CN103488902A - 一种大直径固定管板换热器薄管板厚度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大直径固定管板换热器薄管板厚度的确定方法，通过对弯矩部分进行简化、以及对包括管板径向应力系数、管板布管区周边处径向应力系数和管板布管区周边剪应力系数等在内的参数进行简化，达到了简化计算的目的。本发明的积极效果是：采用本发明方法可快速准确地确定大直径固定管板换热器薄管板的厚度。既可用于焊入式固定管板换热器薄管板的厚度计算确定，也可用于验证其它计算方法确定薄管板厚度的正确性。

Description

一种大直径固定管板换热器薄管板厚度的确定方法

技术领域

本发明涉及一种大直径固定管板换热器薄管板厚度的确定方法。

背景技术

当需确定大直径固定管板换热器管板的厚度时，存在下列问题：

（1）厚管板浪费材料，加工繁复，制造费用较高；

（2）国内现行规范中无明确的薄管板计算方法；

（3）国外常用的规范中确定薄管板厚度的计算公式比较粗糙；

（4）国内外有关薄管板计算的理论不成熟，计算公式属经验方法。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种大直径固定管板换热器薄管板厚度的确定方法，通过对弯矩部分进行简化、以及对包括管板径向应力系数、管板布管区周边处径向应力系数和管板布管区周边剪应力系数等在内的参数进行简化，达到了简化计算的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大直径固定管板换热器薄管板厚度的确定方法，包括如下步骤：

步骤一、设定管板计算厚度δ，计算管子加强系数K；

步骤二、计算旋转刚度无量纲参数K_f；

步骤三、计算与管子加强系数K有关的参数G₁；

步骤四、计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的有效压力p_a；

步骤五、计算管板应力系数；

步骤六、根据管板应力系数计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板径向应力σ_r；

步骤七、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板径向应力σ_r是否均小于等于

其中，x表示应力分类系数；

表示在设计温度下，管板材料的许用应力：

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则进入步骤八；

步骤八、根据管板应力系数计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处径向应力

步骤九、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处径向应力

是否均小于等于

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则进入步骤十；

步骤十、根据管板应力系数计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处剪切应力τ_p；

步骤十一、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处剪切应力τ_p是否均小于等于其中，x₁为应力分类系数：

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则进入步骤十二；

步骤十二、根据管板应力系数计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管轴向应力σ_t；

步骤十三、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管轴向应力σ_t是否均小于等于

其中，表示在设计温度下，换热管材料的许用应力：

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则进入步骤十四；

步骤十四、根据步骤十二计算出的在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管轴向应力σ_t计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管与管板连接拉脱力q；

步骤十五、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管与管板连接拉脱力q是否均小于等于x₁[q]，其中，[q]为许用拉脱力：

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则所选薄管板厚度合格，增加腐蚀裕量即确定出薄管板厚度。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：采用本发明方法可快速准确地确定大直径固定管板换热器薄管板的厚度。既可用于焊入式固定管板换热器薄管板的厚度计算确定，也可用于验证其它计算方法确定薄管板厚度的正确性。

具体实施方式

一种大直径固定管板换热器薄管板厚度的确定方法，包括如下步骤：

步骤一、设定管板计算厚度，按如下公式求管子加强系数K：

$K={\left[1.318\frac{D_i}{\mathrm{\δ}}\sqrt{\frac{E_t\mathrm{na}}{E_p\mathrm{\ηL\δ}}}\right]}^{0.5}$

