GB 151中浮头式换热器管板设计方法的理论依据及其应用.pdf

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1、第52卷第3期化　工　设　备　与　管　道Vol.52No.32015年6月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGJun.2015·综述·GB151中浮头式换热器管板设计方法的理论依据及其应用123131薛明德，李世玉，朱国栋，吴坚，徐锋，黄克智（1.清华大学工程力学系，北京100084；2.中国石化工程建设有限公司，北京100101；3.中国特种设备检测研究院，北京100013）摘要：阐述了国家标准GB151中浮头式换热器设计方法的理论依据。在此基础上，进一步给出了如何应用GB151中浮头式换热器对应于

2、最小管板设计厚度的公式与曲线，计算实际管板厚度下的管板应力和换热管应力的方法。通过一个实际算例，说明当管板的实际厚度与其最小设计厚度相差较多时，换热管中的应力可以大大降低。关键词：浮头式换热器；管板；设计规范；应力分析中文分类号：文献标识码：A文章编号：1009-3281（2015）03-0001-006国家标准《管壳式换热器》或《热交换器》（GB（2）固定端管板与浮动端管板厚度相同，换热[1]151）中关于浮头式换热器管板的设计，给出了直管布管区完全相同，布管区当量圆直径为Dt。接计算管板所需最小计算厚度的公

3、式与曲线图，该（3）假定固定端和浮动端管板外缘不布管区对方法具有不需通过计算管板应力和试算厚度的优点，布管区边缘转角的约束近似相同，故略去二者外缘直[2-4]颁布至今已有三十余年，在工程中得到了广泛的径的差别，取固定端管板垫片圆支承点直径DG作为[5]应用。由于该方法的理论基础借鉴了Gardner文章二者的外径2R。管板外缘至布管区外缘有一周圈不的思想，作为我国规范的编制者，并未给出过该方法布管区。理论基础的详细解释。GB151所给直接计算浮头式换热器管板所需最近年来，随着计算机技术在工程设计中的广泛小计算厚度

4、的方法，只适用于上述较简单、但也是应用，利用公式编制计算程序往往比通过查曲线计算最常用的结构形式。更复杂结构形式的设计，需采用[6]更为便捷。此外，由于规范设计只给出了管板在设计分析设计法，见压力容器行业标准JB4732附录I，条件下所需的最小厚度及对应的换热管应力，而工程其理论基础见文[7]。[5]设计所取管板厚度通常大于最小厚度，此时如何利用我们所建立的GB151力学模型与Gardner的该规范已给出的方法计算管板和换热管应力，也需要力学模型之区别为：进一步理解该规范的理论基础。为此，本文进一步阐（1）考虑

5、到浮头式换热器管板布管区外缘的不述了GB151中浮头式换热器管板设计方法的理论依布管区可能较宽，故作为圆环形普通平板进行分析，[5]据和应用。本文中未加说明的符号同文[1]。而Gardner将该部分作为弹性圆环分析，弹性圆环分析只适用于不布管区狭窄的情况。1力学模型收稿日期：2015-03-17图1所示为GB151所适用的浮头式换热器结构，作者简介：薛明德（1940—），女，江苏无锡人，教授，博士生导师。其中：研究领域为弹塑性、板壳、热结构、复合材料结构分析等。在用弹塑性、板壳力学解决工程问题方面取得（1）固定

6、端管板与浮动端管板的周边都为简支重要的应用基础成果。支承。黄克智系清华大学教授、中国科学院院士（学部委员）。·2·化　工　设　备　与　管　道第52卷第3期R=DG/2ptpsapsptps图1GB151中的浮头式换热器Fig.1Floating-headheatenchangersinGB151[1]（2）GB151所采取的管孔对于管板削弱系数[5][5]与Gardner不同：Gardner采用无管孔板当量弹性常数的分析结果作为管板的削弱系数；我们经过分析b[8][9]计算和对实际管板的应力实测，结果说明无论图

7、2GB151中浮头式换热器管板力学模型换热管与孔板固结方式是胀接还是焊接，都必须考虑Fig.2Mechanicalmodeloftubesheetsforfloating-headheatexchangersinGB151换热管对于管板的加强作用，取无管孔板当量弹性常数作为管板削弱系数都会导致过于保守的结果。根据2浮头式换热器管板厚度与换热管应力计算的我国工程中常用的换热管与管心距几何参数，采用0.4理论基础作为削弱系数的经验值。以下公式中，按不同校核工况，令：据此，GB151中浮头式换热器管板的力学模型可简化

8、为图2a所示力学模型：pspd=*-pt（浮头式、P型填函式换热器）（1）固定端管板-换热管束-浮动端管板为关于ppst-换热管束之中面对称的结构，管板布管区可作为支承于对称面（管束中面）的弹性基础当量圆板分析，换Rttt=R热管束对于管板的支承作用简化为均匀分布于布管区的弹性基础。2.1非布管区圆环形板的力学分析（2）布管区外缘与外周边简支（轴向可动，转根据浮头盖轴向力的平衡条件，它