreatmentforourcountryintheresearchanddevelopment,manufactureofsuchequipmenthasaccumulatedvaluableexperience.Researchonthissubject,tobreaktheindustrialwastewatertreatmentequipmenttodoresearchandadvancedtechnologyforlargemultinationalwatercompaniesmonopolyusefulattempt,butalsoforourcountryinthedevelopmentofsuchequipment,manufacturinglaysomefoundation.Keywords:MVRclimbingfilmevaporator,TA2,TA10,Q345R,Simulationandanalysisoftherules,designspecification,localizationThesisType:ApplicationFoundationn西安建筑科技大学硕士学位论文目录1绪论........................................................................................................................11.1MVR系统原理及工艺.........................................................................................11.1.1MVR系统原理简介.....................................................................................11.1.2MVR升膜蒸发器简介.................................................................................21.1.3MVR工业废水系统工艺流程.....................................................................31.2课题研究的背景及意义.......................................................................................41.2.1国内外MVR工业废水处理技术的发展概况............................................41.2.2课题的研究背景...........................................................................................61.2.3课题的研究意义...........................................................................................71.3论文的研究思路及主要工作...............................................................................71.3.1论文的研究思路...........................................................................................71.3.2论文的主要工作...........................................................................................72MVR升膜蒸发器主体材料的选用..........................................................................82.1升膜蒸发器原始技术特性...................................................................................82.2升膜蒸发器结构...................................................................................................82.2.1升膜蒸发器换热器选型...............................................................................92.2.2升膜蒸发器蒸发罐选型...............................................................................92.3升膜蒸发器国产化材料选用.............................................................................102.3.1国内外压力容器材料标准对比.................................................................102.3.2国产压力容器材料质量普查.....................................................................112.3.3国产压力容器制造厂家使用材料质量抽查.............................................112.3.4升膜蒸发器国外材料的选用.....................................................................112.3.5升膜蒸发器国产化后材料的选用.............................................................122.4本章小结.............................................................................................................183MVR升膜蒸发器关键设备的结构分析与计算....................................................193.1MVR升膜蒸发器蒸发罐结构建模...................................................................193.1.1UGNX简介................................................................................................193.1.2MVR升膜蒸发器蒸发罐建模...................................................................193.2MVR升膜蒸发器蒸发罐结构分析优化...........................................................23In西安建筑科技大学硕士学位论文3.2.1Fluent简介...................................................................................................233.2.2MVR升膜蒸发器蒸发罐分析参数设定....................................................233.2.3鸭嘴管型蒸发罐分析..................................................................................243.2.4内伸管型蒸发罐分析..................................................................................373.2.5结果分析......................................................................................................503.3MVR升膜蒸发器设计计算准则及方法的选取...............................................523.3.1压力容器设计准则......................................................................................523.3.2压力容器设计方法......................................................................................523.3.3压力容器设计准则适用范围......................................................................533.3.4本课题设计方法及准则选取......................................................................533.3.5MVR升膜蒸发器换热器国产化后基本参数及技术特性........................563.3.6MVR升膜蒸发器蒸发罐国产化后基本参数及技术特性........................563.4本章小结.............................................................................................................574MVR升膜蒸发器关键设备的制造........................................................................584.1我国压力容器制造企业能力现状.....................................................................584.1.1我国压力容器制造企业现状......................................................................584.1.2国外压力容器法规简介..............................................................................584.1.3我国压力容器制造企业和境外发达国家相应的装备能力对比..............594.1.4本课题承接单位装备能力..........................................................................594.2压力容器制造基本要求及质量控制要点.........................................................604.2.1压力容器制造的基本要求..........................................................................604.2.2压力容器材料质量控制..............................................................................604.2.3压力容器焊接质量控制..............................................................................604.3MVR升膜蒸发器换热器的制造.......................................................................614.3.1制造技术的难点..........................................................................................614.3.2主要零部件的制造工艺..............................................................................614.3.3焊接工艺对设备总体质量的影响..............................................................704.3.4换热器制造工艺流程..................................................................................714.4MVR升膜蒸发器蒸发罐的制造.......................................................................744.4.1制造技术的难点..........................................................................................744.4.2主要零部件的制造工艺..............................................................................74IIn西安建筑科技大学硕士学位论文4.4.3焊接接头特点及质量控制.........................................................................774.4.4蒸发罐制造工艺流程.................................................................................794.5MVR升膜蒸发器管道组件的制造...................................................................814.5.1制造技术的难点.........................................................................................814.5.2主要零部件的制造工艺.............................................................................814.5.3管道组件制造工艺流程.............................................................................834.6本章小结.............................................................................................................835总结与展望..............................................................................................................845.1课题总结.............................................................................................................845.2课题展望...............................................................................................................85致谢................................................................................................................................86参考文献........................................................................................................................87附录一：攻读硕士学位期间参与的科研工作............................................................92附录二：攻读硕士学位期间发表论文........................................................................93附录三：MVR升膜蒸发器换热器主要部件强度计算..............................................943.1壳程圆筒强度计算...........................................................................................943.2壳程外导流筒强度计算..................................................................................953.3开孔补强计算..................................................................................................963.4管程下锥形封头强度计算..............................................................................983.5管程上锥形封头强度计算............................................................................1003.6管箱法兰稳定性计算....................................................................................1023.7换热管稳定性计算........................................................................................1043.8管板强度计算................................................................................................105附录四MVR升膜蒸发器蒸发罐主要部件稳定性计算.....................................1124.1筒体外压稳定性计算....................................................................................1124.2无折边锥型封头外压稳定性计算................................................................1134.3无折边锥形封头强度计算............................................................................1154.4开孔补强计算................................................................................................117IIIn西安建筑科技大学硕士学位论文1绪论1.1MVR系统原理及工艺1.1.1MVR系统原理简介MVR是机械蒸汽再压缩技术(MechanicalVapourRecompression)的简称，它是通过对蒸发浓缩过程产生的二次蒸汽冷凝潜热的重新利用来减少蒸发浓缩过程对外界能源需求的一项先进节能技术。