管壳式换热器的强度计算精选文档.ppt

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1、管壳式换热器的强度计算本讲稿第一页，共二十三页换热器的受力情况与容器有所不同，如固定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，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。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。遇到下列几种满足，但在操作时仍然可能。遇到下列几种特有的破坏情况：特有的

2、破坏情况：本讲稿第二页，共二十三页1.管板太薄，因流体压力和温差应力的作用，管板太薄，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、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。壳程之间的密封。2.在壳壁和管壁中产生过大的轴向应力，当在壳壁和管壁中产生过大的轴向应力，当它超过材料允许的极限时，则壳体或管子将它超过材料允许的极限时，则壳体或管子将遭到破坏。遭到破坏。3.由于管子受到的轴向力过大，使管子和管由于管子受到的轴向力过大，使管子和管板在胀接连接处被拉脱，换热器遇到破坏。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设计换热器时

3、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。行强度计算，以免发生此类破坏。本讲稿第三页，共二十三页可见，换热器强度计算应包括可见，换热器强度计算应包括两部分内容两部分内容，第一部分是作为受压容器，计算筒体、封头、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

4、。用膨胀节，则还需进行膨胀节的计算。本讲稿第四页，共二十三页管板的强度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不同的设计依据，管板厚度的设计公式可概括为下列几类：括为下列几类：本讲稿第五页，共二十三页1

5、将管板当作将管板当作受均布载荷受均布载荷的实心圆板，以按的实心圆板，以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要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依据，并加入适当的修正系数以考虑管板开考虑管板开孔削弱和管束的实际支承孔削弱和管束的实际支承作用。这种设计方作用。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。管板厚度设计公式仍以此作为基础。本讲稿第

6、六页，共二十三页2将管束当作将管束当作弹性支承弹性支承，而管板则作为放置，而管板则作为放置于这于这弹性基础上弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大的圆平板，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，是一种有效的设计展电子计算技术的今天，是一种有效的设计方法。方法。3取管板上相邻四根管子之间的棱形面积，取管

7、板上相邻四根管子之间的棱形面积，按弹性理论求此棱形面积在均布压力作用下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。情况相差甚大，仅用于粗略计算。本讲稿第七页，共二十三页（一）基于圆平板的强度计算（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，而承作用最为显著，而U形管式换热器的管子对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管板不存在支

8、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。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，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，用不同的结构系数对不同类型的换热器，用不同的结构系数K予予以修正。以修正。本讲稿第八页，共二十三页圆平板在各种不同支承条件下，按板的弯曲强度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为依据的管厚tc设计公式的一般形式为设计公式的一

9、般形式为：（1）将管板简化为圆平板按将管板简化为圆平板按弯曲强度弯曲强度为依据的为依据的管板厚度管板厚度tc的设计公式与上式非常相似，即的设计公式与上式非常相似，即:（2）比较上述两式可以发现：式比较上述两式可以发现：式(2)中的中的K/2相当于式相当于式(1)中的中的 ，所以式，所以式(2)中的中的K基本上仍是取决于支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，整体承情况的系数。两式中其他各项形式上相同，整体管板管板 1，但由于管板设计中需考虑开孔及温差影响，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。因此含义略有差异。本讲稿第九页，共二十三页 式式(2)中：中：C

10、 附加厚度，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，如下图直径；对焊接于壳体上的管板，取壳体内径，如下图1所示），所示），mm；K 结构系数，与换热器型式、管板的结构有关，对管子结构系数，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为直管，固定管板与浮动管板K=1.0，对，对U形管，找相关资料形管，找相关资料查取；查取；P 设计压力（取管程压力设计压力（取管程压力pt与壳程压力与壳程压力ps中的较大者）中的较大者），MPa；t管板材料在设计温度下的许用应力，管板材料

