煤化工网

固定管板换热器N型管箱应力评定方法

网友投稿
后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文顶部

正文之前先说几句:前二天发的BEN换热器的计算豆腐块中,提到过N型管箱应力评定的论文;早上发的文章上午孙总就把论文发给我了。又蹭孙总的论文了。信息里的文章作者是孙志刚的目前都是已经发表的论文。作者是褚建伟的没有长篇都不是很完整都是没有发表的,如果有需求想要发表凑合给我来个第二作者就行。地脚螺栓许用应力的同事借鉴了,带分程隔板的法兰的蛋总预定了!其余的是否有人要用不清楚反正还没收到消息!

摘要当固定管板换热器采用N型管箱结构时采用SW6中的JB4732算法可以计算校核筒体或管箱端部的总应力但有时会出现压力载荷单独作用下筒体或管箱端部的总应力校核不通过的情况导致筒体或管箱端部厚度比按照GB/T151设计的更厚根据一次结构法原理分析表明JB4732算法存在着保守性为此介绍了一次结构法和ASME管板设计方法发现ASME管板设计方法与一次结构法是一致的可以由ASME管板设计方法得到3种管板一次结构JB4732算法用的只是第1种一次结构将这3种管板一次结构用在某换热器的有限元分析设计中得到了不同的评价结果选择其中最经济的设计方案避免了筒体或管箱端部保守的设计本文可为换热器结构优化设计提供一定参考

关键词:N型管箱应力分类一次结构法;ASME;有限元分析

中图分类号:TE 965,文献标志码: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型管箱是固定管板换换热器一种常见的管箱与壳体和管板连接结构这种结构比螺栓垫片连接更容易实现密封结构重量更轻更经济冯清晓[1]指出管箱与壳体和管板整体连接处是结构不连续的高应力区域GB/T151[2]并不校核连接处的应力仅仅校核壳体的平均轴向应力存在着不确定性可以选择采用SW6程序中的JB4732算法校核连接处的应力或者参考ASME Ⅷ-1中的UHX篇中的固定管板设计方法谢智刚[3]采用有限元分析验证了采用JB4732算法设计大型固定管板换热器的可靠性

工程设计中发现按照GB/T151设计的换热器有时无法通过JB4732算法的校核管箱或者筒体需要明显加厚按照JB4732算法设计的换热器反而不如GB/T151经济出现这种情况主要是因为JB4732算法增加了管箱端部和筒体端部总应力的校核很多情况是压力载荷单独作用下的管箱端部和筒体端部总应力超标导致管箱或筒体厚度需要加厚在相关文献报道中对管箱端部和筒体端部总应力的校核存在着不同的做法文献[4]JB4732算法是一致的而文献[5,6]JB4732算法是不同的管箱端部和筒体端部应力评价需要做进一步讨论

由于结构不连续的缘故管箱端部和筒体端部存在相当大的弯曲应力根据JB4732[7]或者ASME Ⅷ-2[8]的要求若管板周边弯矩是保持管板中心处弯曲应力在允许极限内所需要的则连接处的弯曲应力可划为Pb否则划为Q当有压力载荷和热载荷共同作用时管箱端部和筒体端的薄膜加弯曲应力划分为一次加二次应力这一点并无疑问当仅有压力载荷作用时由于连接处的弯曲应力难以分解出其中的一次成分和二次成分连接处的薄膜加弯曲应力按照1.5S进行限制,JB4732算法采用的就是这种做法存在着保守性

当筒体或者管箱截面完全屈服所能提供的弯矩达到最大筒体或者管箱端部名义达到最大2.25S,即达不到3.0S[9],因此,JB4732算法通过限制筒体或者管箱端部总应力不超过1.5S,确保筒体或者管箱对管板的加强作用是有效的如果采用一次结构法筒体或者管箱对管板的加强作用可以被100%保留也可以被100%解除也可以被部分保留只要任一种情况下管板校核通过即可[9],JB4732算法采用的只是第1种做法筒体或者管箱往往需要比较厚因此有必要采用多种一次结构校核换热器应力以实现优化设计

本文针对某固定管板换热器在压力载荷单独作用下按照JB4732算法校核筒体或者管箱端部一次薄膜加一次弯曲应力校核不通过的情况采用一次结构法将筒体或者管箱端部一次薄膜加一次弯曲应力转化为一次加二次应力在保证结构设计安全前提下实现经济的结构设计可为换热器设计提供一定参考

