CN101847172B - 柔性薄管板的工程计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性薄管板的工程计算方法，包括如下步骤：确定换热管壁温和管箱设计温度；根据工艺条件对关键结构参数管间距和换热管壁厚进行优化；对计算结果进行分析处理：若出现管、壳程压力与温差载荷共同作用下的二次应力超标时，对不存在的操作工况的计算结果，不予以考虑；若出现管、壳程压力作用下的一次应力超标时，则将一次应力转化为二次应力来控制。本发明的积极效果是：弥补了长期以来柔性薄管板设计中采用的两种计算方法的不足，即适用范围的局限性或所耗用的计算时间太长，计算成本太高，计算过程过于烦琐的缺陷。该方法适用范围广，计算过程快速、简便，计算结果安全可靠，符合国家节能降耗，企业节约成本的要求。

Description

柔性薄管板的工程计算方法

技术领域

本发明涉及一种柔性薄管板的工程计算方法。

背景技术

蒸汽发生器作为产生蒸汽的余热回收设备在各生产装置中得到广泛应用，为各生产装置的节能降耗，获取经济效益起到了极为重要的作用。它的结构型式多种多样，但在石化生产装置中由于温度、压力、流速都不太高，故以列管式蒸汽发生器的结构型式居多。而列管式蒸汽发生器目前在国内又有两种典型的结构：厚管板加壳程膨胀节的传统结构和八十年代初从德国引进装置演变而来的柔性薄管板结构。

传统结构的主要优点是结构简单、取材容易、易于加工、安装检修方便，缺点是对开车过程中管壳程温差变化的适应能力差，管子与管板的连接接头易失效；柔性薄管板结构除了具有传统结构的优点外，还具有对操作过程中管壳程温差变化的适应能力强，能长周期安全可靠地运转的优点。

对传统结构的管板计算，国内外均有成熟可靠的标准（如：我国的GB151、美国的TEMA、英国的PD5500、德国的AD、法国的CDDAP、前苏联的GOST、日本的JIS等）和方法供采用，而对于柔性薄管板的计算目前通用的是两种方法，即按德国的AD规范或有限元的应力分析法，但这两种方法美中不足的是：德国的AD规范由于仅以管板应力中占次要地位的局部弯曲应力作为管板应力进行计算，其适用的范围具有局限性，即不适用于壳程筒体与换热管有热膨胀差的情况；有限元的应力分析法具有计算结果精确适用范围不受限的特点，但所耗用的计算时间太长，计算成本太高，计算过程烦琐，难以满足多数业主对设计进度的要求。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种适用范围较广、快速、简便、安全可靠的柔性薄管板的工程计算方法，利用该方法可获得变形协调性较好的薄管板。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种柔性薄管板的工程计算方法，包括如下步骤：

第一步，利用换热器传热计算软件得出换热管轴向和径向温度分布场；

第二步，确定换热管壁温和管箱设计温度：

确定换热管壁温时，首先选择高温端管板上沿管板径向管头温度最高的一根换热管，再根据所选择换热管沿轴向的各温度点求其平均值得到换热管壁温；

确定管箱设计温度时，首先确定一个适当的管板厚度，再根据所选择换热管在高温端的壁温和温升，按1mm管板厚增加4～5℃，得到管箱设计温度；

第三步，根据工艺条件对关键结构参数进行优化：

对于管间距，在保证足够的蒸发空间前提下，使管间距≥1.45倍换热管外径，且最外层换热管外表面至壳体内壁距离≥60mm；

对于换热管壁厚，当温差载荷对计算结果起控制作用时，采用常用规格即可；当压力载荷对计算结果起控制作用时，可适当增加换热管壁厚;

第四步，采用管壳式换热器管板的应力分析计算软件进行计算，以校核在各种工况下的应力是否小于许用应力；

第五步，对计算结果进行分析处理：

当壳程的设计压力＜2.0ＭPa，且管壳程壁温差＜20℃时，采用第一步至第四步的步骤就可得到薄管板计算结果；

当壳程的设计压力≥2.0ＭPa或管壳程温差≥20℃时，若出现管、壳程压力与温差载荷共同作用下的二次应力超标时，则应根据设备的操作特点，判断是否在操作过程中具有这两种工况的出现，对不存在的操作工况的计算结果，不予以考虑，即视为满足强度要求，其计算结果是安全可靠的；

