【正文】 回彎阻力△Pr按下式計(jì)算進(jìn)出口接管阻力按下式計(jì)算因此總阻力為根據(jù)表5的要求，操作壓力下，允許的壓降為＞5104,計(jì)算壓降符合要求8強(qiáng)度校核各種受力元件組成了換熱器，須對(duì)筒體、封頭、管箱、管板、法蘭、管子、膨脹節(jié)、鉤圈等受力元件進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保在運(yùn)行時(shí)可以安全可靠。本章就設(shè)計(jì)換熱器中的管板、筒體、換熱管子、法蘭進(jìn)行了強(qiáng)度校核。管殼式換熱器是一種壓力容器。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局將其劃歸給全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)分管，因此在設(shè)計(jì)制造管殼式換熱器時(shí)需要遵循全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)所出版的《鋼制殼管式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定》、《鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定》（下文中簡(jiǎn)稱“規(guī)定”）以及相應(yīng)的《鋼制焊接壓力容器技術(shù)條件》以及其他的一系列有關(guān)的技術(shù)條件、方法與規(guī)程。對(duì)于管殼式換熱器的管子、殼體與管板的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在世界上有很多種類的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，例如英國(guó)的BS、美國(guó)的ASMEⅧ一日本的Jsl、中國(guó)的GB151一199西德的AD等。以上規(guī)范中除了AD的標(biāo)準(zhǔn)之外，其余的都是建立在彈性基礎(chǔ)圓平板理論基礎(chǔ)上的。各種方法由于所作的假設(shè)簡(jiǎn)化以及考慮到的因素也各不相同，因此各種不同的方法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果也必定會(huì)存在一定差異。這些公式盡管形式都不同，但可以基于以下三種基本假設(shè)的前提下分別得出:(l)把管板看作在周邊支承條件下可以受到均布載荷的圓平板，因此用平板理論可以推出計(jì)算的公式。管孔的削弱加入考慮范圍內(nèi)，然后引入經(jīng)驗(yàn)性修正系數(shù)。但其局限性比較大。(2)用換熱管作為管板的固定支撐，管板將會(huì)是受管子支撐的平板。管板上的非布管區(qū)將會(huì)決定管板的厚度。這種公式經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明適用于各類薄管板的強(qiáng)度校核。(3)將管板認(rèn)為是受均布載荷的多孔圓板在彈性的基礎(chǔ)上。由此以來(lái)管子的加強(qiáng)作用不僅考慮到了，管孔的削弱作用也考慮到了，這樣問(wèn)題分析就會(huì)比較的全面。我國(guó)GB151標(biāo)準(zhǔn)中的管板計(jì)算方法是基于第3種假設(shè)推導(dǎo)出來(lái)的。由于假設(shè)簡(jiǎn)化合理，考慮因素較為詳細(xì)，故計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，這已為眾多的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析結(jié)果所證實(shí)[12][13]。GB1511999版的《管殼式換熱器》書(shū)中設(shè)計(jì)計(jì)算的相關(guān)公式，認(rèn)為管板是放置在彈性基礎(chǔ)上的、承受著均布載荷并且受到管孔均勻削弱的當(dāng)量圓板。這主要是因?yàn)樵诮^大部分的管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，管子的直徑與管板的直徑相比較而言已經(jīng)足夠的小，又有數(shù)量足夠多的換熱管，管子假定是均勻分布的在管板上，從而離散的各根換熱管可以認(rèn)為是連續(xù)對(duì)管板的有支撐作用，管板承受均勻分布的載荷。同時(shí)，GB1511999是將固定管板換熱器中的管板與管束和管板與殼體看成了強(qiáng)度分析中所考慮的兩個(gè)系統(tǒng)，即管板管束系統(tǒng)和殼體系統(tǒng)，分析原理按照CB1511999所采用的結(jié)構(gòu)分析方法。按此思路，整個(gè)分析分為以下三個(gè)步驟[12]:第一步:將結(jié)構(gòu)(換熱器)分離為幾個(gè)部件，并解除它們之間的相互約束，分別考察其在載荷作用下所產(chǎn)生的變形與應(yīng)力。第二步:考慮它們之間的變形連續(xù)條件，即考慮它們?cè)谙鄳?yīng)邊界力作用下的變形與應(yīng)力。第三步:疊加上述兩部分產(chǎn)生的變形與應(yīng)力,得到它們最終的變形與應(yīng)力。 