2 一次结构法与ASME方法

2.1 一次结构法

一次结构法由陆明万提出用以解决应力分析设计中的应力识别问题陆明万在文献[9]中给出了与筒体整体连接平盖的三种一次结构:(1)取原始结构为一次结构筒体平盖连接连接处薄膜加弯曲应力按照一次应力强度极限评定;(2)解除连接处的径向和转角连续性要求取薄膜应力状态下的筒体和受筒体简支的平盖为一次结构连接处的薄膜加弯曲应力按照一次加二次应力评定;(3)解除连接处的转角连续性要求连接处的薄膜加弯曲应力按照一次加二次应力评定如果将平盖视为特殊的管板上述三种一次结构可以作为管设计的参考

国内薄管板的设计采用的是桑如苞[10]提出的极限设计与弹性分析相结合的换热器管板强度分析的新思路”,是一次结构法原理在薄管板上的应用一次结构法在普通刚性管板上的应用报道较少[11,12]。一次结构法是通过解除元件之间的约束构造出各元件的一次结构校核各元件一次结构在压力载荷单独作用下的应力强度应力强度全部按照一次应力校核如果满足此要求按照SW6.0或者有限元计算得到的原始结构在压力载荷单独作用下的应力强度可以按照3S进行限制因为其静强度已经得到得到保证陈孙艺[13]和叶增荣[14]分别采用一次结构法对薄管板进行了设计

2.2 ASME方法[15~17]

ASME Ⅷ-1管板设计方法计算校核筒体或者管箱端部总应力在仅有压力载荷作用时对薄膜加弯曲应力首先按照一次薄膜加一次弯曲进行评定1.5S进行限制如果通过则合格如果不通过则可进一步采用简化弹塑性分析或者管板简支法简化弹塑性分析是通过折减筒体弹性模量进行的相当于采用筒体弹性模量折减后的结构作为管板的一次结构管板的应力小于1.5S,则管板满足一次结构的要求管板与筒体连接处的薄膜加弯曲应力可以按照3S进行评定否则需要调整结构厚度简支法则是采用受筒体周边简支的管板作为管板的一次结构相当于管板两侧采用垫片连接如果管板的应力小于1.5S,则管板满足一次结构的要求管板与筒体连接处的薄膜加弯曲应力可以按照3S进行评定

2.3 两种方法的比较

尽管ASME管板设计方法中并没有一次结构法的提法但其做法跟国内的一次结构法是完全一致的一次结构法可以很好解释ASME做法可以发现ASME管板设计方法本质上采用了三种管板一次结构:(1)原始结构该结构100%保留筒体和管箱对管板的加强作用筒体和管箱端部总应力限制在1.5S,校核不容易通过算得的筒体和管箱厚度较厚,JB4732算法便是属于这种情况;(2)采用简化弹塑性分析法将原始结构中的筒体或者管箱弹性模量折减即可该种一次结构考虑屈服后材料弹性模量的下降通过定量缩减弹性模量降低筒体或管箱对管板的加强作用在这种情况需要管板的应力不超过1.5S;(3)简支法该结构100%解除筒体和管箱对管板的加强作用筒体或管箱对管板为简支支撑相当于管板两侧垫片连接与国内薄管板设计方法是一致的

3 换热器筒体与管箱端部应力分析

3.1 JB4732算法和GB/T151计算

某固定管板换热器采用N型管箱结构其主要参数列在下表1,其厚度满足GB/T151的要求JB4732算法和GB/T151计算各零部件应力结果列在表2

1 计算参数管壳程相同

设计压力/温度

1.6 MPa @250℃

平均金属温度/℃

200

腐蚀裕量/mm

3.0

筒体材质与规格/mm

Q345R,DN1600×14

管板材质与规格/mm

16MnⅢ,O.D.1628 t=40

换热管材质与规格/mm

16Mn,Φ32×3,L=6000,1357正三角形排布中心距40,换热管失稳当量长度1400mm。


2换热器各部件应力计算结果(MPa)