作为一种高效的节能技术，它对二次蒸汽的热能回收利用率很高。机械蒸汽再压缩技术的理论基础是波义耳定律（Boyle'sLaw），即一定质量气体的体积与压强之积与温度成正比，当气体的压强增大、体积减小时，它的温度会随之升高。实际生产应用中，就是将由生产介质中蒸发而来的低压、低温的二次蒸汽通过机械再压缩以提高蒸汽的压力、热焓和温度，压缩后的蒸汽进入蒸发器与生产介质换热冷凝，在产生二次蒸汽的同时生产介质得以蒸发浓缩，从而确保系统内蒸汽潜热得到充分利用，MVR系统中蒸发及浓缩的[1,2-7]热流图见图1.1为。注：A稀料液体B蒸汽C浓料液体D能源E冷凝液体V热量消耗图1.1MVR蒸发浓缩热流图1n西安建筑科技大学硕士学位论文1.1.2MVR升膜蒸发器简介如图1.2所示，MVR升膜蒸发器由升膜蒸发器、蒸发罐、压缩机、循环泵及循环管道等组成。该设备主要用于溶液的浓缩，具体流程如图1.2所示。图1.2MVR升膜蒸发器系统工作流程图⑴物料原料流程通过换热器将氯化钠含量220g/L、温度55℃的物料预热升温至105℃后达到溶液的泡点温度时送入升膜蒸发器，物料在升膜蒸发器内加热时溶液呈膜状上升并伴随二次蒸汽的产生，二次蒸汽经升膜蒸发器的溶液出口进到蒸发罐中，经蒸发罐中气液分离器分离后，浓度达到315g/L的物料部分以完成液形式从蒸发罐下端排出；另一部分液体从气液分离器下方进入循环管经循环泵压缩后重新送入升膜蒸发器溶液进口进行循环浓缩。⑵二次蒸汽及生蒸汽流程冷启动开车MVR生产装置时，将升膜蒸发器内的循物料温度通过通入生蒸汽提高至不低于100℃，待物料蒸发产生二次蒸汽，二次蒸汽经过升膜蒸发器后进入蒸发罐，经分离器分离后的二次蒸汽经除氯离子处理、喷雾增湿后送入压缩机内加压升温后以高温蒸汽的形式作为升膜蒸发器加热热源，生蒸汽与部分二次蒸,汽及物料换热后以冷凝水形式排出，损失的热源由电加热器给出。这种连续蒸发浓缩装置实现了二次蒸汽压缩循环利用和浓缩液强制循环蒸[7,8-9]发，这种循环不仅结构新颖而且原料无浪费且连续性好。2n西安建筑科技大学硕士学位论文1.1.3MVR工业废水系统工艺流程高浓度含盐废水是废水处理中历史性的技术难题之一。国内外针对高浓度含盐废水的处理做出了许多努力，进行了大量的研究。目前，已发展起来的较多废水处理技术，如物理处理法化学处理法、物理化学法以及生物处理法等，对于高浓度含盐废水，由于含盐量大对处理带来了较大的难度，处理该类废水的能力有限。根据国内外有关研究报道，处理该类废水通常采用的方法主要有：生物法、离子交换法、膜法和蒸发法。上述方法中，离子交换法和生物法只适用于特定浓度含盐废水的处理，处理范围较窄且不彻底，只能去除部分溶质不能直接排放，仍需其他方法进一步处理。膜法虽然具有技术成熟、出水水质好、设备紧凑、占地面积小，并能回收有价值盐分等优点，但是要求废水进行严格的预处理，而且存在浓差极化、膜污染等制约因素，频繁更换价格昂贵的膜组件更会导致高昂的运行费用。尤其对于含盐浓度较高的废水，因膜承压能力有限导致废水浓缩比低，净水收率低，因而不适宜应用此法处理。MVR蒸发法处理废水范围广，净化效果好，能彻底去除废水中的大部分污染物，并能回收废水中有价值的成份。MVR蒸发法由于利用了二次蒸汽的热量，提高了能量的利用率，具有很大的节能效果。因此，对于处理高浓度含盐废水，这种方法要优于其它方法。MVR废水处理系统[10,11-14]工作流程如图1.3所示。图1.3MVR废水处理系统工作流程图废水进入系统，与返回母液和循环液混合后进入蒸发器，吸热蒸发。蒸发出的蒸汽（二次蒸汽）被压缩机吸入，经压缩升温升压后输入到蒸发器内放热3n西安建筑科技大学硕士学位论文冷凝，凝水可直接排放或作为其他工序用水。蒸发后的浓废水，浓度达到饱和溶解度时废水内溶解的溶质将以晶体的形式析出，这样浓废水就变成晶体和废水（母液）的混合物（晶浆）。晶浆由蒸发器排出，大部分作为循环液继续参与上述过程，另一小部分则排入分离机内。分离机将晶浆中的晶体和母液分离，分离出的母液返回到系统继续参与循环，而分离出的晶体则可以出售或回用。由此就实现了对高浓度含盐废水的盐、液分离。从整个过程可以看出，该方法对废水处理完全，可以将废水内的盐全部回收，产生的凝水可直接排放，实现[10，11-14]了零排放的目的。1.2课题研究的背景及意义1.2.1国内外MVR工业废水处理技术的发展概况国外对该技术的研究始于20年代。[15]AKoren机械蒸汽再压缩技术处理从原油中分离出来的工业废水，采用的两3-13-1台涡轮压缩机，蒸发器的蒸发能力分别为82.6m.h和83m.h。[16]BWTleimat等制造了用于处理废水的机械蒸汽再压缩工艺系统,蒸发器的-1单元的生产能力为11.6kg.h，人采用凸轮压缩机,机械蒸汽再压缩蒸发器采用刮膜式蒸发器,蒸发温度仅为50℃,每吨蒸发量的能耗约为20kW,最后结果显示废水回收率可达到98.6%。[17]JPBrouwer等采用机械蒸汽再压缩机技术对冶金工业废水的处理,他们分别釆用了3种工艺回收冶金工业的废水,其工艺分别为机械蒸汽再压缩蒸发、多效蒸-3-3-3法和冷冻法，回收废水的成本分别为13$/m、18$/m和18$/m。显然，机械蒸汽再压缩蒸发方法成本最低。[18]FaisalAL-Juwayel等研究了四种不同的蒸汽再压缩淡化系统。蒸汽再压缩方式有机械式、热力蒸汽式、吸收式和吸附式等四种方法。并对四种方法建立模型,对比分析,主要分析了能耗比、换热面积和冷却水流量等参数。研究结果表明机械蒸汽再压缩蒸发结构最简单,且不用冷凝水,节能效果也比较明显。[19]SamirEAly等研究利用蒸汽机的废能来驱动蒸汽压缩机,进行机械蒸汽再压缩海水淡化。经这样运行后每吨淡水能耗由原来的12.5kW降低到7.27kW，整个系统的效率由29%提升到56%。[20]AlyKarameldin等分析了利用风力资源发电来驱动机械蒸汽再压缩系统的可能性，分析了蒸发温度和传热温差对风力-机械蒸汽再压缩系统淡水产量的影响。4n西安建筑科技大学硕士学位论文为设计风力驱动机械蒸汽再压缩系统的实现提供理论依据。[21]TomasWitte等直接采用风能驱动压缩机，进一步分析进行机械蒸汽再压缩蒸发海水淡化，这样可以避免能量转换与输送的损失,系统效率更高。[22]AMHelal利用太阳能辅助柴油机发电驱动压缩机，实现了机械蒸汽再压缩海水淡化。[23]JGZaki等人报道了利用机械蒸汽再压缩工艺浓缩稀尿素废溶液，稀尿素的浓度由原5%浓缩至35%，经这样处理的浓缩液基本可以达到回收利用的要求。他们还对比研宄了机械压蒸汽再压缩和热力蒸汽再压缩之间的差异，与热力蒸汽再压缩相比,机械蒸汽再压缩投资高，但维护费低，热力蒸汽再压缩仅部分回收，二次蒸汽，机械蒸汽再压缩可以回收全部二次蒸汽。[24]SHayaniMounir等人用机械蒸汽再压缩工艺对浓缩废液过程进行了热力经济学分析。研究了蒸发冷凝温差对操作成本的影响，如蒸汽饱和温度升高8°C成本降低了3%；蒸汽流量增大一倍，成本升高24%，压缩机效率提高23.5%，总成本降低8%。从50年代国外开始将该技术逐渐运用于实际生产。1957年德国GEA（GlobalEngineeringAlliance）公司针对蒸发分离操作过程耗能高的问题，开发出了商业化的MVR蒸发系统。其后该公司一直致力于完善该项技术的研究，目前GEA的MVR系统已被应用于食品和饮料工业（牛奶、乳清、糖溶液的蒸发）、化学工业（水溶液的蒸发）、制盐工业（盐溶液的蒸发）、环保技术（废水的浓缩）等领域。1999年美国通用电气公司（GeneralElectricCompany，简称GE）开始对MVR在重油开采废水回收蒸发上的应用进行研发。目前开发出的MVR系统已应用于[25][26]重油开采废水回收处理中，据报道，该系统每蒸发1吨水大约消耗15~16.3kWh，其能耗要比由加热蒸汽驱动的单级蒸发系统低25到50倍。2000年美国Aqua-Pure公司开发出了由FountainQuailWaterManagement经营的采用MVR技术的NOMAD2000移动式油田蒸发器。该系统中蒸发器采用的是紧凑的板框式换热器并且采用升膜流向设计，这样沸腾发生在表面，最大限度的避免了污垢的产生和沉积。在对油田采出废水进行处理时，该系统每蒸发出1吨水需要消耗32.6kWh的热量，而在相同的情况下若采用传统的锅炉产汽蒸发则需要651kWh的热量，可见，MVR技术消耗的热量仅约为传统蒸发操作[27-28]的5%，效率显著提高。5n西安建筑科技大学硕士学位论文2004年美国AGVTechnologies公司在考虑了其他MVR技术基础之上结合自身技术优势，开发了一种新的定名为刮膜旋转盘的MVR水处理系统（WipedFilmRotatingDisk，即WFRD）。WFRD系统各效的传热面一改传统样式而采用旋转盘形式，提高了传热效率且减小了污垢的生成，降低了系统的规模，系统的[29-30]传热系数可达25kW·m-2·℃-1。除了上述主要的机构之外，欧洲奥地利的GIGKapasek、瑞士的EVATHERM、德国的MANDiesel﹠Turbo等也对MVR水处理技术进行了应用研究和推广。中[31]东一些国家则在致力于MVR技术在海水淡化领域的应用研究。可见，MVR技术已受到国外水处理领域的广泛关注，并不断得到认可和应用，尤其在海水淡化[32]领域，据统计，在世界范围内MVR技术在热分离系统中占有约33%的比例。近年来，国内一些学者也对MVR工业废水处理技术进行了一定的研究。[33]周桂英等人用MVR技术对麻黄素废液处理的蒸发实验。从实验数据可以发现机械蒸汽再压缩热泵工艺用于麻黄素旳蒸发,与三效、四效蒸发相比,节能率为45%～70%之间。[34]方建才将MVR蒸发器应用在工业氯化铵废水的处理中,针对MVR蒸发技术与多效蒸发进行了比较,MVR蒸发相对三效蒸发器节省了69.45%的标准煤，相对四效蒸发可节省60.72%的标准煤。[35]李清方等对汕田污水脱盐的机械蒸汽再压缩蒸发系统的分析，根据油田污水成分复杂，污染性强等特点，他们设计了油田污水脱盐MVC脱盐处理系统。通过质量、能力守恒方程建立数学模型对工艺进行模拟计算。从理论方面分析了蒸发温度、传热温差、压缩机功耗、蒸发器的换热面积对整个工艺系统的性能影响。与此同时，中国也有为数极少的公司开发了国产MVR蒸发器产品，并开始在市场上推广。相比之下，国内工业废水处理设备供应商的规模普遍较小，高端水处理技术、化学品和设备的研发实力偏弱，尤其是在核心水处理设备研制方面与国外专业水处理设备研制厂家存在较大差距。1.2.2课题的研究背景[36]2009年中国工业废水排放量240.2亿吨；2010年中国工业废水排放量237.5[37]亿吨；2011年中国工业废水排放量231亿吨。水污染物排放总量高居不下，导致水污染相当严重。工业废水量大、面广、成分复杂、毒性大、不易净化，且很[38]难处理是水域的重要污染源。这对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重的负面影响。工业废水处理厂响应十二五规划中对环境保护―提高污水治理的排放6n西安建筑科技大学硕士学位论文标准，加大再生水回用力度的要求‖，掀起废水处理设备升级改造新高潮。国内市[39-40]场未来几年对工业废水处理设备的需求量激增。MVR（蒸汽机械再压缩技术）主要应用在工业废水处理、食品深加工、奶制品行业和饮料等行业，它从2007年起开始从北美和欧洲进入中国市场。目前德国GEA、Messo和美国GE等公司垄断了该技术。该技术的前景被我国很多公司看好，但由于技术开发的实力有限，国内大型系统或全部进口或依靠国外设计并进口关键部件，小型系统依靠进口压缩机组装来实现，目前尚无完全独立开发的系[41,42-44]统，急需技术积累。1.2.3课题的研究意义本课题的研究，试图打破工业废水处理先进设备的研制技术为大型跨国水处理公司所垄断的局面，为我国在此类设备的研发、制造方面积累了经验，以期提高我国民族工业在工业废水处理设备研制领域的核心竞争力，从而为我国工业废水处理设备的普及节省大量外汇。1.3论文的研究思路及主要工作1.3.1论文的研究思路本文研究课题来源于生产实践，是生产中急待解决的工程技术问题。由于目前研究MVR水处理设备工艺的人员比研究MVR水处理设备的人多，对于MVR水处理设备的研发、制造经验非常少，本课题将以我国现行压力容器制造规范为依据，结合本单位多年的压力容器研制经验，从MVR升膜蒸发器的选材、强度计算、稳定性校核，制造工艺入手对国外先进MVR水处理设备进行一次国产化尝试。1.3.2论文的主要工作本文研究的主要内容包括：⑴MVR升膜蒸发器国产化材料的选用。⑵MVR升膜蒸系统发关键设备的的结构分析、优化、计算。⑶MVR升膜蒸发系统关键设备的制造。7n西安建筑科技大学硕士学位论文2MVR升膜蒸发器主体材料的选用2.1升膜蒸发器原始技术特性设备原始技术特性如表2.1所示。表2.1设备部分原始技术特性Designside1side2MediumBrineSteam3Density(Kg/m)max13001.288Oper.Pressure(bar(g))0.351.3Oper.Temperature(℃))115124Design.Pressure(bar(g))max+0.5min-0.3max+2.2min-0.5Design.Temperature(℃))max150min20max160min20CorrosionAllowance(mm)0.522.2升膜蒸发器结构只有与系统要求相匹配的设备结构才可以使得系统高效运行，因为较大的设备结构虽然可以满足系统的设计要求，却会造成系统投资成本增高，但是如果设[10]备结构较小则会导致无法实现设计要求。MVR升膜蒸发器简图见图2.1。.图2.1MVR升膜蒸发器简图8n西安建筑科技大学硕士学位论文2.2.1升膜蒸发器换热器选型升膜蒸发器换热器的设计至关重要，它设计的好坏直接影响到系统的性能。本课题系统中的升膜蒸发器换热器采用管壳式结构，该结构可以将物料加热到相应的温位，而具有加热器的作用。升膜蒸发器换热器的加热蒸汽为壳侧流体，废水为管侧流体，其结构简图如图2.2所示。图2.2MVR升膜蒸发器换热器简图2.2.2升膜蒸发器蒸发罐选型升膜蒸发器蒸发罐主要由筒体、进料管、除沫器和其他附件组成。主要的设计尺寸有：筒体直径、筒体高度、升膜蒸发器蒸发罐液面高度等。升膜蒸发器蒸发罐具体的结构约束简图如图2.3所示。图2.3MVR升膜蒸发器蒸发罐简图9n西安建筑科技大学硕士学位论文2.3升膜蒸发器国产化材料选用2.3.1国内外压力容器材料标准对比中国现行的压力容器用钢板标准有3个，GB713—2008《锅炉和压力容器用钢板》，GB3531—2008《低温压力容器用低合金钢钢板》，GB15189—2011《压力容器用调质高强度钢板》。欧洲压力容器用钢板标准包含在EN10028《压力容器用扁产品规范》中，此标准中的扁产品类型有热轧钢板/钢带、热轧卷材、热轧窄条钢。⑴标准的适用产品类型对比欧洲标准注重标准的通用性，钢板属于扁产品，按扁产品分类来制订，而国内标准则注重标准的专用性，针对钢板专门制订标准。⑵化学成分的对比与标准规定欧洲标准中的低合金高强度钢均为含有晶粒细化元素的钢种。欧洲标准侧重于晶粒细化元素的应用，从成分设计上，强调钢的可焊性，体现其细晶粒特征；另一个重要特征是体现氮的微合金化作用，提倡在含钒钢中加入氮，利用氮在钢中的作用，即促进碳氮化钒的析出，增强钒的沉淀强化作用，细化晶粒，从而大幅度提高钢的强度。中国的压力容器用低合金高强度钢在实际生产中虽然均按照可焊接细晶粒工艺生产，但在标准中并没有得到全部体现。如Q345R标准中没有强制规定细化晶粒元素含量，但生产厂在生产中却按照细晶粒工艺生产。⑶标准的允许偏差和表面质量对比欧洲EN10028-1通用标准和国内GB713—2008、GB3531—2008、GB15189—2011中均将厚度负偏差限定为-0.30mm，它们二者一致。欧洲EN10028—1要求对于EN10028—2至EN10028-6的钢板执行EN10028—2的B2级，而我国标准的表面质量则包含在各个产品标准中(其具体描述是一致的)。欧洲EN10028—1通用标准和国内标准都不允许存在裂纹、汽泡、折叠缺陷，钢板缺陷下的厚度和有害缺陷修磨后的厚度不得小于钢板标准偏差范围内的最小厚度。此外，不同厚度的钢板允许存在的缺陷深度都有具体规定。但是：GB15189—2011、GB3531—2008、GB713—2008不允许存在缺陷增加夹杂和结疤等，它们没提及焊接修理。而EN10028-2中明确规定，在合同中注明并获认可时，可采用焊接方法进行修理。这说明我国的材料标准规定的技术指标已经完全达到或超过了国际工业国家[45]29-34的水平，可以保证压力容器的应用条件。10n西安建筑科技大学硕士学位论文2.3.2国产压力容器材料质量普查根据质检特函【2006】17号文的要求，国家质检总局向全国27个省市433家锅炉压力制造厂发出了调查表，从返回的分布于22个省市的93份调查结果看，2004年钢板复验不合格率为0.037%，2005年为0.02%，2006年为0.06%。普查结果表明，2004、2005、2006三年钢板复验的不合格率仅占极小的比例，反映出近年来中国压力容器用钢板的质量具有很高的稳定性。2.3.3国产压力容器制造厂家使用材料质量抽查全国21家锅炉压力容器生产企业被由中国特种设备研究院和全国锅炉压力容器标准化技术委员会联合组成的六个调研小组分别调研。所选企业主要涵盖了锅炉压力容器生产企业非常密集的华东、东北、华北地区以及西北地区的锅炉压力容器生产企业，这些企业在使用材料和产品类型上具有一定代表性。它们的产品覆盖了锅炉压力容器主要基本类型。调研小组对锅炉压力容器用材料从订货、入厂复验、材料存放保管以及产品质量追踪进行了全面调研，以访谈、拍照、现场巡视等方式。为获得第一手的详尽的数据，对2004、2005、2006三年的材料采集了材料入库单和台账的数据，对质量证明书和复验报告的数据拍了照。材料的制造企业的制造水平非常稳定，质量证明书可以作为材料质量的可靠证明。材料复验数据和质量证明书的数据不仅有着非常好的符合度，而且复验数据的部分指标优于质量证明书的数据，对20R、16MnR（新标准牌号为Q345R）、[46]0Cr18Ni9三种材料的分析就说明了这一点。2.3.4升膜蒸发器国外材料的选用原设备按照国外设备制造要求设计，其材料均为国外牌号（见表2.2）。原设备钛板化学成和力学性能值见表2.3。表2.2升膜蒸发器改造前主体材料零部件名称材料名称规格（mm）管板CSwithTiGr2liningδ40+δ6换热管TiGr12φ38.1X1.2换热器管程筒体TiGr2δ6换热器壳程筒体C-steelδ12蒸发罐筒体CSwithTiGr2liningδ12+δ3主体法兰、焊环CSwithTiGr2接管,法兰、焊环CSwithTiGr211n西安建筑科技大学硕士学位论文表2.3ASMESB-265规范中Ti-Gr2与Ti-Gr12板材化学成和力学性能值公称化学TiMoNiFeCNHO其它元素成分Ti-Gr2基——≤0.3≤0.08≤0.03≤0.015≤0.25单个＜0.10Ti-Gr12基0.2-0.40.6-0.9≤0.3≤0.08≤0.03≤0.015≤0.25总和＜0.4力学性能Rm(MPa)Rp0.2(MPa)A50(%)Ti-Gr2345275-45020Ti-Gr1248334518表2.4为江苏宏宝集团有限公司提供的Gr12钛合金管与ASMESB-338规范中Ti-Gr12化学成分和力学性能值。表2.4ASMESB-338规范及江苏宏宝集团有限公司提供进口Ti-Gr12换热管值公称化学TiMoNiFeCNHO其它元素成分ASME单个＜0.10基0.2-0.40.6-0.9≤0.3≤0.08≤0.03≤0.015≤0.25规范（%）总和＜0.4试样（%）基0.280.750.120.0550.0180.0110.12力学性能Rm/σb(MPa)Rp0.2/σp0.2(MPa)A50/δ50(%)ASME48334518规范2.3.5升膜蒸发器国产化后材料的选用考虑到设备国产化后主要用于国内市场，在不降低原设备各项性能指标的前提下按照相关标准对主体材料进行了国产化代用，见表2.5。表2.5升膜蒸发器国产化后拟采用主体材料零部件名称材料名称规格（mm）管板Q345R+TA10δ40+δ6换热管TA10φ38.1X1.2换热器管程筒体TA2δ6换热器壳程筒体Q345Rδ12蒸发罐筒体Q345R+TA2δ12+δ3主体法兰、焊环Q345R、TA10接管,法兰、焊环Q345R、TA2TiGr2(Grade2)类似于我国的TA1(工业纯钛)，拟采用TA2(工业纯钛)来替代。TiGr12(Grade12)拟采用TA10(Ti-0.3Mo-0.8Ni)替代。C-steel拟采用Q345R替代。