11、在设计温度下的许用应力，MPa。本讲稿第十页，共二十三页不同支承的管板计算直径不同支承的管板计算直径 本讲稿第十一页，共二十三页对管板还需进行对管板还需进行剪切强度剪切强度校核。当管板上布校核。当管板上布管区为圆形时，设最外圈管子中心圆直径为管区为圆形时，设最外圈管子中心圆直径为D。，根据外载和剪应力之间的平衡关系。，根据外载和剪应力之间的平衡关系：故故 式中式中 t 管板材料在设计温度下的许用管板材料在设计温度下的许用剪应力，取剪应力，取 t=0.8 t t 不包括附加量的管板厚度，不包括附加量的管板厚度，t=tc-C。本讲稿第十二页，共二十三页 考虑管板开孔削弱系数为考虑管板开孔削弱系数为

12、(1-do/to)，则管板，则管板按剪切强度的计算公式为：按剪切强度的计算公式为：（3）式中式中 to 管孔中心距，管孔中心距，mm；d。管子外径，管子外径，mm；D。布管区最外圈管子中心圆直径，布管区最外圈管子中心圆直径，mm当布管区不是圆形时，则当布管区不是圆形时，则D。为布管区外缘管。为布管区外缘管子中心连线所限定的周边当量直径，即子中心连线所限定的周边当量直径，即本讲稿第十三页，共二十三页其中其中 L。最外圈管子的中心距分段测量最外圈管子的中心距分段测量叠加后所形成的布管周长，下图给出了按典叠加后所形成的布管周长，下图给出了按典型的三角形和正方形规则布管时的周长型的三角形和正方形规则布

13、管时的周长L。（图中粗线表示），（图中粗线表示），mm；A。周长周长L。所包围的总面积，。所包围的总面积，mm2。其他符号的意义、单位及确定方法同式其他符号的意义、单位及确定方法同式(2)。三角形布管三角形布管 正方形布管正方形布管本讲稿第十四页，共二十三页此外，为满足制造工艺要求，管板还须有足够此外，为满足制造工艺要求，管板还须有足够的厚度。胀接时，为保证胀接的可靠性，管板的厚度。胀接时，为保证胀接的可靠性，管板的的最小厚度最小厚度（不包括厚度附加量）按（不包括厚度附加量）按GB151选选取。取。管子和管板采用焊按连接时，由于焊接可以达管子和管板采用焊按连接时，由于焊接可以达到甚至超过管子本

14、身的强度，所以只要管子强到甚至超过管子本身的强度，所以只要管子强度足够，管板最小厚度可不受此限制，而由焊度足够，管板最小厚度可不受此限制，而由焊接工艺及管板焊接变形等要求来确定。接工艺及管板焊接变形等要求来确定。管板厚度应同时考虑上述管板厚度应同时考虑上述弯曲强度、剪切强度弯曲强度、剪切强度及管板最小厚度及管板最小厚度三项因素，从中取最大厚度，三项因素，从中取最大厚度，然后加上厚度附加量。然后加上厚度附加量。本讲稿第十五页，共二十三页(二二)基于安置在弹性基础上的圆平板的强度计算基于安置在弹性基础上的圆平板的强度计算由于管板结构的复杂，影响管板强度的因素由于管板结构的复杂，影响管板强度的因素很

15、多，所以正确地进行管板强度分析是比较很多，所以正确地进行管板强度分析是比较困准、复杂的。现行各国规范的管板厚度计困准、复杂的。现行各国规范的管板厚度计算公式，都是对实际管板作一定的算公式，都是对实际管板作一定的假定简化假定简化而得到的近似公式。由于所采用的假定简化而得到的近似公式。由于所采用的假定简化各不相同，与真实管板受力状况必然有程度各不相同，与真实管板受力状况必然有程度不同的差别，造成在同样条件下用现行的各不同的差别，造成在同样条件下用现行的各国规范计算公式算得的厚度差别很大。这些国规范计算公式算得的厚度差别很大。这些公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以公式尽管形式各异，但其大体上是分