設(shè)計(jì)的參數(shù)環(huán)境溫度t0=20℃；(1)波紋換熱管相關(guān)參數(shù)：波紋換熱管壁厚波紋換熱有效長(zhǎng)度波紋換熱管波谷（管坯）外徑波紋換熱管波峰外徑波紋換熱管根數(shù)波紋換熱管中心距波紋換熱管平均壁溫波紋換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度（按國(guó)標(biāo)GB1511999，圖32計(jì)算）l波紋換熱管波距波紋換熱管半波寬(2)與管板相關(guān)的參數(shù)：殼體圓筒內(nèi)徑殼程設(shè)計(jì)壓力管程設(shè)計(jì)壓力殼體圓筒名義厚度管箱圓筒名義厚度管板厚度殼體平均壁溫（假定）管板與換熱管的焊縫高度管板剛度削弱系數(shù)（） 管板強(qiáng)度削弱系數(shù)焊縫接頭系數(shù)(按文獻(xiàn)[14]中525選)沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)隔板槽兩側(cè)相鄰管心距(3)與法蘭計(jì)算相關(guān)的參數(shù)：法蘭外徑法蘭螺栓中心圓直徑管板法蘭厚度 管箱法蘭厚度 管板墊片尺寸D=1459mm,d=1427mm, S=3mm管板墊片系數(shù)管板墊片比壓力：管板材料選用120MnMoNb換熱管材料選用OCr18Ni9殼體與管箱筒體的材料選用Q235—B殼體管箱連接螺栓選用40MB鋼參考文獻(xiàn)[17]查取管板在管、殼程較高設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力管板在管、殼程較高設(shè)計(jì)溫度下彈性模量殼體圓筒材料在殼程設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力殼體圓筒材料在殼程設(shè)計(jì)溫度下彈性模量殼體圓筒材料在殼程設(shè)計(jì)溫度下的線膨脹系數(shù)換熱管材料在管程設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力換熱管材料在管程設(shè)計(jì)溫度下的屈服限換熱管材料在管程平均壁溫下彈性模量換熱管材料在管程平均壁溫下線膨脹系數(shù)管箱圓筒材料在管程設(shè)計(jì)溫度下彈性模量管板法蘭材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力管板法蘭材料在設(shè)計(jì)溫度下彈性模量管箱法蘭材料在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量 常溫下螺栓材料的許用壓力 操作時(shí),設(shè)計(jì)溫度下螺栓材料的許用壓力波紋管相關(guān)變量的說(shuō)明:光滑管通過(guò)脹型成型為波紋管后，由于殘余應(yīng)力和局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在，波紋管的承載能力遠(yuǎn)低于相應(yīng)的光管（即管坯）。相應(yīng)的波紋管的軸向剛度和穩(wěn)定性也大大地降低。波紋管換熱器與傳統(tǒng)的管殼式換熱器的主要差別在于換熱管管束的不同。對(duì)于管板的計(jì)算而言，兩者的主要差異就在于管束剛度的不同。因此，在對(duì)管板進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)將管板計(jì)算公式中與換熱管剛度計(jì)算有關(guān)的參量進(jìn)行變換，而不能直接按照標(biāo)準(zhǔn)中給定的公式來(lái)對(duì)管板進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。下面對(duì)這幾個(gè)相關(guān)參量的變換進(jìn)行說(shuō)明[16]。波紋管的剛度是指作用力與該力作用下所引起的位移之比，即K=F/△l。根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，將波紋管簡(jiǎn)化為直桿，其位移式為△l=Fl/EtA,將位移式代入剛度式，可以得出： (1)管子加強(qiáng)系數(shù)K:這是GB1511999中的表達(dá)式，因Eta/L=Kb是一根換熱管子的剛度，直接帶入上式即得：其中Kb就是一根波紋管的總剛度，即：式中：K1—波紋管軸向單波剛度； L—波紋換熱管總長(zhǎng)；(2)管束模數(shù)Kt原式中 ，將光管 代入得到，(3)換熱管束與圓筒剛度比Q 原式中，以 代入得到：(4)固定管板式換熱器有效組合壓力Pa，在GB1511999中規(guī)定： 式中第三項(xiàng)是為考慮溫差產(chǎn)生的當(dāng)量壓力，對(duì)于波紋管由于軸向剛度降低而此當(dāng)量壓力也會(huì)減小。其中系數(shù)β=na/A1，γ為換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差，引入軸向剛度Kb則該項(xiàng)為： 將該式代入上式即得到: 波紋管的計(jì)算參數(shù) 單根管管壁金屬橫截面a:表71 波紋換熱管單波剛度值Kl （KN/mm） 波紋換熱管軸向單波剛度K1，波紋換熱管的軸向單波剛度應(yīng)通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，φ32/25和φ42/33規(guī)格的波紋換熱管的單波剛度可按表71查取。波紋管波峰/波谷公稱外徑，mm波紋管管坯厚度，mm一個(gè)波距波紋管外表面積，mm2φ32/25φ42/33（注：表71中適用范圍為波寬與波距之比為：2f/F=。）