（化工过程机械专业论文）某环形管板换热器的有限元分析.pdf

学位论文数据集 1 1 1 11 1i ll lii i i i i ii iiil y 181016 0 中图分类号 t h 6 学科分类号 5 3 0 3 1 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 4 1 9 密级 学位授予单位代学位授予单位名 1 0 0 1 0 北京化工大学 码称 作者姓名李清娟学号 2 0 0 4 0 0 0 4 1 9 获学位专业代 获学位专业名称化工过程机械 0 8 0 7 0 6 码 课题来源自选项目研究方向压力容器技术 论文题目某环形管板换热器的有限元分析 关键词管壳式换热器，环形管板，管板兼法兰，有限元分析 论文答辩日期2 0 0 7 年6 月5 日 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师赵军副教授北京化工大学工程力学 评阅人1崔文勇教授北京化工大学工程力学 评阅人2盲审 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席郭英教授北京服装学院机械 答辩委员1郭英教授北京服装学院机械 答辩委员2王奎升教授北京化工大学机械 答辩委员3崔文勇教授北京化工大学工程力学 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b i t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与 代码中查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 某环形管板换热器的有限元分析 摘要 本课题用a n s y s 程序，针对管板中间带有中心管( 尺寸大于其它 换热管) 的某固定管板换热器建立了包括壳体、管束在内的三维实体有 限元模型并进行了有限元分析计算。 考虑到该换热器管板为延长部分兼作法兰形式，结构复杂。本课题 从以下几方面对该设备进行了研究和分析计算。第一，对管板、法兰连 接结构建立两种局部有限元模型考虑非线性问题的模型和将螺栓 力作为均布力直接加载的简化模型。在对比分析两种模型计算结果的基 础上，制定针对本台换热器的有限元分析建模方案。第二，由于温度载 荷的非对称，对换热器建立整体有限元热分析模型，得到正常操作工况 下的换热器温度场；第三，对整体结构进行热应力分析，根据温差作用 下筒体的轴向位移量校核该设备所用标准膨胀节的热补偿量；第四，依 据j b 4 7 3 2 9 5 ，对换热器在开、停车及正常操作过程中可能出现的七种 工况进行了分析设计校核。 本文得到如下结论：( 1 ) 对兼法兰形式的管板做三维有限元应力分 析时，在忽略接触等问题的局部影响下，非线性模型和简化模型的应力 计算结果相近。( 2 ) 带中间管的环形管板温度场与常规换热器管板温度 分布规律“表皮效应相同。( 3 ) 固定管板换热器的热应力是影响设备 强度的主要因素，热应力大小不仅取决于各元件所选用材料线膨胀系 l j 坚塑查燮笙奎 数，更取决于管板、换热管及壳程简体在操作状态下的金属壁温，因此， 准确模拟换热器的温度场，对固定管板换热器进行温度与应力耦合分析 非常重要。 分析计算结果表明，该换热器管板及简体强度校核是安全的，但是 管板法兰强度校核未通过。分析原因后提出，通过替换法兰密封垫片材 料可以有效地降低法兰强度，使换热器满足强度和工艺要求。 关键字：管壳式换热器，环形管板，管板兼法兰，有限元分析 摘要 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s0 f ah e a t e x c h a n g e rw i t ha n n u l a rt u b e s h e e t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a3 df e am o d e li n c l u d i n gs h e l la n dt u b eo faf i x e d t u b e s h e e th e a t e x c h a n g e r i s d e v e l o p e du s i n ga n s y ss o f t w a r e t h e d i s c u s s e dt u b e s h e e te q u i p sac e n t r a lp i p e ( w h o s ed i a m e t e ri s s i g n i f i c a n t l y g r e a t e rt h a no t h e rh e a te x c h a n g e rt u b e s ) s i n c et h ef i x e dt u b eh e a te x c h a n g e rh a sac o m p l e xs t r u c t u r ew i t h e x t e n d e dt u b e s h e e ta saf l a n g e ，i nt h i sr e s e a r c h ，t h eh e a te x c h a n g e ri sb e i n g s t u d i e da n da n a l y z e di nt h ef o l l o w i n gs t e p s f i r s t ，t w of e am o d e l sa r e d e v e l o p e da b o u tt h et u b e s h e e ta n df l a n g ec o n n e c t i o ns y s t e m o n ei s a3d a n dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e ma n a l y s i sm o d e l o nt h eo t h e rh a n d ，t h es e c o n