Q345R为345Mpa级合金结构钢，具有良好的综合工艺性能和机械性能，低的冲击韧性和耐大气海水腐蚀能力。这类钢在石油化工[47]工业中被广泛应用于压力容器。对拟采用的材料力学性能采用SANS微机控制电子万能实验机进行检验，试验[48]机如图2.4所示，按GB/T228.1-2010规定进行拉伸试验。12n西安建筑科技大学硕士学位论文图2.4SANS微控控制电子万能实验机试样拉伸实验结束后，采用JSM-6480扫描电子显微镜进行断口分析，JSM-6480扫描电子显微镜见图2.5。图2.5JSM-6480扫描电子显微镜对于接头的金相组织结构的分析采用LEICAMEF4A金相显微镜如图2.6。图2.6LEICAMEF4A金相显微镜13n西安建筑科技大学硕士学位论文2.3.5.1管板基层材料的选用表2.6为拟采用的Q345R管板基层，采用河北钢铁集团舞阳钢铁有限责任公司[49]厚度40mm的B1级m态钢板，其化学成分及力学性能见表2.6、2.7所示。表2.640mm管板Q345R基层化学成分%公称化学成分CSiMnPSAl其它质量证明文件值0.180.371.360.0110.0030.025GB713-2008值≤0.2≤0.551.2-1.6≤0.025≤0.015≥0.020表2.740mm管板Q345R(16MnR)基层力学性能拉伸试验弯曲试验冲击试验AKV0Rm(MPa)Rel(MPa)A%b=2a180d=3a℃J质量证明文件值55538523.50172154138合格GB713-2008值490-62031521≥34试样值55535832.5—从表2.6数据可以看出，管板基层的材料力学各项指标均高于标准值，材料的化学成分和标准值相差无几。图2-7为管板基层金相照片，由图可见，白色的为铁素体，黑色的为珠光体，钢板组织为铁素体与珠光体混合物，晶粒较未处理钢板有所减小，说明正火处理后的管板基层晶粒长大倾向较小，在空冷后形成了较细小的晶粒，钢板的韧性得到了提高。图2.8为管板基层拉伸试样力/变形曲线。图2.7(a)40mm管板基层50X图2.7(b)40mm管板基层200X图2.7(c)40mm管板基层500X图2.840mm管板基层拉伸试样力/变形曲线14n西安建筑科技大学硕士学位论文2.3.5.2壳体材料的选用国产化后的Q345R壳程筒体拟采用河北钢铁集团舞阳钢铁有限责任公司厚度12mm的热轧钢板，其化学成分及力学性能见表2.8、2.9所示。表2.812mmQ345R壳体化学成分%公称化学成分CSiMnPSAl其它质量证明文件值0.180.431.330.0180.0030.025GB713-2008值≤0.2≤0.551.2-1.6≤0.025≤0.015≥0.020表2.912mmQ345R壳体力学性能拉伸试验弯曲试验冲击试验AKV0Rm(MPa)Rel(MPa)A%b=2a180d=3a℃J质量证明文件值5804453008210772GB713-2008值510-64034521合格≥34试样值54835735.5—从表2.9数据可以看出，壳体的材料力学各项指标均高于标准值，材料的化学成分和标准值相差无几。图2.9为壳体金相照片，由图可见，白色的为铁素体，黑色的为珠光体，钢板组织为带状分布的铁素体与珠光体混合物，有混晶组织，说明晶粒较正火处理后的晶粒粗大，与图2.7相比，未热处理钢板抗拉强度高，屈服强度较高。图2.10为壳体拉伸试样力/变形曲线。图2.9(a)12mm壳体50X图2.9(b)12mm壳体200X图2.9(c)12mm壳体500X图2.1012mm壳体拉伸试样力/变形曲线2.3.5.3管板覆层材料的选用国产化后的管板覆层采用宝钛集团厚度6mm的TA10板，其化学成分及力学性能见表2.10所示。15n西安建筑科技大学硕士学位论文表2.10管板TA10覆层化学成分及力学性能公称化学成分TiMoNiFeSiCNHO其它试样上部（%）基0.350.760.04—0.02＜0.010.0010.08＜0.10试样下部（%）基0.340.800.04—0.010.010.0010.08＜0.4试样状态Rm(MPa)Rp0.2(MPa)A5(%)MT143536032.0T244037532.02.3.5.4管箱材料的选用国产化后的管箱筒体采用宝钛集团生产的厚度6mmTA2板，其化学成分及力学性能见表2.11所示。表2.11管箱筒体用TA2化学成分及力学性能公称化学成分TiNiFeSiCNHO其它试样上部（%）基0.760.08—0.010.01＜0.0010.13＜0.10试样下部（%）基0.800.08—0.020.02＜0.0010.14＜0.4试样状态Rm(MPa)Rp0.2(MPa)A5(%)MT145538532.0T245539031.5图2.11TA250X从表2.11及图2.11数据可以看出，TA2材料组织为单一的α相。管箱的材料力学[50]各项指标均高于标准值，材料的化学成分在标准值规定范围之内。2.3.5.5换热管材料的选用国产化后的换热管选用宝钛股份的材料，其化学成分及力学性能见表2.12。表2.12TA10换热管化学成分公称化学成分TiMoNiFeCNHO其它元素试样上部（%）基0.330.700.110.020.020.0040.10试样中部（%）基0.330.73—————单个＜0.10试样下部（%）基0.330.720.110.020.02—0.10总和＜0.4对换热管截取拉伸试样，按GB/T228.1-2010规定进行拉伸试验后，与原材料质量证明文件提供的材料性能指标进行对比。图2.12为Ø38×1.2的TA10换热管拉伸试验。16n西安建筑科技大学硕士学位论文图2.12(a)拉断前图2.12(b)拉断后换热管力学性能见表2.13所示。表2.13Ø38×1.2TA10换热管力学性能试样状态Rm/σb(MPa)Rp0.2/σb(MPa)A50/δ50(%)熔炼方式质量证明文件值T1555—26.5EBT2570—24.0试样值69244740.0GB/T3625-2007值≥460≥300≥18JB/T4745-2002值440320_GB/T3625-95值≥460—≥18图2.13为换热管断口处金相照片，由图可见TA10合金为近α合金，组织以α相为主，在晶界处有多个球状的β组织，合金的晶粒比较稳定，这是因为金属间化合物Ti2(Ni、Mo、Fe)的析出显著抑制了晶粒的长大。图2.15为换热管负荷伸长曲线图。从表2.13数据及图2.15可以看出，换热管的材料各项指标均高于标准值。图2.13(a)换热管50X图2.13(b)换热管200X图2.13(c)换热管500X图2.15换热管负荷伸长曲线图17n西安建筑科技大学硕士学位论文2.4本章小结随着我国压力容器用材制造标准及材料性能的逐年提高，国内材料完全可以达到甚至超过国外对应牌号材料的性能指标。GB/T3620.1-2007中压力容器所用的[51]δ6mmTA2板，δ12mmTA10板及Ø38.1x1.2TA10换热管的化学成分与ASTM中的[52]对照牌号的化学成分完全相同，力学性能的指标也更接近。GB713-2008中δ6mmQ345R热轧板及δ40mm正火板各项性能指标均达到设计生产要求。以上国产化所选用材料完全能够满足本课题设计、使用要求。18n西安建筑科技大学硕士学位论文3MVR升膜蒸发器关键设备的结构分析与计算3.1MVR升膜蒸发器蒸发罐结构建模建模分析主要是利用计算机辅助技术对设备关键部位进行三维建模以直观显示结构模型，同时对设计结构进行分析以验证设备结构的性能与合理性。建模一般由专业建模软件完成实体建模。目前，国内外有很多建模软件，比较著名的如UGNX、CATIA、Pro/E等。本课题选用UGNX8.0完成实体建模。3.1.1UGNX简介UG从CAM发展而来。20世纪70年代，美国麦道飞机公司成立了解决自动编程系统的数控小组，后来发展成为CAD/CAM一体化的UG1软件。90年代被EDS公司收并，为通用汽车公司服务。2007年5月正式被西门子收购；因此，UG有着美国航空和汽车两大产业的背景。自UG19版以后，此产品更名为NX。NX是UGS新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。NX独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。NX可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。NX建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。NX使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。作为当今世界最先进的设计软件，UGNX8.0广泛应用于航空航天、汽车制造、[53]机械电子等工程领域，它是集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化软件。3.1.2MVR升膜蒸发器蒸发罐建模MVR升膜蒸发器主要由MVR升膜蒸发器换热器、MVR升膜蒸发器蒸发罐、循环管道和循环压缩泵组成。对于换热器及循环压缩泵的优化已经有不少学者进行了研究，本课题针对国外两套升膜蒸发系统中蒸发罐蒸汽进口（鸭嘴管进口结构和内伸管进口结构）的结构进行了建模。3.1.2.1鸭嘴管型蒸发罐根据原始设备尺寸参数，在NX8.0建模环境下建立本课题所选MVR升膜蒸发器蒸发罐蒸汽进口的鸭嘴管、鸭嘴管隔板及蒸汽出口的常规接管法兰模型。如图3.1~3.2所示。19n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.1蒸汽进口鸭嘴管结构图3.2蒸汽进口鸭嘴管内隔板在装配环境下构建蒸汽进口、循环出口、壳体、锥体的装配体模型，依次添加组件模型，在组件间施加同轴与对齐等约束，完成对组件间约束，所建模型如图3.3~3.5所示。图3.3蒸汽进口鸭嘴管组件结构图3.4蒸汽出口结构图3.5循环口结构各组件加入到总装配体后，施加对齐，平行、同轴、距离等约束后，完成组20n西安建筑科技大学硕士学位论文件间约束处理，最终得到鸭嘴管型蒸发罐三维模型如图3.6所示。图3.6鸭嘴管型蒸发罐装配模型由模型图可以看出，鸭嘴管型蒸发罐结构紧凑便于加工装配。3.1.2.2内伸管型蒸发罐根据原始设备尺寸参数，在NX8.0建模环境下建立本课题所选MVR升膜蒸发器蒸发罐蒸汽进口的内伸管、蒸汽出口及锥体模型。如图3.7~3.9所示。图3.7蒸汽进口内伸管结构21n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.8内伸管结构蒸发罐锥体图3.9内伸管结构蒸发罐循环出口图3.10内伸管结构蒸发罐22n西安建筑科技大学硕士学位论文由模型图可以看出，内伸管结构蒸发罐内伸部位结构变形较大，不利加工装配。3.2MVR升膜蒸发器蒸发罐结构分析优化ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC是目前最流行的有限元分析软件，其中ANSYS在计算机资源的利用，用户界面开发等方面做出了较大贡献，在致力于线性分析的用户中也具有很好的声誉。[54]本课题分析软件选用ANSYS里的Fluent模块。3.2.1Fluent简介以理论流体力学和数学分析方法为基础，求解Navier-Stokes方程来计算内部流场的速度、温度及压力场的Fluent是计算流体力学（CFD）商用软件。Fluent能达到最佳的收敛速度和求解精度是由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术。我们之所以能直观的对流道内介质的流动情况进行分析，找出设计的缺陷并提出合理的改进方案和措施，以达到改进设计的目的是因为利用Fluent软件进行内部的流动模拟。这种数值模拟的方法，应用也越来越广泛，它大大缩短了设计的周期，也降低了设计成本。Fluent在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用得益于灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模[55-56]型。3.2.2MVR升膜蒸发器蒸发罐分析参数设定为了便于分析，本课题以拟选用的鸭嘴管型蒸发罐的基本参数作为分析时的材料性质，以鸭嘴管型蒸发罐的技术特性作为分析的边界条件，假定一个相同的初始条件，分别在鸭嘴管进口和内伸管进口通入试验介质。在蒸发罐正下方设置一个蓄池以方便观察模拟结果。通过Flunt对鸭嘴管结构和内伸管结构进行了数值模拟，选取分析过程中6个状态为观察点，分别以‖gas‖和‖na‖在不同时间点的速度云图和相变云图为依据，对鸭嘴型蒸发罐和内伸管型蒸发罐进行了观测，得到不同状态下的速度云图和相云图。如图3.11~3.26所示。其中‖gas‖代表气相水蒸汽，简称―气相‖，‖na‖代表物相盐水蒸汽，简称―物相‖。23n西安建筑科技大学硕士学位论文3.2.3鸭嘴管型蒸发罐分析图3.11为鸭嘴管型蒸发罐结构初始状态。由图可见，初始状态反应容器为空，无NaCl和蒸汽。图3.11鸭嘴管结构初始状态图3.12为鸭嘴管型蒸发罐结构网格划分简图。图3.12鸭嘴管结构网格划分图24n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.13为鸭嘴管状态1，由图3.13(a)可见，在运行到Time=2.0000e+00时，鸭嘴管入口处气相流速较大，而循环出口处的速度则略低，蒸发罐内气相流速总体很低，蓄池内无变化。图3.13(a)Gas-速度1由图3.13(b)可见，在运行到Time=2.0000e+00时，鸭嘴管入口处物相流速较大，而循环出口处的速度则略低，蒸发罐内物相流速低。图3.13(b)NaCl-速度125n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.13(c)可见，在运行到Time=2.0000e+00时，鸭嘴管入口处气相浓度最大，气相在蒸发室上方除沫器位置浓度较大，这部分气相将经除沫器处理后作为升膜蒸发换热器的热源被重复利用。而另一部分气相则进入蒸发室下方的蓄池，蓄池内气象浓度稳定增大。图3.13(c)Gas-相变1由图3.13(d)可见，在运行到Timee=2.0000e+00时，蒸发罐内部物相浓度较低，仅在鸭嘴管进口附近有少量物相，蓄池内无变化。图3.13(d)NaCl-相变126n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.14为鸭嘴管状态2，由图3.14(a)可见，在运行到Time=3.0000e+00时，鸭嘴管入口处气相流速较大，而循环出口处的速度则略低，蓄池内无变化。图3.14(a)Gas-速度2由图3.14(b)可见，在运行到Time=3.0000e+00时，鸭嘴管入口处物相流速较大，而循环出口处的速度则略低，蓄池内无变化。图3.14(b)NaCl-速度227n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.14(c)可见，在运行到Time=3.0000e+00时，鸭嘴管入口处气相浓度大，气相在蒸发室上方除沫器位置浓度降低，而另一部分气相则进入蒸发室下方的蓄池。图3.14(c)Gas-相变2由图3.14(d)可见，在运行到Time=3.0000e+00时，蒸发罐内部物相浓度开始增加，蓄池内开始有物相增加。图3.14(d)NaCl-相变228n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.15为鸭嘴管状态3，由图3.15(a)可见，在运行到Time=4.0000e+00时，鸭嘴管入口处气相流速依旧较大，而循环出口处的速度则略有增加，蓄池内无变化。图3.15(a)Gas-速度3由图3.15(b)可见，在运行到Time=4.0000e+00时，鸭嘴管入口处物相流速较大，而循环出口处的速度开始增加，蒸发罐内物相浓度开始变化，蓄池内无变化。图3.15(b)NaCl-速度329n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.15(c)可见，在运行到Time=4.0000e+00时，鸭嘴管入口处气相浓度大，气相在蒸发室上方除沫器位置浓度进一步降低，而另一部分气相则进入蒸发室下方的循环出口的气相浓度继续降低，蓄池内开始有持续气相。图3.15(c)Gas-相变3由图3.15(d)可见，在运行到Time=4.0000e+00时，蒸发罐内部物相浓度开始均匀分布，物相进一步增加，蓄池内物相浓度持续增加。图3.15(d)NaCl-相变330n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.16为鸭嘴管状态4，由图3.16(a)可见，在运行到Time=8.0000e+00时，鸭嘴管入口处气相流速依旧较大，而循环出口处的速度则略有降低，蒸发罐内部气相浓度低，蓄池内无变化。图3.16(a)Gas-速度4由图3.16(b)可见，在运行到Time=8.0000e+00时，鸭嘴管入口处物相流速降低，而循环出口处的速度也开始降低，蓄池无变化。图3.16(b)NaCl-速度431n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.16(c)可见，在运行到Time=8.0000e+00时，鸭嘴管入口处气相浓度大，气相在蒸发室上方除沫器位置浓度进一步降低，而蓄池内的气相浓度低。图3.16(c)Gas-相变4由图3.16(d)可见，在运行到Time=8.0000e+00时，蒸发罐内部物相浓度已经均匀分布，物相进一步增加，蓄池物相浓度持续增加。图3.16(d)NaCl-相变432n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.17为鸭嘴管状态5，由图3.16(a)可见，在运行到Time=3.5000e+01时，鸭嘴管入口处气相流速降低，而循环出口处的速度则略有升高，蒸发罐内部气相流速很小，蓄池无变化。图3.17(a)Gas-速度5由图3.17(b)可见，在运行到Time=3.5000e+01时，鸭嘴管入口处物相流速降低，而循环出口处的速度也开始降低，蓄池内无变化。图3.17(b)NaCl-速度533n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.17(c)可见，在运行到Time=3.5000e+01时，鸭嘴管入口、循环出口处气相浓度达最大值，气相在蒸发室内部整体浓度大大增加，蓄池内气象浓度持续增大。图3.17(c)Gas-相变5由图3.17(d)可见，在运行到Time=3.5000e+01时，蒸发罐内部物相浓度大大降低，蓄池内物相开始沉淀。图3.17(d)NaCl-相变534n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.18鸭嘴管状态6，由图3.18(a)可见，在运行到Time=5.5000e+01时，鸭嘴管入口处气相流速降低，而循环出口处的速度则略有升高，蒸发罐内部气相流速降低，蓄池无变化。图3.18(a)Gas-速度6由图3.18(b)可见，在运行到Time=5.5000e+01时，鸭嘴管入口处物相流速降低，而循环出口处的速度也开始增加，蓄池无变化。图3.18(b)NaCl-速度635n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.18(c)可见，在运行到Time=5.5000e+01时，鸭蒸发罐内气相浓度达最大值，蓄池内气象浓度持续增加。图3.18(c)Gas-相变6由图3.18(d)可见，在运行到Time=5.5000e+01时，蒸发罐内部物相浓度降至最低，蓄池内持续产生物相。图3.18(d)NaCl-相变636n西安建筑科技大学硕士学位论文3.2.4内伸管型蒸发罐分析图3.19为内伸管蒸发罐结构初始状态。图3.19内伸管结构初始状态图3.20为内伸管蒸发罐网格划分图。图3.20内伸管结构网格划分图37n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.21为内伸管状态1由图3.21(a)可见，在运行到Time=2.0000e+00时，内伸管内伸直段处气相流速较大，而循环出口处的速度则很低，蒸发罐内气相流速总体很低，蓄池无变化。图3.21(a)Gas-速度1由图3.21(b)可见，在运行到Time=2.0000e+00时，内伸管入口处物相流速较大，而循环出口处的速度则略低，蒸发罐内物相流速低，蓄池无变化。图3.21(b)NaCl-速度138n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.21(c)可见，在运行到Time=2.0000e+00时，内伸管入口处气相浓度最大，气相在内伸管右侧位置浓度较大，这部分气相将经除沫器处理后作为升膜蒸发换热器的热源被重复利用。