式中：

δ为管板计算厚度，mm；

D_i为管程圆筒内直径，mm；

E_t为换热管材料的弹性模量，MPa；

E_p为管板材料的弹性模量，MPa；

n为换热管根数；

a为单根换热管管壁金属的横截面积，mm²；

η为管板刚度削弱系数；

L为换热管有效长度。

步骤二、按如下公式求旋转刚度无量纲参数K_f：

$K_f=\frac{1}{12}{\mathrm{\ω}}^{\′}{E}_s+\frac{1}{12}{\mathrm{\ω}}^{\′\′}{E}_h$

式中：

ω′为无量纲系数，根据δ_sD_i和δ_f′D_i查阅管壳式换热器设计手册得到，其中：δ_s为壳程圆筒厚度，mm；δ_f′为壳体法兰厚度，mm；

ω′′为无量纲系数，根据δ_hD_i和δ_f′′D_i查阅管壳式换热器设计手册得到，其中：δ_h为管箱圆筒厚度，mm；δ_f′′为管箱法兰厚度，mm；

E_s为壳程圆筒材料的弹性模量，MPa；

E_h为管箱圆筒材料的弹性模量，MPa；

步骤三、按如下公式计算与管子加强系数K有关的参数G₁：

$G_1=\left\{\begin{array}{c}\max (G_{\mathrm{le}},G_{\mathrm{li}}),m>0\\ G_{\mathrm{li}},m<0\end{array}\right.$

式中：

G_le=3μmK，其中：μ为管板强度削弱系数，一般可取μ=0.4；m为管板总弯矩系数，

其中：m₁为管板的第一弯矩系数，根据K和K_f查阅管壳式换热器设计手册得到；m₂为管板的第二弯矩系数，根据K和换热管束与圆筒刚度比Q查阅管壳式换热器设计手册得到；ν为管板边缘剪切系数；G_li根据K和m查阅管壳式换热器设计手册得到。

步骤四、分别按以下四个公式计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的有效压力p_a：

（1）在壳程压力下不计膨胀差时的有效压力：

p_a=∑_sp_s，

式中：

其中：

A_l为管板开孔后的面积，A为壳程圆筒内直径横截面积；p_s为壳程设计压力，Q为换热管束与圆筒刚度比。

（2）在壳程压力下计膨胀差时的有效压力：

p_a=∑_sp_s+βγE_t，

式中：

n为换热管根数，a为单根换热管管壁金属的横截面积，mm²，A_l为管板开孔后的面积；γ为换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差；

（3）在管程压力下不计膨胀差时的有效压力：

p_a=-∑_tp_t，式中：

p_t表示管程设计压力，Q为换热管束与圆筒刚度比。

（4）在管程压力下不计膨胀差时的有效压力组合：

p_a=-∑_tp_t+βγE_t

步骤五、计算管板应力系数：

（1）按如下公式计算管板径向应力系数

${\widetilde{\mathrm{\&sigma;}}}_r=\frac{0.3G_1}{4(Q+G_2)},$

式中：G₂根据K和K_f查阅管壳式换热器设计手册得到；

（2）按如下公式计算管板布管区周边处径向应力系数

${\widetilde{\mathrm{\&sigma;}}}_r^{\&prime;}=\frac{m_1}{K(Q+G_2)};$

（3）按如下公式计算管板布管区周边剪切应力系数

${\widetilde{\mathrm{\&tau;}}}_p=\frac{0.25}{Q+G_2}$

步骤六、将步骤四所述的四个有效压力组合p_a分别代入下式计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板径向应力σ_r：

${\mathrm{\&sigma;}}_r={\widetilde{\mathrm{\&sigma;}}}_r\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&mu;}}{p}_a{\left(\frac{D_i}{\mathrm{\&delta;}}\right)}^2,$

步骤七、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板径向应力σ_r是否均小于等于（其中，x表示应力分类系数，不计膨胀差时x=1.5，计膨胀差x=3.0；

表示在设计温度下，管板材料的许用应力）：

若否，则重新设定管板计算厚度δ（一般是增加管板的厚度），返回步骤一；

若是，则进入步骤八；

步骤八、将步骤四所述的四个有效压力组合p_a分别代入下式计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处径向应力σ_r′：