16、别在以下三种基本假设的前提下得出的。下三种基本假设的前提下得出的。本讲稿第十六页，共二十三页1.将管板看成为周边支承条件下受均布我荷将管板看成为周边支承条件下受均布我荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱，再引入经验性的修正系数。虑到管孔的削弱，再引入经验性的修正系数。如美国如美国TEMA标准，日本工业标准所采用的标准，日本工业标准所采用的 简单而实用的公式，但其局限性较大。简单而实用的公式，但其局限性较大。2.将管子当作管板的固定支撑而管板是受管将管子当作管板的固定支撑而管板是受管子支撑着的平板。管板的厚度取决于管板上子支撑着的平板。管板

17、的厚度取决于管板上不布管区的范围。如西德不布管区的范围。如西德AD规范采用的计算规范采用的计算公式。实践证明，这种公式适用于各种薄管公式。实践证明，这种公式适用于各种薄管板的强度校核。板的强度校核。本讲稿第十七页，共二十三页3.认为管板是弹性基础上受均布载荷的多孔圆板，既考虑到认为管板是弹性基础上受均布载荷的多孔圆板，既考虑到管子的加强作用，又考虑到管孔的削弱作用。因此分析问题管子的加强作用，又考虑到管孔的削弱作用。因此分析问题比较全面。如英国比较全面。如英国BS标准推荐的计算公式。标准推荐的计算公式。我国制定管板公式时，研究了各国规范管板公式的上述现我国制定管板公式时，研究了各国规范管板公式

18、的上述现状，对英国状，对英国BS1515规范、美国规范、美国TEMA规范、日本工业标规范、日本工业标准（准（JIS）、苏联）、苏联PTM42-62规范等规范中的管板公式进行规范等规范中的管板公式进行了分析比较，吸收它们的合理因素，摒弃它们与实际不相了分析比较，吸收它们的合理因素，摒弃它们与实际不相符合的因素或错误的部分，对管板厚度计算公式重新进行符合的因素或错误的部分，对管板厚度计算公式重新进行了理论推导，制定了我国自己的管板设计规定。管板计算了理论推导，制定了我国自己的管板设计规定。管板计算公式基本上也是根据第公式基本上也是根据第3种假设经过比较严密的推导得出种假设经过比较严密的推导得出的，

19、在国内获得了广泛的应用。的，在国内获得了广泛的应用。本讲稿第十八页，共二十三页关于筒体轴向应力校核、管子轴向应力和拉关于筒体轴向应力校核、管子轴向应力和拉脱力校核脱力校核 参见参见 聂清德聂清德 主编的化工设备设主编的化工设备设计计101 103页及页及109 111页的例子。页的例子。本讲稿第十九页，共二十三页管壳式换热器结构设计1.壳体、管箱壳体和封头的设计 1.1壁厚的设计 1.2壳体、管箱壳体和封头的尺寸及质量 1.3进出口设计（接管外伸长度；接管与筒体、管箱壳体的连接；排气、排液管）1.4接管最小位置（壳程接管位置的最小尺寸；管程接管位置的最小尺寸）本讲稿第二十页，共二十三页2.管板与换热管 2.1管板 管板结构；管板的最小厚度；管板尺寸；管板质量计算。2.2换热管 换热管的规格与尺寸偏差；换热管的排列型式。2.3管程分程本讲稿第二十一页，共二十三页3.壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接 3.1壳体与管板的连接结构 3.2管板与法兰的连接 固定式管板；可拆式管板 3.3管子与管板的连接 胀接；焊接；胀焊并用本讲稿第二十二页，共二十三页4.其他各部件结构 4.1膨胀节 4.2折流板或支撑板 折流板的型式、尺寸管孔、外直径及允许的偏差、布置等 4.3防冲与导流 4.4拉杆与定距管 4.5防短路结构本讲稿第二十三页，共二十三页