美国ASME与TEMA标准管板计算方法比较(一)

1、VF准规范 石油化工设计 P e t r o c h e m i c a l D e s i gn2 0 0 4 , 2 1 ( 4 ) 2 1 一 2 6 编者按: 美国A S M E 和T E M A 标准是国际上最具影响力的两大压力容器标准， 其中 都有关于换热器管板等的设计方法。该 两标准在国内 外石化、 化工装置设计中 得到日 益广泛的应用。为此了解、 比较该两标准的理论基础及其差异对做好国际、 国内 压力容器设计都显得十分重要。 美国U r e y R . M i ll e r 是A S M E 标准 委员 会的 成员; 是压力 容器 设计方面的著名专家， 在该领域发表过重 要的文

2、章， 最近 尤其是在管壳 式换热器 设计方面， 作出了 重大的贡献。 根据他的研究成果 A S ME 珊U H X 章节进行了 相应的更新。U re y R . M ill e r 也是换热 设备特别工作小 组( S p e c i a l W o r k i n g G r o u p o n H e a t T r a n s f e r E q u ip m e n t ) 的负 责人。 他对A S ME 和T E M A两大 标准中换热器设计计算方法进行了细致的分析比较， 并对法国、 欧盟等相关规范的情况也作了评述。该文对掌握、 理解、 应用上述标准具有较大的实际意义， 是一份难得的关

3、于国际标准的技术分析资料。 羡国A S M E与T E M A 计算方法比较( 标准管 一) U r e y R . M ill e r 美国 编译丁利伟 ( 中国石化工程建设公司， 北京， 1 0 0 1 0 1 ) 摘要: 作者通过对A S ME 及T E M A两大标准中 换热器管板设计计算方法进行细致的分析比较， 介绍 了T E M A及 A S ME 管板设计计算的技术背景及具体应用。 关键词二 A S ME T E MA 换热器管板 A M S E ( A S M E ， 美国锅炉压力容器规范) 姗D i - v i s i o n 1 2 0 0 3 版中将 2 0 0 2 版中

4、的A P P E N D I X A A 列人了 强制性正文U H X 章节中， U re y R . M i ll e r 在 这里对该变化从各个方面进行了阐述， 并对A S M E 与T E M A ( T E M A ， 美国列管式换热器制造商协会标 准) 及其他国际常用的管板设计规范从计算方法 的由 来进行了详细的分析比较， 从而对A S M E U H X 章节的管板应力计算方法进行了评析。 1 U形管换热器管板 在A S M E珊D i v i s io n 1 ( 1 9 8 2 ) 版附录A A中第 一次正式推出了U形管换热器管板的计算方法， 这个计算方法是基于G a n d

5、n e r ( 1 9 6 9 ) 的方法， 该方 法也被B S 5 5 0 0 ( 1 9 7 6 ) B S 5 5 0 0 0 ， 英国“ 非直接受火 压力容器” 国家标准 及C O D A P ( 1 9 8 2 ) C O D A P ， 法 国压力容器标准 所采用， G a n d n e r 推荐的管板许 用弯曲应力是: O S = 2 S . ,12 是规范中许用应力的 乘子0二 2 , S 一规范要求的许用应力， 即 1 6 / i n 2 ( M P a ) 。 1 9 9 1 年， A M S E 根据A l a n S o l e r ( 1 9 8 4 ) 的工作对

6、上 述 计 算 法 进 行了 改 进， U re y R . M ill e r 也 在 此 基 础 上推出了b , e 型管板的计算方法。 在2 0 0 0 年， F . O s w e ill e : 提出了一种更为精确 的 计算方法， 涵盖了图1 中的6 种管板类型。该 方法基于S e c t i o n珊一 D i v . 2附录4 应力分析中的 有关内 容， 综合考虑了以 下4 条: 1 ) 管板开孔部分简化为当量均质的平板， 有 着有效的弹性模量 E * 、 有效的泊松比u 及有效 收稿日 期二 2 0 0 4 - 0 9 - 1 3 。修回日 期二 2 0 0 4 - t o -

