换热设备第2讲-管板计算

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1、管壳式换热器简图管壳式换热器简图1-管子；2-封头；3-壳体；4-接管；5-管板；6-折流板管板的设计管板的设计管板基本情况管板基本情况•管板是管壳式换热器的主要部件之一•管板的正确设计关系着换热器经济、安全运行•各国均很重视管板的强度研究英国的BS1500美国的TEMA日本的JIS我国的GB151《管壳式换热器》等管板基本情况管板基本情况管板基本情况管板基本情况管板强度分析的三种基本假设管板强度分析的三种基本假设•1将管板看作周边支撑条件下受均布载荷的圆平板，引入修正系数•2将管子当作管板的固定支

2、撑而管板是受管子支撑着的平板•3将管板视为弹性基础上受均布载荷的多孔圆板管板结构简化模型1管板结构简化模型2管板结构简化模型3可见第1种假设与实际相差较大,工程实践表明,此种方法对于大直径(直径>1.5米)的管板设计厚度偏厚,小直径高压管板偏薄,因此局限性较大第2种假设仅适用于薄管板第3种假设即考虑到管子的加强作用，又考虑到管孔的消弱作用，比较全面英国BS1500标准，我国的国标GB151《管壳式换热器》均采用了第三种假设将管板视为承受均布载荷、放置在弹性基础上的受管孔均匀削弱的当量圆平板GB151

3、GB151《《管壳式换热器管壳式换热器》》中中管板设计的基本考虑管板设计的基本考虑•1按照上述第3种假设，同时考虑以下几方面的意见与简化•2管束对管板挠度的约束作用，但忽略对管板转角的约束作用•3管孔对管板的削弱作用•4管板周边不布管区对管板应力的影响黄克智院士黄克智院士和和管板设计规范管板设计规范黄克智院士黄克智院士和和管板设计规范管板设计规范上世纪60年代及其以前•简单圆平板公式•美国TEMA管板计算公式•前苏联PTM42管板计算公式•英国BS1500、BS5500管板计算公式简支和固支条件的弹

4、性基础板应力黄克智院士黄克智院士和和管板设计规范管板设计规范•上世纪70年代，提出我国管板计算公式•1977、1983年纳入三部标准附录、正文•1980年，“第四届国际压力容器会议论文集”和“机械工程学报”首次分别发表该计算方法1989年始，纳入GB151《管壳式换热器》1995年，纳入JB4732《钢制压力容器-分析设计》黄克智院士黄克智院士和和管板设计规范管板设计规范•1978年，两项成果荣获“全国科学大会奖”•“管壳式换热器管板计算方法”•“固定式换热器管板设计计算程序”黄克智院士黄克智院士和

5、和管板设计规范管板设计规范1990年，ASMEPVP年会，管板专题会议我国管板计算受到各国专家普遍关注和好评，同时表示：“该重新认识TEMA标准了”。黄克智院士黄克智院士和和管板设计规范管板设计规范•自那时（上世纪90年代初）起•TEMA版本更新、ASME管板计算的增补•★同样的力学模型•★同样的应力分析方法•★更加繁多的计算步骤•★纠正了大直径管板过厚、小直径高压管板过薄的计算方法缺陷Pa=∑sPs-∑tPt+βγEtPa(1-ξ)Mo～KfKQ管板的设计思路管板的设计思路--11•1管板的弹性分

6、析按上述考虑，将换热器分解成封头、法兰、管板、螺栓、垫片等元件组成的弹性系统，考虑到变形协调条件，得到以内力为基本未知量表达的变形协调方程组，求出内力后再计算危险截面的应力，并进行强度校核管板内力与变形分析管板内力与变形分析管板的设计思路管板的设计思路--22•2危险工况的确定由于换热器运行时，不能保证管程与壳程压力同时作用，在计算管板应力或厚度时，要考虑以下四种危险工况：a)只有壳程压力Pt,管程压力Pt=0,不考虑温差b)只有壳程压力Ps,管程压力Pt=0,考虑温差，正温差比负温差危险，α(θ−

7、θ)()>αθ−θtt0ss0ααts分别为管子与壳体的线膨胀系数θtθ分别为管子与壳体的平均壁温sθ为换热器装配时的温度0管板的设计思路管板的设计思路--22•2危险工况的确定c)只有管程压力Pt,壳程压力Ps=0,不考虑温差d)只有管程压力Pt,壳程压力Ps=0,考虑温差，负温差比正温差危险，α(θ−θ0)<α(θ−θ0)ttss管板的设计思路管板的设计思路--333管板应力的校核在上述危险工况组合下，计算出相应的管板布管区应力、环板的应力，再进行危险工况下的应力校核。其中，压力引起的管板应力属

8、一次弯曲应力，可用1.5倍许用应力限制。热膨胀差引起的应力属于二次应力，一次+二次应力强度不超过3倍许用应力。径向应力随半径变化曲线径向应力随半径变化曲线管板的设计思路管板的设计思路--443管板应力的调整在固定管板换热中，当管板应力超过许用应力时，为满足强度要求，采用两种方法调整：a)增加管板厚度b)降低壳体轴向刚度，如设置膨胀节工程中实际做法工程中实际做法--11借助压力容器设计软件借助压力容器设计软件管板设计的辅助软件管板设计的辅助软件管板的计算十分繁杂，尽管G