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固定管板換熱器N型管箱應(yīng)力評(píng)定方法

時(shí)間:2021-09-15 來(lái)源:歐標(biāo)美標(biāo)壓力容器設(shè)計(jì) 瀏覽:

正文之前先說(shuō)幾句:前二天發(fā)的BEN換熱器的計(jì)算豆腐塊中,提到過(guò)N型管箱應(yīng)力評(píng)定的論文;早上發(fā)的文章上午孫總就把論文發(fā)給我了。又蹭孫總的論文了。信息里的文章作者是孫志剛的目前都是已經(jīng)發(fā)表的論文。作者是褚建偉的沒(méi)有長(zhǎng)篇都不是很完整都是沒(méi)有發(fā)表的,如果有需求想要發(fā)表湊合給我來(lái)個(gè)第二作者就行。地腳螺栓許用應(yīng)力的同事借鑒了,帶分程隔板的法蘭的蛋總預(yù)定了!其余的是否有人要用不清楚反正還沒(méi)收到消息!

摘要當(dāng)固定管板換熱器采用N型管箱結(jié)構(gòu)時(shí),采用SW6中的JB4732算法可以計(jì)算校核筒體或管箱端部的總應(yīng)力,但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓力載荷單獨(dú)作用下筒體或管箱端部的總應(yīng)力校核不通過(guò)的情況,導(dǎo)致筒體或管箱端部厚度比按照GB/T151設(shè)計(jì)的更厚。根據(jù)一次結(jié)構(gòu)法原理分析表明JB4732算法存在著保守性,為此介紹了一次結(jié)構(gòu)法和ASME管板設(shè)計(jì)方法,發(fā)現(xiàn)ASME管板設(shè)計(jì)方法與一次結(jié)構(gòu)法是一致的,可以由ASME管板設(shè)計(jì)方法得到3種管板一次結(jié)構(gòu)JB4732算法用的只是第1種一次結(jié)構(gòu),將這3種管板一次結(jié)構(gòu)用在某換熱器的有限元分析設(shè)計(jì)中得到了不同的評(píng)價(jià)結(jié)果,選擇其中最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案,避免了筒體或管箱端部保守的設(shè)計(jì)。本文可為換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定參考。

關(guān)鍵詞:N型管箱;應(yīng)力分類(lèi);一次結(jié)構(gòu)法;ASME;有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào):TE 965,文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

Stress Assessment Method For N Type Channel Of Fixed Tubesheet Type Heat Exchanger

Sun Zhi-gang, Yang Hu,

(Wuxi Chemical Equipment Co., Ltd, Jiangsu Wuxi 214131, China)

Abstract: While N type channel was adopted for fixed tubesheet type heat exchanger, checking

the total stresses in the shell and/or channel end could be performed by choosing JB4732 method in SW6. But sometime the checking for total stresses in the shell and/or channel end can be not pass while there was only pressure load, thickness for shell and/or channel end need be more than that designed as per GB/T151. Analysis as per primary structure method shown that JB4732 method was conservative, then primary structure method and UHX method in ASME Ⅷ-1 were introduced. It could be found that ASME method and primary structure method were consistent, and 3 primary structures for tubesheetcould be got from ASME method, only the first method was adopted in JB4732 method. The 3 primary structures for tubesheet were used in analysis design for a heat exchanger by finite element method, different assessment results were determined, and the most economical design case was choose, conservative design for shell and channel was avoided. Some references for the best design of heat exchanger structure can be provided by this paper.

