管殼式換熱器的強(qiáng)度計算.ppt

1、管殼式換熱器的強(qiáng)度計算,換熱器的受力情況與容器有所不同，如固定管板式換熱器，殼體和管壁除受殼程和管程的流體壓力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力外，還受到管、殼壁溫差造成的軸向溫差應(yīng)力。因此，盡管換熱器的殼體、管子、封頭、法蘭、開孔等按一般受壓容器計算的強(qiáng)度得到滿足，但在操作時仍然可能。遇到下列幾種特有的破壞情況：,1.管板太薄，因流體壓力和溫差應(yīng)力的作用，產(chǎn)生過大的翹曲變形，從而破壞了結(jié)構(gòu)及管、殼程之間的密封。 2.在殼壁和管壁中產(chǎn)生過大的軸向應(yīng)力，當(dāng)它超過材料允許的極限時，則殼體或管子將遭到破壞。 3.由于管子受到的軸向力過大，使管子和管板在脹接連接處被拉脫，換熱器遇到破壞。 設(shè)計換熱器時必須對上述

2、情況充分考慮并進(jìn)行強(qiáng)度計算，以免發(fā)生此類破壞。,可見，換熱器強(qiáng)度計算應(yīng)包括兩部分內(nèi)容，第一部分是作為受壓容器，計算筒體、封頭、法蘭、開孔、支座等，這與一般容器設(shè)計相同；第二部分是換熱器特有的強(qiáng)度計算，包括管板厚度計算、筒體軸向應(yīng)力校核、管子軸向應(yīng)力和拉脫力校核等項。如果換熱器采用膨脹節(jié)，則還需進(jìn)行膨脹節(jié)的計算。,管板的強(qiáng)度計算,管板的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它與一般的圓平板有相似之處，但差別亦不小。主要是管板上的開孔和同管板連接在一起的管束對管板強(qiáng)度的影響等。目前一些管板厚度設(shè)計公式因?qū)Ω饔绊懸蛩乜紤]不同而有較大差異。根據(jù)不同的設(shè)計依據(jù)，管板厚度的設(shè)計公式可概括為下列幾類：,1將管板當(dāng)作受均布載荷的實

3、心圓板，以按彈性理論得到的圓平板最大彎曲應(yīng)力為主要依據(jù)，并加入適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)以考慮管板開孔削弱和管束的實際支承作用。這種設(shè)計方法對管板作了很大簡化，因而是一種半經(jīng)驗公式。但由于公式簡單，便于運算，同時又有長期使用經(jīng)驗，結(jié)果比較安全，因而有些管板厚度設(shè)計公式仍以此作為基礎(chǔ)。,2將管束當(dāng)作彈性支承，而管板則作為放置于這彈性基礎(chǔ)上的圓平板，然后根據(jù)載荷大小、管束的剛度和周邊支承情況來確定管板的彎曲應(yīng)力。由于它比較全面地考慮了管束的支承和溫差等影響，因而比較精確，但計算公式較多，計算過程也較繁雜。在大力發(fā)展電子計算技術(shù)的今天，是一種有效的設(shè)計方法。 3取管板上相鄰四根管子之間的棱形面積，按彈性理論求此

4、棱形面積在均布壓力作用下的最大彎曲應(yīng)力。由于此法與管板實際受載情況相差甚大，僅用于粗略計算。,（一）基于圓平板的強(qiáng)度計算,管束對管板支承作用的大小隨換熱器結(jié)構(gòu)形式而異。固定管板式換熱器管束對管板的支承作用最為顯著，而U形管式換熱器的管子對管板不存在支承作用，浮頭式和填函式換熱器的管束和殼體可以自由變形，僅由于兩管板的變形通過管束相互制約而存在支承作用。管板的計算可按受均布載荷的平板考慮，并針對實際存在的管束對管板的不同支承作用，對不同類型的換熱器，用不同的結(jié)構(gòu)系數(shù)K予以修正。,圓平板在各種不同支承條件下，按板的彎曲強(qiáng)度為依據(jù)的管厚tc設(shè)計公式的一般形式為： （1） 將管板簡化為圓平板按彎曲強(qiáng)度

5、為依據(jù)的管板厚度tc的設(shè)計公式與上式非常相似，即: （2） 比較上述兩式可以發(fā)現(xiàn)：式(2)中的K/2相當(dāng)于式(1)中的 ，所以式(2)中的K基本上仍是取決于支承情況的系數(shù)。兩式中其他各項形式上相同，整體管板1，但由于管板設(shè)計中需考慮開孔及溫差影響，因此含義略有差異。,式(2)中： C 附加厚度，mm； Dc管板計算直徑（當(dāng)用螺栓與法蘭連接時，取墊片平均直徑；對焊接于殼體上的管板，取殼體內(nèi)徑，如下圖1所示），mm； K 結(jié)構(gòu)系數(shù)，與換熱器型式、管板的結(jié)構(gòu)有關(guān)，對管子為直管，固定管板與浮動管板K=1.0，對U形管，找相關(guān)資料查取； P 設(shè)計壓力（取管程壓力pt與殼程壓力ps中的較大者），MPa；

