管壳式换热器的强度计算

管壳式换热器的强度计算第一页，共二十三页，2022年，8月28日换热器的受力情况与容器有所不同，如固定管板式换热器，壳体和管壁除受壳程和管程的流体压力产生的轴向应力和周向应力外，还受到管、壳壁温差造成的轴向温差应力。因此，尽管换热器的壳体、管子、封头、法兰、开孔等按一般受压容器计算的强度得到满足，但在操作时仍然可能。遇到下列几种特有的破坏情况：

第二页，共二十三页，2022年，8月28日1.管板太薄，因流体压力和温差应力的作用，产生过大的翘曲变形，从而破坏了结构及管、壳程之间的密封。2.在壳壁和管壁中产生过大的轴向应力，当它超过材料允许的极限时，则壳体或管子将遭到破坏。3.由于管子受到的轴向力过大，使管子和管板在胀接连接处被拉脱，换热器遇到破坏。设计换热器时必须对上述情况充分考虑并进行强度计算，以免发生此类破坏。第三页，共二十三页，2022年，8月28日可见，换热器强度计算应包括两部分内容，第一部分是作为受压容器，计算筒体、封头、法兰、开孔、支座等，这与一般容器设计相同；第二部分是换热器特有的强度计算，包括管板厚度计算、筒体轴向应力校核、管子轴向应力和拉脱力校核等项。如果换热器采用膨胀节，则还需进行膨胀节的计算。

第四页，共二十三页，2022年，8月28日管板的强度计算

管板的结构如下图所示，它与一般的圆平板有相似之处，但差别亦不小。主要是管板上的开孔和同管板连接在一起的管束对管板强度的影响等。目前一些管板厚度设计公式因对各影响因素考虑不同而有较大差异。根据不同的设计依据，管板厚度的设计公式可概括为下列几类：第五页，共二十三页，2022年，8月28日1．将管板当作受均布载荷的实心圆板，以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据，并加入适当的修正系数以考虑管板开孔削弱和管束的实际支承作用。这种设计方法对管板作了很大简化，因而是一种半经验公式。但由于公式简单，便于运算，同时又有长期使用经验，结果比较安全，因而有些管板厚度设计公式仍以此作为基础。第六页，共二十三页，2022年，8月28日2．将管束当作弹性支承，而管板则作为放置于这弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大小、管束的刚度和周边支承情况来确定管板的弯曲应力。由于它比较全面地考虑了管束的支承和温差等影响，因而比较精确，但计算公式较多，计算过程也较繁杂。在大力发展电子计算技术的今天，是一种有效的设计方法。3．取管板上相邻四根管子之间的棱形面积，按弹性理论求此棱形面积在均布压力作用下的最大弯曲应力。由于此法与管板实际受载情况相差甚大，仅用于粗略计算。第七页，共二十三页，2022年，8月28日（一）基于圆平板的强度计算管束对管板支承作用的大小随换热器结构形式而异。固定管板式换热器管束对管板的支承作用最为显著，而U形管式换热器的管子对管板不存在支承作用，浮头式和填函式换热器的管束和壳体可以自由变形，仅由于两管板的变形通过管束相互制约而存在支承作用。管板的计算可按受均布载荷的平板考虑，并针对实际存在的管束对管板的不同支承作用，对不同类型的换热器，用不同的结构系数K予以修正。

第八页，共二十三页，2022年，8月28日圆平板在各种不同支承条件下，按板的弯曲强度为依据的管厚tc设计公式的一般形式为：

（1）将管板简化为圆平板按弯曲强度为依据的管板厚度tc的设计公式与上式非常相似，即:（2）比较上述两式可以发现：式(2)中的K/2相当于式(1)中的，所以式(2)中的K基本上仍是取决于支承情况的系数。两式中其他各项形式上相同，整体管板＝1，但由于管板设计中需考虑开孔及温差影响，因此含义略有差异。

第九页，共二十三页，2022年，8月28日

式(2)中：C——附加厚度，mm；Dc——管板计算直径（当用螺栓与法兰连接时，取垫片平均直径；对焊接于壳体上的管板，取壳体内径，如下图1所示），mm；K——结构系数，与换热器型式、管板的结构有关，对管子为直管，固定管板与浮动管板K=1.0，对U形管，找相关资料查取；P——设计压力（取管程压力pt与壳程压力ps中的较大者），MPa；[]t——管板材料在设计温度下的许用应力，MPa。第十页，共二十三页，2022年，8月28日不同支承的管板计算直径