Key words: N Type Channel, Stress Classification, Primary Structure Method, ASME, FEA

1 引言

N型管箱是固定管板換換熱器一種常見(jiàn)的管箱與殼體和管板連接結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)比螺栓墊片連接更容易實(shí)現(xiàn)密封,結(jié)構(gòu)重量更輕更經(jīng)濟(jì)。馮清曉[1]指出管箱與殼體和管板整體連接處是結(jié)構(gòu)不連續(xù)的高應(yīng)力區(qū)域,GB/T151[2]并不校核連接處的應(yīng)力,僅僅校核殼體的平均軸向應(yīng)力存在著不確定性,可以選擇采用SW6程序中的JB4732算法校核連接處的應(yīng)力,或者參考ASME Ⅷ-1中的UHX篇中的固定管板設(shè)計(jì)方法謝智剛[3]采用有限元分析驗(yàn)證了采用JB4732算法設(shè)計(jì)大型固定管板換熱器的可靠性。

工程設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)按照GB/T151設(shè)計(jì)的換熱器有時(shí)無(wú)法通過(guò)JB4732算法的校核,管箱或者筒體需要明顯加厚,按照JB4732算法設(shè)計(jì)的換熱器反而不如GB/T151經(jīng)濟(jì)。出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)?/span>JB4732算法增加了管箱端部和筒體端部總應(yīng)力的校核,很多情況是壓力載荷單獨(dú)作用下的管箱端部和筒體端部總應(yīng)力超標(biāo),導(dǎo)致管箱或筒體厚度需要加厚。在相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道中對(duì)管箱端部和筒體端部總應(yīng)力的校核存在著不同的做法,文獻(xiàn)[4]JB4732算法是一致的,而文獻(xiàn)[5,6]JB4732算法是不同的管箱端部和筒體端部應(yīng)力評(píng)價(jià)需要做進(jìn)一步討論。

由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)的緣故,管箱端部和筒體端部存在相當(dāng)大的彎曲應(yīng)力根據(jù)JB4732[7]或者ASME Ⅷ-2[8]的要求,若管板周邊彎矩是保持管板中心處彎曲應(yīng)力在允許極限內(nèi)所需要的則連接處的彎曲應(yīng)力可劃為Pb類(lèi),否則劃為Q類(lèi)。當(dāng)有壓力載荷和熱載荷共同作用時(shí)管箱端部和筒體端的薄膜加彎曲應(yīng)力劃分為一次加二次應(yīng)力,這一點(diǎn)并無(wú)疑問(wèn);當(dāng)僅有壓力載荷作用時(shí),由于連接處的彎曲應(yīng)力難以分解出其中的一次成分和二次成分連接處的薄膜加彎曲應(yīng)力按照1.5S進(jìn)行限制,JB4732算法采用的就是這種做法,存在著保守性。

當(dāng)筒體或者管箱截面完全屈服,所能提供的彎矩達(dá)到最大,筒體或者管箱端部名義達(dá)到最大,2.25S,即達(dá)不到3.0S[9],因此,JB4732算法通過(guò)限制筒體或者管箱端部總應(yīng)力不超過(guò)1.5S,確保筒體或者管箱對(duì)管板的加強(qiáng)作用是有效的。如果采用一次結(jié)構(gòu)法,筒體或者管箱對(duì)管板的加強(qiáng)作用可以被100%保留,也可以被100%解除,也可以被部分保留,只要任一種情況下管板校核通過(guò)即可[9],JB4732算法采用的只是第1種做法筒體或者管箱往往需要比較厚,因此,有必要采用多種一次結(jié)構(gòu)校核換熱器應(yīng)力以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文針對(duì)某固定管板換熱器在壓力載荷單獨(dú)作用下按照JB4732算法校核筒體或者管箱端部一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力校核不通過(guò)的情況,采用一次結(jié)構(gòu)法將筒體或者管箱端部一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力轉(zhuǎn)化為一次加二次應(yīng)力,在保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全前提下,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可為換熱器設(shè)計(jì)提供一定參考。