7、 1 2 0 编译者简介: 丁利伟， 男， 高级工程师。1 9 9 6 年毕业于四 川大学 ( 原成都科技大学) 化工机械与设备专业。 一直从事压力容器设计 工作。 2 2 石 油 化 工 设 计第2 1 卷 !1.es.C 一卜|Gc 1，.1月1 -一个.11几 ( a ) 管板直接与壳程圆筒形成整体结构 ( b ) 管板与壳程圆筒连为整体， 其延长部分( 。 ) 管板与壳程圆筒连为整体， 其延长部分 兼作法兰形成凸缘被夹持在活套环与管箱法兰之间 ( d ) 管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰 连接 ( e ) 管板与管箱圆筒连接为整体， 其延长部 分兼作法兰， 与壳体法兰用螺柱、 垫片连接

8、 图1 A S ME, C O D A P 及U P V 中 管板的 形式 注: U P V 指欧盟压力容器标准 ( f ) 管板与管箱圆筒连为整体， 其延长部分 形成凸缘被夹持在活套环与壳体法兰之间 孔桥带效率产 ; 2 ) 管板未开孔部分视为刚性的环; 3 ) 管板与壳程筒体、 管箱筒体的连接处考虑 到3 个部件之间的位移和转角的变形协调， 对于 壳程侧压力P , 与管程侧压力P t 分别进行考虑; 4 ) 根据A S M E S e c t io n I D iv i s io n 2 附录4 中 有 关内容合理地确定管板、 壳程筒体、 管箱筒体中最 大应力的许用值。 该计算方法在2 0

9、 0 1 年被 A S M E采纳， 作为 S e c t io n A一 D i v . 1 A p p e n d i x A A一1 ， 同时， C O D A P ( C 7 章) 及欧共体标准( U P V D e s ig n P a r t 一 C la u s e 1 3 ) 也采用该方法。在2 0 0 2 年， 这3 个标准正式发 布了 该计算方法， 这也是后来A S M E S e c t i o n珊- D i v . . 1 中U H X 一 1 2 章的 基础， 更为详细的 资料参见 F . O s w e i ll e r ( 2 0 0 2 ) 发表的有关文章“

10、I C P V T 2 0 0 2 V a n c o u v e r R e v 1 1 。 T E M A的中管板厚度的计算公式第 1 次是在 1 9 5 2 第3 版中出现的， 公式如下: 式中 T -T E M A 管板的计算厚度/ m m ; F 一无因次量， 管板固定支承系数; 一压力作用的直径/ i n ; P 一等效压力载荷/ l b - ( i n ) - 2 ; S 一管板许用应力/ l b - ( i n ) 一 2 0 管板周边简支， F= 1 . 2 5 ; 管板周边固支， F= 1 . 0 ; T E M A 的管板厚度计算公式源自 经典的周边 受约束和均布压力载荷

11、作用的圆平板厚度计算公 式: P u 餐 日 S ( 2 ) _ _ / 下 1 = 户 . 二. /- 1) L V占 式中， C 一无因次量， 圆板周边支承系数; 圆板周边简支， C = 1 . 1 1 3 , 圆板周边固支， C = 0 . 8 6 6 0 口 一许用应力乘子; 产 一有效的 孔桥带效率。 将u 二 0 . 5 及。= 1 . 5 代人公式( 2 ) ， 得到 公 式( 1 ) 近似值， 这是 1 9 5 2 年T E M A 第3 版中的计算 公式。该版中未将管板开孔后有效的孔桥带效率 第 2 1 卷丁利伟 . 美国A S M E 与T E M A 标准管板计算方法比较

12、( 一) 2 3 作为公式中的变量来输人。 当前T E M A 版本新的管板厚度计算公式为: T = F 3 福(3 ) 式中， 7 T E M A 是根 据地管 板开 孔后平均 孔桥 宽度计算得到( A S M E 中的管板的 孔桥带效率产 是基于最小的孔桥宽度计算得到的， 因而该值较 T E M A 小) ， 称为平均孔桥带效率。 T E M A 中， 的 最 小 值为0 . 4 2 ( 三角 形 排管) 及 0 . 5 0 ( 正方形排管) ， 系数3 是新的T E M A 公式中考 虑 到 新、 旧 公 式 根 据， 的 最 小 值可 得到 近 似的 结 果。 实际 上， 9 的 值