而另一部分气相则进入蒸发室下方的蓄池。图3.21(c)Gas-相变1由图3.21(d)可见，在运行到Time=2.0000e+00时，蒸发罐内部物相浓度较低，仅在循环出口附近有少量物相，蓄池内有少量物相。图3.21(d)NaCl-相变139n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.22为内伸管状态2，由图3.22(a)可见，在运行到Time=3.5000e+00时，内伸管直段处气相流速较大，而循环出口处的速度则略低，蓄池无变化。图3.22(a)Gas-速度2由图3.22(b)可见，在运行到Time=3.5000e+00时，内伸管直段处物相流速较大，而循环出口处的速度则略低，蓄池无变化。图3.22(b)NaCl-速度240n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.22(c)可见，在运行到Time=3.5000e+00时，整个内伸管内气相浓度大，气相在蒸发室上方除沫器位置浓度低，而另一部分气相则进入蒸发室下方的蓄池。图3.22(c)Gas-相变2由图3.22(d)可见，在运行到Time=3.5000e+00时，蒸发罐内部物相浓度开始增加，内伸管内无物相，出料管下方蓄池内物相浓度开始增加。图3.22(d)NaCl-相变241n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.23为内伸管状态3，由图3.23(a)可见，在运行到Time=5.0000e+00时，内伸管入口处气相流速依旧较大，而循环出口处的速度则略有降低，蓄池开始有气象出现。图3.23(a)Gas-速度3由图3.23(b)可见，在运行到Time=5.0000e+00时，内伸管入口处物相流速较大，而循环出口处的速度有降低，蒸发罐内物相浓度开始变化，蓄池开始有物相出现。图3.23(b)NaCl-速度342n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.23(c)可见，在运行到Time=5.0000e+00时，内伸管内部气相浓度大，气相在蒸发室上方除沫器下方位置浓度进一步降低，蓄池气象稳定增加。图3.23(c)Gas-相变3由图3.23(d)可见，在运行到Time=5.0000e+00时，蒸发罐内部物相浓度开始均匀分布，物相进一步增加，遍布内伸管以外的区域，出料管下方蓄池内物相浓度持续增高。图3.23(d)NaCl-相变343n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.24为内伸管状态4，由图3.24(a)可见，在运行到Time=7.0000e+00时，内伸管入口处气相流速降低，而循环出口处的速度则略有增加，蒸发罐内部气相浓度低，蓄池无变化。图3.24(a)Gas-速度4由图3.24(b)可见，在运行到Time=7.0000e+00时，内伸管入口处物相流速降低，而循环出口处的速度也较低，蓄池无变化。图3.24(b)NaCl-速度444n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.24(c)可见，在运行到Time=7.0000e+00时，鸭嘴管入口处气相浓度达到最大，气相在蒸发室上方除沫器位置浓度进一步降低，蓄池内的气相浓度非常低。图3.24(c)Gas-相变4由图3.24(d)可见，在运行到Time=7.0000e+00时，蒸发罐内部物相浓度已经均匀分布，出料管下方蓄池内物相浓度进一步增加。图3.24(d)NaCl-相变445n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.25为内伸管状态5，由图3.25(a)可见，在运行到Time=2.3500e+01时，内伸管入口处气相流速升高，而循环出口处的速度则略有降低，蒸发罐内部气相流速小。图3.25(a)Gas-速度5由图3.25(b)可见，在运行到Time=2.3500e+01时，内伸管入口处物相流速降至最低，而循环出口处的速度也开始降低。图3.25(b)NaCl-速度546n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.25(c)可见，在运行到Time=2.3500e+01时，内伸管入口、循环出口处气相浓度达最大值，气相在蒸发室内部内伸管至循环出口一侧浓度大大增加。图3.25(c)Gas-相变5由图3.25(d)可见，在运行到Time=2.3500e+01时，蒸发罐内部物相浓度大大降低，蓄池内物相浓度开始稳定增加。图3.25(d)NaCl-相变547n西安建筑科技大学硕士学位论文图3.26为内伸管状态6，由图3.26(a)可见，在运行到Time=7.5500e+01时，内伸管入口处气相流速降低，而循环出口处的速度稳定，蒸发罐内部气相流速降至最低。图3.26(a)Gas-速度6由图3.26(b)可见，在运行到Time=7.5500e+00时，内伸管入口处物相流速很小，而循环出口处的速度开始增加，蒸发罐内物相流速降至最低。图3.26(b)NaCl-速度648n西安建筑科技大学硕士学位论文由图3.26(c)可见，在运行到Time=7.5500e+01时，内伸管型蒸发罐内气相浓度达最大值，蓄池内开始有稳定增加的气相浓度。图3.26(c)Gas-相变6由图3.26(d)可见，在运行到Time=7.5500e+01时，蒸发罐内部物相浓度降至最低，内伸管进口、循环出口物相浓度恒定。图3.26(d)NaCl-相变649n西安建筑科技大学硕士学位论文3.2.5结果分析3.2.5.1鸭嘴管型蒸发罐结构分析鸭嘴管型蒸发罐结构参见图3.11~3.18。⑴图3.11~3.18(a)Gas-速度1~(a)Gas-速度6为气相变化情况，由图可见气相由左侧鸭嘴管进入蒸发罐，从右侧循环管喷出，在此过程中，部分气相沿蒸发罐右侧罐体内壁上升，下降，最终充满罐体内壁。由图可知，鸭嘴管和循环管内气相流速最快，蒸发罐中部气相流速最慢。⑵图3.11~3.18(b)NaCl-速度1~(b)NaCl-速度6为物相变化情况，由图可见物相由左侧鸭嘴管进入蒸发罐，从右侧循环管流出，在此过程中，部分物相沿蒸发罐右侧罐体内壁，下降，最终充满罐体下半部内壁。由图可知，鸭嘴管和循环管内物相流速最快，蒸发罐中部物相流速最慢。⑶图3.11~3.18(c)Gas-相变1~(c)Gas-相变6为气相变化情况，由图可见开始时在蒸发罐上部中央部位及蓄池中央部位气相浓度较高，随着时间的推移，蒸发罐内逐渐被气相所充满，在Time=3.5000e+01时气相浓度达最大值，之后蒸发罐内气相逐渐稳定，高浓度气相聚集在循环管出口处并进入循环管道参与下一次循环。⑷图3.11~3.18(d)NaCl-相变1~(d)NaCl-相变6为物相变化情况，由图可见物相由左侧鸭嘴管进入蒸发罐，从右侧循环管流出，在运行至Time=3.0000e+00时，物相开始聚集在蓄池下部，之后逐渐充满罐体和蓄池的内壁，最终随着浓度的增加物相聚集在蓄池底部。⑸由图3.11~3.18(a)Gas-速度1~(a)Gas-速度6和图3.11~3.18(c)Gas-相变1~(c)Gas-相变6同一时间的对比情况可发现，随着蒸发罐内气相浓度逐渐增大至饱和值后，鸭嘴管进口气相直接进入循环管出口不再参与蒸发罐内的循环。⑹由图3.11~3.18(b)NaCl-速度1~(b)NaCl-速度6和图3.11~3.18(d)NaCl-相变1~(d)NaCl-相变6同一时间的对比情况可发现，随着蒸发罐内物相浓度逐渐均匀后，蓄池底部沉淀出物相，鸭嘴管进口物相直接进入循环管出口不再参与蒸发罐内的循环。3.2.5.2内伸管蒸发罐结构分析内伸管蒸发罐结构参见图3.19~3.26。⑴图3.19~3.26(a)Gas-速度1~(a)Gas-速度6为气相变化情况，由图可见气相由右侧伸入管进入蒸发罐，从左侧循环管喷出，在此过程中，部分气相沿蒸发罐50n西安建筑科技大学硕士学位论文右侧罐体内壁上升，下降，最终充满罐体内壁。由图可知，伸入管和循环管内气相流速最快，蒸发罐中、下部气相流速最慢。⑵图3.19~3.26(b)NaCl-速度1~(b)NaCl-速度6为物相变化情况，由图可见物相由右侧伸入管进入蒸发罐，从左侧循环管流出，在此过程中，伸入管物相速度逐渐降低，最终不再流动，循环管物相流速逐渐增高，最终稳定高速流动。⑶图3.19~3.26(c)Gas-相变1~(c)Gas-相变6为气相变化情况，由图可见开始时在蓄池中央部位气相浓度较高，随着时间的推移，蒸发罐内逐渐被气相所充满，在Time=3.5000e+01时气相浓度达最大值，之后蒸发罐内气相逐渐稳定，伸入管气相浓度加大，蒸发罐内气相浓度恒定不变，当蒸发罐内气相浓度平衡后，伸入管进入的气相直接经由循环管流出，不再参与蒸发罐内循环。⑷图3.19~3.26(d)NaCl-相变1~(d)NaCl-相变6为物相变化情况，由图可见物相由右侧伸入管进入蒸发罐，从左侧循环管流出，在运行至Time=3.5000e+00时，物相开始聚集在蒸发罐内及蓄池内，随着时间的推移，蒸发罐内物相浓度逐渐增大至平衡值，循环出口物相浓度远大于伸入管。待蒸发罐内物相浓度平衡后，物相浓度逐渐降低，伸入管及循环管内物相浓度不再变化。⑸由图3.19~3.26(a)Gas-速度1~(a)Gas-速度6和图3.19~3.26(c)Gas-相变1~(c)Gas-相变6同一时间的对比情况可发现，随着蒸发罐内气相浓度逐渐增大至饱和值后，伸入管进口气相直接进入循环管出口不在参与蒸发罐内的循环。⑹由图3.19~3.26(b)NaCl-速度1~(b)NaCl-速度6和图3.19~3.26(d)NaCl-相变1~(d)NaCl-相变6同一时间的对比情况可发现，随着蒸发罐内物相浓度逐渐均匀后，蓄池底部沉淀出物相，伸入管进口物相浓度降低，循环出口物相浓度增大，蒸发罐内部物相自行沉淀，不再接收伸入管来料，直至循环出口物相浓度与蒸发罐内及伸入管浓度平衡。综合上述结论，经对比分析后可发现：⑴单位周期内，鸭嘴管型蒸发罐对物相的利用效率低于伸入管型蒸发罐。⑵鸭嘴管型蒸发罐鸭嘴管进口及循环出口的物料运行速率稳定，罐内物料运行至平衡点后会将鸭嘴管进口物料直接运送至循环出口进行下一次压缩循环，适合长期运行。⑶伸入管型蒸发罐物料运行至平衡后会停止接收外来物料，直至罐内物料浓度降低至一定值后才会重新开始接收伸入管口的来料，适合短期运行。51n西安建筑科技大学硕士学位论文3.3MVR升膜蒸发器设计计算准则及方法的选取3.3.1压力容器设计准则⑴弹性失效设计准则只要达到材料的屈服强度，压力容器就失效。弹性失效设计准则适用于沿壁厚方向各处应力相等的构件，如内压薄壁圆筒。压力容器工作时的应力为复杂应力，而压力容器通常采用韧性材料制造。根据复杂应力强度理论，第一、二强度理论适于脆性材料，第三、四强度理论适于韧性材料，故第三、四强度理论适于压力容器设计⑵塑性失效设计准则只有壁厚方向各处的应力都达到屈服强度（全屈服），压力容器才失效。对于厚壁压力容器，当内壁处屈服时，外壁处仍为弹性状态甚至不受力，若按弹性设计准则设计，得到的壁厚值会很大，造成浪费。塑性失效设计则适于厚壁压力容器设计。⑶爆破失效设计准则只要达到材料的断裂强度，压力容器在介质压力作用下就爆破失效。压力容器常用韧性材料制造，其断裂强度一般大于屈服强度，再考虑应变硬化现象和较大的壁厚，断裂强度要大于全屈服强度。比按塑性失效设计准则算出的壁厚更薄，更经济的方法是按爆破失效设计准则设计厚壁压力容器的壁厚。3.3.2压力容器设计方法⑴规则设计方法我国的GB150、美国的ASMEVIII-1以及日本JISB8265第2、3种容器设计即属此类。采用弹性失效准则，对容器各处实际存在的应力一般不进行严格而详细的计算，在对材料、结构、制造、检验等做出相应限定后，用比较简单的计算公式确定元件厚度以确保容器安全性的设计方法。⑵分析设计法我国的JB4732、美国的ASMEVIII-2以及日本JISB8265第1种容器设计即属分析设计法。设计容器大多数可能失效模式中，采用弹塑性失效准则对容器各处应力进行比较严格而详细的计算，并针对不同应力在各失效模式中所起的不同作用而采用不同的限制条件，对材料、结构、制造和检验的要求也相对较高、较严格的设计方案。52n西安建筑科技大学硕士学位论文⑶试验方法对某些难以用解析方法或者数值方法进行应力分析的压力容器元件，借助应力测定或验证性压力试验等以证实该元件的结构参数是否合理或确定其最大许用工作压力的方法。在国外的先进国家的技术标准中均给出了相应的方法和评价准则，目前我国尚未提供此类方法。⑷可对比经验设计方法对某些难以用解析方法进行应力分析的压力容器元件，设计的容器具有长期使用经验且容器结构复杂难以确定结构要素的可借助在用容器的使用经验证明该元件的结构参数是否合理或确定其最大许用工作压力。可对比经验设计属于经验[46][57]设计范畴。3.3.3压力容器设计准则适用范围⑴按弹性失效设计准则中的最大拉应力设计准则——内压容器⑵按稳定失效设计准则——外压容器⑶采用多种修正系数——产生边缘应力的局部3.3.4本课题设计方法及准则选取对于规则设计的压力容器，各国的设计准则基本上是一样的，其强度理论、所考虑的失效模式、确定许用应力的考虑因素基本上也是一致的。根据研究，目前我国受压元件的强度计算方法无论在使用范围和计算精度上均与国际先进工业国家的水平相当。随着我国科研人员和标准化人员的努力，我国的标准技术水平也在相应提高，在高压密封结构、开孔补强设计方法、管板设计等方面形成了具有独立知识产权的标准技术内容，初步建立了完整的产品标准体系。结合本设备结构参数特点及本公司实际情况，本课题最终选用GB150.3-2011中规定的设计方[46][58,59-61]法设计。⑴对MVR升膜蒸发器换热器进行内压容器强度计算。见表3.1及附录四。⑵对MVR升膜蒸发器蒸发罐进行外压容器稳定性校核。见表3.2及附录五。53n西安建筑科技大学硕士学位论文表3.1MVR升膜蒸发器换热器进行内压容器强度计算结果固定管板换热器设计计算设计计算条件壳程管程0.22MPa-0.03MPa设计压力ps设计压力pt160C150设计温度ts设计温度ttC壳程圆筒内径Di1200mm管箱圆筒内径Di1200mm材料名称Q345R材料名称TA2简图计算内容壳程圆筒强度计算壳程外导流筒强度计算开孔补强计算管程下锥形封头强度计算管程上锥形封头强度计算管箱法兰计算换热管稳定性计算管板强度计算校核结果合格54n西安建筑科技大学硕士学位论文表3.2MVR升膜蒸发器蒸发罐进行外压容器稳定性校核结果蒸发罐稳定性计算计算所依据的标准GB150.3-2011筒体设计条件内筒设计压力pMPa-0.03设计温度tC150内径Dimm3000名义厚度nmm12材料名称Q345R许用应力189tMPa189压力试验温度下的屈服t345点s钢材厚度负偏差C1mm0.3腐蚀裕量C2mm0.5厚度附加量C＝C1＋C2mm0.8焊接接头系数1压力试验类型液压试验压力pTMPa筒体长度Lwmm4500内筒外压计算长度Lmm1285封头设计条件筒体上封头筒体下封头夹套封头封头形式两端无折边锥形名义厚度nmm12材料名称Q345R设计温度下的许用应力tMPa189钢材厚度负偏差C1mm0.3腐蚀裕量C2mm0.5厚度附加量C＝C1＋C2mm0.8焊接接头系数1主要计算结果内圆筒体内筒上封头内筒下封头校核结果校核合格校核合格质量mkg4011.021088.1855n西安建筑科技大学硕士学位论文3.3.5MVR升膜蒸发器换热器国产化后基本参数及技术特性[60]依据国家相关法规，换热器国产化后基本参数及技术特性见表3.3、表3.4。表3.3设备制造参数项目规格设备净重(Kg)7200外形尺寸(mm)1200X1200X10770换热管材质TA10换热管数量(根)441换热管规格Φ38X1.2管板材质TA10+Q345R(正火)管板规格（mm）δ6＋40：Φ1330筒体材质Q345R表3.4设备主要技术特性项目管程壳程介质25%Nacl水蒸汽设计压力(Mpa)0.05/-0.030.22/-0.05设计温度(℃)150160焊缝系数0.85腐蚀裕度(mm)0.52换热面积(㎡)442容器类别一类压力容器3.3.6MVR升膜蒸发器蒸发罐国产化后基本参数及技术特性依据国家相关法规，设备结构简介及主要技术特性见表3.5、表3.6。表3.5设备规格和部分技术参数项目规格设备净重(Kg)12884外形尺寸(mm)3000X3000X9770筒体材质TA2+Q345R筒体规格（mm）δ3＋δ12锥形封头材质TA2+Q345R锥形封头规格（mm）δ3＋δ12表3.6设备主要技术特性项目管程介质25%Nacl设计压力(Mpa)0.05/-0.03设计温度(℃)150焊缝系数1腐蚀裕度(mm)0.53全容积(m)43容器类别类外56n西安建筑科技大学硕士学位论文3.4本章小结通过NX8.0软件实体建模及Fluent软件模拟分析，模拟分析了鸭嘴管型蒸发罐和伸入管型蒸发罐的工作情况，确认了两种结构的特点。由于换热器壳程工作时主要处于内压状态，管程与蒸发罐相通，工作时处于外压状态，因此对换热器进行了强度校核，对蒸发器进行了稳定性校核。校核通过后确定了换热器和蒸发罐的基本参数和技术特性，为设备的制造奠定了理论依据。57n西安建筑科技大学硕士学位论文4MVR升膜蒸发器关键设备的制造4.1我国压力容器制造企业能力现状4.1.1我国压力容器制造企业现状我国自2003年1月1日起全面实行《锅炉压力容器制造监督管理办法》，对于在中国境内使用的锅炉压力容器，要求其制造企业必须取得《中华人民共和国锅炉压力容器制造许可证》。《锅炉压力容器制造许可条件》是根据《锅炉压力容器制造监督管理办法》制定的，它从企业的资源条件、质量管理体系、产品安全质量三方面提出了若干具体要求，这一制度的实施，不仅保证了我国锅炉压力容器产品的安全性能，也大大促进了锅炉压力容器制造企业的装备更新和技术进步。截止到2008年底，我国境内持有锅炉制造许可证的企业共1555家，境外143家，境内持有压力容器和气瓶制造许可证的企业7427家，境外577家，另外还有[46][60-61]持压力管道元件制造许可证的企业3906家。4.1.2国外压力容器法规简介⑴美国压力容器规范ASMEVIII-1、ASMEVIII-2、ASMEVIII-3、ASMEVIII-12ASME《锅炉及压力容器建造规范》中第VIII卷为《锅炉及压力容器》，分为三篇，分析设计的是VIII-2《压力容器-另一规则》；规则设计的是VIII-1《压力容器》；还有VIII-3《高压容器》和VIII-12《移动式压力容器》。⑵日本压力容器JIS规范日本于2003年9月30日颁布JIS8265和JIS8266标准，组成了JIS标准体系。⑶德国压力容器技术规范①德国的国家标准中的压力容器标准指定为TRB《压力容器技术规范》。②有其特有的材料标准体系、设计计算参数和焊接工艺平定要求的是AD《压力容器规范》，它是德国压力容器规范。⑷欧共体承压设备指令PED（97/23/EC）该规范是用一个统一的认证方案代替各国原有的规则，它对承压设备的设计、制造和符合性评审要求适用于欧共体的所有成员国。符合性评审由欧共体指定的授权机构（NotifiedBodies）执行。获得CE标志的产品表明其符合有关指令的要求，并可以自由地进入欧洲市场。⑸法国CODAP《非直接火压力容器》58n西安建筑科技大学硕士学位论文该规范为建造压力容器的规范，阐明了为保证容器正常操作下的可靠性所制定的规定。规范涉及材料选择、设计制造、试验以及超压保护装置。⑹英国PD5500《非直接火压力容器》在欧盟统一标准EN13445后，英国的国家标准BS5500就被迫改为PD5500（A[60-61]PublishedDocument）。4.1.3我国压力容器制造企业和境外发达国家相应的装备能力对比为了分析对比中国压力容器制造企业和境外发达国家相应的装备能力，研究人员从境外企业中随机抽取47家压力容器制造企业，其中持有A1级制造许可证企业6家，A2，A3级各5家，A4级4家，B1，B3级各4家，B2级3家，C2，C3级各4家，D1，D2级压力容器制造许可企业各4家，其中涵盖了美国、德国、日本、法国、比利时、韩国等多个国家。相应地，从国内压力容器制造企业中随机抽取33家，其中持有A1、A2级制造企业各6家，A3级制造企业4家，A4级制造企业3家，B1，B2，B3级企业各3家，C2，C3级企业共2家，D1，D2级压力容器制造持证企业共3家。通过对境内外压力容器持证企业技术力量、厂房设施、制造及检验装备等方面进行的全面比较，得到如下结论：⑴中国压力容器制造企业的场地条件优于境外的同类制造企业。⑵中国压力容器制造企业的装备能力除专用工装条件外，均优于境外同类制造企业。