2 一次結(jié)構(gòu)法與ASME方法

2.1 一次結(jié)構(gòu)法

一次結(jié)構(gòu)法由陸明萬(wàn)提出,用以解決應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中的應(yīng)力識(shí)別問(wèn)題。陸明萬(wàn)在文獻(xiàn)[9]中給出了與筒體整體連接平蓋的三種一次結(jié)構(gòu):(1)取原始結(jié)構(gòu)為一次結(jié)構(gòu),筒體平蓋連接連接處薄膜加彎曲應(yīng)力按照一次應(yīng)力強(qiáng)度極限評(píng)定;(2)解除連接處的徑向和轉(zhuǎn)角連續(xù)性要求,取薄膜應(yīng)力狀態(tài)下的筒體和受筒體簡(jiǎn)支的平蓋為一次結(jié)構(gòu)連接處的薄膜加彎曲應(yīng)力按照一次加二次應(yīng)力評(píng)定;(3)解除連接處的轉(zhuǎn)角連續(xù)性要求,連接處的薄膜加彎曲應(yīng)力按照一次加二次應(yīng)力評(píng)定。如果將平蓋視為特殊的管板上述三種一次結(jié)構(gòu)可以作為管設(shè)計(jì)的參考。

國(guó)內(nèi)薄管板的設(shè)計(jì)采用的是桑如苞[10]提出的極限設(shè)計(jì)與彈性分析相結(jié)合的換熱器管板強(qiáng)度分析的新思路”,是一次結(jié)構(gòu)法原理在薄管板上的應(yīng)用一次結(jié)構(gòu)法在普通剛性管板上的應(yīng)用報(bào)道較少[11,12]。一次結(jié)構(gòu)法是通過(guò)解除元件之間的約束,構(gòu)造出各元件的一次結(jié)構(gòu)校核各元件一次結(jié)構(gòu)在壓力載荷單獨(dú)作用下的應(yīng)力強(qiáng)度,應(yīng)力強(qiáng)度全部按照一次應(yīng)力校核如果滿足此要求,按照SW6.0或者有限元計(jì)算得到的原始結(jié)構(gòu)在壓力載荷單獨(dú)作用下的應(yīng)力強(qiáng)度可以按照3S進(jìn)行限制,因?yàn)槠潇o強(qiáng)度已經(jīng)得到得到保證。陳孫藝[13]和葉增榮[14]分別采用一次結(jié)構(gòu)法對(duì)薄管板進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.2 ASME方法[15~17]

ASME Ⅷ-1管板設(shè)計(jì)方法計(jì)算校核筒體或者管箱端部總應(yīng)力,在僅有壓力載荷作用時(shí),對(duì)薄膜加彎曲應(yīng)力首先按照一次薄膜加一次彎曲進(jìn)行評(píng)定,1.5S進(jìn)行限制,如果通過(guò),則合格,如果不通過(guò),則可進(jìn)一步采用簡(jiǎn)化彈塑性分析或者管板簡(jiǎn)支法簡(jiǎn)化彈塑性分析是通過(guò)折減筒體彈性模量進(jìn)行的,相當(dāng)于采用筒體彈性模量折減后的結(jié)構(gòu)作為管板的一次結(jié)構(gòu),管板的應(yīng)力小于1.5S,則管板滿足一次結(jié)構(gòu)的要求,管板與筒體連接處的薄膜加彎曲應(yīng)力可以按照3S進(jìn)行評(píng)定,否則,需要調(diào)整結(jié)構(gòu)厚度。簡(jiǎn)支法則是采用受筒體周邊簡(jiǎn)支的管板作為管板的一次結(jié)構(gòu),相當(dāng)于管板兩側(cè)采用墊片連接,如果管板的應(yīng)力小于1.5S,則管板滿足一次結(jié)構(gòu)的要求,管板與筒體連接處的薄膜加彎曲應(yīng)力可以按照3S進(jìn)行評(píng)定。

