文献综述2 - 图文

管板与筒体的连接型式的选择与分析

胡锦

（北京化工大学机电工程学院装备0703班）

摘要:本文简要的介绍各国相关的管板设计标准；管板与壳程筒体，管箱筒体之间的不同的连接形式；以及管板计算的相关理论问题，管板的有限元分析。 关键词：管壳式换热器，管板，管板设计规范，连接形式。 前言

管板是管壳式换热器的主要部件之一，特别是在高参数，大型化的场合下，管板的材料供应，加工工艺，生产周期往往成为整台设备生产的决定性因素。由于管板的合理设计，对提高换热器的安全性，节约材料，降低制造成本具有重要意义。很多国家的学者在换热器管板应力分析方面做了大量工作，形成了各国相关的换热器管板设计标准 。

管板的实际受力情况是十分复杂的，在研究中往往将实际情况加以理想化，在进行强度分析、推导和论证，这导致计算与实际情况存在着差异。而且管扳是连接壳体、管束和管箱，并承受压力和热膨胀以及来自此三部件的载荷的主要部件。管板与壳程筒体、管箱简体之间不同的连接方式，每种形式都有不一样的优缺点，提出改进优化的形式，达到既满足工程设计同时满足加工制作方便的双重效果。我国通常使用的连接型式是GBl51—1999[1]中推荐的管板与壳程筒体连为整体，其延长部分兼做法兰，再与管箱法兰用螺柱、螺母、垫片连接的形式。

一， 国内外主要规范 （1） 国外主要规范

世界各主要的工业化国家对管板的安全评定都有自己的一套安全规范．有美国的TEMA、日本工业标准JIS、英国的Bs、及美国的ASME规范、德国的AD规范。这些规范对管板的强度计算公式大体上基于以下几种不同的假设[2][3][4]。

第一种是将管板视为周边支承条件下的承受均布栽荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱，再引入经验性的修正系数。

第二种是将管子当作管板的固定支承而管板是受管子支承着的平板。管板的厚度取决于管板上不布管去的范围。由实践总结出这种公式适用鱼各种薄管板的计算。

第三种是将管板视为在广义弹性基础上承受均布载荷的多孔圆平板，即把实际的管板简化为受到规则排列的管孔削弱，同时有受到管子加强的等效弹性基础上的均质等效圆平板。这种简化假定既考虑到管子的加强作用，又考虑到管孔的削弱作用，分析比较全面，现今已为大多数国家的管板规范所采用。

各种计算方法，由于它们推导的依据不一，采用的简化假定各不相同，以致造成同样的管板设计条件，由于采用不同的计算公式，计算结果的厚度差别甚大，直到目前，尚未能完全统一。一般来说，不同的结构有不同的计算方法. (2)国内规范

我国GBl51《管壳式换热器》所列入的管板公式基于的基本考虑是：把实际的管扳简化为承受均布载荷，放置在弹性基础上且受到管孔均匀削弱的当量圆平板。弹性基础理论是米勒首先用于管板计算，后来收入英国标准。该标准是在英国Bs杯准的基础上进一步发展的。主要是确定了管板周边支承系数，使支承情况比较符合实际，但在推导的假设上和计算中，还存在一些问题，有待迸一步提高。其基本出发点如下:[2][5]

1，管束对管板的支承作用如果管板的直径与换热管直径相比较足够大，且换热管的数量又足够多，则离散的各个换热管的支承作用可以简化为均匀连续支承管板的弹性基础，管束对管扳在外载荷作用下的转角也具有一定的约束作用，虽只考虑管束对管板挠度的约束作

用，在计算公式中用管柬加强系数K来表示, 不仅是我国GB 151一1999管壳式换热器中有关管板的计算公式也是基于管束对管板挠度的约束，忽略管束对管板转角的约束。而且美国TEMA等也是如此[6]。

2，管孔对管板的削弱作用把受离散的管孔削弱的板简化为连续的刚度与强度降低了的当量实心板计算。管孔边缘产生局部的应力集中不予考虑。

3，无论是在压力与温差作用下，或是在法兰力矩作用下，考虑壳体、封头与法兰等对管板的弹性约束，按照管板的实际支承情况来计算管板的实际应力分布。

4，考虑了管板边缘未开孔的环形区域的影响。对管壳式换热器管板的强度分析采用结构“力法”来进行。

二， 管板与壳程筒体的连接形式

管板与壳程筒体、管箱简体之间不同的连接方式，通常使用的连接型式为GBl51—99中推荐的管板与壳程筒体连为整体，其延长部分兼做法兰，再与管箱法兰用螺柱、螺母、垫片连接的形式[7][8]。 GB 151和JB 4732附录I及ASME规范对换热器管板和筒体连接考虑的结构是相同的，均考虑6种结构： [9][10]