d f e am o d e lc o n s i d e r st h a tb o l tl o a di su n i f o r m l ya p p l i e dd i r e c t l y a no p t i m a l m o d e l i ss e l e c t e db a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sf r o mb o t hm o d e l s s e c o n d ， a g l o b a l s t r u c t u r ef e am o d e li s d e v e l o p e d t o a n a l y z et e m p e r a t u r e d i s t u r b a t i o nd u et o a s y m m e t r i ct e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nn a t u r eo ft h e t u b e s h e e ta l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o n i na d d i t i o n ，a p p l yt h e r m a ls t r e s sa n a l y s i s t ot h eg l o b a ls t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h ea x i a l d i s p l a c e m e n tr e s u l t sf r o m t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，v e r i f yt h eh e a tc o m p e n s a t i o no fs t a n d a r de x p a n s i o n jo i n tb u i l d i n gi nt h i se x c h a n g e r f u r t h e r m o r e ，b a s e do nt h es t r e s sa n a l y s i s i i i s t a n d a r dj b 4 7 3 2 1 9 9 5 ，s t r e s sa n a l y s e sa l ed o n ef o r7s t e a d yo rt r a n s i e n t o p e r a t i n g c a s e sw h i c hm a yo c c u rd u r i n g s t a r t u p ，s t e a d yo p e r a t i n ga n d s h u t - d o w n t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r em a d ei nt h i sp a p e r f i r s t ，i nt h e3 df e a a n a l y s e so fat u b e s h e e t ( w h i c he x t e n d e da saf l a n g e ) ，n e g l e c t i n gt h el o c a l i n f l u e n c eo fc o n t a c tp r o b l e m ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft w om o d e l sa r e s i m i l a r s e c o n d ，t h er e s u l to ft e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i si n d i c a t e st h a t t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h ea n n u l a rt u b e s h e e ti ss i m i l a rt ot h a to f c o n v e n t i o nt u b e s h e e t t h et h i r d ，t h e r m a ls t r e s si nf i x e dt u b e s h e e te x c h a n g e r i st h em a jo rf a c t o ri n f l u e n c i n ge q u i p m e n ts t r e n g t h t h e r m a ls t r e s sv a l u e d e p e n d so nn o to n l yt h ec o e f f i c i e n to fl i n e a ro fm a t e r i a l ，b u ta l s ot h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni ns h e l l ，t u b e s h e e ta n dt u b eb u n d l e s h e r e b y , t h e a c c u r a c yo fs i m u l a t i o nt ot e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h eh e a ts t r u c t u r a l c o u p l i n ga n a l y s i si sv e r yi m p o r t a n t t h ea n a l ys i sr e s u l ti n d i c a t e st h a ti nt h eo r i g i n a ld e s i g no ft h ee x c h a n g e g t u