工况

JB4732算法

GB/T151

Ps

Pt

Ps+Pt

Ps

Pt

Ps+Pt

管板径向应力

59.0

100.9

57.1

57.5

97.4

40.6

管板径向应力许用值

205.5

205.5

205.5

205.5

205.5

205.5

管板剪切应力

14.0

-22.2

-8.2

17.0

-26.1

-9.1

管板剪切应力许用值

68.5

68.5

68.5

68.5

68.5

68.5

中部换热管应力

-13.4

23.7

10.3

-16.2

27.2

11.0

换热管拉伸许用值

153

153

153

153

153

153

换热管压缩许用值

67.06

67.06

67.06

67.06

67.06

67.06

周边换热管应力

-13.4

23.7

10.3

-16.2

27.2

11.0

换热管拉伸许用值

153

153

153

153

153

153

换热管压缩许用值

67.06

67.06

67.06

67.06

67.06

67.06

换热管拉脱力

10.4

18.4

8.0

12.6

21.1

8.5

换热管拉脱力许用值

76.5

76.5

76.5

76.5

76.5

76.5

壳体轴向应力

21.1

29.6

49.7

22.2

25.3

47.6

壳体轴向应力许用值

167

167

167

167

167

167

壳体端部总应力

283.8

184.3

156.8

/

/

/

壳体端部总应力许用值

205.5

205.5

205.5

/

/

/

管箱轴向应力

0

59.8

59.8

/

/

/

管箱轴向应力许用值

167

167

167

/

/

/

管箱端部总应力

74.1

368.8

294.8

/

/

/

管箱端部总应力许用值

205.5

205.5

205.5

/

/

/

对照上表中JB4732算法和GB/T151的结算结果可以发现除个别数值差别较大外总体上二者的计算结果是一致的,GB/T151的校核内容少一些根据JB4732算法的计算结果壳程筒体的端部厚度需要18mm,管箱筒体端部厚度需要26mm,GB/T151只需要14mm,JB4732算得的厚度比GB/T151的增加了28.6%85.7%。从计算结果看筒体和管箱端部总应力最大值超过1.5S但不超过3.0S,可以使用缩减弹性模量的简化弹塑性分析法或者简支法管板径向应力强度并是不很大50.9%的强度裕量解除或者降低筒体或者管箱对管板的加强作用管板强度应该可以满足要求。SW6.0没有提供这两种算法下面采用有限元方法进行ASME管板设计方法中的简化弹塑性分析法或者简支法应力计算

3.2 有限元应力分析

3.1 有限元模型的建立

有限元应力分析采用大型通用商业有限元软件ASNSY进行根据几何和载荷的对称性采用1/8对称模型即取环向1/4轴向1/2建立模型考虑腐蚀裕量和材料厚度负偏差采用各元件的有效厚度建模忽略换热管与管板的连接角焊缝和换热管伸出管板管程侧壁面部分认为管热管外壁与管孔壁面完全贴合100%计入换热管对管孔的补强这种简化与GB/T151是一致的有限元分析采用20节点单元SOLID186,筒体与管箱厚度方向划分4管板沿厚度方向划分6换热管周向划分12邻近管板的换热管与壳体轴向划分份数加密单元数量224958,节点数量1429293,有限元网格划分见图1。计算3种压力载荷作用工况管壳程分别施加相应的设计压力管箱筒体端部施加对应的端部封闭效应产生的当量轴向拉应力

1 有限元模型网格划分

3.2 原始结构有限元应力分析结果

换热器原始结构关键部位有限元应力分析结果见表3GB/T151JB4732算法结果相比管板应力明显增大壳体端部和管箱筒体端部总应力明显降低相关文献[3,18,19]发现按照GB/T151,JB4732以及ASME标准算法计算的换热器应力与FEA的计算结果均存在差异主要是由于标准与FEA计算力学模型简化假设不同造成的,FEA的简化相对更少更接近实际所以本文以FEA的计算结果为准进行管板应力的简化弹塑性分析和简支法分析

如果均等于1.0,则设计合格不需要重新计算管板弯曲应力当壳程压力单独作用时和管壳程压力同时作用时均等于1.0,设计符合要求管板应力不需要重新计算这样只需要计算管程压力单独作用工况

3.3 简化弹塑性分析

壳程筒体弹性模量折减因子与管箱筒体弹性模量折减因子计算公式如下其中分别为壳程筒体和管箱筒体端部弯曲应力分别为壳程筒体和管箱筒体端部弯曲应力许用极限可取1.5S。

如果均等于1.0,则设计合格不需要重新计算管板弯曲应力当壳程压力单独作用时和管壳程压力同时作用时均等于1.0,设计符合要求管板应力不需要重新计算这样只需要计算管程压力单独作用工况

当管程压力单独作用时管壳程筒体端部弯曲应力分别为241.7MPa125.5MPa,计算弹性模量折减因子,factC=0.93factS=1.0,折减因子乘以材料弹性模量得到折减后的弹性模量重新计算管板应力计算结果结果见表3,管板薄膜加弯曲应力为177.7MPa,小于1.5S,原始结构壳体和管箱筒体端部薄膜加弯曲应力可以按照一次加二次应力评定许用应力强度由1.5S提高到3.0S,均符合要求壳体和管箱筒体厚度满足要求不需要加厚

ASME管板设计方法中,U形管式换热器的弹性模量折减系数计算时用的是筒体端部的薄膜加弯曲应力固定管板采用的是弯曲应力固定管板的算法更容易通过可以减少计算的工作量。ASME校核的是管板的弯曲应力考虑到有些情况下管板的薄膜应力较弯曲应力并不是很小,FEA校核管板应力强度采用的是薄膜加弯曲应力

