管板腐蚀前后各项应力比较及分析

学习笔记，限于时间精力能力，没有进行严格的推导论证，有误还请指正。

SW6从3.0版本开始，新增了固定管板换热器管板腐蚀前的计算。这引起了大家的“好奇”，各论坛也有不少的讨论。其实，我们可以利用SW6的管板腐蚀前后的计算结果，来分析为什么“以前没算也用的好好的，现在却要多此一举”。

首先，正如老师傅一直跟我们强调的，用的没问题，不代表设计完整准确，因为实际使用，不像实验室验证，可以“完全地“检验理论的正确性。

GB/T151-2014里没有找到需要进行管板腐蚀前计算的条文。但ASMEVIII-1的UHX-13.4(c)中指出，“Becauseany increase of tubesheet thicknessmay lead to overstresses in the tubes, shell, channel, or tube-to tubesheet joint,a final check shall be performed, using in the equations the nominal thicknessof tubesheet, tubes, shell, and channel,in both corroded and uncorroded conditions.”

SW6对管板和壳程筒体腐蚀前后进行了计算。但管箱（即channel）没有考虑，计算书中“管箱圆筒常数”等数值在腐蚀前后是一样的，事实上，管箱法兰的刚度，腐蚀前后是不一样的，这个对壳程法兰也是有影响的。而至于换热管，虽然标准不考虑腐蚀余量，但换热管腐蚀前后厚度上的差别也是实际存在的，不过影响较小，SW6没有考虑这个可以理解。

现有一管板延长兼作法兰的固定管板换热器，管板腐蚀前、后的各项应力计算结果见下表。其中，对于应力为负值的（压应力），比较其绝对值大小。

对于我们所考察的换热器，有以下结论：

1. 计算结果表明，叠加了温差应力之后，换热器的应力水平要明显高于仅考虑压力作用的情况。事实上，若不设膨胀节，温差载荷对换热器的强度具有决定性意义[2]。

2. 腐蚀前的壳体法兰应力要比腐蚀后的高50%以上。这与法兰类似，腐蚀前管板与壳程筒体厚度较大，刚度也较大，壳体法兰力矩系数也较大，即所分配得到的载荷也越大。

壳体法兰应力计算公式中，仅有壳体法兰力矩系数和有效压力Pa腐蚀前后有变化，其余为不变。但Pa变化相对较小。

3. 换热管轴向力，由“自由状态”下产生的应力，变形协调过程中边界力及边界弯矩引起的应力三部分组成[1]。腐蚀前，由于壳程筒体刚度较大，换热管束与壳体刚度之比Qex较小。由换热管轴向应力的计算公式可以发现，Qex的变化对由边界力项的影响要大于边界弯矩。Qex减小，由边界力引起的应力将变大，进而使换热管轴向应力增大。

若壳程的温度高于管束，壳程筒体的自由膨胀将受到管束的制约，这种“制约”将在壳程筒体中产生压缩应力，在管束外周边的换热管中产生拉应力。若壳程温度较低，则相反。

需要指出的是，管束中的应力，无论是压力或是温差作用，自边缘向中心呈衰减波分布，最大应力发生于管束周边[2]。

4. 换热管与管板连接拉脱应力与换热管的轴向应力成正比，这点比较明了。

5. 管板布管区周边剪切应力，与该处的剪切应力系数成正比，而系数与Qex成反比。若Qex较小，即壳体刚度较大，管板布管区周边剪切应力（绝对值）则较大。

6. 管板径向应力与管板厚度的平方成反比，所以腐蚀前的管板径向应力要小于腐蚀后。

7. 壳程筒体的轴向应力，也与Qex成反比，但主要还是受壳程筒体的金属横截面As影响，As越大，应力越小。腐蚀前是小于腐蚀后的。

8. 最后，如果不计温差应力，各项应力中一般只有腐蚀前的壳体法兰应力大于腐蚀后。

参考文献

[1] 桑如苞. 固定管板换热器壳体与管子的受力分析及其危险工况的考证（一）. 石油化工设备技术, 1996,17(6).

[2] 桑如苞. 固定管板换热器壳体与管子的受力分析及其危险工况的考证（二）. 石油化工设备技术, 1997,18(1).