2.3 兩種方法的比較

盡管ASME管板設(shè)計(jì)方法中并沒(méi)有一次結(jié)構(gòu)法的提法,但其做法跟國(guó)內(nèi)的一次結(jié)構(gòu)法是完全一致的,一次結(jié)構(gòu)法可以很好解釋ASME做法可以發(fā)現(xiàn)ASME管板設(shè)計(jì)方法本質(zhì)上采用了三種管板一次結(jié)構(gòu):(1)原始結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)100%保留筒體和管箱對(duì)管板的加強(qiáng)作用,筒體和管箱端部總應(yīng)力限制在1.5S,校核不容易通過(guò),算得的筒體和管箱厚度較厚,JB4732算法便是屬于這種情況;(2)采用簡(jiǎn)化彈塑性分析法,將原始結(jié)構(gòu)中的筒體或者管箱彈性模量折減即可,該種一次結(jié)構(gòu)考慮屈服后材料彈性模量的下降,通過(guò)定量縮減彈性模量降低筒體或管箱對(duì)管板的加強(qiáng)作用,在這種情況需要管板的應(yīng)力不超過(guò)1.5S;(3)簡(jiǎn)支法,該結(jié)構(gòu)100%解除筒體和管箱對(duì)管板的加強(qiáng)作用,筒體或管箱對(duì)管板為簡(jiǎn)支支撐相當(dāng)于管板兩側(cè)墊片連接,與國(guó)內(nèi)薄管板設(shè)計(jì)方法是一致的。

3 換熱器筒體與管箱端部應(yīng)力分析

3.1 JB4732算法和GB/T151計(jì)算

某固定管板換熱器采用N型管箱結(jié)構(gòu),其主要參數(shù)列在下表1,其厚度滿足GB/T151的要求,JB4732算法和GB/T151計(jì)算各零部件應(yīng)力結(jié)果列在表2。

1 計(jì)算參數(shù)管殼程相同

設(shè)計(jì)壓力/溫度

1.6 MPa @250℃

平均金屬溫度/℃

200

腐蝕裕量/mm

3.0

筒體材質(zhì)與規(guī)格/mm

Q345R,DN1600×14

管板材質(zhì)與規(guī)格/mm

16MnⅢ,O.D.1628 t=40

換熱管材質(zhì)與規(guī)格/mm

16Mn,Φ32×3,L=6000,1357,正三角形排布,中心距40,換熱管失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度1400mm。


2換熱器各部件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(MPa)