当壳程的设计压力≥2.0ＭPa或管壳程温差≥20℃时，若出现一次应力超标时，则使用一次结构法使得壳程压力和管程压力对换热器各个方向的作用力有相应的元件来承受并满足相应的强度条件，然后将一次应力转化为二次应力来控制，具体做法为：

a.求在壳程设计压力作用下壳程圆筒的一次总体环向薄膜应力小于等于圆筒材料在设计温度下的许用应力；

b.求在管程设计压力作用下壳程圆筒的一次总体轴向薄膜应力小于等于圆筒材料在设计温度下的许用应力；

c.求换热管在壳程设计压力作用下的一次总体轴向拉伸薄膜应力小于等于管子材料在设计温度下的许用应力；

d.求换热管在管程设计压力作用下的一次总体轴向压缩薄膜应力小于等于管子的稳定许用压应力；

e.求封头在管程设计压力作用下的一次总体径向薄膜应力小于等于封头材料在设计温度下的许用应力； 

f.求管板厚度满足“小圆板”计算方法的弯曲强度条件。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：本方法先根据操作工况,结合换热器设计软件 HTFS-TAS、CHTRI，得出换热管轴向和径向温度分布场,再确定薄管板计算所需要的设计参数，并通过对主要结构参数的优化后，借助管壳式换热器管板的应力分析计算软件(SW6),利用一次结构法理念和对计算结果的分析筛选，得到柔性薄管板的计算结果。采用本发明的方法，弥补了长期以来柔性薄管板设计中采用的两种计算方法的不足，即适用范围的局限性或所耗用的计算时间太长，计算成本太高，计算过程过于烦琐的缺陷。该方法适用范围广，计算过程快速、简便，计算结果安全可靠，符合国家节能降耗，企业节约成本的要求。

具体实施方式

一种柔性薄管板的工程计算方法，包括如下步骤：

第一步，利用业内公认的换热器传热计算软件HTFS-TAS、CHTRI得出换热管轴向和径向温度分布场；

第二步，确定关键设计参数：设计参数确定的正确、合理与否直接影响到计算结果的正确性，所确定的设计参数既要符合相应法规、标准的要求又要在满足工艺操作条件下具有合理性，如过于保守，则浪费资源，达不到节能降耗的目的；如过于冒进，则难以保证计算结果能满足设备长周期安全、稳定运转。而在蒸汽发生器的各设计参数中最难以确定的是高温气体进口端带隔热衬里管箱金属的设计温度和换热管壁温。

（1）确定换热管壁温：

a.首先选择高温端管板上沿管板径向管头温度最高的一根换热管；

b.根据所选择换热管沿轴向的各温度点求其平均值得到换热管壁温；

（2）确定管箱设计温度：

a.假设一个适当的管板厚度；

b.根据所选择换热管在高温端的壁温和温升（按1mm管板厚增加4～5℃）得到管箱设计温度；

第三步，根据工艺条件对关键结构参数进行优化：

（1）管间距：在保证足够的蒸发空间前提下，管间距如能满足下面两个条件，则会使管板应力更趋于合理:

a.管间距≥1.45d₀(d_0：换热管外径)

b.最外层换热管外表面至壳体内壁距离≥60mm

（2）换热管壁厚：当温差载荷对计算结果起控制作用时，不宜增加换热管壁厚，只需采用常用规格即可；当压力载荷对计算结果起控制作用时，则应适当增加换热管壁厚;

第四步，直接采用经国家认可的管壳式换热器管板的应力分析计算软件(JB4732-95,SW6)进行计算，校核在各种工况下的应力是否小于许用应力，各种工况包括：壳程压力（Ps）工况、管程压力（Pt）工况、壳程压力和具有管壳程温差（Ps+△t）的工况、管程压力和具有管壳程温差（Pt+△t）的工况、壳程压力、管程压力和具有管壳程温差（Ps +Pt +△t）的工况五种情形；

第五步，对计算结果进行分析处理：

（1）当壳程的设计压力＜2.0ＭPa，且管壳程壁温差＜20℃时，通常采用第一步至第四步的步骤就可得到薄管板计算结果；

（2）当壳程的设计压力≥2.0ＭPa或管壳程温差≥20℃时，若出现（Ps+△t）或（Pt+△t）工况下的二次应力超标（即应力值大于3倍许用应力）时，则应根据设备的操作特点，判断是否在操作过程中具有这两种工况的出现，对不存在的操作工况的计算结果，不予以考虑即视为满足强度要求，其计算结果是安全可靠的；

