双管板换热器的强度计算.pdf

设备战术
石油化工设计
'etrochemical Design
2010,27(2)12-15
双管板换熱器的强度计算
桑如芭,谢智刚,段瑞,林上寓
(中国石化工程建谖公司,北京100101)
摘要:双管板換热器是一种特殊结构的固定管板换热器,它的强度设计方法在CB151《管壳式换热
器》中未有给出。在対双管板换热器与一般结构換热器的受力进行分析比较的基础上,论证提出了一种
工程计算方法,结果偏于安全可靠。允许两块管板采用不同等厚度,使设计趋经济合理。
关键词:双管板;换热器;强度
双管板换热器是一种应用于管壳程介质一且有两块管板,但从管板受力考虑,可将两块管板及
发生接触便会产生严重或灾难性事故的苛刻操作其之间的管束段视为一“空心结构的组合管板”
条件的换热器。双管板换热器型式有两种型式,即其作用可以一定厚度的当量“实心”管板替代,其
固定管板型式(图1)和U型管板型式(图2)。
当量厚度大于任一较厚管板的厚度,小于“组合管
板”的总厚度。将组合管板视为一当量厚度的“实
心”管板后,该换热器的受力即可按一般的固定管
板换热器进行考虑
图1固定管板形式
双管板换热器按单管板(一般固定管板换热
器)计算的可行性,可分析论证如下。分析可从一
般的单管板换热器的受力和应力产生机理出发,
然后考证当管板厚度发生变化(加厚时),管板应
力、管子应力和売体应力的变化情形,最终得出双
图2U形管板形式
这类换热器结构较复杂,换热器两侧各有两管板按单管板计算的可行性。这里先对固定管板
块管板。两管板两側分别作用有壳程压力管程换热器的受力进行分析。
压力p1及隔离腔压力(一般为负压)。此换热器
的计算方法未有列入CBl151中,为此其强度汁象2固定管板换热器的受力分析
方法成为设计中的一个疑难问题。在压力容器设
定管板换热器所受的主要载荷有压力:管
计审查工作中,发现不少单位对此类换热器强度
计算方法混乱,不合理地进行各种载荷组合,使计
收稿日期:2009
作者简介:桑如苞,男,浙江绍兴人,从事压力容器设
算过程非常繁复,并最终将两块管板(内侧管板和
计工作45年,退体,为压力容器国家标准CB150等十
外侧管板)取相同厚度,造成很大浪费。
余项标准的开创编制人之一,获国家级、部级奖7项,
本文在对此换热器进行受力分析基础上论证
参加国家标准等宣讲エ作27年,在全国讲坛一百五
提出一种建议计算方法,可按GB151方法以SW6
十余次讲演获成功,在压力容器强度设计方面有诸建
软件计算,设计结果偏于安全可靠,且两块管板厚
树,对法兰、凸缘、管板、大开孔补强、一次结构法、应
度可不等,使设计经济合理。
カ分类等有较深造诣,论证国外同类方法的错误,解
决设计计算问题,提出合理设计方法二十余种,发表
论文70余篇,成果应用于设计或标准中,专著多部
双管板固定管板换热器的受力模型
1999年载入《中国专家大辞典》。联系电话:010
对如图1所示的双管板换热器,其两端虽各
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第27卷
桑如苞等.双管板換热器的强度计算
程斥力P,、売程压力P。和管売金属膨胀变形差拉伸应力。而管板中无应力产生。
△t。无论哪种载荷作用,此类换热器的受力都可
(2)径向作用。P对管子外壁径向作用,使管
按以下思路进行分析。以p,作用工况为例?,子受外压,由此在管子环向产生压缩应力,相当于
剖析管板、管子、壳体等应力的产生机理及应力分外压容器。由于泊松效应作用,使管子轴向产生
布规律等。在P1和△z载荷作用时则可举一反
伸长,于是管子的伸长,使管板进一步上移,使管
触类旁通地去加以理解。
板下表面原与筒体相连接的a点自由上移至a"处
对换热器的受力分析,可先假设将换热器沿(见图3)
管板周边“切开”,分离成由管板和管束相连的管2.2p,对壳体系统的作用(见图3)
板管東系统和由筒体与封头组成的壳体系统。分
p。对壳体系统的作用只发生于径向方向。壳
别单独考虑压力p.对两系统的作用,产生不同的程筒体受压力,径向作用,在环向产生拉伸薄膜
自由变形。然后考虑它们间的变形协调,形成边应力,直径増大。由于泊松效应作用,其时筒体长
界力并产生各种应力。以下分别加以分析。
度将缩短。为此筒体上原与管板的连接点a,将轴
2.1p,对管板管束系统的作用(见图3)
向收缩位移至a'。此时壳体中只有环向薄膜应
力,轴向应力为零。
可见管板管束系统和壳体系统在压力p、的作
用下,它们的轴向自由变形正好相反。管板系统
仲长,壳体系统缩短,于是它们间产生自由位移差
△(见图3)。当管程压力P,作用时,将产生相反情
形,也会产生位移差。
2.3两系统变形协调产生各种应力
由于管板管朿系统与壳体系统实际上是连接
图3管板变形示意
在一起的,不可能发生自由变形。为此自由缩短
p对该系统的作用分轴向作用和径向作用。的圆筒端部就会对自由向上平移的管板周边产生
(1)轴向作用。P沿筒体轴向作用,管板的管向下的剪力,企图将管板周边向下压缩,于是位于
桥表面受压力p。作用的面积为:
管板周边的管子会受到轴向压缩,产生压应力。
f=(AD -mdn)/4
管束各处所受压缩的程度取决于管板的弯曲变
其中:D,一一筒体内径,mm;
形。因为管板的变形是由于周边受筒体的剪力等
d一管子外径,mm;
引起。为此管板周边弯曲较大,因此在此部位与
n一管束数量。
之相接的管子受到较大的轴向压缩应力。
p、在此面积上产生的总轴向力为:
管板的弯曲变形随着离开周边向中心迅速减
F=か
小,周边较大,中心很小。于是管束的轴向压缩程
其中:P、一壳程压力,MPa。
度与之相对应,即位于周边的管子中产生较大的
由于管板此时假想与筒体分离成两自由系轴向压缩应力,靠近管板中心的管子,轴向压缩应
统,即管板可在筒体内轴向自由移动,为此由P、产力就很小。管束的最终应力为由原先自由被拉长
生的F,应全部由管子来承受。其时管子中将产生时的轴向拉伸应力,与变形协调后所受到的轴
均匀的拉伸应力:
向压缩应力相叠加。
1=F/(n)
位于管板周边的管子,由于轴向压缩应力大
其中:一一一根管子的金属横截面积,mm2。
于自由伸长时的拉伸应力,所以叠加后,管子的轴
管子在拉应力作用下,将被拉长,管板因此产向应力为压缩应力。而靠近管板中心的管子的轴
生向上移动。此时在所有管子中均有均匀的轴向向应力,其压缩应カ小于拉伸应力,为此叠加完后