則設(shè)計(jì)中波紋管的單波軸向剛度值K1取為 波紋換熱管的回轉(zhuǎn)半徑i長(zhǎng)度為波紋管軸向軸向剛度長(zhǎng)度為L(zhǎng)的波紋管軸向軸向剛度系數(shù)Cr波紋換熱管穩(wěn)定許用壓應(yīng)力波紋管的管子加強(qiáng)系數(shù)K管束模數(shù)Kt(3)與管板相關(guān)的計(jì)算參數(shù)殼體內(nèi)徑面積A殼體圓筒壁金屬截面As管板開(kāi)孔后面積A1布管區(qū)范圍內(nèi)因設(shè)隔板槽和拉桿而未能被換熱管支撐的面積Ad管板布管區(qū)面積At管板布管區(qū)域當(dāng)量直徑Dt換熱管束與殼體剛度比Q系數(shù)λ 換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼程圓筒內(nèi)徑比周圍不布管區(qū)的無(wú)量綱寬度K(4)與法蘭相關(guān)的計(jì)算參數(shù)GB1511999中圖26 則得 管箱法蘭旋轉(zhuǎn)剛度系數(shù)由參數(shù)查GB1511999中圖26則得殼體法蘭旋轉(zhuǎn)剛度 旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)對(duì)于延長(zhǎng)部分兼作法蘭的管板，旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量綱參數(shù)殼體法蘭應(yīng)力參數(shù)Y，按K=Df/Ds=1641/1400=《壓力容器》圖78，Y=6,管板第一彎矩系數(shù)m1,按K=, 查GB1511999圖27，m1=系數(shù) , GB1511999圖29，得 GB1511999圖30 法蘭力矩折減系數(shù)管板邊緣力矩變化系數(shù)法蘭力矩變化系數(shù)管板第二彎矩系數(shù)m2,按K=、Q=，m2=、連接螺栓的相關(guān)計(jì)算參考文獻(xiàn)[11]密封墊片接觸寬度N滿足要求墊片基本密封寬度b0墊片有效密封寬度b墊片壓緊力作用中心圓直徑預(yù)緊時(shí)螺栓載荷Wa操作時(shí)螺栓載荷Wp 預(yù)緊時(shí)所需載荷面積Aa操作時(shí)所需載荷面積Ap螺栓實(shí)際所需截面積Am,取Aa,Ap中較大者 (5)法蘭力矩的相關(guān)計(jì)算：內(nèi)壓作用在內(nèi)徑截面上的軸向力P1內(nèi)壓作用在法蘭端面上的作用力P2墊片反力P3幾何尺寸LA、δ1，根據(jù)GB1512011的規(guī)定，量取LA=, δ1=18mm法蘭力距的力臂LLL3基本法蘭力矩Mm操作工況法蘭力矩Mp 校核四種危險(xiǎn)組合壓力下的工況殼程壓力作用下的危險(xiǎn)組合，計(jì)入脹差,殼程壓力Ps=,管程壓力0，當(dāng)量壓力組合Pc=Ps。換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差 γ=有效組合壓力Pa當(dāng)量組合壓力Pc 基本法蘭力矩系數(shù)=管板邊緣力矩系數(shù)管板邊緣剪切系數(shù)V管板總彎矩系數(shù)m,按K=，m=(a), 管板徑向應(yīng)力系數(shù)管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)殼體法蘭力矩系數(shù) (1)管板應(yīng)力計(jì)算及校核管板徑向應(yīng)力 管板布管區(qū)周邊徑向應(yīng)力 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力 (2)殼體法蘭應(yīng)力計(jì)算及校核 殼體法蘭應(yīng)力 (3)管子應(yīng)力計(jì)算及校核波紋管軸向應(yīng)力 (4)殼體圓筒應(yīng)力計(jì)算及校核殼體圓筒軸向應(yīng)力 (5)拉脫應(yīng)力： 焊接時(shí)需滿足，其中，滿足要求 殼程壓力作用下的危險(xiǎn)組合，不計(jì)入脹差,殼程壓力Ps=，管程壓力0，當(dāng)量壓力組合Pc=Ps。換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差γ=0；有效組合壓力Pa當(dāng)量組合壓力Pc基本法蘭力矩系數(shù)管板邊緣力矩系數(shù)管板邊緣剪切系數(shù)管板總彎矩系數(shù)m,按K，m查GB1511999圖31(a), , 管板徑向應(yīng)力系數(shù)管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)殼體法蘭力矩系數(shù)(1)管板應(yīng)力計(jì)算及校核管板徑向應(yīng)力 管板布管區(qū)周邊徑向應(yīng)力 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力 (2)殼體法蘭應(yīng)力計(jì)算及校核殼體法蘭應(yīng)力 (3)管子應(yīng)力計(jì)算及校核波紋管軸向應(yīng)力 (4)殼體圓筒應(yīng)力計(jì)算及校核殼體圓筒軸向應(yīng)力 (5)拉脫應(yīng)力：拉脫應(yīng)力 焊接時(shí)需滿足，其中，滿足要求 管程壓力作用下的危險(xiǎn)組合，殼程壓力Ps=0，管程壓力Pt=，計(jì)入膨脹差換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差有效組合壓力Pa當(dāng)量組合壓力Pc管程壓力作用下法蘭力矩系數(shù)管板邊緣力矩系數(shù)管板邊緣剪切系數(shù)管板總彎矩系數(shù)m,按K，m查GB1511999圖31(a), ,取 中較大者，則管板徑向應(yīng)力系數(shù)管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)殼體法蘭力矩系數(shù)(1)管板應(yīng)力計(jì)算及校核管板徑向應(yīng)力 管板布管區(qū)