工況

JB4732算法

GB/T151

Ps

Pt

Ps+Pt

Ps

Pt

Ps+Pt

管板徑向應(yīng)力

59.0

100.9

57.1

57.5

97.4

40.6

管板徑向應(yīng)力許用值

205.5

205.5

205.5

205.5

205.5

205.5

管板剪切應(yīng)力

14.0

-22.2

-8.2

17.0

-26.1

-9.1

管板剪切應(yīng)力許用值

68.5

68.5

68.5

68.5

68.5

68.5

中部換熱管應(yīng)力

-13.4

23.7

10.3

-16.2

27.2

11.0

換熱管拉伸許用值

153

153

153

153

153

153

換熱管壓縮許用值

67.06

67.06

67.06

67.06

67.06

67.06

周邊換熱管應(yīng)力

-13.4

23.7

10.3

-16.2

27.2

11.0

換熱管拉伸許用值

153

153

153

153

153

153

換熱管壓縮許用值

67.06

67.06

67.06

67.06

67.06

67.06

換熱管拉脫力

10.4

18.4

8.0

12.6

21.1

8.5

換熱管拉脫力許用值

76.5

76.5

76.5

76.5

76.5

76.5

殼體軸向應(yīng)力

21.1

29.6

49.7

22.2

25.3

47.6

殼體軸向應(yīng)力許用值

167

167

167

167

167

167

殼體端部總應(yīng)力

283.8

184.3

156.8

/

/

/

殼體端部總應(yīng)力許用值

205.5

205.5

205.5

/

/

/

管箱軸向應(yīng)力

0

59.8

59.8

/

/

/

管箱軸向應(yīng)力許用值

167

167

167

/

/

/

管箱端部總應(yīng)力

74.1

368.8

294.8

/

/

/

管箱端部總應(yīng)力許用值

205.5

205.5

205.5

/

/

/

對(duì)照上表中JB4732算法和GB/T151的結(jié)算結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)除個(gè)別數(shù)值差別較大外,總體上二者的計(jì)算結(jié)果是一致的,GB/T151的校核內(nèi)容少一些。根據(jù)JB4732算法的計(jì)算結(jié)果殼程筒體的端部厚度需要18mm,管箱筒體端部厚度需要26mm,GB/T151只需要14mm,JB4732算得的厚度比GB/T151的增加了28.6%85.7%。從計(jì)算結(jié)果看,筒體和管箱端部總應(yīng)力最大值超過(guò)1.5S但不超過(guò)3.0S,可以使用縮減彈性模量的簡(jiǎn)化彈塑性分析法或者簡(jiǎn)支法。管板徑向應(yīng)力強(qiáng)度并是不很大,50.9%的強(qiáng)度裕量,解除或者降低筒體或者管箱對(duì)管板的加強(qiáng)作用管板強(qiáng)度應(yīng)該可以滿足要求。SW6.0沒(méi)有提供這兩種算法,下面采用有限元方法進(jìn)行ASME管板設(shè)計(jì)方法中的簡(jiǎn)化彈塑性分析法或者簡(jiǎn)支法應(yīng)力計(jì)算。

3.2 有限元應(yīng)力分析

3.1 有限元模型的建立

有限元應(yīng)力分析采用大型通用商業(yè)有限元軟件ASNSY進(jìn)行。根據(jù)幾何和載荷的對(duì)稱(chēng)性采用1/8對(duì)稱(chēng)模型即取環(huán)向1/4軸向1/2建立模型;考慮腐蝕裕量和材料厚度負(fù)偏差采用各元件的有效厚度建模;忽略換熱管與管板的連接角焊縫和換熱管伸出管板管程側(cè)壁面部分,認(rèn)為管熱管外壁與管孔壁面完全貼合,100%計(jì)入換熱管對(duì)管孔的補(bǔ)強(qiáng)這種簡(jiǎn)化與GB/T151是一致的。有限元分析采用20節(jié)點(diǎn)單元SOLID186,筒體與管箱厚度方向劃分4管板沿厚度方向劃分6,換熱管周向劃分12,鄰近管板的換熱管與殼體軸向劃分份數(shù)加密單元數(shù)量224958,節(jié)點(diǎn)數(shù)量1429293,有限元網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。計(jì)算3種壓力載荷作用工況管殼程分別施加相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力,管箱筒體端部施加對(duì)應(yīng)的端部封閉效應(yīng)產(chǎn)生的當(dāng)量軸向拉應(yīng)力。

1 有限元模型網(wǎng)格劃分

3.2 原始結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力分析結(jié)果

換熱器原始結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位有限元應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表3,GB/T151JB4732算法結(jié)果相比,管板應(yīng)力明顯增大,殼體端部和管箱筒體端部總應(yīng)力明顯降低。相關(guān)文獻(xiàn)[3,18,19]發(fā)現(xiàn)按照GB/T151,JB4732以及ASME標(biāo)準(zhǔn)算法計(jì)算的換熱器應(yīng)力與FEA的計(jì)算結(jié)果均存在差異,主要是由于標(biāo)準(zhǔn)與FEA計(jì)算力學(xué)模型簡(jiǎn)化假設(shè)不同造成的,F(xiàn)EA的簡(jiǎn)化相對(duì)更少,更接近實(shí)際所以,本文以FEA的計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn),進(jìn)行管板應(yīng)力的簡(jiǎn)化彈塑性分析和簡(jiǎn)支法分析。

如果均等于1.0,則設(shè)計(jì)合格不需要重新計(jì)算管板彎曲應(yīng)力。當(dāng)殼程壓力單獨(dú)作用時(shí)和管殼程壓力同時(shí)作用時(shí)均等于1.0,設(shè)計(jì)符合要求,管板應(yīng)力不需要重新計(jì)算,這樣只需要計(jì)算管程壓力單獨(dú)作用工況。