4.1.4本课题承接单位装备能力本课题由宝钛集团下属宝色特种设备有限公司承接，该公司专业从事钛、铌、钽、锆、铜、不锈钢及复合材料和其它稀有金属非标设备设计、制造、开发的经济实体。该公司自70年代起就开始钛制设备的研制工作，1986年在国内首先取得一、二、三类压力容器的设计和制造资格许可证，1995年取得ASME规范的―U‖钢印。该公司目前具有ISO9002质量体系认证、A1，A2（单层）级特种设备压力容器制造许可证、A2级特种设备压力容器设计许可证、中国船级社质量体系认证、是中国石化、中国石油设备采购定点企业、是中国化工装备总公司定点生产厂家。该公司完全有能力独立完成该课题。59n西安建筑科技大学硕士学位论文4.2压力容器制造基本要求及质量控制要点4.2.1压力容器制造的基本要求压力容器最基本的要求是在确保安全可靠的前提下延长使用寿命以及增强使用性能，使压力容器能长期有效的运行因此，在压力容器制造的过程中，要保证压力容器有一定的内压力保证其使用过程不失效及不被破坏并且保证其抗压性良好"在一定外界压力下能保持原来的形状"同时还要保证压力容器具有良好的密封性"保证压力容器不出现泄露的现象最后压力容器要方便制造、安装、检查以及维修压力容器制造除要满足基本要求外压力容器的不同需求使压力容器在生产制造过程中的质量要求也不相同，通常压力容器要考虑压力因素外，还需考虑介质与[60,61-62]温度对压力容器的质量的影响，以满足不同需求的压力容器生产制造。4.2.2压力容器材料质量控制压力容器材料的质量控制是保证压力容器质量的关键因素，压力容器材料质量的优劣直接影响着压力容器质量的高低，另外，压力容器的质量涉及到压力容器的生产流程与生产技术能否应用于压力容器制造过程中，因此，压力容器制造过程要严格质控压力容器材料。要选择高质量的压力容器的材料，先要严格审核压力容器制造材料的生产单位能否提供专业质检报告，然后对压力容器材料的样品进行性能、化学成分以及成分性能等因素进行分析，并评估其危害性，若实验和科学评估都符合制造的标准，才能进行大批量的选购，最后，压力容器材料入库以后，要满足压力容器材料的储放条件，并且在材料进入制造流程工艺前进行[60,61-62]复验"从而有效的控制压力容器的质量。4.2.3压力容器焊接质量控制压力容器焊接是压力容器生产过程中不可缺少的制造环节，通常压力容器在外形或结构等方面可能会存在一定的差异性，然而压力容器生产的工艺流程都是相同的，在保持压力容器内外压力平衡的情况下，要注意压力容器材料的焊接致密性情况若压力容器材料焊接不致密，会严重影响压力容器质量导致安全事故的发生，甚至发生爆炸或人员伤亡。在压力容器焊接质量控制中，焊工技能水平的高低决定着压力容器焊接的质量，因此，加强焊工的技术培训，提高焊工技能水[60,61-62]平，保证焊接质量。60n西安建筑科技大学硕士学位论文4.3MVR升膜蒸发器换热器的制造4.3.1制造技术的难点⑴管子与管板的连接，不但加工工作量大，而且必须保证每一个连接处在设备运作中介质无泄漏。⑵焊接工艺对设备总体质量的影响。⑶设备的合格验收。4.3.2主要零部件的制造工艺4.3.2.1壳程Q345R筒体试板的制造⑴壳程Q345R焊接试板的试样尺寸，拉伸试样截取和数量，参照国家标准GB150-2011《压力容器》要求进行。对接接头试板见图4.1，为了保证取样的数量与质量，产品焊接试板尺寸取300mm，400mm，取样时将两端30mm舍弃。图4.1对接接头试板⑵拉伸试样见图4.2，按GB/T228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》进行：①对于相同母材组成的焊接接头，不低于母材材料标准规定值下限。②对于不同强度等级母材组成的焊接接头，不低于两个抗拉强度中较低的规[61]定值下限。61n西安建筑科技大学硕士学位论文图4.2试板拉伸试样⑶弯曲试验[62]壳程弯曲试验依据国家标准进行，弯曲试样见图4.3，弯曲试验弯轴直径、支座间距、弯曲角度换算后按以下值：横向侧弯试样厚度：t=10mm；弯轴直径：40mm；支座间距：63mm；弯曲角：180º，试样按要求冷弯后，如果试样拉伸面出现于3mm以上的裂纹或缺陷即可认为试样不合格。图4.3试板横向侧弯试样⑷冲击试验[63]冲击式样依据国家标准进行。冲击试样见图4.4。图4.4试板冲击试样⑸试板力学性能试验结果62n西安建筑科技大学硕士学位论文表4.1为厚度12mm的Q345R板材对焊试样按国家标准GB/T228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》与GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》及GB/T2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》所进行试验的结果。取1个拉伸试样，其断裂部位都出现在了热影响区，测得抗拉强度均达要求。取2个弯曲试样，弯曲试验结果也合格。取3个冲击试样，冲击试验结果也合格。表4-1力学性能试验结果拉伸试验2试验号宽（mm）厚（mm）面积（mm）抗拉强度（MPa）断裂特点和部位拉伸13712444552钢侧热影响区弯曲试验试验号试样类型弯轴直径mm试验结果P面弯1面弯40α＝180°合格P背弯1背弯40α＝180°合格冲击试验试验编号冲击吸收功(J)试验结果1151.5未断裂2160.5未断裂3166.5未断裂4.3.2.2壳程筒体制造工艺壳程筒体的制造工艺路线如下：数控等离子切割下料→刨边机机加工对接坡口→卷板机预弯、卷圆→焊接纵焊缝→分离试板→校形→纵焊缝20%RT→焊接环焊缝→环焊缝20%RT→划孔线→开孔⑴数控等离子切割下料：检查坯料表面质量，厚度并作记录；做材料标记移植；计算出筒体展开的净尺寸，并用数控等离子切割（图4.5）下料成形。砂轮打磨尖角及毛刺，打磨时不允许出现过热的色泽。图4.5PG600数控等离子切割机⑵刨坡口：按图纸的要求由刨边机加工边及焊缝坡口。63n西安建筑科技大学硕士学位论文⑶预弯卷圆：在卷板机（图4.6）上进行预弯.卷圆。要求棱角度≤3.2mm，对口错边量≤3mm；⑷纵焊缝焊接：将坡口及两侧25mm范围内清理去除氧化膜,再用丙酮清理去除油脂、水分与灰尘等污染物。清理后要求立即焊接，不宜久放之后再施焊。按焊接工艺要求焊接筒体拼接纵缝。且试板要作为筒体纵缝的延长部分与筒体采用相同的规范进行施焊。⑸分离试板：待质检工程师到场后，将筒体与试板分离。⑹校形：对筒体进行校圆，要求最大最小圆直径差≤5mm。图4.6ZDW11-40×4000三辊卷板机⑺纵焊缝20%RT：按JB/T4730.2-2005进行20%RT检查，III级合格。⑻环焊缝焊接：将坡口及两侧25mm范围内清理去除氧化膜,再用丙酮清理去除油脂、水分与灰尘等污染物。清理后要求立即焊接，不宜久放之后再施焊。按焊接工艺要求焊接筒体拼接环缝。要求错边量≤3mm，直线度≤4.5mm⑼环焊缝20%RT：按JB/T4730.2-2005进行20%RT检查，III级合格。⑽划线：根据图纸要求划各孔孔位线。⑾开孔：按划线镗孔和坡口成形。4.3.2.3管程TA2管箱试板的制造⑴管程TA2焊接试板的试样尺寸，拉伸试样截取和数量，参照国家标准GB150-2011《压力容器》要求进行，拉伸试验按国家标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行，对接接头试板见图4.7，拉伸试样见图4.8。为了保证取样的数量与质量，产品焊接试板尺寸取300mm，400mm，取样时将两端30mm舍弃。64n西安建筑科技大学硕士学位论文图4.7对接接头试板图4.8试板拉伸试样⑵弯曲试验弯曲试验依据国家标准GB/T2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》进行，试样参数应符合以下规定：弯曲试样厚度：t=6mm；弯轴直径：D=10t=60mm；支座间距：L=12t+3=75mm；弯曲度按180º，实验完毕后若出现大于3mm的裂纹或缺陷即认为试样不合格。弯曲试样见图4.9。图4.9试板弯曲试样65n西安建筑科技大学硕士学位论文⑶试板力学性能试验结果见表4.2。表4.2力学性能试验结果拉伸试验2试验号宽（mm）厚（mm）面积（mm）抗拉强度（MPa）断裂特点和部位拉伸1376222524钢侧热影响区弯曲试验试验号试样类型弯轴直径mm试验结果P面弯1面弯60α＝180°合格P背弯1背弯60α＝180°合格试板弯曲试样焊缝处金相图4.10。由图4.10可知，材料焊缝和热影响区为锯齿状α和针状α组织。综合表4.2及可知管箱钛焊缝力学性能和金相组织良好。图4.10试板弯曲试样焊缝处金相表4-4为厚度6mm的TA2板材对焊试样按国家标准所进行试验的结果。取1个拉伸试样，其断裂部位都出现在了热影响区，测得抗拉强度均达要求。取2个弯曲试样，1个面弯、1个背弯，弯曲试验结果也合格。4.3.2.4锥体制造工艺锥体的制造工艺流程如下：水切割下料→划线→刨边→成型→划线→割边→探伤→划线→酸洗铁离子污染试验。⑴水切割下料：检查坯料表面质量，厚度并作记录；做材料标记移植；并用水切割（图4.11）下料成形。⑵划线：核对圆心角、大小圆弧半径，划外形加工线。⑶刨坡口：按图纸的要求由刨边机加工坡口。⑷成型：二拼一组对各段拼板成形，按焊接工艺卡施焊各弧段，校核弧长。66n西安建筑科技大学硕士学位论文在毛料上划若干条均匀分布的母线，按线压卷成形，并点固焊。要求：错边量≤1.6mm。在卷板机上进行预弯.卷圆，要求棱角度≤2.6mm，大口端的大小圆直径差≤5mm；小口端的大小圆直径差≤5mm。图4.11FCM2515A数控水射流切割机⑸划线：划锥体大小口及高度加工线。⑹割边：留出氧化区余量，气割大小口多余部分，砂轮打磨气割表面及坡口成形。锥体大小口端内直径应与两端筒体吻合，锥体两端面平行，锥体大小口应同心。⑺100%RT：对焊缝按JB/T4730.2-2005进行100%RT检查，Ⅱ级合格。⑻划线：根据图纸要求划各孔孔位线。⑼酸洗：或用酸洗钝化膏涂刷，酸洗钝化膏保留的时间应严格按有关酸洗钝化膏的使用说明进行。酸洗后应用大量的压力清水冲洗干净。4.3.2.5管板的制造工艺管板的制造工艺路线如下：水切割下料→超声波检测→车床机加工→划线→钻换热管孔→划线→钳工。⑴水切割下料：检查坯料表面质量，厚度并作记录；做材料标记移植；水切割下料成形，砂轮打磨尖角及毛刺，打磨时不允许出现过热的色泽。⑵超声：对管板进行100%UT检测，按NB/T47002.3－2009中B1级规定。⑶车：做材料标记移植，按图车成形，满足图纸要求。⑷划线：划管板十字中心线，长度约300mm。⑸钻：数控钻（图4.12）钻管板上换热管孔。⑹划线：按实际孔重新划十字中心线，并引至侧面，按零件图作方位标记。67n西安建筑科技大学硕士学位论文划管板螺栓孔加工线（划在钢面），在管板钢面划拉杆孔位置线（划在背面）。图4.12PHD3030/2龙门移动式数控钻床⑺钳：铰换热管孔，并按零件图倒管孔两面倒角、去毛刺；钻管板螺栓孔成形并去除毛刺，钻拉杆螺纹底孔，并攻丝成形，钻后保护复层及管孔，用塑料布覆盖。4.3.2.6换热管与管板的连接方法换热管与管板连接接问题比较普遍，据我方多年实践选用液压胀。换热管与管板的连接如图4.13，管头长度为1.5-2mm，换热管、管板间隙不大于0.6mm。图4.13换热管与管板连接结构换热管下好料后，逐根进行检验。由于管板换热管孔加工精度直接影响到换热器的制造质量，所以必须控制众多管板孔直径偏差在0~0.25mm以内。68n西安建筑科技大学硕士学位论文4.3.2.7管板与换热管胀接工艺液压胀接度的大小一般是以胀接压力和胀接时间来表示的。⑴胀紧度的选取,该设备管板材料为TA10+Q345R(正火)，换热管材料为TA10。为了保证设备管头连接质量，本课题进行了管子与管板胀接模拟试验(图4.14)，并取得合理的参数作为指导施工的依据。单管管板模型图图4.14单管管板模型图通过试验（表4.3）发现，当拉脱力q≥1.0Mpa；胀紧接压力选为200Mpa，胀接时间为3s时管子与管板胀接效果较好。表4.3胀接试验编管板孔径胀前管径（mm）胀后管内径胀后胀胀接胀接压力胀接拉脱力号D0（mm）外径内径DN‗（mm）量（mm）时间（Mpa）面积q（Mpa）（S）（㎝2）DWDN′138.5538.1835.5536.000.45319548.441.24238.5138.2435.6035.950.35320048.401.86338.6038.2035.5536.100.55321048.503.71438.5338.1835.5536.000.45321048.423.4538.5638.2235.6035.950.33218548.460Pq=10A=πDwLAq为拉托力P—拉脱载荷（KN）22A为胀接面积（cm）L－胀接长度（cm）D0为管板孔径（㎜）DW为胀前管外径（㎜）DN为胀前管内径（㎜）DN｀为胀后管内径（㎜）⑵胀管前,先检查胀接区域是否有油污和杂物。胀管过程中,换热管的伸长会在管子连接处产生应力，若胀接顺序不合理，会降低胀接质量。69n西安建筑科技大学硕士学位论文4.3.3焊接工艺对设备总体质量的影响焊接应力与变形是产生缺陷的根源。而导致焊接应力与变形的因素主要有：⑴焊件与设备的不均匀加热与冷却。一般情况(由高温到低温)高温区金属内部存在拉应力，低温区金属内部存在压应力，这种由于冷缩受阻而引起的焊接应力是最主要的形式。⑵焊缝金属和热影响区金属在加热和冷却过程中，要产生组织转变，由于各种组织的密度不同，因此在冷却过程中，焊缝区金属产生膨胀或收缩而引起相变应力。⑶焊缝的热胀冷缩，接头坡口形式不合适，工件刚性不足及焊缝的配置不对称等，均会导致变形。一般情况下，线膨胀系数大的材料，焊缝收缩量大，焊后[65]变形量就大;焊件刚性越大，则变形量越小。4.3.3.1换热管管与管板的焊接规范管子一管板胀前应将管端内外壁和管板孔内表面用丙酮或酒精清洗干净，不得有影响焊接质量的毛刺、铁屑、锈斑和油污等。管端除锈长度不小于200mm。试验表明，焊件与焊接材料表面有少许的油污、锈蚀和水滴，均会造成焊后焊缝缺陷，如气孔、夹杂、裂纹及未焊透等。所以需认真清理且干燥后方可施焊。换热管管与管板的焊接规范如表4.4所示。根据壳体情况为防止在换热管，管板焊接过程中发生焊接变形或管板中央鼓起，首先选取若干根管子于管板上穿管定位，分散于管板孔的各区域。待管子定位后以点焊牢固.表4.4换热管与管板焊接规范层次焊接方法填充材料焊接电流(A)电弧电压(V)焊接速度牌号规格极性电流(mm/min)1GTAW自熔/直正100~13013~1480~1002GTAWSTA10RФ2直正120~14013~16100~1204.3.3.2焊接要求及注意事项所有钛材的熔焊采用GASW100%氩弧焊。保护区和所有热影响去用纯度为(99.999%气体保护焊,氩气或氦气最大露点为-51°C以保护在高于538°C时免受大气污染。焊工应具有相应的焊工操作许可证。施焊过程中，设专人进行焊接技术监督，随时掌握焊工的焊接状态，并根据焊工的焊接情况予以具体指导。焊渣及突出于管子内壁的焊瘤应清除，其焊缝外观应符合相应的技术条件规定。焊缝外形尺寸70n西安建筑科技大学硕士学位论文检验主要用肉眼，借助有关辅助量具进行，检验时要保证良好的照明。施焊环境[65-66]宜控制，风速不得超过6m/s，温度在-5℃以上，相对湿度在90%以上。4.3.4换热器制造工艺流程4.3.4.1管箱制造工艺管箱的制造工艺路线如下：组对锥体、筒节→环焊缝100%RT→组对法兰、焊环、筒节→机加工密封面→角焊缝PT→组对接管、锥体→角焊缝PT⑴组对锥体、筒节：组对短节、锥体与短节，并点固焊；采取防变形措施，按焊接工艺卡卡组焊成型。制造要求：错边量≤1.2mm；棱角度≤2.6mm；保证筒体两端平行差不大于2mm;保证筒体内径同心,对接处圆滑过渡。⑵环焊缝100%RT：对以上环焊缝进行100%RT检查，并按JB4730.2—2005评定II级合格。⑶组对法兰、焊环、筒节：组对法兰、焊环与短节，并点固焊；采取防变形措施，按焊接工艺卡组焊成形.要求：焊环端面与筒体中心线垂直度允差≤2mm。⑷机加工密封面：车床机加工焊环密封面成型。⑸角焊缝PT：对角焊缝进行100％PT检查，并按JB/T4730.5－2005评定，Ⅰ级合格。⑹组对接管、锥体：组对各接管与锥体成形，并点固焊确保接管伸出长度尺寸，按焊接工艺卡施焊成形。⑺角焊缝PT：对角焊缝进行100％PT检查，并按JB/T4730.5－2005评定，Ⅰ级合格。4.3.4.2换热器组装工艺换热器组装工艺路线如下：组对膨胀节、筒节→划线→环焊缝100%RT→开孔、组对壳程筒节接管→角焊缝PT→清洗换热管、管板→组装管束→角焊缝PT→胀管、平头→组焊换热管与管板→划线→组焊支座、接管→角焊缝PT→总检→水压试验→刷漆→终检→包装⑴组对膨胀节、筒节：参照筒体布料图，保证膨胀节大小口与筒体同心，组对筒节、膨胀节。注意方位，自制过桥板，将两端筒体固定，防止膨胀节变形。采取防变形措施，按焊接工艺卡卡组焊成型。制造要求：错边量≤3mm；棱角度≤3.2mm；保证筒体两端平行差不大于2mm直线度≤8mm，保证筒体内径同心。对接71n西安建筑科技大学硕士学位论文处圆滑过渡。⑵参照布料图划筒体分度线，并做方位标记,划各管口方位,开孔直径为半径划圆,划支座方位,划铭牌位置线。⑶环焊缝100%RT：对以上环焊缝进行20%RT检查，并按JB4730.2—2005评定III级合格。⑷开孔、组对法兰、焊环、筒节：开孔、组对、法兰、焊环与筒体，并点固焊；采取防变形措施，按焊接工艺卡组焊成形。要求：焊环端面与筒体中心线垂直度允差≤2mm。⑸角焊缝PT：对角焊缝进行100％PT检查，并按JB/T4730.5－2005评定，Ⅰ级合格。⑹清洗换热管、管板：清理上下管板换热管孔，不得有毛刺，铁屑，锈斑，油污。清理换热管两端头，不得有毛刺，铁屑，锈斑，油污，管端呈现金属光泽，其长度不小于80mm。⑺组装管束：按装配图方位按顺序组对下管板，拉杆，定距管，折流板，用螺母拧紧，所有折流板的标记面朝向上管板一侧。周向穿入部分换热管定位，管束部分装入筒体，将下管板与筒体按方位点固焊。穿入其余换热管，按图示方位组对上管板与筒体并点固焊，将换热管引到上管板上，查看换热管长度，自设10～12根拉杆以防管板焊接变形，如图4.15。要求:管板密封面与筒体轴线垂直，其垂直度公差为1.0mm。两管板密封面相互平行。测总长两管板密封面之间距离，检查无误后两管板按焊接工艺卡施焊成形。组对管板上接管法兰与筒体及上（下）管板,点固焊。图4.15组装好的管束⑻角焊缝PT：对角焊缝进行100％PT检查，并按JB/T4730.5－2005评定，Ⅰ级合格。⑼胀接：遵守―胀接通用规程‖胀管、切管、平头，胀管长度按图要求,72n西安建筑科技大学硕士学位论文换热管伸出长度为1.5mm。胀管:采用贴胀+强度焊。图4.16为YZJ-350D液压胀管机外形。⑽焊接：清洗焊接区域，组焊换热管与上下管板,按焊接工艺卡施焊成形。图4.17为WZM1-315伊萨TiG-250管板焊机。图4.16YZJ-350D液压胀管机⑾划线：划支座垫板位置线，划铭牌座位置线。⑿焊支座：组焊支座垫板与筒体,按焊接工艺卡施焊成形。⒀角焊缝PT：对角焊缝进行100％PT检查，并按JB/T4730.5－2005评定，Ⅰ级合格。图4.17WZM1-315伊萨TiG-250管板焊机⒁总检：按成品检验制度对设备进行总体检验。⒂水压试验：对壳程进行水压实验。把上上下管箱对管程进行水压实验要求：控制水中氯离子含量不大于25mg/L，或者试验后立即将水渍吹干。⒃刷漆：对设备碳钢部分除锈处理.碳钢表面喷防锈漆两遍。⒄终检：按成品检验制度对设备进行最终检验。⒅包装运输：按JB/T4711-2003《压力容器涂敷与包装运输》有关要求进行包装及运输。管板和折流板组装焊接完毕后，应测量两管板间换热管长度距离，为每根换热73n西安建筑科技大学硕士学位论文管准确定长。换热管在组装前必须用机械方法去除多余长度。制造过程中，严格控制各零部件的制造，尽量减小公差范围，否则，最后的累积误差过大会导致降膜蒸发器离设计位置太远，影响设备使用。由于筒节过长采用分段卷制；加之膨胀节的存在，要保证设备总长必须尽量减少积累制造误差。根据GB151－2011的要求，将开孔放在所有筒节与膨胀节组对完毕后，由于制造误差，膨胀节长度比理论数值长5mm,各筒节三道环缝组焊后筒节加长5mm，实际设备筒体总尺寸加长10mm,待组对完毕后重新打磨划线开孔，有效保证了各接管标高尺寸。设备完工后，各项技术参数均达到或超过设计要求，壳体，管程经水压试验，均未发生泄漏现象。4.4MVR升膜蒸发器蒸发罐的制造4.4.1制造技术的难点⑴TA2/Q345R复合板设备,由于其纵、环焊缝处的复层盖板及接管内衬管与设备内壁的复层焊缝较多，钛的线膨胀系数又小于碳钢和低碳钢，使钛复层在加热时处于受拉伸应力状态,若遇负压操作工况，如果复层上的钛焊缝质量较差，极易使钛焊缝产生开裂,从而造成渗漏。