GB 151中带膨胀节固定式换热器管板计算方法的改进

• 文档名称：GB 151中带膨胀节固定式换热器管板计算方法的改进
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• 上传者：shuangyuzuo
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• 内容摘要：
  标准规
  CB151中带膨胀节固定式换热器管板
  计算方法的改进
  薛明徳,黄克智',李世玉2,朱国栋?,徐锋
  (1.清华大学工程力学系,北京100084;2.中国石化工程建设公司,北京100101;3.中国特种设
  备检测研究院,北京100013)
  摘要:介绍了修订现行国家标准CB151-199《管壳式换热器》时,对带膨胀节的固定式换热器管
  板设计中应カ计算方法的改进意见。文中指出现有计算忽略了膨胀节圆环内部压力引起轴向位移
  影响,会对某些高参数换热器固定管板的应力分析带来较大误差,并基于板壳理论得到膨胀节圆环
  内部压力与其两端受轴拉力引起轴向位移之间的相互关系,并结合现行CB151管板计算模型,提
  出修订原则和方法。通过有限元计算,证明该方法是可靠的。
  关键词:管壳式換热器;固定管板;膨胀节;设计规范;应力分析
  中阳分类号:T-652.1;T051.5文献标识码:B文訌编号:1001-4837(2012)04-0057-05
  doi:10.3969j.igsn.1001-4837.2012.04.009
  An Immproved Method of Stress Analysis for Fixed Tubesheets
  of Heat-exchanger with Expansion Jjoint in GB 151
  XUE Ming-de, HUANG Ke-zhi, LI Shi-yu, ZHU Guo-dong, XU Feng
  (1. Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. SINOPEC Engi-
  neering Incorporation, Beijing 100101, China 3. China Specia Equipment Inspection Research Institu-
  te, Beijing 100013, China)
  Abstract: An improved method of stress analysis for fixed tubesheets of heat-exchanger with expansion
  joint is proposed in order to modify the China National Standard GB 151-1999"Tubular heat exchang
  ers .It is pointed out that the effect of axial force by pressure in expansion joint shouldnt be ignored in
  fixed tubesheet analysis, a revised method from the theory of plates and shells is put forward for engineer-
  ing application in this paper based on relations of axial displacements by pressure in ring and end force of
  expansion joint. The compare among the new method, finite element analysis and GB 151-1999 is given
  finally that proves the new method is accurate and reliable
  Key words: tubular heat exchanger; fixed tubesheet; expansion joint; design code; stress analysis
  器》中,关于壳体具有膨胀节的固定式换热器
  0引言
  在推导管板应力计算公式时,管板边缘壳体的轴
  在现行国家标准GB151-1999管壳式换热向伸长变形按现行膨胀节标准23所给方法计
  CPVT
  CGB151中带膨胀节固定式换热器管板计算方法的改进
  Vol29.No42012
  算,该方法给出了膨胀节两端受图1(a)所示轴向pmR2引起的位移uの,以及膨胀节圆环内部的局
  拉力F引起的变形,但没有给出图1(b)所示壳程部自平衡压力引起的轴向位移we;现行GB
  压力P作用于膨胀节内部引起的膨胀节伸长変1512中,轴力F(对于管壳式换热器的壳程圆
  形。当膨胀节较宽波数较多时,在某些工况下不筒:F。=V,见图2(b))引起的壳体轴向位移
  考虑壳程压力造成的壳体轴向伸长会对固定管板已经按文献[2]所给方法计人固定管板边缘轴向
  的应力分析带来较大误差。 ASME VⅧ-1在200位移协调方程中了。若按照板売理论门所给(1)
  年的增补中给出了固定式换热器管板应力的式,可知
  计算方法,该方法计及了带膨胀节时其园环内压
  力轴向作用对管板应力的影响,此后,国内某商业
  a=ん。,TRn
  EO
  计算软件也推出了据称是带膨胀节时考虑了
  其圆环内压力作用的计算程序。近年来,随着管
  F/2TR
  壳式换热器的高参数、大型化发展,此问题日显突
  出。本文基于板壳理论、并且考虑到与现行膨胀
  节标准?相衔接,给出对于此类固定管板的改进
  计算方法,建议以本文和笔者所著文献[6]提出
  的改进计算方法作为CB151《管壳式换热器》(再
  版)的修订方法。文中未予说明的符号见文献
  sS
  基本原理
  膨胀节受轴向拉伸V
  1.1膨胩胀节受内压时轴向伸长变形的简化计算
  方法
  通常膨胀节是由轴对称圆环壳、圆环形板与
  圆柱壳相连接形成的组合板壳元件,如图1所示。
  :,い
  P
  我国现行膨胀节标准2-沿用美国EMA标
  准的基本原理,将其简化为曲梁进行计算,而内压
  作用下轴对称壳体结构的受力特点与曲梁是不同
  的,应当按板壳理论计算。文献[7]根据板壳理
  论导出图1中两种工况下膨胀节变形与应力的计
  算公式与图表,其中轴拉力F与内压P,作用下膨
  (b)膨胀节受壳程压力p,
  图1换热器壳体膨胀节所承受的两种载荷工况
  胀节的轴向位移和w”分别为:
  FR2n(1-u2)
  由(2),(3)两式可知
  R(n。(1
  2)
  んsm)R
  E63
  式中n一膨胀节波数
  E,U膨胀节弹性模量与泊松比
  -m)2pp, Rn(1
  (4)
  厚度
  由(3),(4)两式可知,这两部分的轴向位移
  文献[7]给出了上述公式中系数ん和ん,随膨之比为
  胀节几何参数p。=R。/R=D。/D2变化规律的表
  格,见表1中第1,2,3列。内压引起封闭壳体两
  Tん
  端的位移由两部分构成:壳体两端的轴向力Fn=
  另一方面,膨胀节國圆环内部的横截面积A