固定管板换热器N型管箱应力评定方法

网友投稿 2021-09-15

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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，而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，但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]与JB4732算法是一致的，而文献[5,6]与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类，否则划为Q类。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，为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]，而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，以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 按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，按JB4732算法和GB/T151计算各零部件应力结果列在表2中。

表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根，正三角形排布，中心距40，换热管失稳当量长度1400mm。

表2换热器各部件应力计算结果（MPa）

工况	JB4732算法			GB/T151
工况	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，而GB/T151只需要14mm，JB4732算得的厚度比GB/T151的增加了28.6%和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，有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，即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份，管板沿厚度方向划分6份，换热管周向划分12份，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。

图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3中，与GB/T151和JB4732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。

如果和均等于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，和均等于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，其中与分别为壳程筒体和管箱筒体端部弯曲应力，和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。

当管程压力单独作用时，管壳程筒体端部弯曲应力分别为241.7MPa和125.5MPa，计算弹性模量折减因子，fact_C=0.93和fact_S=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。表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。

表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
工况	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	/	/	/	/