${\mathrm{\&sigma;}}_r^{\&prime;}={\widetilde{\mathrm{\&sigma;}}}_r^{\&prime;}I{p}_a{\left(\frac{D_i}{\mathrm{\&delta;}}\right)}^2,$

式中：

其中k为管板周边不布管区无量纲宽度；

步骤九、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处径向应力σ_r′是否均小于等于

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则进入步骤十；

步骤十、将步骤四所述的四个有效压力组合p_a分别代入下式计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处剪切应力τ_p：

${\mathrm{\&tau;}}_p={\widetilde{\mathrm{\&tau;}}}_p\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&mu;}}{p}_a\left(\frac{D_t}{\mathrm{\&delta;}}\right),$

式中：D_t管板布管区的当量直径，mm。

步骤十一、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处剪切应力τ_p是否均小于等于

其中，x₁为应力分类系数，不计膨胀差时x₁=1.0，计膨胀差时x₁=3.0：

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则进入步骤十二；

步骤十二、将步骤四所述的四个有效压力组合p_a分别代入下式计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管轴向应力σ_t：

式中：p_c为当量压力组合；

步骤十三、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管轴向应力σ_t是否均小于等于（其中：

表示在设计温度下，换热管材料的许用应力）：

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则进入步骤十四；

步骤十四、将步骤十二所述的在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管轴向应力σ_t代入如下公式计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管与管板连接拉脱力q：

$\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{t}a}{\mathrm{\&pi;dl}},$

式中：

d为换热管外径，mm；

l为焊脚高度。

步骤十五、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管与管板连接拉脱力q是否均小于等于x₁[q]（其中：[q]为许用拉脱力）：

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则所选薄管板厚度合格，增加腐蚀裕量即确定出薄管板厚度。

Claims (4)

1.一种大直径固定管板换热器薄管板厚度的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、设定管板计算厚度δ，计算管子加强系数K；

步骤二、计算旋转刚度无量纲参数K_f；

步骤三、计算与管子加强系数K有关的参数G₁；

步骤四、计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的有效压力p_a；

步骤五、计算管板应力系数；

步骤六、根据管板应力系数计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板径向应力σ_r；

步骤七、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板径向应力σ_r是否均小于等于

其中，x表示应力分类系数；

表示在设计温度下，管板材料的许用应力：

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则进入步骤八；

步骤八、根据管板应力系数计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处径向应力

步骤九、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处径向应力

是否均小于等于

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则进入步骤十；

步骤十、根据管板应力系数计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处剪切应力τ_p；

步骤十一、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的管板布管区周边处剪切应力τ_p是否均小于等于

其中，x₁为应力分类系数：

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则进入步骤十二；

步骤十二、根据管板应力系数计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管轴向应力σ_t；

步骤十三、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管轴向应力σ_t是否均小于等于其中，表示在设计温度下，换热管材料的许用应力：

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则进入步骤十四；

步骤十四、根据步骤十二计算出的在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管轴向应力σ_t计算在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管与管板连接拉脱力q；

步骤十五、判断在管、壳程压力下计或不计膨胀差时的换热管与管板连接拉脱力q是否均小于等于x₁[q]，其中，[q]为许用拉脱力：

若否，则重新设定管板计算厚度δ，返回步骤一；

若是，则所选薄管板厚度合格，增加腐蚀裕量即确定出薄管板厚度。

2.根据权利要求1所述的一种大直径固定管板换热器薄管板厚度的确定方法，其特征在于：不计膨胀差时，所述应力分类系数x=1.5；计膨胀差时，所述应力分类系数x=3.0。

3.根据权利要求1所述的一种大直径固定管板换热器薄管板厚度的确定方法，其特征在于：步骤七所述重新设定管板计算厚度δ时，采用增加管板计算厚度的方式。

4.根据权利要求1所述的一种大直径固定管板换热器薄管板厚度的确定方法，其特征在于：不计膨胀差时，所述应力分类系数x₁=1.0；计膨胀差时，所述应力分类系数x₁=3.0。