(1)管板对壳体、管箱均用垫片螺栓连接(ASME中d型)；

(2)不带法兰管板直接与管箱圆筒和壳程圆筒连接成整体(ASME中a型)；

(3)管板对壳体为整体连接，对管箱用垫片螺栓连接，管板没有延长部分兼作法兰(ASME中c型)；

(4)管板对管箱为整体连接，对壳体用垫片螺栓连接，管板没有延长部分兼作法兰(ASME中f型)；

(5)管板对壳体为整体连接，对管箱用垫片螺栓连接，管板延长部分兼作壳体法兰(ASME中b型)；

(6)管板对管箱为整体连接，对壳体用垫片螺栓连接，管板延长部分兼作管箱法兰(ASME中e型)。

ASME规范中对固定管板考虑了6种结构：

(a)不带法兰，管板直接与管箱圆筒和壳程圆筒连接成整体结构；

(b)管板对壳体为整体连接，对管箱用垫片螺栓连接结构，管板延长部分兼作管箱法兰； (c)管板对壳体为整体连接，对管箱用垫片螺栓连接结构，管板没有延长部分兼作法兰； (d)管板对壳体、管箱均用垫片螺栓连接结构；

(e)管板对管箱为整体连接，对壳体用垫片螺栓连接结构，管板延长部分兼作壳体法兰； (f)管板对管箱为整体连接，对壳体用垫片螺栓连接结构，管板没有延长部分兼作法兰。

[11]

在化学工业的换热设备中，大量换热器都是设计压力很低，但使用介质为不允许泄露

的易燃、易爆、易挥发及有毒介质，管板与筒体连接形式的设计和选择在工程设计时是值得我们仔细考虑的重要内容。在实际应用中，在保证设计安全可靠的前提下，适当改进管板与筒体的焊接结构形式，达到设备结构简化并且降低加工制作难度、减少制作工程量的效果，这种设计思想是很有意义且符合现代节能设计的设计理念和发展趋势[12]。

三，管板的有限元分析：

管壳式换热器如图1 所示.[13]

GB151--1999《钢制管壳式换热器》给出了管板的计算方法，对管板作出了不同程度的简化和假设，把管板看作是承受均布载荷，放置在弹性基础上并因管孔削弱的当量圆板。然后根据载荷的大小，管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力、剪切应力。但实际上管板受到管程压力、壳程压力、密封圈的比压力、螺栓的预紧力以及温度等载荷的作用，而且换热器的结构元件的尺寸和材料性能都直接或间接的影响管板的强度。

三维有限元方法分析，综合考虑在压力载荷和温度载荷的作用下对管板的强度校核；并且考虑在温度载荷单独作用下对管板产生的热应力，以及管板温度场的分布和管板的热变形。[14][15]

管壳式换热器管板计算采用的是GB151--1999中关于延长部分兼作法兰的固定式管板的强度校核。应用有限元分析时，为了简化计算，建立模型时只考虑管板、壳体和管束部分，法兰垫片用等效的均布比压来代替。由于管壳式换热器结构是前后左右对称，所以分析模型只需取该结构的四分之一，换热管取长度的一半。 在管壳式换热器的对称面上加上对称边界条件，即这些面上的法向位移为零。换热管一端约束，一端连接在管板上，即约束换热管一端面其轴向平移位移。在预紧面上加上螺栓预紧力，密封面上加上密封比压，同时在换热器各部件上加上相应的温度条件。管壳式换热器装置采用对称的三维有限元分析模型见图 3，[16]。

经有限元计算，整个换热器在压力和温度载荷共同作用下,在管板与壳体连接处，因为结构的不连续，导致因满足变形协调而产生的局部应力[12],并且此处的温度梯度大，产生

了热应力。另外管板与换热管连接处产生的应力较大，这是由于管板与换热管连接处的温度梯度变化较大，产生的热应力的叠加。有热载荷存在的工况，换热器上最大应力均在管板与管箱内壁面的过渡圆角处。为减小该处应力。应适当增大过渡圆角半径，以使管板两侧应力趋于相等[17]。

管壁与壳壁温差引起的膨胀差较大时, 管板将处于高应力状态，管板产生的热位移较大，而热位移主要由温差产生的也就是温度梯度产生的热载荷，为减小温差引起的热应力的影响，加膨胀节，对管板挠曲变形有较大影响，管板变曲应力数值下降，管板受力状况好转[18][19]。

考虑在温度载荷单独作用下温度对管板的影响，即不考虑压力载荷，只考虑温度载荷,通过前面的分析可知应力最大值出现在壳体与管板的连接处，其次在管板与管子连接处，所以重点考虑此处的温度场和热应力情况，单独考虑管板的实体单元，管程和壳程用温度边界条件来限制[20]。

在温度差较大时，因为这种温度梯度产生较大的热应力，这时必须考虑温度载荷对管板产生的影响。在热应力最大处即管板与壳体连接处沿管板厚度方向做应力校核线如图所示。

壳体与管板连接处存在一个温度急剧变化的薄层区域，受到的应力急剧增大，成为应力强度值的主要决定因素。布管区和开孔处也存在较大的局部温度梯度。通过对管板在压力和温度的联合作用时和温度载荷单独作用时的比较，可以看出温度对管板产生了很大的热应力，不可忽视。且在布管区与非布管区过渡处、管板与壳体连接处有较大的温度梯度。