b e s h e e ta n ds h e l la r es a f e t h et u b e s h e e t f l a n g ei sn o ts a f e ，h o w e v e r i tc a n b ea l s op r o v e dt h a tb ya l t e r i n gt h eg a s k e tm a t e r i a l ，s t r e s sv a l u eo ft u b e s h e e t f l a n g e c a nb er e d u c e ds i g n i f i c a n t l y a n dt h e e x c h a n g e rw i l ls a t i s f yt h e s t r e n g t ha n dp r o c e s sr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s h e l la n dt u b e h e a t e x c h a n g e g a n n u l a rt u b e s h e e t t u b e s h e e te x t e n d e da sf l a n g e ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 课题目的和意义1 1 3 课题历史、现状和前沿发展情况2 1 3 1 国内外主要规范2 1 3 1 1 国外主要规范2 1 3 1 2 国内规范山一3 1 4 前人在本课题研究中的成果简述4 1 4 1 环形管板计算方法的研究4 1 4 1 1 工程近似方法4 1 4 1 2 分析设计方法5 1 4 2 应用有限元法对延长部分兼作法兰管板分析过程中螺栓力的施加方法研究6 1 5 课题的主要研究内容8 第二章分析项目描述10 2 1 有限元数值分析方法及a n s y s 通用有限元软件简介1 0 2 2 本课题所用单元描述1 l 2 3 换热器设计条件介绍1 4 第三章管板兼法兰结构中法兰力矩的简化研究1 7 3 1 实际结构模型分析1 7 3 1 1 单元类型的选取18 3 。1 2 约束条件及载荷工况19 3 1 3 有限元分析结果。：1 9 3 2 简化后的分析模型2 0 3 2 1 单元类型的选取2 l 3 2 2 约束条件及载荷工况2 1 3 3 3 有限元分析结果2 1 3 3 结果对比分析讨论2 2 3 4 j 、结2 4 第四章换热器稳态温度场和热应力分析2 5 v 北京化工大学硕士学位论文 4 1 换热器整体稳态温度场分析2 5 4 1 1 模型的建立2 5 4 1 2 整体稳态温度场分析结果2 7 4 1 3 小结2 9 4 2 换热器整体热应力分析2 9 4 2 1 热应力分析模型及载荷、边界条件2 9 4 2 2 热应力计算结果分析3 0 4 3 换热器对称结构的稳态温度场分析及结果3 4 第五章固定管板换热器结构分析及应力校核3 7 5 1 包括壳体、管束在内的兼法兰管板有限元模型的建立3 7 5 1 1 模型的简化- 3 7 5 1 2 位移及载荷边界条件3 8 5 1 2 1 位移边界条件3 8 5 1 2 2 载荷边界条件3 9 5 2 七种操作工况下管板的应力分析和强度校核【4 3 4 7 】4 0 5 2 1 操作工况l 管程先开瞬间分析结果及讨论4 l 5 2 2 操作工况2 壳程先开瞬间分析结果及讨论4 6 5 2 3 操作工况3 管、壳程同时开车瞬间分析结果及讨论一5 0 5 2 4 操作工况4 壳程先停瞬间分析结果及讨论5 3 5 2 5 操作工况5 管程先停瞬间分析结果及讨论5 6 5 2 6 操作工况6 管、壳程同时停车瞬间分析结果及讨论6 0 5 2 7 操作工况7 正常操作阶段分析结果及讨论6 4 5 - 3 小结。6 8 第六章总结7 1 参考文献7 2 致谢7 5 研究成果及发表的学术论文7 6 作者和导师简介7 7 v i 目录 c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1o r i g i no f t h eq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o n 1 1 2 a i ma n dm e a n i n go f t h eq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o n l 1 3h i s t o r y , c u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n ta b o u tt h eq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o n 2 1 1 3m a j o rs t a n d a r ds p e c i f i c a t i o ni nc h i n aa n da b r o a d 2 1 1 3 1m a j o rs t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n a b r o a d 2 1 1 3 2m a j o rs t a n d a r ds p e c i f i c a t i o ni nc h i n a 2 1 4o u t l i n eo f p r e d e c e s s o r sa c h i e v e m e n t sa tt h i sq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o n 4 1 4 1r e s e a r c ho nc a l c u l a t i n gm e t h o df o ra n n u l a rt u b e s h e e t 4 1 4 1 1r e s e a r c ho na p p r o x i m a t em e