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换热器管板应力分析

发布时间:2022/05/19 点击数:217

       管壳式换热器在石油化工、轻工、制药等行业的重要设备之一。上一世纪很多国家的学者,在换热器管板应力分析方面做了大量工作,形成了各国相关的换热器管板设计标准,有代表的是美国TEMA标准和德闰AD规范。我国清华大学黄克智院士等学者,从世纪七十年代开始进行管板应力分析的研究并做了大量的工作,形成了我国GEU51等相关换热器管板设计的标准。换热器管板结构的多样化及受力情况的复杂化,标准中无法涵盖一些特殊结构的管板设计,使工程技术人员在换热器管板设计方面经常遇到难以解决的问题。不同国家的标准规范设计的管扳厚度相差甚远,说明有必要对管板应力作更进一步的深人研究。

       在石化设备中换热器管板锻件的结构和受力情况可以说最为复杂,规范标准中的工程方法不可能考虑 所有的结构及载荷,很多特殊结构的换热器规范标 准没有包括,I:程技术人员或凭经验或套用相近标 准,导致冇些换热器管板设计不够合理,在使用中发生了问题。有些复杂结构换热器管板设计,即便采 用计算机和有限元计算管板的应力也不是一件容易 的事情。为了满足工程的需要,换热器管板应力分 析方面应在以下几方面进行更进一步的研究工作, 并开发相关的设计计算软件。换热器管板结构型式多种多样,各国标准基本是针对固定式(带法兰和不带法兰)、浮头式、填料函 式、u形管式几种结构。很多特殊结构的换热器管 板没有适用的工程方法,如:双管板结构、平封头型 管板、环形管板、波纹管换热器管板、前后端非对称结构,非对称布管结构管板等等D应针对这些特殊结构的换热器管板建立力学分析模型、对管板应力进行精确的分析计算。

      换热器管板应力分析计算中,大多数国家只考虑了管、壳程压力及,换热管和壳程筒体的温差(我国 GBJ51和美国TEMA标准考虑了管、壳程压力及换热管和壳程筒体的温差,德国ad规范只考虑r管、 壳程压力),而管板自身表面温差,及管板与管箱筒体、壳程筒体之间的温差均没有考虑,这些温差载荷对高参数(特别是高温差不锈钢换热设备)换热器管板砬力影响很大,且这些温差在两块管板是不同的。

      当温度较高时,随温度的升高,材料的许用砬力 (设n庇力强度)急剧下降,应采用有限元精确计算管板温度,合理确定管板材料的设计应力强度。管板汗孔与换热管连接,管板拉伸和弯曲刚度和未开 孔的平板不同,与管板的开孔率及管板与换热管连 接结构(换热管壁厚,换热管与管扳的焊缝高度)有 关采用有限元或其它方法分析计算管扳拉伸和 弯曲刚度(当量弹性模量和泊桑比管板的应力由两部分组成,一部分由换热管与壳程筒体轴向变形不协调(压力和温差引起),管板、 管程筒体、壳程筒体径向位移不协调和转角变形不 协调(压力和温差引起),在管板上引起的总体弯曲 应力和总体薄膜应力。另一部分是由压力和局部温差在管板管桥及管板与换热管连接部位引起的局部应力(我闰GB151和美国TEMA标准主要考虑总体弯曲应力,德国AD规范主要考虑局部应力)。对于 厚管板结构,总体弯曲应力是主要部分;而薄管板结构,在管板中部总体薄膜应力和局部应力是主要部分,在管板边缘总体弯曲应力是主要部分(边缘内力 对厚管板影响区域宽,对薄管板影响区域窄)。正确地分析计算各部分应力,合理地迭加,并进行综合评定。



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