13、应 在0 . 4 5 一 0 . 6 0 之间， 这 样 会 使管板的厚度下降1 0 %一 1 5 %。 详细资料参见F . O s w e i ll e r 2 0 0 2 年发表的论文。 T E M A 标 准中 的 平均 孔桥带 效率， 明 显 要比 A S M E 的 孔 桥带效率1 1 大( A S M E 中 孔桥带效率 基本在0 . 2 5 一 0 . 3 5 之间) 。 力载荷作用的 公式可以 看出: T E M A 对于当量均质 平板中的弯曲应力可以放宽到2 . 6 S ， 但在A S M E S e c t i o n I一 D i v . 2 中 该限制为1 . 5 S

14、( S 为设计温度 下圆平板许用应力， 单位为l b / i n 2 ( M p a ) ) o 尽管如此， 在近4 0 年中， 按T E M A 公式设计的 U 形管换热器管板未出现过失效。说明: 当管板 上的应力超过2 倍的许用应力的话不会有什么问 题。G a r d n e r 在1 9 6 9 年时曾推荐过该值， 并被欧洲 的 一些国家标准采纳( B S 5 5 0 0 , C O D A P ) ， 并运用了 近2 0 年。经圆平板极限载荷分析的修正， 对于简 支管板， 0= 1 . 9 ， 对于固 支管板， ,0 = 2 . 1 , S W G H T E ( S p e c ia

15、 l W o r k in g G ro u p o n H e a t T r a n s f e r E q u ip m e n t 换 热设备特别工作组) 正在考虑将n取为2 . 0 . 正是由于这些原因， A S M E 计算得到的管板基 本都要比T E M A 计算的厚; 但是 C O D A P 及 U P V不 是这样的。各标准在U 形管管板计算中的比较见 表 1 。 从新的T E M A 公式与经典的圆平板受均布压 表 1 对4 种 U形管换热器管板分别按T E M A , A S ME , C O D A P / U P V公式计算得到的厚度 _C 厂P 、 二 2 P f

16、3S _ / 下 1 - = r 了,v 丽 按规范中要求， 没有直接计算的公式， 按假设 值不断循环得到最佳的管板计算厚度 实例有效孔桥带效率 圆平板计算 公式p T E M A公式 7 1 A S M E公式C O D A P / U P V 公式产 产“ I 类型 布管 方式 ( ， 口) 产 I二 a , / p 1 1 ( A S ME ) ( C O D A P ) ( U P V ) I ( T E M A ) h , 口 =1 . 5 ( s s , c 1 ) h o 口 二2 . 0 ( 8 s , c l ) F ( s s , c l ) T ( 旧版) T ( 新版)

17、 F ( s s , c l ) h ( 旧版) 口 二1 . 5 h ( 新版) 月 二1 . 5 h ( 新版) 口 二1 . 5 h ( 旧版) 口 二2 . 0 h ( 新版) 门 =3 . 0 1A口0 . 2 50 . 3 50 . 5 6 刀. o ( c l )1 9 . 1 ( c 1 ) 1 . 2 1 ( 1 7 . 3巧. 5 3 . 9 0 ( d ) 2 0. 6巧. 01 1 . 91 3 . 21 1 . 0 一 一- 一一、 一 J 2D 0. 1 70 . 2 80 . 3 7 4 0 . 9 ( s s ) 3 5 . 6 1 . 2 5 ( s s )

18、2 9 . 53 2 . 3 0 . 4 3 ( s s ) 3 8 . 13 7 . 63 3 . 23 2 . 52 6 . 4 3D 0. 20 . 2 40 . 4 2 1 3 1 . 3 ( s s ) 1 1 3 . 8 ( s s )1 . 2 5 ( s s ) 8 7 . 48 9 . 7 0 . 4 6 ( s s )1 2 4. 2 1 2 1 . 49 2. 21 0 5 . 28 6 . 3 4E口0. 2 50. 3 90. 5 6 1 0 8 . 7 ( s s )9 4 . 2 ( s s )1 . 2 5 ( s s ) 1 m . 39 2 . 2 0 .

19、8 6 ( s s )1 0 9 . 5 1 0 3 . 18 9. 48 7. 86 9 . 2 但是， 从理论上看， A S M E 方法充分考虑了管 板开孔、 未开孔圆环、 管板与壳程及管程圆筒的相 互作用， T E M A中未考虑这些因素的影响， 从这个 方面来讲， A S M E的计算方法要比T E M A更为精 确， 并且使用该方法， 设计者可更精确地确定管板 有关几何尺寸。 2 固定管板 在 1 9 9 2 年， 出现了ix A A一 2中的固定 管板计算方法， 利用该方法计算了1 0 种工业上使 用的典型的换热器， 并与T E M A及法国1 9 8 0 年的 C O D A

20、P 计算结果进行了比较。 该计算方法基于与上述U 形管换热器管板应 力分析的 计算方法， 并且管束视为弹性基础， 详细 推导请参见A l a n S o le r 和S o l e r / C a ld w e l l P V P 论文。 C O D A P 是基于同样的方法， 但不考虑管板上未开 孔的环带。C O D A P的计算方法被 B S 5 5 0 0 ( 1 9 8 6 版) 及U P V ( 1 9 9 2 版) 采纳。 2 4 石 油 化 工 设 计第 21卷 这里需要说明的是: A S M E和C O D A p 在80年 代时都意识到需要一种新的固定管板计算方法。 TEM

21、A的基本方法是与 A S M E及 C O D A P一 致， 不过， 在TEM A中做了大量的简化: 1)未开孔的管板部分不予考虑; 2) 管板与壳程筒体、 管程筒体的连接是刚性， 即: 。 / Ds比 值与系数F没有关系， 不考虑壳程筒 体、 管程筒体的 旋转刚度( 。 : 为筒体的厚度; D : 为 筒体的内径) ; 3) 系数F 不考虑管束的加强作用及管板开孔 对管板的削弱， 花M A 认为这两者是相互抵消的; 这些简化对T E M A 的 计算结果产生了 很大影响。 固 定管板的设计在很大程度上受刚度比Xa 的影响， 刚度比的定义如下: 。 n =户 A sME了 Pe( Xa) 专

22、 5 ( 4 ) 式中 式中 凡 sME= 3 、 / 丹( xa ) v产 ( 5 ) Pe一管板等 效压力载 荷/ lb ( in) 2 M Pa ; h 一A M SE 中固定管板的计算厚度/i n(mm ) ; TEM A中固 定管板的公式: ，。C 2 二 户 TEMi 百 Pe( Xa) 甲 5 ( 6 ) : 尸 姗吸 = 0 . 8(管板周边固支) 尸 兀 川= 1 . 0(管板周边简支) Xa = 管束轴向刚度 管板的抗弯刚度 该系数反映了管束对管板的支承加强作用及由于 管板的开孔对管板的削弱效应; 该系数的范围在 1 ( 弱支承) 一 20( 强支承) 之间， 但大多数的情

23、况下， 该系数在2 一 8 之间。 A S M E的管板厚度计算公式如下: 在TEM A 公式中， 当量压力Pe通过Xa考虑到 管 束的影响， 尽管做了大量的简化， 但是系数 尸 哪弓 未考虑到Xa 的影响， 在方程的理论解中表明 F TEm 与Xa的 关系很大; 结果表明， 当Xa很小时， 凡sME比F 、 大; 当Xa 较大时， 凡 sME 比尸 峨月 要 小。由 于管板的应力与 凡 sME成正比， 所以， 对于 Xa值较小的管板， 用A s M E 计算得到的管板厚度 较TEM A的厚， Xa值较大的情况下， 用A S M E 计算 得到的管板厚度较TEM A的小。 U工、4凡jZ10

24、，.1，.1.1，.1目.且1山.且 F 0 . 8 07 . 了，【 ，l ! ， 门 鼎藉牵 薰 乍 【 .节门 曰 曰 洲ll曰 曰门门 11 .1日 舀 l州曰曰r 州曰 曰 . )曰 曰 5 51 、 长 TE M A 卜州 曰 曰 曰 洲 曰 曰l州 尸州曰 l州曰曰曰 曰 曰 尸 曰 曰 曰 一 r 一 产人l l叫 曰曰曰 卜 曰 卜 阳 曰 曰 卜 州曰卜 叫卜 叫 卜州 卜叫 1浅 卜叫 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰曰 曰曰 节卜汀什甘林布 臼 曰 曰 洲 目 曰 曰回 回回 卜叫 曰 曰 曰 目 阳 目 卜卜叫卜 . 叫 卜 叫 . -1 ，叫卜叫卜叫卜叫卜叫卜 . 叫

25、卜叫1 叫 卜. ， 口叫卜 曰 叫曰 卜 叫曰- 一 n，1曰曰目 曰 曰 目 曰 川 囚 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 目 目 目 卜 一目 卜 叫 目 目 目 目 卜 闷 月目 卜州 曰 曰 曰 l 一 目 目 曰 曰 目 目 目 卜牛州目 曰卜. 叫 . 叫 卜叫肖 拼:卜. 口洲卜 确目 目 目 曰 目 目 刁公曰 目 目 目 目 目 目 目 目 目 曰 - 曰 卜 礴 .目 同 目 目 目 曰 卜 目 k- 少憔得目七L日 - L石 L 卜司 卜二 日 国卜妇 司 一卜叫 l es卜州 ! 州 州卜旧 卜 . 一 J 日 司 司- 司 1 司 1 一卜 日 卜. 卜. 公

26、山 L- 卜 目 目 目 目 曰 目 叫 目目 曰 目 目 L- 目 目 目 曰 目 曰 曰 目 卜未 -曰 曰 曰 目 目 曰 卜 曰 L- 目卜 -闷 自 日 留 梦 一 二目 目 目 L- 目 目 叫 目幽 目 L- 曰 目 目 目 目 目 曰 目 目 目 曰 曰 曰 曰 曰 目 L- 目 卜 目 目 曰 目 目 曰 L 习L 皿 一“ L 曰 L weL 别 L. 1 ，叼L e s l es l es 亡 浏O 目 l 曰 l es L . L 习1 一L二 【 一1一 L 习【 曰L习 L习 ! - L习 L一】 一 L 一L习 L seL 一L 日L 一 . 月J夕屯 -二 口

27、口 口 口 口 口 旧 一 巴 目 口 口 硬 目 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 .11 口 口 口 口 曰 口 口 侧 L 一 曰 口 国 L 旧 口 巴 曰 曰 曰 曰 L 二 曰 曰 曰 口 口 口 L 一 口 曰 曰 口 口 口 匕 习 L山LJ 几 口 口 口 二 巨 卜 日 日 日 口 曰 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 匕 口 口口 r ， 门 门 门 门 门 盯 厂r- 厂 F- 二【 ， ，广 一 尸， 下刁 1 二 【 ，厂节 厂 一 ， ， les les l ，l 一 斗+干 . 周 古 日 川

28、川 川 曰 曰 门 盯 州川 曰 川 曰 口 口 r 川 门 洲 同 口 曰 曰 曰 曰 侧 叫.口 口 曰 曰 口 曰口 l ，曰 曰 曰 曰 门 门 口曰 尸甲 F- r- r- 广， r 曰 门 r- 门 曰 洲 片翔 二 曰 曰1，门 门 尸， 阴 同 曰Ir-1 口 1 、 产. 4 r 叫r ，r l ee州 l 州 1 一日 州r . 州 尸， 尸叫 r 一 州r . 州 口 r -r les r 州l 叫l 叫 卜叫 卜 叫 尸叫 卜 叫 卜曰匕巴 r 州 r r ，曰 r 州.一洲 卜 . ， 一 一 J 产 ， ，一 r，. 叫 卜 . 门 曰 曰 曰 曰 曰 曰 卜 州曰

29、 曰 曰 曰 曰 曰 旧 卜 曰 曰 目 目 目 目 目 目 阵 洲 曰 洲 曰 回目 曰 鉴芬祠以主石州 曰 曰 曰 曰 曰 州洲 曰 曰 曰 曰 曰 叭 州曰 lse 口 口 口 口 l 叫 的 州les卜 1l 月 阵 目 口 口 口 口丰 简二 麟年州叶汁 一 厂 支( 5 5 ) 曰卜 一曰 卜 州 曰 曰 日日 一 日 日日 卜1 一 1 一 l曰曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 口 口 口 口 口 曰 曰 a一 卜州 . 一- 卜 一 卜 1 一 1 一 1 一 l .曰 卜r侧 卜门卜 曰， 仪 凡 目 刁刀 L ， r J 幼决 声 . 月 l 叫一一个 一一目 l 卜 . .

30、二 ) 一1 ! .一 州卜固 支 ( 5 5 飞i 曰-一 十 粉曰日一一 十 州州卜十卜卜一一卜卜一卜卜卜州日卜1 一 于节 于十什 1 州卜 十 产卜 4气j，乙In . 八UO00 图Z TEM A 与A s M E U H X 章节中的固 定管板厚度计算比 较 在图2 中给出了凡sME及F TEm 与Xa 的关系，当Xa 6 ， 时， TEM A计算出的管板厚度是保 从图中可以看出:守的; 当Xa 3 ， 时， TEM A 计算出的管板厚度是不当3 Xa 6 时， 化M A 计算出的管板厚度与 保守的;A S M E 计算值基本接近; 第 2 1 卷丁利伟 . 美国A S M E 与

31、，T E M A 标准管板计算方法比较( 一)2 5 由于T E M A计算公式中进行了上述简化， 所表2 中， T E M A的系数F T E M A 是经过仔细挑选的， 以 以T E M A 公式不能涵盖所有范围内的固定管板结使其与凡S M E 较为接近。 构。 A S M E , C O D A P , T E M A 数值计算的比 较见表2 0 表2 各类固定管板换热器管板不同规范的计算厚度 Si单位数据管板的计算厚度( m m ) ( 不考虑腐蚀裕量及隔板槽深度) 类型尺寸/ m m设计压力/ M P a 设计温度/ T E MA 1A S ME 2 C O D A P 9 5 3

32、C O D A P 9 ! ) 一E U P V 4 D xL Ye _ s No 只P ,T ,T , X罗 八mnh / mme / mme / mm I i 9 1 N EN 2 N E N 3 N E N 4 N E N 5 N E N 6 N E N 巧2 4 x 1 3 9 9 5 3 2 5 1 x 7 0 1 0 2 7 4 3 x 5 9 9 4 2 5 6 5 x 1 7 0 2 2 0 0 7 x 4 7 7 5 6 3 5 x 4 8 7 7 N N N N Y Y 2 3 . 4 4 6. 1 4 5. 5 一0. 1 0 . 5 5 0. 0 0 . 0 5. 0

33、5. 2 0 . 3 4 0. 8 6 1 . 3 8 1 4 9 2 6 0 2 7 5 1 8 5 2 0 4 1 7 7 1 4 9 2 6 0 2 6 5 1 8 5 2 3 2 9 3 1 . 8 7. 5 8 . 4 4 1 . 1 1 9. 2 1 4. 6 3 1 4. 6 2 3 0. 2 2 3 4 . 9 4 3. 2 7 7. 3 1 1 . 9 3 3 0 . 7 1 8 5 . 9 1 1 3 . 5 5. 8 2 7. 4 1 4. 2 3 6 0 . 3 1 6 9 . 1 1 2 6 . 3 1 2. 0 2 5 . 4 7 . 6 3 2 4. 0 1 4

34、9. 1 1 1 4. 4 1 1 . 8 2 3. 2 6 . 0 其 他 类 型 的 管 析 7 AE L 8 AE L 9 A E L 1 0 AE L 1 8 0 3 x 4 5 7 2 9 1 4 x 4 2 6 7 6 1 0 x孕 铭6 1 5 2 x 3 6 5 8 N Y Y Y 0. 2 8 2 . 7 6 1 . 7 2 0. 8 6 0. 2 8 1 . 0 3 2. 5 9 0 . 8 6 1 4 9 2 8 8 1 3 5 4 9 1 4 9 2 8 8 1 8 6 1 6 3 1 2 . 3 5 . 4 4. 0 2 . 5 6 6. 6 8 0. 8 4 9 .