t h o di ne n g i n e e r i n g 4 1 4 1 2r e s e a r c ho n “d e s i g nb ya n a l y s i s ”m e t h o d 4 1 4 2r e s e a r c ho nh o wt oa p p l yt h eb l o tl o a d i n gi nt h ea n a l y s i so ft u b e s h e e te x t e n d e da sa f l a n g e b yf e a m e t h o d 6 1 5m a j o rr e s e a r c hc o n t e n t so f t h eq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o n 8 c h a p t e r 2a n a l y t i c a li t e md e s c r i p t i o n 1 0 2 1b r i e f i n t r o d u c t i o nt ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da n da n s y ss o r w a r e 1 0 2 2d e s c r i p t i o na b o u te l e m e n t su s e di nt h eq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o n 1 l 2 3i n t r o d u c t i o nt ot h eh e a te x c h a n g e r sd e s i g nc o n d i t i o n 1 4 c h a p t e r3 r e s e a r c ho ns i m p l i f i c a t i o no ff l a n g ef o r c em o m e n to f t u b e s h e e te x t e n d e da s af l a n g e 1 7 3 1a n a l y s i so f a c t u a ls t r u c t u r em o d e l 1 7 3 1 1e l e m e n ts e l e c t i o n 。1 8 3 1 2c o n s t r a i n ta n dl o a dc o n d i t i o n s 1 9 3 1 3f e a s o l u t i o n 1 9 3 2s i m p l i f i e da n a l y s i sm o d e l ：! ( ) 3 2 1e l e m e n ts e l e c t i o n 2 l 3 2 2c o n s t r a i n ta n dl o a dc o n d i t i o n s 2 1 3 2 3f e a s o l u t i o n 2 l 3 3d i s c u s s i o na n da n a l y s i sa b o u tc o m p u t a t i o n a lr e s u l t s 2 2 3 4b r i e f s u m m a r y ：! z l c h a p t e r4a n a l y s i so fs t e a d yt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h et h e r m a l s t r e s s ：1 5 v i i 北京化工大学硕士学位论文 4 1a n a l y s i so fs t e a d yt e m p e r a t u r ef i e l d si ng l o b a ls t r u c t u r e 2 5 4 1 1m o d e le s t a b l i s h m e n t 2 5 4 1 2a n a l y s i sr e s u l to fs t e a d yt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni ng l o b a ls t r u c t u r e 2 7 4 1 3b r i e f s u m m a r y 2 9 4 2 a n a l y s i so f t h e r m a l s t r e s si ng l o b a ls 咖c t u r e 2 9 4 2 1n l e 肌a 1s t r e s sa n a l y s i sm o d e la n di t sl o a d i n g ，b o u i l d a r yc o n d i t i o n 。2 9 4 2 2 a n a l y s i so f t h e r m a ls t r e s sc o m p u t e d r e s u l t 3 0 4 3a n a l y s i so fs t e a d yt e m p e r a t u r ef i e l d si ns y m m e t r i cs t r u c t u r ea n da n a l y s i sr e s u l t 3 4 c h a p t e r5 s t r u c t u r ea n a l y s i s a n ds t r e s se v a l u a t i o no ft h i s f i x e d t u b e s h e e th e a te x c h a n g e r - 3 7 5 1e s t a b l i s ht h et u b e s h e e te x t e n d e da saf l a n g ef e a m o d e li n c l u d i n gs h e l la n dt u b e 3 7 5 1 1m o d e ls i m p l i f i c a t i o n 3 7 5 1 2b o u n d a r yc o n d i t i o n so f d i s p l a c e m e n ta n dl o a d i n g 3 8 5 1 2 1d i s p l a c e m e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s 3 8 5 1 2 2l o a d i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n s 3 9 5 2s t r e s sa n a l y s i sa n ds t r e n g t hc h e e kt ot u b e s h e e tu n d e r7o p e r a t i o nc a s e s 4 0 5 2 1a n a l y s i sr e s u l ta n dd i s c u s s i o nu n d e re a s e l 4 1 5 2 2 a n a l y s i sr e s u ra n d d i s c u s s i o nu n d e r c a s e 2 。4 6 5 2 3a n a l y s i sr e s u l ta n dd i s c u s s i o nu n d e rc a s e 3 5 0 5 2 4 a n a l y s i sr e s u l ta n d d i s c u s s i o nu n d e re a s e 4 5 2 5 2 5 a n a l y s i sr e s u l ta n dd i s c u s m o n u n d e r c a s e 5 ”5 6 5 2 6 a n a l y s i sr e s u l ta n dd i s c u s s i o nu n d e r c a s e 6 6 0 5 2 7 a n a l y s i sr e s u l ta n dd i s c u s s i o nu n d e rc a s e 7 ”6 4 5 3b r i e f s u m m a r y 6 8 c h a p t e r 6s u m m a r y 。7 l r e f e r e n c e 7 2 a c k n o w l e d g e m e n t 7 5 a c h i e v e m e n t 7 6 b r i e fi n t r o d u c t i o no fa u t h o ra n dt u t o r 7 7 v l 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 在某万吨级试验装置中一台关键换热器的初始设计阶段，为满足工艺操作要求， 需将该换热器管板设计为环形管板。该结构不符合g b l 5 1 1 9 9 9 标准中管板计算公 式的适用范围，且现有的其它各国规范也都未给出相应的计算方法。设计人员在对 其进行计算时采用了工程近似与参考的方法。为验证管板设计的合理性，本课题采 用有限元法对该管板进行了详尽的计算与分析，进而对其安全性进行评价。 1 2 课题目的和意义 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是石油、化工、冶金、电力、 轻工及食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在石油、化工行业中，换热器的应用 更是十分广泛，占装置总设备数量的4 0 左右，占总投资的3 0 - - - 4 5 ，是不可缺 少的过程设备之一。 目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。管壳式换热器由简体、 管箱、封头、法兰、管板、换热管、膨胀节等受压元件组成，其中管板的受力情况 最为复杂。这是由于管板与管子、壳体、管箱、法兰等连接在一起构成一个复杂的 弹性体系，要得到精确的强度计算结果十分困难。同时，管板的合理设计对提高设 备整体的安全性、节约材料、降低制造成本是至关重要的，因此多年来各国都十分 重视其研究，努力寻求先进合理的管板设计方法。到目前为止，许多国家都已有了 自己的管板设计公式，但由于管壳式换热器形式多样，管板结构复杂多变，要想制 定一种统一的计算方法十分困难，甚至是不可能的。因此，各国的设计公式都有其 一定的适用范围，对于那些管板结构形式特殊，不符合规范的换热器，工程人员在 设计时无据可循，往往采用工程近似与参考的方法确定管板厚度，这给设备的安全 运行带来了隐患。 随着科学技术的发展和计算机硬件日新月异的发展变化，有限元这一数值分析 方法在产品结构设计中得到广泛应用，为揭示产品结构的薄弱环节，选取最优化设 计方案提供了可靠的科学依据。表现在大型通用有限元软件日益成熟与完善，可以 实现充分模拟研究对象的真实结构以及真实载荷和边界条件。本课题利用这一工具 对该设备的环形管板进行受力分析及应力评定，一方面分析评价该换热设备管板， 以解决具体工程问题，另一方面为该装置的成功放大提供参考；同时对这类环形管 板结构以及其它不能按照常规方法设计的管板结构的受力分析起到一定的借鉴作 用。 北京化工大学硕士学位论文 1 3 课题历史、现状和前沿发展情况 1 3 1 国内外主要规范【1 7 】 1 3 1 1 国外主要规范 1 9 7 7 年前世界上各主要工业国家都已有自己的管板设计计算公式或规范。其中 有英国的b s l 5 0 0 ：1 9 5 8 中的计算公式，即米勒( k a g l m i l l e r ) 法；美国的t e m a 、 日本工业标准j i s 、捷克压力容器计算准则管板计算公式、捷克修正t e m a 计算公 式、苏联的锅炉监察手册以及联邦德国的a d 规范推荐的管板计算公式等。这些管 板的强度计算公式大体上基于以下几种不同的假设情况； ( 1 ) 将管板视为在广义弹性基础上受均布载荷的钻孔圆板，管板中的最大弯矩 取决于边缘支承情况、载荷大小、连接刚度、基础刚度、几何尺寸等因素。 ( 2 ) 以承受均布载荷的圆板公式为基础，加入适当的修正系数来考虑管板所具 有的特性，这种计算方法带有经验性。 ( 3 ) 以换热管保持一定刚度作为管板的固定支撑，管板即为在固定支撑下的平 板：管板厚度取决于管板上非布管区的范围，按平板计算其强度。 以上各种计算方法，由于它们推导的依据不一，采用的简化假设各不相同，以 致造成同样的管板设计条件，由于采用不同的计算公式，管板厚度计算结果差别甚 大，直到目前尚未完全统一。 为寻求更合理的管板设计方法，美国a s m ep v p 的一个工作组从1 9 7 5 年起开 始工作，其目标是在a s m e 规范1 中给出一个适用于各种结构形式的管板计算规 范，该分篇中的非规定性附录a a 即是这个小组的工作成果；在1 9 8 3 版中给出了u 形管式换热器的简支和整体结构的管板计算方法，在1 9 9 2 版中又加入了固定式换热 器的管板计算方法。同一时期以e o s w e i l l e r 为首的法国管板规范工作组也进行了卓 有成效的工作，其成果已纳入法国压力容器规范c o d a p l 9 8 6 年版的非规定附录中， 包括u 型管式、浮头管式、固定式换热器的管板计算方法。此外，英国、澳大利亚 等国也都开展了类似的工作。以上各国管板的计算方法本质都是以弹性板壳理论为 基础的分析设计方法，而不同子曾在压力容器行业中广泛应用的、在力学模型上做 了过分简化的美国t e m a 方法。1 9 9 0 年在美国n a s h v i l l e 举行的a s m e 压力容器与 管道技术年会上，来自世界各国的管板规范工作的同行组织了专门的分会“换热器 管板设计新规范”，对管板设计方法进行了讨论，一致认为应该用更好的管板设计方 法取代t e m a 的方法。 2 第一章绪论 1 3 1 2 国内规范 我国在1 9 7 7 年以前还没有自己的管板计算公式，1 9 6 7 年原化工部颁发的钢 制化工容器设计规定( 试行本) 中的固定式换热器管板厚度计算直接引用了英国的 b s 1 5 0 0 ：1 9 5 8 中的计算公式。从1 9 7 3 年开始，在当时的一机部、石油部、化工部 共同组织下，以黄克智院士为首的工作小组对此进行了大量的研究并取得了突破， 在1 9 7 7 年的三部规范中作为附录首先列入了中国的管板计算方法，该方法经过产业 部门的大量使用后不断完善，并先后作为法规性的三部标准和国家标准。 该设计计算公式是把管板作为放置在弹性基础上，承受均布载荷且受到管孔均 匀削弱的当量圆平板考虑。该标准是在英国b s 标准基础上的进一步发展，主要改 进在于其确定了管板周边支承系数，使支承情况比较符合实际，但在推导的假定和 计算中，还存在一些问题，有待进一步提高。在推导中的假定如下。 ( 1 ) 管束对管板的支承作用如果管板的直径与换热管直径相比较足够大，且 换热管的数量又足够多，则离散的各个换热管的支承作用可以简化为均匀连续支承 管板的弹性基础，一般称为第一弹性基础。管束对管板在外载荷作用下的转角也具 有一定的约束作用，即第二弹性基础。因第二弹性基础对管板强度影响较小，在这 里忽略不计，只考虑管束对管板挠度的约束作用，在计算公式中用管束加强系数k 来表示。 ( 2 ) 管孔对管板的削弱作用管板上密布着离散的管孔，管孔对管板的削弱作 用主要表现在两个方面：第一，由于管板整体刚度削弱作用，采用刚度削弱系数； 使管板整体强度削弱，采用强度削弱系数。第二，在管板边缘产生的局部应力集中 不予考虑，这样就可以近似地把管板当作一块均匀连续削弱的当量圆平板来考虑。 管孔边缘产生局部的应力为峰值应力，只在疲劳设计中考虑。 ( 3 ) 对管板周边不布管区的折算方法管板周边部分通常存在着一个较窄的不 布管区，该区域的存在使管板边缘的应力下降。计算中不布管区可简化为一环板， 其面积应与无管区面积相等来考虑。 ( 4 ) 除了考虑管板的弯曲作用，还考虑了管板和法兰沿其中心面内的拉伸作用。 在管板兼作法兰时，拉伸因素不可考虑。 ( 5 ) 认为法兰变形时，其整个横截面的形状不变，而只有绕环截面重心的转动 与径向位移，由于这种转动与径向位移造成法兰与管板中心面连接点处的径向位移 量，应与管板本身沿其中心面内的径向位移协调一致。 ( 6 ) 由于温度膨胀与壳程压力和管程压力引起的壳壁的周向位移和管板管束系 统的轴向位移应在管板周边处协调一致。 ( 7 ) 管板边缘的转角应受壳体、法兰、封头、螺栓、垫片系统的约束，其转角 在连接部位处应协调一致。 北京化工大学硕士学位论文 ( 8 ) 管板兼作法兰时，考虑了法兰力矩的作用对管板的影响。法兰必须有足够 的刚度，保证密封要求。 ( 9 ) 对于不同类的应力采用不同的许用值，由壳程压力、管程压力、及法兰力 矩引起的管板应力为一次弯曲应力、由壳体与换热管的温度膨胀差在管板中引起的 应力为二次应力。计算规定，将一次应力( 包括一次弯曲应力) 在无温差时限制在 不超过1 5 倍许用应力，而将一次加二次应力的总和，在有温差时限制在不超过3 倍许用应力。 1 4 前人在本课题研究中的成果简述 1 4 1 环形管板计算方法的研究 实际工业生产中，由于工艺条件的多样性带来换热器条件的复杂化，如本台换 热器中央出现一个连接两块管板，尺寸远大于其余换热管的中心管。对于这种特殊 结构的环形管板换热器，现有的各国规范都未给出其管板的设计方法。针对本文研 究的环形管板结构分析，前人作了大量研究工作，其成果主要分为工程近似方法和 分析设计方法。 1 4 1 1 工程近似方法 1 9 9 5 年，华锡尧提出将管板作为受均布载荷的实心板，按弹性应力分析理论得 到的圆平板最大弯曲应力公式作为主要依据进行计算，忽略了管子对管板的削弱与 加强作用；将管板视为具有相同支撑反力、承受假想均匀分布压力的普通圆平板以 确定管板厚度瞵j 。 2 0 0 0 年，唐超提出将此类管板简化为内外固支受均匀载荷的环形平板进行计 算，并得到在压力较低、直径不太小的环境下，与g b l 5 1 和t e m a 标准相比较是 安全的结论【9 l 。 2 0 0 2 年，王旭提出了用大开孔补强类比法与受均布载荷圆平板边界支承条件类 比法来确定管板