壳程由不同材料组成的换热器

起源

一台固定管板换热器，壳程材料为SA-516 60， 管程（管板和换热管）材料为304L，管壳程沿程金属平均温度分别为146.6和147.4°C，相差很小。

由于设备是致死工况，所以管板按照UW-2，采用UW-13.3对接接头，留了~20mm的小凸肩。

小凸肩为管板的一部分，材料为304L。

设计人员将筒节由三节组成304L（20mm）+ SA-516 60+304L（20mm）。

经计算，合格。

为什么单独拿出这么一小段短节来计算呢？

主要是校核一下小凸肩厚度是否足够。

封头，法兰直边的计算

真的合格吗？

将筒体三节材料全部改为SA-516 60（20mm）+ SA-516 60+SA-516 60（20mm），其余不变。

建模全部按照壳程筒体为SA-516 60计算。

经过计算，由于管程壳程材料不同，尽管管壳程沿程金属平均温度相差很小，但是膨胀系数不同，需要加膨胀节才行。

为什么按照实际建模，计算不需要膨胀节。

按照壳程为碳钢建模，计算需要膨胀节呢？

计算对比

我们将壳程都为碳钢称作方法A，将壳程为304L+SA-516 60+304L称作方法B。

方法A的热膨胀系数：

方法B的热膨胀系数：

两者不同的地方在于：

壳程的热膨胀系数不一样。

方法A壳程用的是碳钢的热膨胀系数，

方法B壳程用的是不锈钢的热膨胀系数。

由于B法的管壳程热膨胀系数相同，所以算出来热应力会很小，所以不需要加膨胀节。

推测

对于这个模型，筒节304L的部分只是占一小部分，相对于整个筒节是可以忽略不计，程序理论上应该按照占主体部分的碳钢计算热膨胀量，但是实际上却用的是304L的膨胀系数。

那可以合理推测：

程序是按照离管板最近的一节材料的热膨胀系数来计算热膨胀量。

为了证实这个推测，将设备的筒节材料改为：

SA-516 60+304L+304L

如果推测正确，预期程序算的结果是：

热膨胀系数按照SA-516 60，需要加膨胀节

经过运行：

完全证实了猜测。

推测证实了，但是开心不起来：

一般来说，如果用户按照实际的情况建模，那么计算应该会精确。

但是软件编制如果没有考虑这种情况，导致有时按照实际情况建模，结果却可能更不准确。

解决方案

按照ASME VIII I -2017,对于固定管板，壳体可以采用不同材料和不同的厚度。其厚度，热膨胀系数和弹性模量都可以不一样。

专门UHX-13.6讲这类固定管板换热器的计算：

其热膨胀的计算，用的是两段材料各自的热膨胀系数合并得到总热膨胀量。

PVElite中的实现

既然规范中有，那么PVElite是有这种结构的：

在换热器的 Tubesheet Properties中，勾选IsThere a shellBand.

然后在Load Cases 中选择 Shell Band的材料：

即可获得既符合图纸，又符合实际和规范的计算书。

总结

1. 软件允许建模，不代表软件会自动按照所建模型考虑，遇到特殊模型，应当检查一下计算结果是否符合实际情况。

2. 对于壳体由不同材料组成，软件是否可以增加这类提示，或者提醒设计者按照Shell Band计算，或者可以自动按照不同材料来计算。

    

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