CN113343389B - 一种蛇形管加热器换热管适用的壁厚设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蛇形管加热器换热管适用的壁厚设计方法。本发明不仅克服了现有换热器标准中将弯管段应力分布视作与直管段一致的假设，将换热管分为直段内弧段，外弧段分别校核计算，同时该设计方法也能得到圆度偏差引起的弯曲应力。应用本发明提供的方法进行蛇形管加热器换热管厚度设计，充分考虑到了弯管段环向应力不均匀，本发明提供的方法也能得到考虑到制造工艺(内外弧增厚减薄系数，圆度偏差)对弯管强度的影响。以往算法中，由于不能考虑到制造工艺影响，为了保证换热管强度安全，只能通过增加设计裕量，设计过于保守。本发明可以使得换热管壁厚设计更为合理。

Description

一种蛇形管加热器换热管适用的壁厚设计方法
技术领域
本发明涉及一种蛇形管加热器换热管适用的壁厚设计方法，用于提高蛇形管加热器换热管的安全性和经济性，属于电站换热器设备设计领域。
背景技术
目前现有蛇形管加热器换热管壁厚的设计方法是按照GB/T 151-2014《热交换热》执行。GB/T 151-2014中换热管壁厚计算方法：
Figure BDA0003137523090000011
Figure BDA0003137523090000012
式中，δ0为弯曲前换热管最小厚度，δ1为直管段强度计算所需厚度，d为换热管外径，R为弯管段的弯曲半径，P为计算压力，[σ]为换热管设计温度下许用应力。
按现有标准执行，蛇形管加热器换热管弯制成形后的最小厚度不得小于直管强度计算所需厚度。通过薄壳模型受力分析可知，等壁厚弯管在内压作用下，内弧面的环向应力是大于外弧面环向应力的。GB/T 151的换热管壁厚设计公式虽然计算公式简单，便于工程执行，但是该方法中没有给出弯管内外侧的理论计算壁厚。这使得弯管壁厚的考核没有定量依据，不利于制造厂的检验。同时弯管强度计算中只隐藏了弯管减薄数据，而不体现增厚数据。这是可能出现生产中弯管实际减薄率符合标准要求，而内侧壁厚增厚不够，造成弯头强度不合格，给产品安全性留下隐患。
此外，换热管弯制工艺中决定了弯管段截面存在圆度偏差，在内压作用下，圆度偏差会引起附加弯曲应力。现有的强度计算方法中不能体现圆度偏差的影响。
期刊论文《内压作用下弯管的塑性极限载荷分析》中提出了一种弯管应力计算方法。该方法考虑了内外侧应力不均匀的特点，同时还考虑到了弯管不圆度产生的附加弯曲应力的影响。但是该方法没有给出适用范围，文中算例尺寸与蛇形管加热器换热管尺寸规格相差也比较大，不适合用在蛇形管加热器换热管壁厚设计中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有换热器标准中将弯管段应力分布视作与直管段一致。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种蛇形管加热器换热管适用的壁厚设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、计算换热管直管段强度所需厚度δ；
步骤2、计算换热管弯曲前的最小厚度t：
t≥δ+C
式中，C表示厚度附加量；
步骤3、计算弯管段内外弧侧薄膜应力：
Figure BDA0003137523090000021
Figure BDA0003137523090000022
ti＝t×Bi-C
tO＝t×BO-C
式中，σi m表示换热管弯管内弧侧薄膜应力、ti表示换热管弯管内弧侧最小厚度、tO表示换热管弯管外弧侧最小厚度、R表示换热管弯曲半径、
Figure BDA00031375230900000211
表示换热管弯管外弧侧薄膜应力、Bi表示内弧段壁厚减薄系数、BO表示外弧段壁厚增厚系数、P表示设计压力、d表示换热管外径、[σ]表示设计温度下换热管许用应力；
步骤5、计算弯管内外弧侧弯曲应力：
Figure BDA0003137523090000023
Figure BDA0003137523090000024
Figure BDA0003137523090000025
Figure BDA0003137523090000026
Figure BDA0003137523090000027
Figure BDA0003137523090000028
式中，
Figure BDA0003137523090000029
表示换热管弯管外弧侧弯曲应力、M表示弯管不圆度附加弯矩、yO表示外弧侧壁面到中性轴的距离、rH表示换热管中性层曲率半径、
Figure BDA00031375230900000210
表示换热管弯管内弧侧弯曲应力、μ表示弯管段截面圆度偏差；
步骤6、校核换热管中应力，若满足：
Figure BDA0003137523090000031
Figure BDA0003137523090000032
Figure BDA0003137523090000033
Figure BDA0003137523090000034
则t符合设计要求，否则增加t后返回步骤3，直至满足上述条件。
优选地，步骤1中，所述δ的计算公式为：
Figure BDA0003137523090000035
本发明不仅克服了现有换热器标准中将弯管段应力分布视作与直管段一致的假设，将换热管分为直段内弧段，外弧段分别校核计算，同时该设计方法也能得到圆度偏差引起的弯曲应力。应用本发明提供的方法进行蛇形管加热器换热管厚度设计，充分考虑到了弯管段环向应力不均匀，本发明提供的方法也能得到考虑到制造工艺(内外弧增厚减薄系数，圆度偏差)对弯管强度的影响。以往算法中，由于不能考虑到制造工艺影响，为了保证换热管强度安全，只能通过增加设计裕量，设计过于保守。本发明可以使得换热管壁厚设计更为合理。
附图说明
图1及图2为本发明计算过程中的尺寸参数说明。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
结合图1及图2，本发明提出的一种蛇形管加热器换热管适用的壁厚设计方法具体包括以下步骤：
步骤1、计算换热管直管段强度所需厚度δ：
Figure BDA0003137523090000036
式中，P表示设计压力(单位：MPa)、d表示换热管外径(单位：mm)、[σ]表示设计温度下换热管许用应力(单位：mm)；
步骤2、计算换热管弯曲前的最小厚度t：
t≥δ+C
式中，C表示厚度附加量；
步骤3、计算弯管段内外弧侧薄膜应力：
Figure BDA0003137523090000041
Figure BDA0003137523090000042
ti＝t×Bi-C
tO＝t×BO-C
式中，
Figure BDA0003137523090000043
表示换热管弯管内弧侧薄膜应力(单位：MPa)、ti表示换热管弯管内弧侧最小厚度(单位：mm)、tO表示换热管弯管外弧侧最小厚度(单位：mm)、R表示换热管弯曲半径、
Figure BDA0003137523090000044
表示换热管弯管外弧侧薄膜应力(单位：MPa)、Bi表示内弧段壁厚减薄系数、BO表示外弧段壁厚增厚系数；
步骤5、计算弯管内外弧侧弯曲应力：
Figure BDA0003137523090000045
Figure BDA0003137523090000046
Figure BDA0003137523090000047
Figure BDA0003137523090000048
Figure BDA0003137523090000049
Figure BDA00031375230900000410
式中，
Figure BDA00031375230900000411
表示换热管弯管外弧侧弯曲应力(单位：MPa)、M表示弯管不圆度附加弯矩、yO表示外弧侧壁面到中性轴的距离、rH表示换热管中性层曲率半径、
Figure BDA00031375230900000412
表示换热管弯管内弧侧弯曲应力(单位：MPa)、μ表示弯管段截面圆度偏差；
步骤6、校核换热管中应力，若满足：
Figure BDA00031375230900000413
Figure BDA00031375230900000414
Figure BDA00031375230900000415
Figure BDA00031375230900000416
则t符合设计要求，否则增加t后返回步骤3，直至满足上述条件。