当壳程的设计压力≥2.0ＭPa或管壳程温差≥20℃时，若出现一次应力超标（即在壳程压力或管程压力单独作用下，管板径向应力超过1.5倍许用应力）时，则使用一次结构法理念将壳程压力和管程压力对换热器各个方向的作用力让相应的元件来承受并满足相应的强度条件后，即可将一次应力按二次应力来控制，具体做法为：

a.求在壳程设计压力作用下壳程圆筒的一次总体环向薄膜应力小于等于圆筒材料在设计温度下的许用应力；

b.求在管程设计压力作用下壳程圆筒的一次总体轴向薄膜应力小于等于圆筒材料在设计温度下的许用应力（当管程设计压力＜两倍壳程设计压力时,该项自动满足）；

c.求换热管在壳程设计压力作用下的一次总体轴向拉伸薄膜应力小于等于管子材料在设计温度下的许用应力； 

d.求换热管在管程设计压力作用下的一次总体轴向压缩薄膜应力小于等于管子的稳定许用压应力； 

e.求封头在管程设计压力作用下的一次总体径向薄膜应力小于等于封头材料在设计温度下的许用应力；

f.求管板厚度满足“小圆板”计算方法的弯曲强度条件。

Claims (1)

1.一种柔性薄管板的工程计算方法，其特征是：包括如下步骤：

第一步，利用换热器传热计算软件得出换热管轴向和径向温度分布场；

第二步，确定换热管壁温和管箱设计温度：

确定换热管壁温时，首先选择高温端管板上沿管板径向管头温度最高的一根换热管，再根据所选择换热管沿轴向的各温度点求其平均值得到换热管壁温；

确定管箱设计温度时，首先确定一个适当的管板厚度，再根据所选择换热管在高温端的壁温和温升，按1mm管板厚增加4～5℃，得到管箱设计温度；

第三步，根据工艺条件对关键结构参数进行优化：

对于管间距，在保证足够的蒸发空间前提下，使管间距≥1.45倍换热管外径，且最外层换热管外表面至壳体内壁距离≥60mm；

对于换热管壁厚，当温差载荷对计算结果起控制作用时，采用常用规格即可；当压力载荷对计算结果起控制作用时，可适当增加换热管壁厚;

第四步，采用管壳式换热器管板的应力分析计算软件进行计算，以校核在Ps、Pt、Ps+△t、Pt+△t、Ps+Pt +△t五种工况下的应力是否小于许用应力；

第五步，对计算结果进行分析处理：

当壳程的设计压力＜2.0ＭPa，且管壳程壁温差＜20℃时，采用第一步至第四步的步骤就可得到薄管板计算结果；

当壳程的设计压力≥2.0Ｍ Pa 或管壳程温差≥20℃ 时，若出现Ps+△t或Pt+△t工况下的二次应力超标时，则应根据设备的操作特点，判断是否在操作过程中具有这两种工况的出现，对不存在的操作工况的计算结果，不予以考虑，即视为满足强度要求，其计算结果是安全可靠的；

当壳程的设计压力≥2.0ＭPa或管壳程温差≥20℃时，若出现一次应力超标时，则使用一次结构法使得壳程压力和管程压力对换热器各个方向的作用力有相应的元件来承受并满足相应的强度条件，然后将一次应力转化为二次应力来控制，具体做法为：

a.求在壳程设计压力作用下壳程圆筒的一次总体环向薄膜应力小于等于圆筒材料在设计温度下的许用应力；

b.求在管程设计压力作用下壳程圆筒的一次总体轴向薄膜应力小于等于圆筒材料在设计温度下的许用应力；

c.求换热管在壳程设计压力作用下的一次总体轴向拉伸薄膜应力小于等于管子材料在设计温度下的许用应力；

d.求换热管在管程设计压力作用下的一次总体轴向压缩薄膜应力小于等于管子的稳定许用压应力；

e.求封头在管程设计压力作用下的一次总体径向薄膜应力小于等于封头材料在设计温度下的许用应力； 

f.求管板厚度满足“小圆板”计算方法的弯曲强度条件。