管壳式换热器的有限元分析可知，压力载荷与温度对结构应力分布的影响 [21]，可看出：

1，三维有限元分析比较细致地考虑了各部件（换热管、壳体、密封力、螺栓力等）对管板的作用，所以结果能更真实反映实际的应力分布状况，特别是在计算中考虑了温度载荷的作用；

2，温度载荷对管板造成了较大的热应力，从整个管壳式换热器来看，最大应力不是在管板上，往往发生在结构不连续的管板与壳体连接处。

结论:

根据我国GB151-1999《钢制管壳式换热器设计标准》和国外一些换热器设计标准进行比较；并在各种设计压力下和不同的介质条件下，选择管板和壳程筒体的连接形式的；和由应力分析标准JB4732-1998对换热器管扳进行的有限元分析，分析考虑到温度载荷的情况，可得到如下结论：

(1)对于管壳程存在一定温差的换热器，考虑温差应力的影响，进行结构热构偶合分析是非常有必要的。因为温度载荷对管板造成了较大的热应力。当换热器管壳程温差较大的情况下，管板与壳体采用相同的材料能有效地降低管扳与壳体连接处的热应力。管板与筒体连接形式的设计和选择在工程设计时是值得我们仔细考虑的重要内容。

(2)换热器的危险工况不一定发生在管程载荷、壳程载荷和温度载荷同时作用的正常操作工况，而有可能发生在某个瞬态操作工况下。所以为保证安全，在对管板分析时，对各种稳态、瞬态操作工况都进行分析比较，找出危险工况，是有必要的。

(3)从整个管壳式换热器来看，最大应力不一定在管板上，往往发生在结构不连续的管板与壳体连接处。

参考文献：

［1］ GB151-1999，钢制管壳式换热器[S].

［2］ 郑津洋，董其伍，桑芝富，过程设备设计（第二版）,化学工业出版社，2005年5月，

（267-269）

［3］ Paliwal Design of Fix Tubesheet for Heat Exchangers, Journal of Pressure Vessel

Technology, vol .111,1989,2(79).

［4］ Paliwal and Saxena , Design of Tubesheet for U-Tube Heat Exchangers,Journal of

Pressure Vessel Technology, vol.115,1993,2(59).

［5］ 季维英，管壳式换热器管板应力的三维有限元分析. 南京理工大学硕士学位论文.(4) ［6］ 刘雪东，何云松，巢建伟，废热锅炉换热器管板结构有限元分析研究，vol.35（5），

2004年9月，（56-57）.

［7］ 刘翠茹，徐仁萍，管壳式换热器中壳程筒体与管板连接形式.vol.35(1)，2009年3

月.(52).

［8］ 李清娟，赵军，兼法兰式固定管板换热器螺栓力的简化研究，石化技术vol24（3），2007,(28-31) ［9］ 中华人民共和国国家标准，JB4732-95钢制压力容器——分析标准，全国压力容器标准化技术委

员会，1995年lO月.

［10］ 李永泰，刘长虹，何录武.我国标准管板设计方法鱼ASME规范的比较及换热器管板应

力分析应考虑的问题[J].vol.27( 2),2010,(42-43).

［11］ Urey R. Miller [美国] 编译：丁利伟，美国ASME与TEMA标准管板计算方法比较

（一）.vol.21(4),2004,(21-26).

［12］ 贾慧灵，杜鹏飞，何江峰，固定管板式换热器应力的有限元分析，vol.30(12),2009年

12月,（87-88）.

［13］ 胡锡文，林兴华，管壳式换热器管板的有限元分析，vol.21(10),2004,10(26-28).

［14］ W. D. Reinhardt，S. P. Mangalaramanan，Efficient Tubesheet Design Using Repeated

Elastic Limit Analysis Technique，vol.123,MAY 2001，(197-202)，

［15］ 曹海兵，江楠，固定管板式换热器管板强度的有限元分析，vol.46（3），2009年6

月，（6-18）.

［16］ Nor Eddine Laghzale , Abdel-Hakim Bouzid Theoretical Analysis of Hydraulically

Expanded Tube-to-Tubesheet Joints With Linear Strain Hardening Material Behavior,vol,131,DECEMBER,2009,(061202-1----061202-8).

［17］ C. F. Qian1 H. J. Yu L. Yao，Finite Element Analysis and Experimental Investigation

of Tubesheet Structure，vol.131，FEBRUARY 2009，(011206-1----011206-4).

［18］ 郭琳，贺文智，刘晨曦，温差对固定管板变形的影响，vol19（4），2000年，（262-265）. ［19］ 冷纪桐，吕洪，等，某固定管板式换热器的温度场与热应力分析[J]，北京化工大学

学学报，vol3t，2004，2(104—107)）

［20］ 丁伯民，桂康宁，固定管板式换热器的危险工况分析，化工设备设计，1995，6(43—

45).

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d35p.html