6、t管板材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa。,不同支承的管板計算直徑,對管板還需進(jìn)行剪切強(qiáng)度校核。當(dāng)管板上布管區(qū)為圓形時，設(shè)最外圈管子中心圓直徑為D。，根據(jù)外載和剪應(yīng)力之間的平衡關(guān)系： 故 式中 t 管板材料在設(shè)計溫度下的許用剪應(yīng)力，取t=0.8 t t 不包括附加量的管板厚度，t=tc-C。,考慮管板開孔削弱系數(shù)為(1-do/to)，則管板按剪切強(qiáng)度的計算公式為： （3） 式中 to 管孔中心距，mm； d。管子外徑，mm； D。布管區(qū)最外圈管子中心圓直徑，mm 當(dāng)布管區(qū)不是圓形時，則D。為布管區(qū)外緣管子中心連線所限定的周邊當(dāng)量直徑，即,其中 L。最外圈管子的中心距分段測量疊加后所形成的布管周

7、長，下圖給出了按典型的三角形和正方形規(guī)則布管時的周長L。（圖中粗線表示），mm； A。周長L。所包圍的總面積，mm2。 其他符號的意義、單位及確定方法同式(2)。,三角形布管 正方形布管,此外，為滿足制造工藝要求，管板還須有足夠的厚度。脹接時，為保證脹接的可靠性，管板的最小厚度（不包括厚度附加量）按GB151選取。 管子和管板采用焊按連接時，由于焊接可以達(dá)到甚至超過管子本身的強(qiáng)度，所以只要管子強(qiáng)度足夠，管板最小厚度可不受此限制，而由焊接工藝及管板焊接變形等要求來確定。 管板厚度應(yīng)同時考慮上述彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度及管板最小厚度三項因素，從中取最大厚度，然后加上厚度附加量。,(二)基于安置在彈性基礎(chǔ)

8、上的圓平板的強(qiáng)度計算,由于管板結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，影響管板強(qiáng)度的因素很多，所以正確地進(jìn)行管板強(qiáng)度分析是比較困準(zhǔn)、復(fù)雜的。現(xiàn)行各國規(guī)范的管板厚度計算公式，都是對實際管板作一定的假定簡化而得到的近似公式。由于所采用的假定簡化各不相同，與真實管板受力狀況必然有程度不同的差別，造成在同樣條件下用現(xiàn)行的各國規(guī)范計算公式算得的厚度差別很大。這些公式盡管形式各異，但其大體上是分別在以下三種基本假設(shè)的前提下得出的。,1.將管板看成為周邊支承條件下受均布我荷的圓平板，應(yīng)用平板理論得出計算公式?？紤]到管孔的削弱，再引入經(jīng)驗性的修正系數(shù)。如美國TEMA標(biāo)準(zhǔn)，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所采用的 簡單而實用的公式，但其局限性較大。 2.將管

9、子當(dāng)作管板的固定支撐而管板是受管子支撐著的平板。管板的厚度取決于管板上不布管區(qū)的范圍。如西德AD規(guī)范采用的計算公式。實踐證明，這種公式適用于各種薄管板的強(qiáng)度校核。,3.認(rèn)為管板是彈性基礎(chǔ)上受均布載荷的多孔圓板，既考慮到管子的加強(qiáng)作用，又考慮到管孔的削弱作用。因此分析問題比較全面。如英國BS標(biāo)準(zhǔn)推薦的計算公式。 我國制定管板公式時，研究了各國規(guī)范管板公式的上述現(xiàn)狀，對英國BS1515規(guī)范、美國TEMA規(guī)范、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）、蘇聯(lián)PTM42-62規(guī)范等規(guī)范中的管板公式進(jìn)行了分析比較，吸收它們的合理因素，摒棄它們與實際不相符合的因素或錯誤的部分，對管板厚度計算公式重新進(jìn)行了理論推導(dǎo)，制定了我國

10、自己的管板設(shè)計規(guī)定。管板計算公式基本上也是根據(jù)第3種假設(shè)經(jīng)過比較嚴(yán)密的推導(dǎo)得出的，在國內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。,關(guān)于筒體軸向應(yīng)力校核、管子軸向應(yīng)力和拉脫力校核 參見 聶清德 主編的化工設(shè)備設(shè)計101 103頁及109 111頁的例子。,管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計,1.殼體、管箱殼體和封頭的設(shè)計 1.1壁厚的設(shè)計 1.2殼體、管箱殼體和封頭的尺寸及質(zhì)量 1.3進(jìn)出口設(shè)計 （接管外伸長度；接管與筒體、管箱殼體的連接；排氣、排液管） 1.4接管最小位置（殼程接管位置的最小尺寸；管程接管位置的最小尺寸）,2.管板與換熱管 2.1管板 管板結(jié)構(gòu)；管板的最小厚度；管板尺寸；管板質(zhì)量計算。 2.2換熱管 換熱管的規(guī)格與尺寸偏差；換熱管的排列型式。 2.3管程分程,3.殼體與