因此复层焊缝的质量控制及检验至关重要。⑵TA2/Q345R复合板压力容器液压试验发生泄漏，主要是由于焊接接头结构不合理造成。其关键点在于要保证接头部位基层与复层紧密贴合，避免出现垫板[67,68]悬空现象。4.4.2主要零部件的制造工艺4.4.2.1筒体的制造工艺筒体的制造工艺路线如下：数控等离子切割下料→刨边机机加工对接坡口→划线→剔边→卷板机预弯、卷圆→焊接纵焊缝→校形→划线→纵焊缝100%RT→钻检漏孔→酸洗→铁离子污染⑴数控等离子切割下料：检查坯料表面质量，厚度并作记录；做材料标记移植；计算出筒体展开的净尺寸，并用数控等离子切割下料成形。⑵刨坡口：按照零件图刨各边及焊缝坡口和剔边槽成形。⑶划线：基准线划在两板端，划痕不能深，用记号笔标明。⑷剔边：按剔边槽剔除坡口边缘复层。注意保证剔除复层边缘的贴合程度。74n西安建筑科技大学硕士学位论文⑸预弯卷圆：在卷板机上进行预弯.卷圆。要求棱角度≤3.2mm，对口错边量≤1.5mm。⑹纵焊缝焊接：将坡口及两侧25mm范围内清理去除氧化膜,再用丙酮清理去除油脂、水分与灰尘等污染物。清理后要求立即焊接，不宜久放之后再施焊。按焊接工艺要求焊接筒体拼接纵缝，打磨焊缝内表面，与基材平齐。⑺校形：对筒体进行校圆，要求最大最小圆直径差≤5mm。⑻纵焊缝100%RT：宏观检测—焊缝表面不得有裂纹、未焊透、未融合、表面气孔、孤坑、未填满和肉眼可见的夹渣等缺陷，且焊缝与母材应圆滑过渡。微观检测—对焊缝按JB/T4730.2-2005进行20%RT检查，II级合格，探伤仪如图4-18。⑼环焊缝焊接：将坡口及两侧25mm范围内清理去除氧化膜,再用丙酮清理去除油脂、水分与灰尘等污染物。清理后要求立即焊接。按焊接工艺要求焊接筒体拼接纵缝，打磨焊缝内表面，与基材平齐。⑽划线：根据图纸要求划各孔孔位线。⑾环焊缝100%RT：宏观检测—焊缝表面不得有裂纹、未焊透、未融合、表面气孔、孤坑、未填满和肉眼可见的夹渣等缺陷，且焊缝与母材应圆滑过渡。微观检测—对焊缝按JB/T4730.2-2005进行20%RT检查，II级合格。图4.18为探伤仪。图4.18探伤仪⑿钻检漏孔：按图钻纵缝检漏孔成型。⒀酸洗：对筒体进行酸洗钝化处理。⒁铁离子污染：用蓝点法对筒体进行铁离子污染试验,以无蓝点为合格。4.4.2.2筒体加工质量对设备制质量的影响设备壳程主要材质为δ3＋12的TA2+Q345R板,筒体内径Φ3000mm，高度3000mm；这使壳体在制造过程中筒体部分的不圆度≤7mm和总体直线度≤4.5mm及大小圆直径差不易控制；可能导致设备筒节变形，环缝组对困难甚至降低设备75n西安建筑科技大学硕士学位论文的工作效率。4.4.2.3锥体的制造工艺锥体的制造工艺流程如下：水切割下料→划线→刨边→剔边→成型→划线→割边→探伤→划线→酸洗→铁离子污染试验。⑴数控等离子切割下料：检查坯料表面质量，厚度并作记录；做材料标记移植；并用水切割下料成形。⑵划线：核对圆心角、大小圆弧半径，划外形加工线。⑶刨坡口：按图纸的要求由刨边机加工坡口。⑷剔边：按剔边槽剔除坡口边缘复层。注意保证剔除复层边缘的贴合程度。⑸成型：二拼一组对各段拼板成形，按焊接工艺卡施焊各弧段，校核弧长。在毛料上划若干条均匀分布的母线，按线压卷成形，并点固焊。要求：错边量≤1.5mm。在卷板机上进行预弯.卷圆，要求棱角度≤3.2mm，大口端的大小圆直径差≤5mm；小口端的大小圆直径差≤5mm。⑹划线：划锥体大小口及高度加工线。⑺割边：留出氧化区余量，气割大小口多余部分，砂轮打磨气割表面及坡口成形。锥体大小口端内直径应与两端筒体吻合，锥体两端面平行，锥体大小口应同心。⑻100%RT：宏观检测焊缝表面不得有裂纹、未焊透、未融合、表面气孔、孤坑、未填满和肉眼可见的夹渣等缺陷，且焊缝与母材应圆滑过渡。微观检测—对焊缝按JB/T4730.2-2005进行100%RT检查，Ⅱ级合格。⑼划线：根据图纸要求划各孔孔位线。⑽酸洗：对筒体进行酸洗钝化处理。⑾铁离子污染：用蓝点法对筒体进行铁离子污染试验,以无蓝点为合格。4.4.2.4圆筒纵、环焊缝的对口错边量(ｂ)和棱角(Ｅ):本台设备是按GB151等标准进行制造和验收的。错边量与棱角度要求（见表4.5）。表4.5错边量与棱角度的比较对口处钢材厚度δ纵焊缝错边量b环焊缝错边量b复合板纵环缝错变量b≤复层厚度50％且≤2mm≤复层厚度50％且≤2mm纵环焊缝棱角度E≤δ/10+2且不大于5mm≤δ/10+2且不大于5mm76n西安建筑科技大学硕士学位论文4.4.2.5封头制造工艺封头制造工艺流程如下：水切割下料→清洗→测厚→冲压→测厚→划线→验收→检测→车坡口→划线→酸洗→铁离子污染试验。⑴数控等离子切割下料：检查坯料表面质量，厚度并作记录；做材料标记移植；并用水切割下料成形。⑵清洗：清洗内外表面。⑶测厚：测量距边缘65mm处板材厚度。⑷冲压：做好各项标记移植。冲压前清理冲压模具和板面。冲压成形；附质证书。按GB/T25198-2010标准制造验收。⑸测厚：测量r处（距边缘～260mm）板材厚度。⑹划线：划封头口端加工线。⑺验收：遵守质保手册及相关标准，对封头进行检查、验收。⑻检测：对内外表面进行100﹪PT，按JB/T4730.5-2005评定，I级合格。⑼割边：按线留出氧化余量气割直边多余部分。气割时采取防范措施防止气割飞溅伤及钛表面。⑽车坡口：按加工线找正，车封头直端及坡口成形。⑾划线：划封头十字中心线，并引到直边。⑿酸洗：对鸭嘴管进行酸洗钝化处理。⒀铁离子污染：用蓝点法对鸭嘴管进行铁离子污染试验,以无蓝点为合格。4.4.3焊接接头特点及质量控制4.4.3.1结构缺陷的控制图4.19A、B类焊缝接头结构及检漏嘴的设置77n西安建筑科技大学硕士学位论文TA2/Q345R容器在设计时，要根据介质与材料的匹配情况，在容器结构上设置不同的检漏孔结构，该设备的检漏孔结构如图4.19所示。其目的就是为了在液压试验和使用过程中对复层材料及接头的质量进行监测。TA2/Q345R设备的焊缝接头如图4.19，4.20所示。制作时，先用埋弧焊或手工电弧焊焊接基层焊缝，经外观、渗透检测、试板力学性能等检测合格后，才能进行复层焊缝的焊接。复层搭接焊缝用手工钨极级氩弧焊焊接，焊接结束后进行[68]100%着色渗透检验。图4.20D类焊缝接头结构对卷筒、冲压封头等需要弯曲操作时，当温度低时，要火焰预热弯曲部位，防止产生鼓泡或裂纹尽量避免应力集中（图4.21），防止产生过大的局部峰值应力。在刨坡口、钻管孔操作时，下料和钻孔操作要尽量从钛层向钢层方向加工，[68]防止将复合板撕开或形成裂纹。图4.21管箱法兰，锥体组对节点78n西安建筑科技大学硕士学位论文4.4.3.2焊接缺陷的控制要采取防止焊接变形的工艺措施。焊接时严格控制热输入量，适当加快焊接速度，严格控制层间温度及焊接线能量。焊接工艺参数如表4.6所示。⑴先焊接钢材焊缝，再用50mm宽钛板条将钢焊缝完全覆盖，进行钛层的焊接，同时采用氩气保护，焊接时严格按焊接工艺，必须保证焊两遍，以使钛焊缝达到一定的强度。表4.6钛层焊接规范层次焊接方法填充材料焊接电流(A)电弧电压(V)焊接速度牌号规格极性电流(mm/min)1GTAWSTA0Rφ3直正120~13013~16100~1202GTAWSTA0Rφ3直正140~16013~16120~140⑵采用手工钨极氩弧焊（TIG焊）。实践证明，钨极氩弧焊是焊接钛的最好方法之一。氩弧焊时采用直流正接极，工件背面用氩气保护，收效更好。⑶焊前必须彻底清除工件表面的氧化皮、油污，一般用机械法清理（最简单）。先用丙酮去油污，用细砂布清除氧化皮，再用丙酮擦洗一次，禁止用打磨过碳钢的砂轮打磨钛材。（图4.22）实践证明，一旦污染了钛，会影响焊接质量，打磨[67,68]时不允许出现过热色泽。图4.22焊缝盖板结构4.4.4蒸发罐制造工艺流程蒸发罐组装工艺路线如下：组对封头、锥体、筒节钢层→划检漏孔位置线→环焊缝100%RT→剔边→钻检漏孔→开孔、组对接管与主体钢层→角焊缝PT→组对衬管、贴条、盖板→角焊缝79n西安建筑科技大学硕士学位论文PT→装内件→酸洗→铁离子污染试验→总检→水压试验→刷漆→终检→包装⑴组对锥体、封头、筒节：参照装配图，注意方位，自制过桥板，将两端筒体固定，防止变形。按焊接工艺卡卡组焊成型。制造要求：错边量≤1.5mm；棱角度≤3.2mm。⑵划检漏孔位置线：校核各孔孔位线，划检漏孔位置线。1倍开孔直径为半径划圆。⑶环焊缝100%RT：对以上焊缝进行100%RT检查，按JB/T4730.2—2005评定，II级合格。圆内包容焊缝必探。⑷剔边：砂轮打磨L孔坡口不合适处成形，按零件图剔除孔边5mm范围内的复层，清理干净。⑸钻孔：按图及孔位线钻孔，攻丝成型。⑹开孔、组对接管与主体钢层：开孔，组焊各接管及接管检漏嘴，设备上纵环缝检漏嘴，接管与主体。⑺PT:对焊缝进行100%PT检验，按JB/T4730.5-2005评定，I级合格。⑻组对衬管、贴条、盖板:焊缝及两侧各不少于60mm范围内区域进行抛光处理。严格清理焊缝两侧各不少于60mm范围内的复层污物，并用酒精擦洗干净、磨接管与封打头组成的内焊缝与母材平齐，修磨下端口内侧R与相应衬环R吻合。组对钛垫条、覆盖板、T字覆盖板与纵、环缝复层，按焊接工艺卡施焊成型。按装配图组试装相应衬管部件，内垫环等。法兰倒角不合适处修磨，确保各装配尺寸试装合适。将衬环与法兰把紧。按焊接工艺卡施焊。⑼装内件:组装各内件。⑽酸洗:对设备进行酸洗处理。⑾铁离子污染试验:以蓝点法对设备进行铁离子污染试验，以无蓝点为合格。⑿PT:对焊缝进行100%PT检验，按JB/T4730.5-2005评定，I级合格.⒀总检：按成品检验制度对设备进行总体检验。⒁水压试验：对壳程进行水压实验。把上上下管箱对管程进行水压实验要求：控制水中氯离子含量不大于25mg/L，或者试验后立即将水渍吹干。⒂刷漆：对设备碳钢部分除锈处理，碳钢表面喷防锈漆两遍。⒃终检：按成品检验制度对设备进行最终检验。⒄包装运输：按JB/T4711-2003《压力容器涂敷与包装运输》有关要求进行包装及运输。80n西安建筑科技大学硕士学位论文4.5MVR升膜蒸发器管道组件的制造4.5.1制造技术的难点⑴虾米弯的制造。⑵鸭嘴管的制造。⑶管道的连接。4.5.2主要零部件的制造工艺4.5.2.1虾米弯制造工艺虾米弯制造工艺流程如下：水切割下料→刨边→卷筒→焊接→校圆→20%RT→划线→镗床加工→组对→20%RT→酸洗→铁离子污染试验。⑴数控等离子切割下料：检查坯料表面质量，厚度并作记录；做材料标记移植；并用水切割下料成形。⑵刨边：按零件图刨各边及焊缝坡口成形。⑶卷筒：遵守―冷作、装配铆工工艺规程‖，预弯，样板检查合格后卷圆成形，并点固焊。测量外径展开尺寸及壁厚尺寸,并计算内径尺寸,与图纸尺寸相符后，再进行以下工序。制造要求：错边量≤1.2mm。⑷焊接：遵守―焊接工艺守则‖。组焊筒体,按焊接工艺卡施焊。⑸校圆：对筒节进行矫圆处理。制造要求：大小圆直径差≤5mm；棱角度≤2.6mm。⑹100%RT：对筒节纵缝进行20%RT检查，按JB/T4730.2—2005评定，III级合格。⑺划线：划划虾米腰切割线，并作标记。⑻镗床加工：按切割线镗虾米腰各节到尺寸。⑼组对：按图打磨拼接坡口成型，按图一组对各筒节，点固焊，要求：错边量≤1.2mm，棱角度≤2.6mm，保证角度90°±0.5°合适后，按焊接卡工艺卡施焊成型。⑽20%RT：对内外表面进行20﹪PT，按JB/T4730.5-2005评定，III级合格。⑾酸洗：对管道进行酸洗钝化处理。⑿铁离子污染：用蓝点法对管道进行铁离子污染试验,以无蓝点为合格。81n西安建筑科技大学硕士学位论文4.5.2.2鸭嘴管的制造工艺鸭嘴管制造工艺流程如下：放样→水切割下料→划线→刨边→压弯→成型→划线→割边→探伤→划线→酸洗→铁离子污染试验。⑴放样：以三角形法放鸭嘴管下料尺寸样，见图4.23。⑵数控等离子切割下料：检查坯料表面质量，厚度并作记录；做材料标记移植；并用水切割下料成形。图4.23鸭子嘴放样展开图⑶划线：核对圆心角、大小圆弧半径，划外形加工线。⑷刨坡口：按图纸的要求由刨边机加工坡口。⑸压弯：在压弯机上压折弯线。⑹成型：二拼一组对各段拼板成形，按焊接工艺卡施焊各弧段，校核弧长。在毛料上划若干条均匀分布的母线，按线压卷成形，并点固焊。（见图4.24）要求：错边量≤1.5mm。在卷板机上进行预弯.卷圆，要求棱角度≤3.2mm。图4.24鸭子嘴实体⑺划线：划鸭嘴管大小口及高度加工线。⑻割边：留出氧化区余量，气割大小口多余部分，砂轮打磨气割表面及坡口成形。锥体大小口端内直径应与两端筒体吻合，鸭嘴管两端面平行，大小口应同心。82n西安建筑科技大学硕士学位论文⑼100%RT：宏观检测焊缝表面不得有裂纹、未焊透、未融合、表面气孔、孤坑、未填满和肉眼可见的夹渣等缺陷，且焊缝与母材应圆滑过渡。微观检测—对焊缝按JB/T4730.2-2005进行100%RT检查，Ⅱ级合格。⑽酸洗：对鸭嘴管进行酸洗钝化处理。⑾铁离子污染：用蓝点法对鸭嘴管进行铁离子污染试验,以无蓝点为合格。4.5.3管道组件制造工艺流程管道组件造工艺流程如下：组对→车床加工→镗床加工→100%PT→组对→20%RT→酸洗→铁离子污染试验。⑴组对组焊接管：集中，清理，检查各零件。组对焊环、法兰与筒体。要求:焊环端面与筒体中心线垂直度允差不大于2mm。保证管道尺寸，按焊接工艺卡施焊焊环与筒体成型。⑵车床加工：车筒体焊环背面见光。⑶镗床加工：镗虾米节焊环背面见光。⑷100%PT：对以上焊缝进行100％PT检查，并按JB/T4730.5－2005评定，Ⅰ级合格。⑸组对管道：组对虾米节与管道，满足角度要求后，按焊接工艺卡施焊成型。⑹20%RT：对以上焊缝进行20％RT检查，并按JB/T4730.2－2005评定，III级合格。4.6本章小结针对设备基本参数和技术特性，从换热器管头胀接参数，设备焊接参数的选用入手对换热器的制造进行控制，从钛钢复合板焊接控制角度对蒸发罐的制造重难点进行了控制。分析了此类设备制造的重难点，制定了合理可行的制造工艺。83n西安建筑科技大学硕士学位论文5总结与展望5.1课题总结本文以MVR升膜蒸发器为主要研究对象，研究了MVR升膜蒸发器国产化材料的选用。在上述工作基础上，提出了新的设计方案和制造技术路线，并成功地制造了MVR升膜蒸发器。通过MVR升膜蒸发器国产化的尝试，得出如下主要结论：⑴MVR升膜蒸发器国产化后所选用的材料性能不低于国外材料性能，能满足生产需要：①国内按GB/T3624-1995规范生产的的TA10换热器用管的化学成分与国外按ASTM规范SB-338生产的Gr12换热管的化学成分基本相同，力学性能的指标很接近。②国内按GB/T3621-2007规范生产的的TA2、TA10容器板的化学成分分别与国外按ASTM规范SB-265生产的Gr2、Gr12的化学成分基本相同，力学性能的指标也更接近。③国内按GB/713-2008规范生产的的Q345R容器板的化学成分与国外按ASTM规范生产的的类似用途容器板的主要化学成分基本相同，力学性能的指标接近。⑵内伸管结构蒸发罐与鸭嘴管结构蒸发罐性能对比：①单位周期内，鸭嘴管型蒸发罐对物相的利用效率低于伸入管型蒸发罐。②鸭嘴管型蒸发罐鸭嘴管进口及循环出口的物料运行速率稳定，罐内物料运行至平衡点后会将鸭嘴管进口物料直接运送至循环出口进行下一次压缩循环，适合长期运行。③伸入管型蒸发罐物料运行至平衡后会停止接收外来物料，直至罐内物料浓度降低至一定值后才会重新开始接收伸入管口的来料，适合短期运行。⑶工作压处于正压力的MVR升膜蒸发器换热器只要通过强度计算就可以满足使用要求。MVR升膜蒸发器蒸发罐必须通过稳定性校核才能满足使用要求。⑷MVR升膜蒸发器换热器换热管与管板的连接方式应优先采用贴胀+强度焊：①液袋胀，胀紧压力选200MPa，胀接时间以3秒为宜。②本课题中换热管管头焊接采用管头自动焊最好，焊接电流以100~140A为84n西安建筑科技大学硕士学位论文宜，电弧电压取13~16v，焊接速度以100~140mm/min最佳。⑸MVR升膜蒸发器蒸发罐TA2/Q345R复合板的焊接、成型是设备质量控制点：①复合板复层焊缝焊前基层的清理和复层焊缝的焊接质量直接决定着复合板设备成型质量。②要尽量保证焊接接头部位钢基层与钛复层贴合紧密，避免出现悬空现象。③钨极氩弧焊是焊接钛钢复合板最好的方法之一。采用上述各项关键技术措施所制备的MVR升膜蒸发器，交付用户使用一年多的时间运行良好。5.2课题展望本研究是对国外MVR水处理设备技术的一次了解、吸收、转化的过程，其中很多细节有待进一步吸收转化以提高设备的综合性能。⑴对设备在真实工作环境下的工艺流程进行计算机模拟，以确定设备国产化后设备的工作效率是否变化。⑵对使用国产材料后的MVR升膜系统在不同环境下设备工作状况是否稳定，并对设备使用寿命进行模拟分析。85n西安建筑科技大学硕士学位论文致谢本论文是在学校导师原思聪教授和企业导师熊富仓高工的悉心指导下完成的。老师们渊博的知识、敏锐的洞察力、严谨的治学态度及科学的思维方法都为我树立了榜样；在此在向导师原思聪和熊富仓表示深深的敬意和衷心的感谢。在试验和论文的准备过程中，得到了宝钛集团下属宝色特种设备有限公司设计室郭丽萍高工、工艺部何锋高工、供应部曾玉高工、生产部高英杰高工、席生强高工、营销部廖卫东高工、研发部苑晓刚高工、支武东工程师、品质部邵伟工程师的指导帮助和鼓励，在此对他们的鼎力支持表示衷心感谢。在试验和论文的准备过程中，得到西安建筑科技大学郭雅琳老师，王哲、刘星同学的支持和帮助，在此表示衷心感谢。在论文的定稿过程中，得到妻子罗晓梅的全力支持和帮助，在此表示衷心感谢。最后，深深地感谢宝钛集团和西安建筑科技大学多年来对我学业的支持，使我能不断克服困难，完成论文工作，并使我学习、工作两不误。86n西安建筑科技大学硕士学位论文参考文献[1]闫成林,胡洪铭,机械蒸汽再压缩(MVR)技术在全卤制碱工艺中的应用[J].中国氯碱.2011.10:9-11.[2]何睦盈,蔡宇凌,胥娟.机械蒸汽再压缩(MVR）技术的发展及应用[J].广东化工.2013.40(17):115-116.55.[3]高丽丽,张琳,杜明照.MVR蒸发与多效蒸发技术的能效对比分析研究[J].现代化工.2012.32(10):84-86.[4]刘福昶.蒸发节能技术—机槭蒸汽再压缩蒸发[J].节能.1985(5):30-33.[5]JianchangHuang,ThomasJSheer,MichaelBaileyMcEwan.HeatTransferandPressureDropinPlateHeatExchangerRefrigerantEvaporators[J].InternationalJournalofRefrigeration,2012,35:325-335.[6]RFPacheco,LSMFrioni.ExperimentalResultsforEvaporationofSucroseSolutionUsingaClimbing/fallingFilmPlateEvaporator[J].JournalofFoodEngineering.2004,64:471-480.[7]朱天松,樊春升.机械蒸汽再压缩（MVR）技术在淡盐水浓缩中的应用[J].苏盐科技.2013.12:12-14.[8]刘德亮.机械蒸汽再压缩蒸发结晶系统性能研究[D].浙江:浙江工业大学,2013.[9]顾承真,闵兆升,洪厚胜.机械蒸汽再压缩蒸发系统的性能分析[J].化工进展.2014.33(1):30-35.[10]梁林.处理高浓度含盐废水的机械蒸汽再压缩系统设计及性能研究[D].南京:南京航空航天大学.2013.[11]EL-KadYM,EL-ShibiniF.DesalinationinEgyptandthefutureapplicationinsupplementaryirrigation[J].Desalination,2001,136(2001):63-72.[12]ShengH-lin,ChingTS,MeiC-sun.Salinewastewatertreatmentbyelectrochemicalmethod[J].WaterResearch,1998,32(4):1059-1066.[13]KargiF.Enhancedbiologicaltreatmentofsalinewastewaterbyusinghalophilicbacteria[J].BiotechnologyLetters,2002,24(2002):1569–1572.[14]LefebvreO,MolettaR.Treatmentoforganicpollutioninindustrialsalinewastewater:Aliteraturereview[J].WaterResearch,2006,40(2006):3671-3682.87n西安建筑科技大学硕士学位论文[15]AKoren,NNadav.Mechanicalvaporcompressiontotreatoilfieldproducedwater[J].Desalination.1994,98(1-3):41-48.