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随着石油资源的日益贫乏、环保力度的不断加大,炼油厂对加氢装置需求也日渐增大,螺纹锁紧环U形管式换热器作为其中一种重要的高温高压换热器,其操作压力管程一般为9.0～20.OMPa,壳程为2.5-20.OMPa,管壳程操作温度为200～440℃,公称直径范围为Φ500mm～Φ1900mm,介质含氢和硫化氢等。该类型换热器具有一般管壳式螺栓法兰连接的U形管式换热器所不具备的优点,如密封较可靠且在线可控、结构较紧凑、换热面积利用率高等,但也存在锁紧环加工与装拆困难、管箱比较笨重、造价高等不足之处。故本论文对其管箱端部结构进行了研究分析和改进,即采用一种新型D形螺栓替代原大型梯形螺纹管箱端部连接等结构改进措施,并对该新型D形螺栓U形管式换热器改进前后的结构进行了弹塑性力学分析、比较及优化,具体工作如下：首先,研究分析了原螺纹锁紧环U形管式换热器的结构及其特点、密封原理、装拆过程及存在的问题等,阐述了其常规设计的过程与方法；通过对管箱端部的弹性分析,得到了梯形螺纹根部的应力分布规律；通过对不同几何参数时梯形螺纹的有限元模拟,分析了螺纹扣数、螺距、牙型角与螺纹牙底圆角半径对其承载能力等的影响；对管箱端部的热应力分析与弹塑性分析则考察了温度载荷与材料模型对其应力分布等的影响：此外还优化了管箱端部的结构尺寸,达到了减少材料消耗、降低成本的目的。其次,介绍了新型D形螺栓U形管式换热器两种型式的结构及其特点、加工制造、装拆过程等,阐述了其常规设计的方法,设计比较发现改进后的结构在加工制造、装拆性能及材料消耗上均优于原结构；通过对新型结构两种D型螺栓布置方式的管箱端部结构的弹性分析,得到了它们的应力分布情况,并详细分析了螺纹根部的应力分布规律；通过进一步的热应力分析与弹塑性分析,考察了温度载荷与材料模型对它们应力分布的影响：对比发现D形螺拴轴线位于顶盖侧时的新型D形螺栓U形管式换热器管箱端部的应力分布情况要优于D形螺栓轴线位于管箱筒体侧时的情况。最后,运用Visual Basic. NET编制了一款能用于螺纹锁紧环U形管式换热器与两种型式的新型D形螺栓U形管式换热器常规设计的计算软件,以实现它们的高效开发设计。