王 任 亓建偉 中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

在規(guī)范GB/T151-2014[1]中，管板的計(jì)算方法適用于U形管式、浮頭式、填料函式和固定管板式熱交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算，其中管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間有不同的連接型式，標(biāo)準(zhǔn)中按使用情況給出了幾種通用連接型式(a型、b型、c型、d型、e型和f型)的管板設(shè)計(jì)計(jì)算方法。國內(nèi)相應(yīng)的壓力容器強(qiáng)度計(jì)算軟件SW6也提供了這幾種連接型式的管板計(jì)算。但隨著工程需要及工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的各種新型結(jié)構(gòu)型式不斷出現(xiàn)，對這些新型結(jié)構(gòu)，SW6軟件無法直接進(jìn)行管板部分的設(shè)計(jì)計(jì)算。本文基于GB/T151-2014中U形管管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，提出利用SW6軟件進(jìn)行一種特殊高壓U形管換熱器管板設(shè)計(jì)方法，為此類換熱器管板的計(jì)算提供參考。

1 特殊高壓U形管換熱器管板設(shè)計(jì)方法

一種特殊高壓U形管換熱器的示意圖見圖1。

圖1 高壓U形管換熱器示意圖

管程為高壓側(cè)，殼程圓筒通過法蘭與管板連接，其連接型式與GB/T151中的a型、b型、c型、d型、e型和f型都不一致，無法直接使用SW6軟件進(jìn)行管板計(jì)算。由于圖1結(jié)構(gòu)中的管板與管箱圓筒的連接型式同標(biāo)準(zhǔn)中的b型一致，且管程為高壓側(cè)，管程側(cè)的壓力對管板厚度設(shè)計(jì)起控制作用，而殼程法蘭產(chǎn)生的彎矩同管程壓力對管板產(chǎn)生的彎矩方向相反，有利于降低管程高壓對管板厚度的影響，去掉殼程法蘭進(jìn)行管板設(shè)計(jì)是偏安全的，因此圖中U形管板的設(shè)計(jì)計(jì)算可以b型為基礎(chǔ)，按照無殼程圓筒的方式得到管板邊緣總剛度參數(shù)，然后根據(jù)總剛度參數(shù)進(jìn)行管板的剩余部分設(shè)計(jì)計(jì)算。在SW6軟件中由于無法去掉殼程圓筒(即將殼程圓筒厚度設(shè)置為0)，因此根據(jù)總旋轉(zhuǎn)剛度等于管箱圓筒旋轉(zhuǎn)剛度與殼程圓筒旋轉(zhuǎn)剛度之和的原理，先假設(shè)殼程圓筒厚度(SW6中需要輸入的殼程圓筒厚度)，按照已知需要的管箱圓筒厚度推出需要在SW6軟件中輸入的管箱圓筒厚度。

2 符號說明

Di-殼程圓筒和管箱圓筒內(nèi)徑，mm

kh-管箱圓筒殼常數(shù),1/mm

ks-殼程圓筒殼常數(shù),1/mm

Eh-管箱圓筒材料的彈性模量，MPa

Es-殼程圓筒材料的彈性模量，MPa

δh-管箱圓筒厚度，mm

δs-殼程圓筒厚度，mm

Kf-管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，MPa

3 公式推導(dǎo)

(1)

(2)

(3)

(4)

管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

當(dāng)不考慮殼程圓筒的旋轉(zhuǎn)剛度時(shí)，則

(10)

將同時(shí)考慮管箱圓筒和殼程圓筒的旋轉(zhuǎn)剛度的總旋轉(zhuǎn)剛度定義為Kf1, 假定殼程圓筒厚度為δs1，未知的管箱圓筒厚度為δh1，將相應(yīng)公式代入式(5)，可求得

將只考慮管箱圓筒的旋轉(zhuǎn)剛度的總旋轉(zhuǎn)剛度定義為Kf2，此時(shí)管箱圓筒厚度為δh2，

將相應(yīng)公式代入式(10)，可求得

令Kf1=Kf2，則得：

Es×δs12.5+Eh×δh12.5=Eh×δh22.5

(11)

根據(jù)式(11)可以推導(dǎo)出

(12)

4 管箱圓筒輸入厚度計(jì)算示例

在已知管箱圓筒彈性模量、殼程圓筒彈性模量(MPa)、管箱圓筒實(shí)際厚度和SW6計(jì)算用殼程圓筒假設(shè)厚度的基礎(chǔ)上，根據(jù)式(12)可得出SW6管板計(jì)算用管箱圓筒厚度，具體計(jì)算示例見表1。

表1 管箱圓筒輸入厚度計(jì)算

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)管箱圓筒厚度很大的時(shí)候，較小的殼程圓筒厚度對管板邊緣剛度的影響非常小。

5 結(jié)語

(1)基于U形管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)公式推導(dǎo)出了利用SW6軟件進(jìn)行一種特殊高壓U形管換熱器管板設(shè)計(jì)計(jì)算的方法，該方法不考慮殼程法蘭的作用，計(jì)算上偏安全。

(2)在SW6中進(jìn)行此類特殊高壓U形管換熱器管板設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，管板連接型式可以采用GB/T151-2014中的b型，殼程圓筒的厚度為設(shè)定厚度，可根據(jù)本文推導(dǎo)出的公式和已知的參數(shù)，計(jì)算出管箱圓筒的輸入厚度。