[16]BWTleimat,MCTleimat.Waterrecoveryfromandvolumereductionofgraywaterusinganenergyefficientevaporator[J].Desalination,1996,107:111-119.[17]JPBrouwer.MMCAlkernade,GBierman.Techno-economiccomparisonof51technologiesfortheconcentrationofamixedleachantbleedstream[J].Desalination,1995.101:211-218.[18]FaisalAl-Juwayhel.MishamEl-Dessouky.HishamEttounev.Analysisofsingle-effectevaporatordesalinationsystemscombinedwithvaporcompressionheatpumps[J].Desalination,1997,]14:253-275.[19]SamirEAly.Gasturbinetotalenergyvaporcompressiondesalinationsystein[J].EnergyConversion&Management.1999.40:729-741.[20]AlyKarameldin,ALot.SMekhemar.TheRedSeaareawind-drivenmechanicalvaporcompressiondesalinationsystem[J].Desalination.2002,153:47-53.[21]TomasWitte,SonkeSiegfriedsen,MagdyEl-Allawy.Directusofwindenergyforseawaterdesalinationbyvaporcompressionorreverseosmosis[J].Desalination.2003,156:275-279.[22]AMHelal.SAAI-Malek.Designofasolar-assistedmechanicalvaporcompression(MVC)desalinationunitforremoteareasintheUAE[J],Desalination,2006.197:273-300.[23]JGZaki,NMElDefrawy,SRTewfikMAEl-Rifai.Assessmentofvaporcompressionfortheconcentrationofdiluteureasolutions[J].Desalination.2000,128:111-121.[24]SHayaniMounir,MFeidt.CVasse.Thennoeconomicstudyofasystemforpollutantconcentrationwithmechanicalvaporcompression[J].AppliedThermalEngineering,2005,25:473-484.[25]HeinsB,XIEXiao,YANDeng-chao.Newtechnologyforheavyoilexploitationwastewaterreusedasboilerfeedwater[J].PetroleumExplorationandDevelopment,2008,35(1):113-117.[26]WilliamFH,RobM.Vertical-tubeevaporatorsystemprovidesSAGD-qualityfeedwater[J].WorldOilMagazine,2007,228(10):1-6.88n西安建筑科技大学硕士学位论文[27]JenniferMS.StrategiestoReduceTerminalWaterConsumptionofHydraulicFractureStimulationintheBarnettShale[D].[博士学位论文],Austin:TheUniversityofTexas,2009.[28]Aqua-PureVenturesInc.MobileOilfieldWastewaterRecycling-NOMAD2000andCaseStudies[EB/OL][2013-01-22].http://www.aqua-pure.com/technology/evaporation/evaporation.html.[29]AGVTECHNOLOGIES,INC.ImprovingProducedWaterQualityforCoalBedMethane,R-518[R/OL]:http://www.rpsea.org/attachments/wysiwyg/4/improving_water_sum.pdf,2004.[30]Coloradoschoolofmines.AnIntegratedFrameworkforTreatmentandManagementofProducedWater,07122-12[R],2009.[31]FrediL,AbrahamO.TheMechanicalVaporCompression:38YearsofExperience[C]//IDAWorldCongress.Maspalomas,GranCanaria-Spain,2007:1-10.[32]AndersonMA,CuderoAL,PalmaJ.Capacitivedeionizationasanelectrochemicalmeansofsavingenergyanddeliveringcleanwater.Comparisontopresentdesalinationpractices:Willit109compete[J].ElectrochimicaACTA,2010,35(2010):3845–3856.[33]周桂英,曲景奄,隋智惹,张强,肖宝清.机械压缩蒸发在麻黄素废液处理中的应用分析[J].过滤与分离.2002.12(3):14-16.[34]方建才.MVR蒸发工艺在氯化铵废水处理中的应用及经济分析[J].广东化工.2012.39(8):102-103.[35]李清芳,刘中良,庞会中,张建,祝威.基于机械蒸汽压缩蒸发的油田污水脱盐系统及分析[J].化工学报.2011.62(7):1963-1969.[36]中华人民共和国环境保护部.2010年环境统计年报[EB/OL].(2012-01-18)[2012-08-10].http://zls.mep.gov.cn/hjtj/nb/2010tjnb/201201/t201.[37]中华人民共和国环境保护部.2010年中国环境状况公报[EB/OL].(2012-06-06)[2013-01-10].http://jcs.mep.gov.cn/hjzl/zkgb/2010zkgb/201106/t20110602_211577.htm.[38]任卫东.保护水资源刻不容缓[Ｎ].山西煤炭管理干部学院学报.2004-09-30.[39]农少梅,李捍东,张树增等.高盐废水处理技术研究新进展[J].江苏环境科技.2008.21(3):72-76.89n西安建筑科技大学硕士学位论文[40]邓建民.机械压缩制盐技术发展历程及先进性浅述[J].现代盐化工.2014.9：1-3.[41]董守亮.MVR技术在液态奶蒸发系统中的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0.00N/mm大端筒体小端筒体锥壳部分材料名称TA2TA2TA2材料类型板材板材板材试验温度许用应力147.00147.00147.00MPat设计温度许用应力100.00100.00100.00MPa试验温度下屈服点s320.00320.00320.00MPa钢板负偏差C10.600.600.60mm焊接接头系数0.850.850.85腐蚀裕量C20.500.500.50mm锥壳厚度计算pD1cc锥壳rt=0.37mm2pcoscc计算厚度rr=Q1=1.45mm是否加强需要加强锥壳大端应力增强系数Q1=1.212D锥壳加强段长度iLr60.06mmcos圆筒加强段长度2D59.03mmiLr计算厚度rr=Q2=1.30mm是否加强需要加强锥壳小端应力增强系数Q2=2.102D锥壳加强段长度isr40.77mmcos圆筒加强段长度2Disr40.07mm98n西安建筑科技大学硕士学位论文压力试验时应力校核锥壳压力试验类型液压试验[]试验压力值tMPaPT=1.25Pc[]=0.0919(或由用户提供)压力试验允许通过的应力tT0.90s=288.00MPa试验压力下的应力T=13.76MPa校核条件TT校核结果合格计算结果锥壳所需名义厚度2.00mm锥壳大端所需名义厚度6.00mm锥壳小端所需名义厚度6.00mm输入厚度6.00mm结论合格锥壳与筒体连接处的加强计算大端小端△值△=11.00△=4.00△<α,需作加强设计△<α,需作加强设计11QpDf=15.00QpDf=7.72NLciL1SciS244kQDtgkQDtgLiLSiS所需加强ArLt(1)ArSt(1)mm22[]2[]面积ss=6.43=5.52AeL0.71(nC)DiLnAeS0.55(nC)DiSn有效加强DDmm2iLnciSnc面积0.71(nccC)0.55(nccC)coscos=500.87=297.93加强■增加壁厚■增加壁厚方法□设置加强圈□设置加强圈增加壁厚加强段厚度6.006.00mm筒体加强段长度60.2533.49mm锥壳加强段长度61.3034.08mm设置加强圈加强圈规格加强圈型号2加强圈截面积mm99n西安建筑科技大学硕士学位论文3.5管程上锥形封头强度计算管程上锥形封头强度计算计算所依据的标准GB150.3-2011设计条件锥壳简图计算压力Pc0.05MPa设计温度t150.00C锥壳大端直径DiL1200.00mm锥壳小端直径Dis800.00mm锥壳大端转角半径r0.00mm锥壳小端转角半径rs0.00mm锥壳计算内直径Dc1200.00mm锥壳半顶角30.00C大端产生的轴向载荷f10.00N/mm小端产生的轴向载荷f20.00N/mm大端筒体小端筒体锥壳部分材料名称TA2TA2TA2材料类型板材板材板材试验温度许用应力147.00147.00147.00MPat设计温度许用应力100.00100.00100.00MPa试验温度下屈服点s320.00320.00320.00MPa钢板负偏差C10.600.600.60mm焊接接头系数0.850.850.85腐蚀裕量C20.500.500.50mm锥壳厚度计算pD1cc锥壳rtmm2pcoscc=0.41计算厚度rr=Q1=2.35mm是否加强需要加强锥壳应力增强系数Q1=1.96大端2D锥壳加强段长度iLrmmcos80.73圆筒加强段长度2DmmiLr75.13计算厚度rr=Q2=2.49mm是否加强需要加强应力增强系数Q2=3.11锥壳小端2Disrmm锥壳加强段长度cos67.82圆筒加强段长度2Dmmisr63.11100n西安建筑科技大学硕士学位论文压力试验时应力校核锥壳压力试验类型液压试验[]试验压力值tMPaPT=1.25Pc[]=0.0919(或由用户提供)压力试验允许通过T0.90s=288.00MPa的应力t试验压力下的应力T=15.34MPa校核条件TT校核结果合格计算结果锥壳所需名义厚度2.00mm锥壳大端所需名义厚度6.00mm锥壳小端所需名义厚度6.00mm输入厚度6.00mm结论合格锥壳与筒体连接处的加强计算大端小端△值△=11.00△=4.00△<α,需作加强设计△<α,需作加强设计11QpDfQpDfNLciL1SciS24=15.004=10.00所需加kQLDiLtgkQSDiStg2ArLt(1)ArSt(1)mm强面积2[]2[]s=32.91s=23.55AeL0.71(nC)DiLnAeS0.55(nC)DiSn有效加DDmm2iLnciSnc强面积0.71(nccC)0.55(nccC)coscos=513.73=340.18加强方■增加壁厚■增加壁厚法□设置加强圈□设置加强圈增加壁厚加强段厚度6.006.00mm筒体加强段长度60.2538.11mm锥壳加强段长度64.7440.95mm101n西安建筑科技大学硕士学位论文3.6管箱法兰稳定性计算管箱法兰稳定性计算设计条件简图设计压力p-0.030MPa计算压力pc-0.030MPa设计温度t150.0C轴向外载荷F0.0N.外力矩M0.0Nmm壳材料名称TA2许用[]n147.0MPat体应力[]100.0MPan法材料名称Q345R许用[]181.0MPaft兰应力[]173.0MPaf材料名称35螺许用[]117.0MPabt应力[]98.0MPab栓公称直径dB20.0mm螺栓根径dd17.3mm数量n36个Di1212.0Do1330.0垫结构Db1290.0D外1255.0尺寸D内1205.0l16.0mm图(a)结DG取法兰与翻边接触面中心处,构与垫片位置无关图(b)结b0≤6.4mmDG=(D外+D内)/2构b0>6.4mmDG=D外-2bb0≤6.4mmb=b0DG1233.5片b0>6.4mmb8.94压紧面形状1a,1bb材料类型=2.53b0软垫片N25.0m2.00y(MPa)11.0螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓Wa=πbDGy=381291.3N载荷Wa操作状态下需要的最小螺栓Wp=Fp+F=0.0N载荷Wp2所需螺栓总截面积AmAm=max(Ap,Aa)=3258.9mm2nd4实际使用螺栓总截面积A2bd2Ab=n根=8456.4mm4垫片最小宽度NNmin=Abb=11.6mmmin6.28yDG弯矩计算102n西安建筑科技大学硕士学位论文2LD=0.5(Db-Di)MD=FDLD.FD=0.785Dipc=-34593.6NmmNmm=39.0=-1349151.5LG=0.5(Db-DG)MG=FGLG.FG=Fp=-4157.4NmmNmm操=28.2=-117447.6作图(a):LT=0.5(Db-DG)MT=FTLT.MpFT=F-FD=-1238.2N图(b):LT=0.5(LD+LG)mm=-34979.7NmmLT=28.2外压:Mp=FD(LD-LG)+FT(LT-LG);内压:Mp=MD+MG+MTMp=1501578.8预LG=0.5(Db-DG)Ma=WLG.紧W=Wa=685342.1NmmNmm=28.2=19360916.0Mat.计算弯矩Mo=Mp与Ma[]f[]f中大者Mo=18505184.0Nmm螺栓间距校核DbL112.6实际间距nmm最小间距L46.0(查GB150.3-2011表7-3)mmmin6fLmax2dB150.4mm最大间距(m0.5)输入法兰厚度δf=46.0mm,法兰应力校核K=Do/Di=1.097Y=20.838(查GB150.3-2011表7-9)计算值许用值结论Wa111.25图a结构DilMPa[]10.8[]n校核合格Wp剪应力校20.00t校核合格DilMPa[]20.8[]n核计算结果YM0按环向应力确定的法兰厚度fn[]tD42.9mm校核合格fi103n西安建筑科技大学硕士学位论文3.7换热管稳定性计算换热管稳定性计算计算条件换热管简图计算压力Pc-0.030MPa设计温度t160.00C内径Di35.60mm材料名称TA10(管材)试验温度许用应力147.00MPat设计温度许用应力110.80MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C20.00mm焊接接头系数1.00厚度及重量计算计算厚度=0.55mm有效厚度e=n-C1-C2=1.20mm名义厚度n=1.20mm外压计算长度LL=8500.00mm外径DoDo=Di+2n=38.00mmL/Do7.03Do/e31.67A值A=0.0011696B值B=84.86重量9.26kg压力计算B=2.67987MPa许用外压力[P]=Do/e结论换热管外压计算合格104n西安建筑科技大学硕士学位论文3.8管板强度计算延长部分兼作法兰固定式管板设计计算条件简图设计压力ps0.22MPa设计温度T160Cs平均金属温度t110sC装配温度to15C壳材料名称Q345Rt设计温度下许用应力[]187.8Mpa1.964e+程平均金属温度下弹性模量EsMpa05mm/mm平均金属温度下热膨胀系数s1.16e-05C圆壳程圆筒内径Di1200mm壳程圆筒名义厚度s12mm壳程圆筒有效厚度se9.7mm筒壳体法兰设计温度下弹性模量Ef‘1.934e+05MPa22壳程圆筒内直径横截面积A=0.25Di1.131e+06mm2壳程圆筒金属横截面积As=s(Di+s)3.686e+04mm管设计压力pt-0.03MPa箱设计温度Tt150C圆材料名称TA2筒设计温度下弹性模量Eh1.11e+05MPa管箱圆筒名义厚度(管箱为高颈法兰取法兰颈部大小6mm端平均值)h管箱圆筒有效厚度he4.9mm”管箱法兰设计温度下弹性模量Et1.94e+05MPa材料名称TA10换管子平均温度t95tCt设计温度下管子材料许用应力[]t110.8MPat设计温度下管子材料屈服应力s216.6MPat热设计温度下管子材料弹性模量Et1.014e+05MPa平均金属温度下管子材料弹性模量Et1.054e+05MPa平均金属温度下管子材料热膨胀系数8.31e-06mm/mmCt管管子外径d38mm管子壁厚t1.2mm管子根数n441换换热管中心距S51mm2一根管子金属横截面积a(d)138.7mmtt热换热管长度L8500mm管管子有效长度(两管板内侧间距)L18420mm管束模数Kt=Etna/LDi638.4MPa105n西安建筑科技大学硕士学位论文管子回转半径22i0.25d(d2)13.02mmt管子受压失稳当量长度lcr2200mm换系数C=2Et/t96.13rts比值lcr/i1692热管子稳定许用压应力(Clcr)[]Et17.52MParcr2i2(lcri)l管子稳定许用压应力(Ccr管r)iMPatliscr[]1cr22Cr材料名称Q345R设计温度t160pCt管设计温度下许用应力170.4MPar设计温度下弹性模量Ep1.934e+05MPa管板腐蚀裕量C22mm管板输入厚度n40mm管板计算厚度36.7mm2隔板槽面积(包括拉杆和假管区面积)Ad0mm板管板强度削弱系数0.4管板刚度削弱系数0.4D2i管子加强系数K1.318Ena/ELK=4.731tp管板和管子连接型式焊接管板和管子胀接(焊接)高度l4.5mm胀接许用拉脱应力[q]MPa焊接许用拉脱应力[q]55.4MPa管材料名称Q345R"管箱法兰厚度f46mm法兰外径D1330mmf箱基本法兰力矩M1.077e+07Nmmm管程压力操作工况下法兰力M1.502e+06Nmmp法兰宽度bf(DfDi)/265mm法比值h/Di0.004083"比值f/Di0.03833系数C"(按h/Di,”f/Di,查<>图25)0.00兰系数”(按h/Di,”f/Di,查<>图26)4.572e-05312E"b2"旋转刚度K"[fffE"]1.172MPaf12DbDhifi壳材料名称Q345R体壳体法兰厚度'40mmf法法兰外径D1330mm兰f106n西安建筑科技大学硕士学位论文法兰宽度bf(DfDi)/265mm壳比值s/Di0.008083比值'/D0.03333fi体'系数C,按h/Di,”f/Di,查<>图250.00'法系数,按h/Di,”f/Di,查<>图260.00017853兰2E'b2'旋转刚度K'1[fffE']3.412MPaf12DbDsifi法兰外径与内径之比KDD1.108fi壳体法兰应力系数Y(按K查<>表18.857-9)~Kf旋转刚度无量纲参数K0.004197f4Kt2Et膨胀节总体轴向刚度0N/mm22(li)cr~管板第一弯矩系数(按K,K查<>图f0.274527)m1m1系系数~13.85KKf~系数(按KK查<>图29)G2.961tf2EnaQt换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比0.891EAss换热管束与带膨胀节壳体刚度之比数Etna(EsAsKexL)QexEsAsKexL管板第二弯矩系数(按K,Q或Q查<>图ex1.86128(a)或(b))m2系数（带膨胀节时Q代替Q）Mm10.007547ex12K(QG2)计系数(按K,Q或Qex查图30)G30.01023~~法兰力矩折减系数Kf(KfG)0.2913管板边缘力矩变化系数~1M"0.3122KKff~~算法兰力矩变化系数MfMKK"0.9091ff22管管板开孔后面积Al=A-0.25nd6.308e+05mm管板布管区面积板(三角形布管)22At0.866nSAd9.934e+05mm参(正方形布管)2AnSAtd数管板布管区当量直径D4A/1125mmtt107n西安建筑科技大学硕士学位论文系数A/A0.5578l系系数na/Al0.09699数系数s0.40.6(1Q)/2.434系数(带膨胀节时Q代替Q)ex计3.1120.4(1)(0.6Q)/t算管板布管区当量直径与壳体内径之比tDt/Di0.9372管板周边不布管区无量纲宽度k=K(1-t)0.2972仅有壳程压力Ps作用下的危险组合工况(Pt=0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差=t(tt-to)-s(ts-to)0.0-0.0004372当量压力组合PcPs0.220.22MPa有效压力组合PasPsEt0.5355-3.935MPa~4Mm基本法兰力矩系数Mm0.02657-0.0036163DPia管板边缘力矩系数~~~0.02893-0.00126MMm(M)M1~管板边缘剪力系数M0.4007-0.01745mm管板总弯矩系数m120.72840.24631系数G仅用于m0时1e0.18520.0626G1e3mK系数G,当m<0时,按K和m查1i图31(b)0.1220.2125当m>0时,按K和m查图31(a)实线系数G1m>0,G1=max(G1e,G1i),m<0,G1=G1i0.18520.2125管板径向应力~1(1)G1系数带膨胀r=4QG0.016830.01355节,Q为Qex2管板布管区周~3m(1)边处径向应力=r0.042080.009984K(QG)系数2管板布管区周~=11边处剪切应力p4QG0.090910.063772系数壳体法兰力矩系数0.0008715-0.007913~~MwsMm(Mf)M1计算值许用值计算值许用值管板径向应力tt21.53~DrrMPaPi13.44=255.679.5=511.2rra108n西安建筑科技大学硕士学位论文管板布管区周边处径向应力t3t21.5rrPa~'Dikk221.29MPa'-0.1573rr1(2m)=255.6=511.2m2m管板布管区周边剪切应力t1.5t0.5P~DrrMPaat2.08pp=85.2-10.72=255.6tt壳体法兰应力'~Di2r3YMP()1.5rMPafwsa'3.468231.44f=255.6=511.2tt3换热管轴向应力tt=110.8=332.41GQMPa2-1.46433.62tPcQGPa2crcr=17.52=17.52壳程圆筒轴向应力ttc3c=A(1)3.332-17.18MPaPcA(QG)a=159.6478.9s2换热管与管板连接拉脱应力3[q]焊接[q]=ta[q]胀接MPaq=0.378155.48.683dl166.2仅有管程压力Pt作用下的危险组合工况(Ps=0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差=(t-t)-(ts-t)0.0-0.0004372tt0s0当量压力组合PcPt(1)0.032910.03291MPa有效压力组合PatPtEt0.0933617.52hich0MPa操作情况下法兰力矩系数~4Mp0.02125-0.0004531Mp3DPia~~管板边缘力矩系数MMp0.02125-0.0004531~管板边缘剪力系数M0.2943-0.006277mm12管板总弯矩系数m0.63530.26441系数G仅用于1e0.16150.06722m0>0时G1e3mK系数G,当m<0时,按K和m查1i图31(b)当m>0时,按K和m查图31(a)0.12230.2064实线系数Gm>0,G=max(G,G),111e1im<0,G=G0.16150.204411i管板径向应~1(1)G1力系数带膨r=4QG20.013570.01318胀节Q为Qex109n西安建筑科技大学硕士学位论文管板布管区~3m(1)周边处径向'=0.033920.01084r4K(QG)应力系数2管板布管区~11周边处剪切p=0.084010.06454QG2应力系数~~壳体法兰力矩系数MwsMpM1-0.001363-0.007679计算值许用值计算值许用值管板径向应力1.5tt23~D1.888r86.02rMPaPirra255.6511.2管板布管区周边处径向应力1.5tt22r3rPa~'DikkMPa'2.768-4.82rr1(2m)255.6511.2m2m管板布管区周边剪切应力0.5tt1.5P~DrrMPaat0.3351-12.06pp85.2255.6~D1.5t3t壳体法兰应力'YMP(i)2-0.9459r249.8rMPafwsa'4f255.6511.2tt3换热管轴向应力tt110.8332.41G2QMPatPcPa-0.335135.1QGcrcr217.5217.52壳程圆筒轴向应力tt3A(1)ccMPacA[Pt(QG)Pa]-0.3836159.6-20.25478.9s2换热管与管板连接拉脱应力3[q]焊接[q]ta0.086539.064[q]胀接MPaq=55.4dl166.2当Ps和Pt异号时，考虑壳程Ps和管程压力Pt同时作用下的危险组合工况不计温差应力计温差应力换热管与壳体热膨胀变形差0.0-0.0004372=(t-t)-(ts-t)tt0s0当量压力组合PPP(1)0.25290.2529MPacst有效压力组合0.6289-3.842MPaPPPeEassttt~4M基本法兰力矩系数Mmm30.003154-0.0005163DPia操作情况下法兰力矩系数~4MMp0.005510.00184p3DPia管板边缘力矩系数~~~~0.003154-0.0005163M=Max[Mm(M)M1,Mp]110n西安建筑科技大学硕士学位论文~管板边缘剪力系数M0.04369-0.007152管板总弯矩系数mm1m20.34090.2631系数G仅用于m0时1e0.086650.06686G3mK1e系数G,当m<0时,按K和m查1i图31(b)0.18250.2069当m>0时,按K和m查图31(a)实线系数G1m>0,G=max(G1e,G1I),10.18150.205m<0,G=G11i管板径向应~(1)G力系数带膨11r=0.01230.01321胀节Q为4QG2Qex管板布管区~周边处径向'=3m(1)0.014670.01077r4K(QG)应力系数2管板布管区~周边处剪切110.067740.06444p=应力系数4QG2壳体法兰力矩系数~~~-0.005943-0.007011MwsMax[MpM1,Mm(Mf)M1]计算值许用值计算值许用值2tt~Di1.53管板径向应力P11.53r75.66rMParra255.6511.2管板布管区周边处径向应力1.5tt22r3rPa~'Dikk3.677-3.911MPa'1(2m)rr255.6511.2m2m管板布管区周边剪切应力0.5tt1.5P~D1.82r-10.58rMPaatpp85.2255.6~D1.5t3t壳体法兰应力'YMP(i)2-27.77r200.2rMPafwsa'4f255.6511.2tt3换热管轴向应力tt110.8332.41G2Q-2.31133.12MPatPcPaQGcrcr217.5217.52壳程圆筒轴向应力tt3A(1)c-17.87cMPaP1.996cA(QG)a159.6478.9s2换热管与管板连接拉脱应力3[q]焊接[q]ta0.59688.554[q]胀接MPaq=55.4dl166.2计算结果管板名义厚度n40mm管板校核通过111n西安建筑科技大学硕士学位论文附录四MVR升膜蒸发器蒸发罐主要部件稳定性计算4.1筒体外压稳定性计算筒体外压稳定性计算计算所依据的标准GB150.3-2011计算条件简图计算压力Pc-0.03MPa设计温度t150.00C内径Di3000.00mm材料Q345R(板材)试验温度许用应力189.00MPat设计温度许用应力189.00MPa试验温度下屈服点s345.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C20.50mm焊接接头系数1.00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=1.25Pc=0.0375MPa压力试验允许通过的应力水平TT0.90s=310.50MPap.(D)=5.04T=TieMPa试验压力下圆筒的应力2.e校核条件TT校核结果合格厚度计算计算厚度=4.30mm有效厚度e=n-C1-C2=11.20mm名义厚度n=12.00mm外压计算长度LL=1285.00mm筒体外径DoDo=Di+2n=3024.00mmL/Do0.42Do/e270.00A值A=0.0007321B值B=96.19B=0.35627MPa许用外压力[P]=Do/e结论合格重量4011.02kg加强圈计算加强圈类型扁钢加强圈规格-100x10LsLs=1285.00mm2加强圈面积AsAs=1000.00mmPcDo=7.57B值B＝eAs/LsA值A＝0.00006234加强圈惯性矩Ix833300.00mm112n西安建筑科技大学硕士学位论文24所需惯性矩II=DoLs(eAs/Ls)A=804921.88mm10.94有效惯性矩Is3002212.25mm结论合格4.2无折边锥型封头外压稳定性计算无折边锥型封头外压稳定性计算计算所依据的标准GB150.3-2011计算条件锥形封头简图设计压力Pc-0.03MPa设计温度t150.00C锥壳大端直径Di3000.00mm锥壳小端直径Dis750.00mm锥壳大端转角半径r0.00mm锥壳小端转角半径rs0.00mm锥壳半顶角30.00锥壳轴向长度Lx1955.56mm锥壳段大端外直径DL=3024.00mm大端筒体计算长度LL=50.00mm锥壳段小端外直径Ds=766.00mm小端筒体计算长度Lsm=200.00mm大端产生的轴向载荷f10.00N/mm小端产生的轴向载荷f20.00N/mm当量长度LeLe=1225.46mm■锥壳大端是否作支撑线□锥壳小端是否作支撑线大端圆筒小端圆筒锥壳部分材料名称Q345RQ345RQ345R材料类型板材板材板材试验温度许用应力189.00189.00189.00MPat设计温度许用应力189.00189.00189.00MPa试验温度下屈服点s345.00345.00345.00MPa钢板负偏差C10.300.300.30mm腐蚀裕量C20.500.500.50mm焊缝接头系数1.001.001.00厚度计算大端圆筒小端圆筒锥壳部分计算厚度0.532.384.23mm有效厚度11.207.209.70mmA值0.011170720.000404940.00061854B值172.407451.316179.8004MPa许用压力0.63850.48230.2560MPa名义厚度12.008.0012.00mm113n西安建筑科技大学硕士学位论文结论厚度合格厚度合格厚度合格压力试验时应力校核锥壳压力试验类型液压试验试验压力值PT=1.25Pc=0.0375MPa压力试验允许通过的应力T0.90s=310.50MPat试验压力下的T=5.82MPa应力校核条件TT校核结果合格锥壳和筒体连接处的加强计算大端小端△值△=1.31(°)11(N/mQL=4PcDLf1=22.68Qs=4PcDsf2=5.74m)QLDoLtg1PcDoL2QLArl=t14(2)QsDostg2所需加强面积2[]sQLArs=2[]t=6.72mms=103.61A0.55CDA0.55CDeLnoLnesnosn2有效加强面积0.55CD/cos0.55CD/cosmmncoLncnccsnc=2434.39=602.562222Lc=Lx(RLRs)=2258.06Lc=Lx(RLRs)=mm1LC1LCA=1L(C)1L(C)ATL=2L(n)2c(nc)Ts2smn2cnc2mm=12925.14=22DtgLD2D2DLtgLLDLDsssmLsM=426DLtgN=4212Dstgmm=405.51=所需惯性矩FL=PcM+f1tgα=12.17Fs=PcN+f2tgα=FLDLFsDsB=ATL=2.85B=A=MPaTsA=0.0000231A=22ADLATLADsATsmm4I=10.9=250557.53I=10.9=4有效惯性矩Is=750481.88Is=mm加强段厚度12.0012.00mm筒体加强段长104.7743.28mm度锥壳加强段长104.7746.51mm度114n西安建筑科技大学硕士学位论文4.3无折边锥形封头强度计算无折边锥形封头强度计算计算所依据的标准GB150.3-2011设计条件锥壳简图计算压力Pc0.03MPa设计温度t150.00C锥壳大端直径DiL3000.00mm锥壳小端直径Dis750.00mm锥壳大端转角半径r0.00mm锥壳小端转角半径rs0.00mm锥壳计算内直径Dc3000.00mm锥壳半顶角30.00C大端产生的轴向载荷f10.00N/mm小端产生的轴向载荷f20.00N/mm大端筒体小端筒体锥壳部分材料名称Q345RQ345RQ345R材料类型板材板材板材试验温度许用应力189.00189.00189.00MPat设计温度许用应力189.00189.00189.00MPa试验温度下屈服点s345.00345.00345.00MPa钢板负偏差C10.300.300.30mm焊接接头系数1.001.001.00腐蚀裕量C20.500.500.50mm锥壳厚度计算pD1cc=0.27mm锥壳rt2pcoscc计算厚度rr=Q1=5.88mm是否加强需要加强锥壳大端应力增强系数Q1=1.962D锥壳加强段长度iLr201.84mmcos圆筒加强段长度2D187.83mmiLr计算厚度rr=Q2=2.33mm是否加强需要加强锥壳小端应力增强系数Q2=3.112D锥壳加强段长度isr63.58mmcos圆筒加强段长度2D59.17mmisr115n西安建筑科技大学硕士学位论文压力试验时应力校核锥壳压力试验类型液压试验P=1.25P[]=0.0375(或由用户输入)试验压力值TctMPa[]压力试验允许通过T0.90s=310.50MPa的应力t试验压力下的应力T=5.82MPa校核条件TT校核结果合格计算结果锥壳所需名义厚度4.00mm锥壳大端所需名义厚度12.00mm锥壳小端所需名义厚度12.00mm输入厚度12.00mm结论合格锥壳与筒体连接处的加强计算大端小端△值△=11.00△=4.00△<α,需作加强设计△<α,需作加强设计11QpDf=22.50QpDf=5.62NLciL1SciS244kQDtgkQDtgLiLSiSA(1)A(1)所需加强面积rLtrStmm22[]2[]ss=65.29=5.58A0.71(C)DeLniLnA0.55(C)DeSniSnD0.71(C)iLncD2有效加强面积ncc0.55(C)iSncmmcosncccos=887.34=2686.13■增加壁厚■增加壁厚加强方法□设置加强圈□设置加强圈增加壁厚加强段厚度12.0012.00mm筒体加强段长度134.7142.60mm锥壳加强段长度144.7645.78mm116n西安建筑科技大学硕士学位论文4.4开孔补强计算开孔补强计算1接管:MW2,φ630×12计算方法:GB150.3-2011等面积补强法，单孔设计条件简图计算压力pc0.03外压MPa设计温度150℃壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型345R板材壳体开孔处焊接接头1系数φ壳体内直径Di3000mm壳体开孔处名义厚度12mmδn壳体厚度负偏差C10.3mm壳体腐蚀裕量C20.5mmt壳体材料许用应力[σ]189MPa接管轴线与筒体表面法线的夹角0(°)凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)接管实际外伸长度250mm接管连接型式插入式接管接管实际内伸长度0mm接管材料Q345R接管焊接接头系数1名称及类型板材接管腐蚀裕量0.5mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至补强圈外径mmmm封头轴线的距离补强圈厚度mm接管厚度负偏差C1t0.3mm补强圈厚度负偏差C1rmmtt接管材料许用应力[σ]189MPa补强圈许用应力[σ]MPa开孔补强计算非圆形开孔长直径607.6mm开孔长径与短径之比1壳体计算厚度δ4.3mm接管计算厚度δt0.875mm补强圈强度削弱系数接管材料强度削弱系数01frrfr开孔补强计算直径d607.6mm补强区有效宽度B1215.2mm接管有效外伸长度h185.389mm接管有效内伸长度h20mm开孔削弱所需的补强221306mm壳体多余金属面积A14192mm面积A22接管多余金属面积A21763mm补强区内的焊缝面积A336mm2A1+A2+A3=5992mm，大于A，不需另加补强。22补强圈面积A4mmA-(A1+A2+A3)mm结论:合格117n西安建筑科技大学硕士学位论文开孔补强计算2接管:RE1,φ57×4计算方法:GB150.3-2011等面积补强法，单孔设计条件简图计算压力pc0.03外压MPa设计温度150℃壳体型式圆形筒体壳体材料Q345R名称及类型板材壳体开孔处焊接接头1系数φ壳体内直径Di3000mm壳体开孔处名义厚度12mmδn壳体厚度负偏差C10.3mm壳体腐蚀裕量C20.5mmt壳体材料许用应力[σ]189MPa筒体周向斜接管偏心距离(mm)1凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)接管实际外伸长度180mm接管连接型式插入式接管接管实际内伸长度0mm接管材料20(GB8163)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量0.5mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至补强圈外径mmmm封头轴线的距离补强圈厚度mm接管厚度负偏差C1t0.5mm补强圈厚度负偏差C1rmmtt接管材料许用应力[σ]140MPa补强圈许用应力[σ]MPa开孔补强计算非圆形开孔长直径51mm开孔长径与短径之比1壳体计算厚度δ4.3mm接管计算厚度δt0.181mm补强圈强度削弱系数接管材料强度削弱系数00.7407frrfr开孔补强计算直径d51mm补强区有效宽度B102mm接管有效外伸长度h114.283mm接管有效内伸长度h20mm开孔削弱所需的补强22113mm壳体多余金属面积A1341mm面积A22接管多余金属面积A260mm补强区内的焊缝面积A312mm2A1+A2+A3=413mm，大于A，不需另加补强。22补强圈面积A4mmA-(A1+A2+A3)mm结论:合格118n西安建筑科技大学硕士学位论文开孔补强计算3接管:WC3,φ57×3.5计算方法:GB150.3-2011等面积补强法，单孔设计条件简图计算压力pc0.03外压MPa设计温度150℃壳体型式圆形筒体壳体材料Q345R名称及类型板材壳体开孔处焊接接头1系数φ壳体内直径Di3000mm壳体开孔处名义厚度δn12mm壳体厚度负偏差C10.3mm壳体腐蚀裕量C20.5mmt壳体材料许用应力[σ]189MPa接管轴线与筒体表面法线的夹0角(°)凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)接管实际外伸长度180mm接管连接型式插入式接管接管实际内伸长度0mm接管材料TA2接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量0.5mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至补强圈外径mmmm封头轴线的距离补强圈厚度mm接管厚度负偏差C1t0.4375mm补强圈厚度负偏差C1rmmtt接管材料许用应力[σ]100MPa补强圈许用应力[σ]MPa开孔补强计算非圆形开孔长直径51.875mm开孔长径与短径之比1壳体计算厚度δ4.3mm接管计算厚度δt0.235mm补强圈强度削弱系数接管材料强度削弱系数00.5291frrfr开孔补强计算直径d51.875mm补强区有效宽度B103.75mm接管有效外伸长度h113.475mm接管有效内伸长度h20mm开孔削弱所需的补强22117mm壳体多余金属面积A1341mm面积A2补强区内的焊缝面积2接管多余金属面积A233mm10mmA32A1+A2+A3=385mm，大于A，不需另加补强。22补强圈面积A4mmA-(A1+A2+A3)mm结论:合格119