半球形管箱高压U形管换热器管板的强度计算.pdf

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1、第43卷第5期化工机械605半球形管箱高压U形管换热器管板的强度计算倪永良+盛嵘崔琴(江苏省化工设备制造安装有限公司)摘要对一台半球形管箱的高压u形管换热器的管板进行强度计算，该管板与管箱、壳程筒体之间的连接方式不属于GB／T151-2014标准中列出的结构，不能直接选用该标准中的连接方式计算管板的厚度。根据管板所承受的栽荷和受力情况，提出了两种计算方法计算了管板的厚度，并根据换热管中心距对管板计算厚度进行修正。因为两种计算结果比较接近，故认为所采用的计算方法是可行的。鉴于该换热器的管箱是半球形封头，而在第2种方

2、法中将管板当作平盖计算时，现有的设计标准中均没有给出与半球形封头连接的平盖的计算方法，于是先按与圆筒连接的平盖的计算方法进行计算，然后采用AN．SYS软件进行有限元应力分析，对计算结果加以验证，验证结果表明所采用的计算方法基本正确的，可用于工程设计。关键词u形管换热器管板强度计算平盖计算厚度修正系数半球形管箱有限元分析中图分类号TQ055．8文献标识码A文章编号0254-6094(2016)05-．0605-06u形管换热器的管板与管壳程筒体之间的连接方式有多种，GB／T151-2014标准中⋯，图7．3所列的a

3、—f型各种连接方式均可用于U形管换热器管板与管壳程筒体之间的连接。一台高压U形管式合成气水冷却器，因管板与管壳程筒体的连接方式为非常规结构，不属于GB／T15l-2014标准中图7．3所列的任意一种，故不能用该标准的计算方法对上述管板进行强度计算。笔者根所承受的载荷和管板的受力情况，对该管板提出具体的强度计算方法，并采用ANSYS软件进行有限元应力分析，对计算结果加以验证。1设备结构与设计参数合成气水冷却器是一台卧式高压U形管式换热器(图1)，管程为高压，壳程为低压，管板与半球形封头焊接成一体组成管箱，管板不兼作

4、法兰，壳程筒体法兰用旋入式螺栓与管板连接，螺栓冷卸水进【I图1合成气水冷却器结构+倪永良，男，1959年1月生，高级工程师，总工程师。江苏省常州市，213002化工机械2016年设备的设计参数见表1。表1合成气水冷却器设计参数名称管程壳程设计压力／MPa设计温度／℃介质焊接接头系数腐蚀裕量／mm程数换热面积／m2主要受压元件材料换热管规格、根数31．4I．012050合成气冷却水1．000．852400Q345R、20MnMo、16Mn币24mm×5mm。502根2管板强度计算管板材料为20MnMo锻件，管板结构

5、和尺寸如图2所示。图2管板结构和尺寸示意图2．1按GB／T151．2014标准计算该管板与管壳程简体的连接方式虽然不属于GB／T151-2014标准中的任意一种，但因为管程为高压、壳程为低压，对管板来说，管箱的载荷远大于壳程筒体的载荷，且管板不兼作法兰，没有法兰弯矩，所以可以近似按图7．3中的b型结构，将壳程筒体当作与管板焊接成一体的连接方式进行计算‘21。为了尽量减少取了壳程圆筒参数后带来的计算偏差，计算管板时，将壳程的设计压力取为P。=0．1MPa，壳程圆筒按GB／T151-2014标准中第7．1．3．2条取

6、最小厚度(6。=12mm)，壳程腐蚀裕量取1mm。不必要按文献[2]所述的做法：“输入壳程圆筒材料的弹性模量时，应输入一个极小值，即可起到忽略法兰等存在的作用。”这样可以简化数据输入操作，因为根据GB／T151．2014标准中式(7-24—30)可以分析得出，当管箱圆筒厚度艿。>>6。时，艿。值对管板边缘旋转刚度参数墨的影响是很小的，可以忽略。用全国化工设备设计技术中心站发行SW6计算软件对该管板按b型结构进行计算，管板计算厚度为6=356mm。GB／T151．2014标准规定，管板强度削弱系数为p，除非另有指定

7、，一般可取p=0．4；换热管中心距宜不小于1．25倍的换热管外径。该换热器的换热管规格为咖24ram×5mm，管板上换热管中心距S=33mm，大于1．25倍的换热管外径(24×1．25=30mm)。根据文献[3]，可以对管板计算厚度进行修正。修正系数沙为：r百Ri驴=o．447√莒2m447√子2仉856式中B——管板钻孔后的理论孔桥宽度，B=33—24=9mm。修正后的管板计算厚度瓦为：6．=6‘·步=356×0．856=305mm管板设计厚度氏为：6d=6．+C2=305+4=309mm式中c：——管板两侧腐

8、蚀裕量之和，C：=2+2=4mmo实际所取的管板厚度为318ram(指中间有管孔部位的厚度)，大于管板设计厚度，所以管板厚度满足强度要求。2．2按GB150．3-2011标准计算在上述计算中，由于管板与壳程圆筒的连接方式与GB／T15l-2014标准中b型结构不一致，所以按b型结构计算的结果与实际情况存在偏差。因为该换热器为U形管式，换热管对管板不起支撑作用。另外，壳程圆