ASME简化弹塑性分析法并不校核筒体弹性模量缩减后的换热管轴向应力和管头拉脱力但按照一次结构法的要求应当进行校核3的分析结果表明筒体弹性模量的缩减对换热管轴向应力和管头拉脱力不大经过评定换热管轴向应力和管头拉脱力满足静强度要求

3.4 简支法分析

在壳体与管板连接处和管箱筒体与管板连接处断开耦合管壳程筒体与管板节点轴向位移自由度即同时解除管壳程筒体对管板的加强作用重新计算管板应力管板应力见表3,相比原始结构管板应力有明显增加其中管程压力单独作用时管板应力超过1.5S,管板强度校核不满足要求原始结构管壳程筒体端部应力应按照一次应力评定评定未能通过需要调整管壳程筒体端部或者管板厚度比简化弹塑性分析保守

管程压力单独作用时壳体端部薄膜加弯曲应力强度155.9MPa,尚有裕量如果保留壳体对管板的加强仅仅解除管箱筒体对管板的加强重新计算壳体端部薄膜加弯曲应力为200.0MPa,仍小于屈服这种一次结构是可用的管板的薄膜加弯曲应力为209.6MPa,比同时解除管壳程筒体对加强作用管板应力强度降低了7.5%,保守性有所降低

3换热器各部件有限元应力计算结果(MPa)

工况

原始结构

简化弹塑性分析

简支法

Ps

Pt

Ps+Pt

Ps

Pt

Ps+Pt

Ps

Pt

Ps+Pt

管板薄膜加弯曲应力

101.2

171.4

91.7

/

177.7

/

143.3

226.6

87.2

壳体端部薄膜应力

32.0

59.9

53.2

/

/

/

/

/

/

壳体端部薄膜加弯曲应力

221.5

155.9

120.2

/

/

/

/

/

/

管箱端部薄膜应力

23.5

69.6

66.6

/

/

/

/

/

/

管箱端部薄膜加弯曲应力

64.7

307.2

238.8

/

/

/

/

/

/

换热管轴向应力

/

27.1

/

/

28.3

/

/

/

/

换热管拉脱力

/

21.0

/

/

22.0

/

/

/

/

4. 结语

(1)由于JB4732算法采用的管板一次结构保守导致在压力载荷单独作用下筒体或管箱端部的总应力采用SW6JB4732算法校核不容易通过

(2)从一次结构法的角度分析ASME管板设计方法发现ASME实际采用了3种一次结构:1)原始结构;2)管箱或者壳程筒体弹性模量折减后的结构;3)解除管箱或者壳程筒体对管板加强作用后的结构从算例计算结果看1种一次结构最保守2种最容易通过计算3种介于前2种之间

(3)简化弹塑性分析对管壳程筒体最小长度有要求有时可能无法满足而简支法则没有这一限制适用范围更广本文分析假定管壳程筒体长度是满足标准要求的实际设计中应注意这一要求

(4)采用多种一次结构法对换热器进行应力校核只要通过任一种合理一次结构的校核即可这样有利于避免换热器的保守设计实现更为经济的结构设计同时也能减少经验因素带来的不确定性

(6)ASME管板设计方法校核管板的弯曲应力不包括薄膜应力实际计算中发现有时管板薄膜应力相比弯曲应力并不小所以FEA校核的是管板的薄膜加弯曲应力

(7)ASME固定管板设计方法计算弹性模量折减因子时用的是筒体或管箱端部的弯曲应力U形管式换热器设计方法用的是薄膜加弯曲应力对弹性模量折减因子计算有影响不过折减弹性模量对管板应力影响相对较小考虑到ASME方法经过了长期的工程实践所以弹性模量折减因子计算仍按照ASME方法

参考文献

[1] 冯清晓. 管壳式热交换器管板与壳体整体焊接结构[J].石油化工设备201241 (2)43-48.

[2]GB/T151-2014 热交换器[S].

[3] 谢智刚, 王小敏. 大直径N型固定管板换热器设计[J]. 石油化工设备技术201334 (4)11-14.

[4] 陈永东李贤安. 煤化工大型缠绕管式换热器的设计和制造[J]. 压力容器,2015,32(1):36-44.

[5] 邵虎跃贺小华陈楠.甲醇合成塔管板结构的改进设计[J]. 压力容器,2011,28(12):59-62.

[6] 李健伟曲萍武艳芳[J]. 压力容器,2013,30(5):18-22.

[7] JB 4732-1995( 2005 确认) 钢制压力容器-分析设计标准[S].

 

标签:

后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部
留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码: