换热器管板的强度设计

原创 胡伟明  2020-10-23 20:56:00  阅读 108 次 评论 0 条
摘要:

基本假设世界各主要工业国家都十分重视寻求先进合理的管板设计方法。在许多国家的有关标准或规范中,如美国的TEMA标准、中国的GB 151等规范中都列入了管板的计算公式。各国的管板设计公式尽管形式各异,但其大体上是分别在以下三种前提下得出的。①将管板看成为周边支承条件下承受均布载荷的圆平板,应用平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱,再引入经验性的修正系数。如在力学模型上作了适当简化的美国TE-MA方法。②将管子当作管板的固定支撑而管板是受管子支撑着的平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践

基本假设

世界各主要工业国家都十分重视寻求先进合理的管板设计方法。在许多国家的有关标准或规范中,如美国的TEMA标准、中国的GB 151等规范中都列入了管板的计算公式。各国的管板设计公式尽管形式各异,但其大体上是分别在以下三种前提下得出的。

①将管板看成为周边支承条件下承受均布载荷的圆平板,应用平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱,再引入经验性的修正系数。如在力学模型上作了适当简化的美国TE-MA方法。

②将管子当作管板的固定支撑而管板是受管子支撑着的平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践证明,这种公式适用于各种薄管板的计算。

③将管板视为在广义弹性基础上承受均布载荷的多孔圆平板,即把实际的管板简化为受到规则排列的管孔削弱、同时又被管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。这种简化假定既考虑到管子的加强作用,又考虑了管孔的削弱作用,分析比较全面,现今已为大多数国家的管板规范所采用。

基本设计思路

GB 151所列入的管板公式基于的基本考虑是:把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。同时在此基础上还考虑了以下几方面对管板应力的影响因素。

①管束对管板挠度的约束作用,但忽略管束对管板转角的约束作用。

②管板周边不布管区对管板应力的影响,将管板划分为两个区,即靠近中央部分的布管区和靠近周边处较窄的不布管区。通常管板周边部分较窄的不布管区按其面积简化为圆环形实心板。由于不布管区的存在,管板边缘的应力下降。

③不同结构形式的换热器,管板边缘有不同形式的连接结构,根据具体情况,考虑壳体、管箱、法兰、封头、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用。

④管板兼作法兰时,法兰力矩的作用对管板应力的影响。

力学模型

按照上述基本考虑,将换热器分解成封头、壳体、法兰、管板、螺栓、垫片等元件组成的弹性系统,各元件之间的相互作用用内力表示,管板简化为弹性基础上的等效均质圆平板,综合考虑壳程压力ps,和管程压力pt,因管程和壳程的不同温度所引起的热膨胀差以及预紧条件下的法兰力矩等载荷的作用。

内力共有14个,它们是作用在封头(管箱)与管箱法兰连接处的边缘弯矩Ms、横向剪力Hs、轴向力Vs;作用在壳体与壳体法兰连接处的边缘弯矩Ms、横向剪力Hr、轴向力Vs;作用在环形的不布管区与壳体法兰之间即半径为R处的弯矩Mr,径向力Hr,轴向剪力Vr;作用在管板布管区与边缘环板连接处即半径为Rf处的边缘弯矩Mf、径向剪力Hf、边缘剪力Vf;作用在垫片上的轴向内力Vg与作用在螺栓圆上的螺栓力Vb。

设法建立每个单独元件的位移或转角与作用在该元件上的内力的关系式,列出各元件间应满足的变形协调条件,得到以内力为基本未知量表达的变形协调方程组,求出内力后再计算危险截面上的应力,并进行强度校核。

如果不能保证换热器壳程压力ps与管程压力pt在任何情况下都能同时作用,则不允许以壳程压力和管程压力之差进行管板设计。如果ps和pt之一为负压时,则应考虑压力差的危险组合。

管板应力限制及调整

压力引起的管板应力属于一次弯曲应力,可用1.5倍的许用应力限制。管束与壳体的热膨胀差所引起的管板应力属于二次应力,一次加二次应力强度不得超过3倍许用应力。法兰预紧力矩作用下的管板应力属于为满足安装要求的、有自限性质的应力,应划为二次应力;法兰操作力矩作用下的管板应力属于为平衡压力引起的法兰力矩的应力,属于一次应力。但许多标准将法兰力矩引起的管板应力都划为一次应力。显然,这种处理方法是偏于安全的。

在固定管板式换热器中,当管板应力超过许用应力时,为使其满足强度要求,可采用两种方法进行调整。

①增加管板厚度可以大大提高管板的抗弯截面模量,有效地降低管板应力。因此一般在压力引起的管板应力超过许用应力时,通常采取增加管板厚度的方法。

②降低壳体轴向刚度。由于管束和壳体是刚性连接,当管束与壳壁的温差较大时,在换热管和壳体上将产生很大的轴向热应力,从而使管板产生较大的变形量,出现挠曲现象,使管板应力增高。为有效地降低热应力,又避免采用较大的管板厚度,可采取降低壳体轴向刚度的方法,如设置膨胀节。


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