第十一页，共二十三页，2022年，8月28日对管板还需进行剪切强度校核。当管板上布管区为圆形时，设最外圈管子中心圆直径为D。，根据外载和剪应力之间的平衡关系：故式中[]t——管板材料在设计温度下的许用剪应力，取[]t=0.8[]tt——不包括附加量的管板厚度，t=tc-C。第十二页，共二十三页，2022年，8月28日

考虑管板开孔削弱系数为(1-do/to)，则管板按剪切强度的计算公式为：（3）式中to——管孔中心距，mm；d。——管子外径，mm；D。——布管区最外圈管子中心圆直径，mm当布管区不是圆形时，则D。为布管区外缘管子中心连线所限定的周边当量直径，即第十三页，共二十三页，2022年，8月28日其中L。——最外圈管子的中心距分段测量叠加后所形成的布管周长，下图给出了按典型的三角形和正方形规则布管时的周长L。（图中粗线表示），mm；A。——周长L。所包围的总面积，mm2。其他符号的意义、单位及确定方法同式(2)。三角形布管正方形布管第十四页，共二十三页，2022年，8月28日此外，为满足制造工艺要求，管板还须有足够的厚度。胀接时，为保证胀接的可靠性，管板的最小厚度（不包括厚度附加量）按GB151选取。管子和管板采用焊按连接时，由于焊接可以达到甚至超过管子本身的强度，所以只要管子强度足够，管板最小厚度可不受此限制，而由焊接工艺及管板焊接变形等要求来确定。管板厚度应同时考虑上述弯曲强度、剪切强度及管板最小厚度三项因素，从中取最大厚度，然后加上厚度附加量。

第十五页，共二十三页，2022年，8月28日(二)基于安置在弹性基础上的圆平板的强度计算由于管板结构的复杂，影响管板强度的因素很多，所以正确地进行管板强度分析是比较困准、复杂的。现行各国规范的管板厚度计算公式，都是对实际管板作一定的假定简化而得到的近似公式。由于所采用的假定简化各不相同，与真实管板受力状况必然有程度不同的差别，造成在同样条件下用现行的各国规范计算公式算得的厚度差别很大。这些公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以下三种基本假设的前提下得出的。

第十六页，共二十三页，2022年，8月28日1.将管板看成为周边支承条件下受均布我荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱，再引入经验性的修正系数。如美国TEMA标准，日本工业标准所采用的简单而实用的公式，但其局限性较大。2.将管子当作管板的固定支撑而管板是受管子支撑着的平板。管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。如西德AD规范采用的计算公式。实践证明，这种公式适用于各种薄管板的强度校核。第十七页，共二十三页，2022年，8月28日3.认为管板是弹性基础上受均布载荷的多孔圆板，既考虑到管子的加强作用，又考虑到管孔的削弱作用。因此分析问题比较全面。如英国BS标准推荐的计算公式。我国制定管板公式时，研究了各国规范管板公式的上述现状，对英国BS1515规范、美国TEMA规范、日本工业标准（JIS）、苏联PTM42-62规范等规范中的管板公式进行了分析比较，吸收它们的合理因素，摒弃它们与实际不相符合的因素或错误的部分，对管板厚度计算公式重新进行了理论推导，制定了我国自己的管板设计规定。管板计算公式基本上也是根据第3种假设经过比较严密的推导得出的，在国内获得了广泛的应用。第十八页，共二十三页，2022年，8月28日关于筒体轴向应力校核、管子轴向应力和拉脱力校核参见聂清德主编的《化工设备设计》101～103页及109～111页的例子。第十九页，共二十三页，2022年，8月28日管壳式换热器结构设计1.壳体、管箱壳体和封头的设计1.1壁厚的设计1.2壳体、管箱壳体和封头的尺寸及质量1.3进出口设计（接管外伸长度；接管与筒体、管箱壳体的连接；排气、排液管）1.4接管最小位置（壳程接管位置的最小尺寸；管程接管位置的最小尺寸）第二十页，共二十三页，2022年，8月28日2.管板与换热管2.1管板管板结构；管板的最小厚度；管板尺寸；管板质量计算。2.2换热管换热管的规格与尺寸偏差；换热管的排列型式。2.3管程分程第二十一页，共二十三页，2022年，8月28日3.壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接3.1壳体与管板的连接结构3.2管板与法兰的连接