35、 5 1 6 . 7 2 6. 2 6 0. 2 2 5 . 9 7. 4 3 3. 3 5 5. 2 3 9 . 4 1 1 . 4 3 4. 0 4 9. 6 3 6. 3 1 0 . 5 详细资 料请参见A l a n S o l e r 书中 第9 . 8 章 及F . O s w e i ll e r 的 论文P V P 1 9 8 6 A n a ly s i s o f T E M A t u b e s h e e t d e s ig n r u l e s 一 c o m p a r i s o n w i t h u p t o d a t e C o d e m e t

36、 h o d s o 3 浮头式换热器管板 对于浮头式换热器管板， A S M E 采用上述的分 析方法， 只不过简化了当量应力的计算 P e ( X . ) = P s 一 P r 。同样， T E M A也不考虑管束对管板的作 用。 4 计算应力的意义 在本部分主要讨论换热器管板、 壳程筒体、 管 程筒体各部分计算应力的意义， 以使设计者能够 正确地使用规范， 为了理解管板中各项应力的意 义， 设计者应首先对一次应力及二次应力的区别 及其对设计结果的影响有一定的认识。 在A S M E U H X 章节中， 管板应力的分类是按 A S M E S e c t i o n A一 D iv .

37、 2 中 对一次应力及一次应力 加二次应力的要求进行的; 并对一次应力、 二次应 力有详细的定义。U H X章中未考虑峰值应力影 响， 因而不能考虑疲劳问题。 均布压力载荷作用下在平板内产生的弯曲应 力是一次弯曲应力， 平板材料的屈服将造成永久 性的变形， 并且该变形会不断增大直至破坏; 或该 变形太大使平板不能起到应有的作用。当管板延 长部分兼作法兰， 管板法兰的力矩产生的弯曲应 力视为一次弯曲应力。当考虑到管板在压力载荷 下单独作用或同时考虑到管板法兰力矩同时作用 时， 对该一次弯曲应力的限制应进行适当的考虑。 对于壳程筒体、 管程筒体处的应力， 较难进行 分类， 远离管板附近的壳体轴向

38、应力( 沿筒体壁厚 平均分布的) 是由内压产生的， 应视为一次应力。 在壳程筒体与管板相连处、 管程筒体与管板 相连处的弯曲应力是由于变形协调引起的， 所以 这些应力具二次应力的特征。但是， 对于这些应 力的考虑需参见A S M E S e c t i o n 珊一 D iv . 2 中表4 - 1 2 0 . 1 注2 。在该条中， 对这类应力进行了详细的 解释: 若周边的弯矩是为了保持平盖中心处的弯 曲 应力在允许的限度内所需要的， 则在壳体与平 盖连接处的弯曲应力可以划为一次的， 否则划为 二次的， 这一点是与J B 4 7 3 2 一 9 5 标准中一致的， 所 以， 筒体与管板相连处

39、的弯曲应力应归为一次弯 曲应力， 并按一次弯曲应力的许用限来控制。 当考虑到壳程筒体的旋转刚度、 管程筒体的 旋转刚度对管板在压力载荷作用下进行弹性应力 分析时， 这时在筒体与管板连接不连续处的弯曲 应力应归为一次弯曲应力， 并按一次弯曲应力的 石 油 化 工 设 计第 2 1 卷 许用限来控制。 但是， 也有设计时不考虑管壳程筒体的加强 作用。例如， 如果设计者不考虑管壳程筒体加强 作用并对管板进行分析时， 这时管壳程筒体与管 板连接处弯曲应力应归为二次的， 并用二次应力 的许用限来控制。 如果管壳筒体与管板连接处的弯曲应力不满 足一次弯曲应力的许用限时， 这时需要考虑到各 元件的刚度的影响

40、。在这种情况下， 管板的一次 弯曲 应力不满足许用限， 需要通过降低管壳程筒 体弹性模量得到一个削减系数来重新计算管板的 应力。在U H X 章中， 管板的一次弯曲应力不满足 许用限时， 要进行弹塑性分析， 考虑到管壳程筒体 与管板连接处在弯矩作用下发生塑性变形时实际 的加强系数， 得到削减系数， 来计算管板中的 应力。 所以， 在运用 U H X设计时， 当考虑到压力载 荷和管板法兰螺栓产生的弯矩作用下时。首先， 管壳程筒体与管板连接处的弯曲应力当作一次弯 曲应力。如果管壳程筒体与管板连接处的薄膜应 力加弯曲应力超过了一次弯曲应力时， 设计者应 从下面几个方面来进行调整: 1 ) 对管壳程筒体按简单的理想弹塑性材料特 性来计算削减系数， 重新计算管壳程筒体的加强 作用， 重新进行管板应力计算; 2 ) 增加管板附近的管壳程筒