3.3 簡(jiǎn)化彈塑性分析

殼程筒體彈性模量折減因子與管箱筒體彈性模量折減因子計(jì)算公式如下,其中分別為殼程筒體和管箱筒體端部彎曲應(yīng)力分別為殼程筒體和管箱筒體端部彎曲應(yīng)力許用極限,可取1.5S。

如果均等于1.0,則設(shè)計(jì)合格,不需要重新計(jì)算管板彎曲應(yīng)力。當(dāng)殼程壓力單獨(dú)作用時(shí)和管殼程壓力同時(shí)作用時(shí),均等于1.0,設(shè)計(jì)符合要求,管板應(yīng)力不需要重新計(jì)算,這樣只需要計(jì)算管程壓力單獨(dú)作用工況

當(dāng)管程壓力單獨(dú)作用時(shí),管殼程筒體端部彎曲應(yīng)力分別為241.7MPa125.5MPa,計(jì)算彈性模量折減因子,factC=0.93factS=1.0,折減因子乘以材料彈性模量得到折減后的彈性模量,重新計(jì)算管板應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果結(jié)果見(jiàn)表3,管板薄膜加彎曲應(yīng)力為177.7MPa,小于1.5S,原始結(jié)構(gòu)殼體和管箱筒體端部薄膜加彎曲應(yīng)力可以按照一次加二次應(yīng)力評(píng)定,許用應(yīng)力強(qiáng)度由1.5S提高到3.0S,均符合要求,殼體和管箱筒體厚度滿足要求,不需要加厚。

ASME管板設(shè)計(jì)方法中,U形管式換熱器的彈性模量折減系數(shù)計(jì)算時(shí)用的是筒體端部的薄膜加彎曲應(yīng)力,固定管板采用的是彎曲應(yīng)力,固定管板的算法更容易通過(guò),可以減少計(jì)算的工作量。ASME校核的是管板的彎曲應(yīng)力,考慮到有些情況下,管板的薄膜應(yīng)力較彎曲應(yīng)力并不是很小,F(xiàn)EA校核管板應(yīng)力強(qiáng)度采用的是薄膜加彎曲應(yīng)力。

ASME簡(jiǎn)化彈塑性分析法并不校核筒體彈性模量縮減后的換熱管軸向應(yīng)力和管頭拉脫力,但按照一次結(jié)構(gòu)法的要求應(yīng)當(dāng)進(jìn)行校核。3的分析結(jié)果表明,筒體彈性模量的縮減對(duì)換熱管軸向應(yīng)力和管頭拉脫力不大,經(jīng)過(guò)評(píng)定換熱管軸向應(yīng)力和管頭拉脫力滿足靜強(qiáng)度要求。

3.4 簡(jiǎn)支法分析

在殼體與管板連接處和管箱筒體與管板連接處斷開(kāi),耦合管殼程筒體與管板節(jié)點(diǎn)軸向位移自由度,即同時(shí)解除管殼程筒體對(duì)管板的加強(qiáng)作用,重新計(jì)算管板應(yīng)力,管板應(yīng)力見(jiàn)表3,相比原始結(jié)構(gòu)管板應(yīng)力有明顯增加其中管程壓力單獨(dú)作用時(shí),管板應(yīng)力超過(guò)1.5S,管板強(qiáng)度校核不滿足要求,原始結(jié)構(gòu)管殼程筒體端部應(yīng)力應(yīng)按照一次應(yīng)力評(píng)定,評(píng)定未能通過(guò)需要調(diào)整管殼程筒體端部或者管板厚度,比簡(jiǎn)化彈塑性分析保守。

