文档介绍：管壳式换热器的强度计算
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:
,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。
,当它超过材料允许的极限时,则壳体或管子将遭到破坏。
,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。
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。
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:
,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。
,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。
,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。
(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。
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。
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=,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。