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固定管板式換熱器軸向應力計算與膨脹節設置問題.doc

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?固定管板式換熱器軸向應力計算與膨脹節設置問題                       固定管板式換熱器軸向應力計算與膨脹節設置問題                           (1·市特種設備檢測研究院,110031; 2·化工學院,110142)    摘要:對固定管板換熱器軸向應力計算方法和膨脹節設置問題進行了探討,通過實例計算對比分析, 提出采用簡單的軸向應力計算方法及設置膨脹節判據的觀點,供同行討論和設計參考。    關鍵詞:固定管板,換熱器,軸向應力,膨脹節    中圖分類號:TK172 文獻標識碼:B     1 概述    在固定管板管殼式換熱器設計計算中,一般首先要判斷是否需要設置膨脹節。關于固定管板換熱器的軸向應力分析和膨脹節設置問題,早有很多研究,已有幾種相應的分析計算方法和膨脹節設置判據。國家標準GB 151-1999《管殼式換熱器》[1]規 定,根據設計壓力、設計溫度、殼程圓筒和換熱管的金屬溫度等條件來計算管板應力、管子軸向應力、殼程圓筒軸向應力、拉脫應力等,各項都滿足要求則不需設置膨脹節,否則需考慮膨脹節設置問題?,F在設計者一般都是根據計算軟件(如SW6)計算結果提示,來判定是否設置膨脹節。    我們歸納了大量的計算結果表明,按GB151計 算需要設置膨脹節的情況,有90%都是由于管子軸 向應力不滿足,且是管子壓應力不滿足要求(即σ >[σ]cr)。另外,按GB151計算,當只有殼程壓力 作用時,多數情況管子產生的軸向應力為壓應力;而 當只有管程壓力作用時,多數情況管子產生的軸向 應力為拉應力,這與實際情況是不太相符的。分析 GB151的計算方法,得到的管子軸向應力是管束最 外層且靠近管板處管子的局部應力值,用此值的大 小來決定是否設置膨脹節,顯然是不符合實際情況的。按此計算方法判斷,可能造成不需要設置膨脹 節的設置了,而需要設置的反而沒有設置的結果。    文獻[2]也指出:“實踐證明,按照GB 151- 1999《管殼式換熱器》計算換熱管軸向應力,結果不 夠準確”。為改善該部分設計方法,文獻[2]研究了 管殼式換熱器換熱管軸向應力計算的原理,提出了改進的算法,根據管子軸向應力沿徑向分布情況,用式(1)求取換熱管的最大、最小兩個軸向應力值。    σt=[Pc-(1+υ)PtGw/(Q+G2)] /β(1)    式中Gw有2個值,按文獻[2]曲線圖查取。 (本文符號除說明者外,其它同GB151-1999)。固定管板換熱器設置膨脹節,主要是降低管子與殼體間的軸向溫差應力,而這種溫差應力具有總體性。本文整理了較為簡單的膨脹節設置判斷方法,并通過實例,用幾種計算方法計算結果比較,提出溫差應力計算及設置膨脹節判據的一種觀點,供同行討論 和設計參考。    2 軸向應力分析與膨脹節設置判斷    根據文獻[3, 4, 5]中關于溫差應力分析方法, 本文歸納提出如下的軸向應力分析與膨脹節設置的 簡單判斷方法。    (1)溫差引起的軸向力為    Ft=γnaEtAsEs/[(naEt+AsEs)] (2)    由Ft引起殼壁中溫差應力為:σst=Ft/As(3)    由Ft引起管壁中溫差應力為:σtt=-Ft/na(4)    (2)介質壓力引起的軸向力    殼程介質壓力作用在管板上的軸向力(向上作 用):    P1=Ps(A-At) (5)    管程介質壓力作用在管板上的軸向力(向下作 用):    P2=Pt[(A-At)+na] (6)    作用在管板上的合力(假定向上作用)    P=P1-P2(7)    此力又作用于管壁和殼體壁中,即P由管壁和 殼壁共同承擔,各自分擔的力隨剛度的大小而定。    則作用在殼壁上的軸向力為     F1=PAsEs/(naEt+AsEs) (8)    則殼壁中的軸向應力為     σsP=F1/As(9)    作用在管壁上的軸向力為    F2=PnaEt/(naEt+AsEs) (10)    則管壁中的軸向應力為     σtP=-F2/na(11)    (3)溫差與介質壓力同時作用的組合應力    σs=σst+σsp=(Ft+F1) /As(12)    σt=σtt+σtp=(F2-Ft) /na(13)    對應于GB151管板計算的4種工況管子和殼 體軸向應力為:    工況(1):σs1=F1/As σt1=F2/na(14)    工況(2):σs2=(Ft+F1) /As σt2=(F2-Ft) /na(15)    其中P=P1    工況(3):σs3=F1/As σt3=F2/na(16)    工況(4):σs4=(F1+Ft) /As σt4=(F2-Ft) /na(17)    其中P=-P2    (4)應力評定(判斷是否需設置膨脹節)    判據1,對應GB151法,考慮4種工況的判據:    σs2, 4≤3[σ]s    σt2, 4≤3[σ]t 管子受壓時:σt2, 4≤[σ]cr 判據2,考慮管、殼程壓力組合與溫差同時作用工況的判據:    σs≤3[σ]s    σt≤3[σ]t 管子受壓時:σt≤[σ]cr 判據3,只考慮溫差應力不考慮壓力作用工況 的判據: σst≤3[σ]s    σtt≤3[σ]t 管子受壓時:σtt≤[σ]cr    上述條件不滿足時需考慮設置膨脹節。   (5)帶膨脹節固定管板式換熱器的溫差軸向力    Fex=(δt-δs-δex) /[L/AtEt+L/AsEs] (18)    δex為膨脹節補償量,δex=Fex/Kex    則:Fex=δexKex(19)    式中 Kex———單波軸向剛度    Fex———總軸向力    由Fex引起殼壁中溫差應力為:    σst=Fex/As(20)    由Fex引起管壁中溫差應力為:    σtt=-Fex/na (21)    介質壓力引起的軸向應力:    設置膨脹節后,殼體剛度變化為     D=KexLAsEs/(KexL+AsEs) (22)    則作用在殼壁上的軸向力為     F1=PD /(naEt+D) (23)    作用在管壁上的軸向力為     F2=PnaEt/(naEt+D) (24)    組合應力和對應于GB151管板計算的4種工況管子和殼體軸向應力計算同上。    3 對比計算示例分析    本文取4組數據(4臺典型換熱器),分別采用 GB151、文獻[2]和本文方法進行計算對比分析。表1是原始數據,表2和表3是計算結果匯總。    從表2和表3中看計算結果對比分析如下:    (1)序號1:按GB151和文獻[2]方法計算,均 需要設置膨脹節,但設置膨脹節后,在工況3時,按 兩種方法計算的管子軸向應力均比無膨脹節時大 了。按本文判據3方法。省略部分。膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈
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本文標題:固定管板式換熱器軸向應力計算與膨脹節設置問題.doc
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