管程壓力單獨(dú)作用時(shí),殼體端部薄膜加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度155.9MPa,尚有裕量,如果保留殼體對(duì)管板的加強(qiáng),僅僅解除管箱筒體對(duì)管板的加強(qiáng),重新計(jì)算殼體端部薄膜加彎曲應(yīng)力為200.0MPa,仍小于屈服,這種一次結(jié)構(gòu)是可用的,管板的薄膜加彎曲應(yīng)力為209.6MPa,比同時(shí)解除管殼程筒體對(duì)加強(qiáng)作用管板應(yīng)力強(qiáng)度降低了7.5%,保守性有所降低。

3換熱器各部件有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(MPa)

工況

原始結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)化彈塑性分析

簡(jiǎn)支法

Ps

Pt

Ps+Pt

Ps

Pt

Ps+Pt

Ps

Pt

Ps+Pt

管板薄膜加彎曲應(yīng)力

101.2

171.4

91.7

/

177.7

/

143.3

226.6

87.2

殼體端部薄膜應(yīng)力

32.0

59.9

53.2

/

/

/

/

/

/

殼體端部薄膜加彎曲應(yīng)力

221.5

155.9

120.2

/

/

/

/

/

/

管箱端部薄膜應(yīng)力

23.5

69.6

66.6

/

/

/

/

/

/

管箱端部薄膜加彎曲應(yīng)力

64.7

307.2

238.8

/

/

/

/

/

/

換熱管軸向應(yīng)力

/

27.1

/

/

28.3

/

/

/

/

換熱管拉脫力

/

21.0

/

/

22.0

/

/

/

/

4. 結(jié)語(yǔ)

(1)由于JB4732算法采用的管板一次結(jié)構(gòu)保守,導(dǎo)致在壓力載荷單獨(dú)作用下筒體或管箱端部的總應(yīng)力采用SW6JB4732算法校核不容易通過(guò)。

(2)從一次結(jié)構(gòu)法的角度分析ASME管板設(shè)計(jì)方法,發(fā)現(xiàn)ASME實(shí)際采用了3種一次結(jié)構(gòu):1)原始結(jié)構(gòu);2)管箱或者殼程筒體彈性模量折減后的結(jié)構(gòu);3)解除管箱或者殼程筒體對(duì)管板加強(qiáng)作用后的結(jié)構(gòu)。從算例計(jì)算結(jié)果看,1種一次結(jié)構(gòu)最保守,2種最容易通過(guò)計(jì)算,3種介于前2種之間。

(3)簡(jiǎn)化彈塑性分析對(duì)管殼程筒體最小長(zhǎng)度有要求,有時(shí)可能無(wú)法滿足,而簡(jiǎn)支法則沒(méi)有這一限制,適用范圍更廣。本文分析假定管殼程筒體長(zhǎng)度是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的,實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注意這一要求。

(4)采用多種一次結(jié)構(gòu)法對(duì)換熱器進(jìn)行應(yīng)力校核只要通過(guò)任一種合理一次結(jié)構(gòu)的校核即可,這樣有利于避免換熱器的保守設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)更為經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),同時(shí)也能減少經(jīng)驗(yàn)因素帶來(lái)的不確定性。

(6)ASME管板設(shè)計(jì)方法校核管板的彎曲應(yīng)力不包括薄膜應(yīng)力,實(shí)際計(jì)算中發(fā)現(xiàn)有時(shí)管板薄膜應(yīng)力相比彎曲應(yīng)力并不小,所以FEA校核的是管板的薄膜加彎曲應(yīng)力。

(7)ASME固定管板設(shè)計(jì)方法計(jì)算彈性模量折減因子時(shí)用的是筒體或管箱端部的彎曲應(yīng)力,U形管式換熱器設(shè)計(jì)方法用的是薄膜加彎曲應(yīng)力,對(duì)彈性模量折減因子計(jì)算有影響不過(guò)折減彈性模量對(duì)管板應(yīng)力影響相對(duì)較小,考慮到ASME方法經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的工程實(shí)踐,所以彈性模量折減因子計(jì)算仍按照ASME方法。

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