管殼式換熱器的強度計算.ppt

1、管殼式換熱器的強度計算,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、情況充分考慮并進行強度計算，以免發(fā)生此類破壞。,可見，換熱器強度計算應(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)，則還需進行膨脹節(jié)的計算。,管板的強度計算,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??； 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,對管板還需進行剪切強度校核。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，由于焊接可以達到甚至超過管子本身的強度，所以只要管子強度足夠，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度、剪切強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、上的圓平板的強度計算,由于管板結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，影響管板強度的因素很多，所以正確地進行管板強度分析是比較困準(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度校核。,3.認為管板是彈性基礎(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