固定管板式换热器管壳间刚度比的计算.pdf
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1、设备管理与维修2023 翼11(上)0引言固定管板换热器是石油化工领域常见的一种换热器型式,设计结构为壳程筒体与换热管束通过管板相互约束。因此,相较于其他型式的列管式换热器,其强度计算需要考虑管壳间变形协调所产生的温差应力。针对管壳程的约束特性,GB/T 1512014 热交换器 中引入了数值 Q(即换热管束与壳程圆筒的刚度比),代入工程公式计算,可用于求解换热管轴向应力、壳程筒体轴向应力和管端拉脱力等关键节点的应力值1。常见的固定管板换热器壳程型式有等厚度圆筒(下文简称为“a 型”)、加设膨胀节的等厚度圆筒(下文简称为“b 型”)、两端加厚的圆筒(下文简称为“c型”)、中间加厚的圆筒(下文简
2、称为“d型”)以及两种加设外导流筒的型式(下文简称为“e 型”“f 型”)(图 1)。其中,GB/T 1512014 热交换器 标准明确给出了 a 型、b型、c 型 3 种壳程型式换热器刚度比的计算公式,但尚未涵盖所有的壳程型式。现通过对标准中已给出的公式进行了推导,从而理解标准的原理,进而拓展出其他壳程型式的刚度比计算方法和应用实例。1标准公式推导1.1a 型壳程型式刚度比公式推导GB/T 1512014 热交换器 对刚度比 Q 的定义是“换热管束与圆筒刚度比”。根据文献 2 的介绍,材料的弹性模量与截面积的乘积 E伊A 称为杆件的刚度。a 型换热器管壳程轴向方向皆为等截面,因此不难求得刚度
3、比 Q 为:Q=EtnaEsAs(1)这里需要指出的是:刚度描述的是等长杆件的抗拉(压)性能,而 GB/T 1512014 热交换器 中的刚度比,确切的表述应为刚度系数之比,反映的是一定长度的管壳程结构满足变形协调时对管板所产生的约束大小。刚度系数 K,其表达式为 K=EAL,含义为杆端产生单位位移所需要的力2。计算时,管束长度取值为管板间换热管的有效长度,而非换热管全长,因此与壳程圆筒长度数值相等,所以式(1)完整推导应为:Q=EtnaL/EsAsL=EtnaEsAs(2)1.2b 型壳程型式刚度比公式推导对于 b 型换热器,由于壳程筒体增加了膨胀节,使得筒体轴向方向截面发生变化,无法直接求
4、得壳程圆筒的刚度系数,因而需要用到柔度,即杆件刚度系数的倒数,即 1/K,其含义为单位力使杆端产生的位移。在轴向单位力作用下,壳程各段的端部位移量之和即为壳程整体的端部位移量,再取其倒数即为壳程刚度系数。波形膨胀节的刚度系数 Kex可按 GB 167492018 压力容器波形膨胀节 规定计算,其他型式膨胀节刚度系数可通过拉伸试验确定3。因膨胀节轴向长度与管板间有效长度比较,相对较小。为简化工程计算,忽略膨胀节长度,使筒体长度仍取值为 L。则 b 型换热器的壳程柔度值为:1Ks=LEsAs+1Kex=KexL+EsAsEsAsKex(3)Qex=Kt伊1Ks=EtnaKexL+EsAsEsAsK
5、ex(4)1.3c 型壳程型式刚度比公式推导壳程筒体有时因接管开孔补强或管口局部应力计算的要求,需要局部加厚。GB/T 1512014 热交换器 着重指出壳程筒体两端加厚的型式需按其 7.4.6.5 节内容计算刚度值的原因有二:一是该型式引起了壳程筒体的刚度值变化;二是筒体端部的加厚影响了旋转刚度系数 Kf忆的取值。端部圆筒截面积为 As=仔(Di+啄s)啄s。由于 啄s臆Di,可近似地认图 1壳程结构示意固定管板式换热器管壳间刚度比的计算朱健,李林(山东天力科技工程有限公司,山东济南250000)摘要:对 GB/T 1512014 热交换器 给出的管壳间刚度比计算公式进行推导,给出标准以外的
6、 3 种壳程型式的筒体刚度计算方法。通过计算实例,说明刚度比对固定管板换热器换热管轴向应力、壳程筒体轴向应力和管端脱力计算结果的影响,验证管壳间刚度比准确计算的必要性。关键词:固定管板;刚度比;柔度;计算方法中图分类号:TK172文献标识码:BDOI:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.11.10輦輵设备管理与维修2023 翼11(上)为端部壳程圆筒与中部圆筒的中面重合,略去其偏差4。中部圆筒面积可近似为 仔(Di+啄s)啄s2,即As啄s2啄s。则:1Ks=L1忆+L1义EsAs+L-L1忆-L1义EsAs啄s2/啄s=LEsAs(L1忆+L1义)+啄s(L-L1忆
7、-L1义)啄s2蓘蓡(5)Q=Kt伊1Ks=EtnaEsAs(L1忆+L1义)L+啄s(L-L1忆-L1义)L啄s2蓘蓡(6)2计算方法拓展d 型壳程型式换热器刚度比的计算与 c 型相同,但需要注意的是:使用 SW6 软件进行固定管板换热器计算时,端部厚度应输入与管板相连接的筒节厚度。对于 c 型,端部厚度应取较厚段厚度;对于 d 型,则应取较薄段厚度。程序会自动将端部厚度作为 啄s计算一系列参数的数值,并得出壳体法兰与壳程圆筒的旋转刚度系数 Kf忆。输入错误的端部厚度,将会直接影响管板附加弯矩的计算结果,造成较大的计算偏差。e 型、f 型壳程型式换热器刚度比也采用前文所述方法、在截面变化处分
8、段,分别计算各段的柔度,求和并取倒数即可求得壳程筒体的刚度值,进而得到刚度比。Q=Kt伊1Ks=Kt伊1Ks1+1Ks2+蓸蔀=EtnaL1Es1As1+L2Es2As2+L3Es3As3+蓘蓡(7)e 型壳程型式为等截面筒体,利用公式 K=EAL即可分段求取,其中两端取值内筒截面积,中间段取值内外圆筒截面积之和。f 型壳程型式中的锥形过渡段可采用式(8)计算刚度值5:K=2仔E啄sin琢cos2琢lnR-lnr(8)式中K刚度系数,N/mm琢过渡段半锥角,毅R过渡段大端半径,mmr过渡段小端半径,mm在 GB/T 1512014 热交换器 第 7.4.6.5 节中阐明“当中部壳程圆筒材料与端
9、部壳程圆筒材料不同时,如果工程设计可忽略二者弹性模量引起的偏差”,可采用该节给出的方法计算。在分段材料弹性模量偏差不可忽略的情况,则可采用本文所述方法求解壳程当量刚度用于管壳间刚度比的计算。3应用实例现有一列管式换热器,其型式为e 型。筒体内径 1800 mm,壁厚 14 mm,材料弹性模量为 1.93伊105MPa,管板间长度为4860 mm。因壳程上部进气口较大,且管束有防冲要求,所以加设外导流筒。外导流筒内径为 2300 mm,壁厚 16 mm,长度 1600 mm。如不考虑壳程外导流筒对壳程刚度的影响,则壳程刚度系数为 3.17伊106N/mm。如考虑外导流筒对壳体刚度的影响,则将筒体
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