Claims (1)

1.一种蛇形管加热器换热管适用的壁厚设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、计算换热管直管段强度所需厚度δ；
步骤2、计算换热管弯曲前的最小厚度t：
t≥δ+C
式中，C表示厚度附加量；
步骤3、计算弯管段内外弧侧薄膜应力：
Figure FDA0003137523080000011
Figure FDA0003137523080000012
ti＝t×Bi-C
to＝t×Bo-C
式中，
Figure FDA0003137523080000013
表示换热管弯管内弧侧薄膜应力、ti表示换热管弯管内弧侧最小厚度、to表示换热管弯管外弧侧最小厚度、R表示换热管弯曲半径、
Figure FDA0003137523080000014
表示换热管弯管外弧侧薄膜应力、Bi表示内弧段壁厚减薄系数、Bo表示外弧段壁厚增厚系数、P表示设计压力、d表示换热管外径、[σ]表示设计温度下换热管许用应力；
步骤5、计算弯管内外弧侧弯曲应力：
Figure FDA0003137523080000015
Figure FDA0003137523080000016
Figure FDA0003137523080000017
Figure FDA0003137523080000018
Figure FDA0003137523080000019
Figure FDA00031375230800000110
式中，
Figure FDA00031375230800000111
表示换热管弯管外弧侧弯曲应力、M表示弯管不圆度附加弯矩、yo表示外弧侧壁面到中性轴的距离、rH表示换热管中性层曲率半径、
Figure FDA00031375230800000112
表示换热管弯管内弧侧弯曲应力、μ表示弯管段截面圆度偏差；
步骤6、校核换热管中应力，若满足：
Figure FDA0003137523080000021
Figure FDA0003137523080000022
Figure FDA0003137523080000023
Figure FDA0003137523080000024
则t符合设计要求，否则增加t后返回步骤3，直至满足上述条件。
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