固定管板式换热器轴向应力计算与膨胀节设置问题
GB151固定式换热器管板应力计算与校核方法的改进
第 28 卷第 8 期
压力容器
总第 225 期
管板计算方法的改进（ 另有专文发表） ； （ 2） 管板 中最大应力计算方法的改进； （ 3） 增加了管程压 力 pt 与壳程压力 ps 同管 壳 式 换 热 器》中 上 述 （ 2） ，（ 3） 部分的建议修订方法。文中未予说明的 符号见文献［1］。
ξb 中的各项系数是汤姆逊函数及其各阶导 的以下公式：
{c1 =
时，这种近似所带来的误差在工程设计允许的范
45
CPVT
GB 151 固定式换热器管板应力计算与校核方法的改进
Vol28. No8 2011
围内。式中：
k = K（ 1 － ρt） = K（ R － Rt） /R
（ 6）
应用现有 GB 151［1］时需要根据计算结果确
定这 3 个校核点中最大者为管板设计厚度的取值
～ （ 11） 及汤姆逊函数的性质，得到与式（ 8） 相应
的半径 r = Rt 处（ x = xb 处） fr （ m，K，xb ） 的幂函数 近似表达式如下：
frb = （ fr ） x = K ρt = xb = ξb m 式中：
（ 12a）
ξb
=1
+
c1 k
+
c2 k2
+
c3 k3
+
1 m
（
c4 k
纲坐标为：
x = Kr / R
（ 1）
式中 r———圆板中心至所研究处的距离
图 1 固定管板力学模型
为便于设计者应用，在计算管板中最大应力 时建议做以下改进。 1． 1 进一步给出了不同参数范围下管板中最大 应力发生的位置
现行国家标准 GB 151［1］中管板厚度设计基 于校核管 板 中 的 最 大 径 向 弯 曲 应 力，需 分 别 计 算 3 个校核点处正比于无量纲弯曲应力的系数 G1（ 其 中 两 点 分 别 对 应 x = xi，K 处 的 G1i 与
固定管板换热器膨胀节设计应注意的几个问题
!备# $2020,37(1) 23 〜25石油化工设计Petrochemical Desion 定管板换热器膨胀节设计应注意的几个问题&胜利（中国石化工程建设有限公司，北京100101）摘要：介绍了固定管板换热器设计中与膨胀节的设置相关的几个问题，包括膨胀节设置原理：因管程 与壳程的膨胀系数不同致使两者的膨胀差过大，导致壳程筒体拉伸应力、换热管拉伸或压缩应力、换热管 拉脱力中出现的不合格项，需要设置膨胀节。
介绍了膨胀节与筒体对焊连接时，允许筒体削薄的限制条件，包括膨胀节设置位置的确定:对于立式换热器，膨胀节宜设置于耳式支座的下方；而卧式换热器应设置于管道约束小的一侧等等。
关键词：固定管板换热器 膨胀节 温差 膨胀差 筒体连接 设置位置 水压试验doi ： 10. 3969/j. issn. 1005 - 8168.2020.01.006设计固定管板换热器时，在某些特定的情况下需置 。
什么情况下需 置 节以及膨胀节的设置位置、膨胀节与筒体如何连接、的水压试验、换热器对 的 I问题，是过程中容易 误解或需的。
1膨胀节的设置于固定管板换热器设置膨胀节，存在一些不 或根本就是错误的观点，如:有观点认为当管、壳程温差大于50 C 时，应设置膨胀节；又如: 壳 为蒸汽时，需 置 。
在固定管板换热器中，因壳程流体和管程流体之间存在温差，而壳 和 与管板 :接，在用中壳体和间产生膨胀差， 壳和 荷。
为，壳体和破坏、 稳、换板 脱，在管板 时，壳应力、应力、 应力、 脱力中只要有一项不合格，就需要在壳体中间设置一个 良好的变形补件一，以降低壳体与的 荷。
，这些 应器的 工况，如正常操作工况、工况、壳程事故工况、其它极端工况！这里需要注意的是温差和膨胀差的概念，顾名思义，温差（C ）是 器壳 属 .与换热管金属壁温之间的差值;而膨胀差（mm ）是器壳和 间因 、的不同， 的不同的膨胀量之间的差值!小的温差可能的 差，特别是管壳程材料的线胀系数相差较大时。
膨胀节的设计要点
２ １ 年 ８月 ０１
化
工
设
备
与
管
道
Ｖｏ． ８ Ｎｏ ４ １４ ． Ａｕｇ ２ １ ． ０１
Ｐ Ｏ Ｅ ＳＥ Ｕ Ｐ Ｅ Ｔ ＆ ＰＰＮ Ｒ Ｃ Ｓ Ｑ ＩＭ Ｎ ＩＩ Ｇ
膨 胀 节 的 设计 要点
李 小梅 冯延 忠
１０ ２ ） ０ ０ ９ （ 中国寰球 工程 公司 ， 北京 摘
要 ：主要论述 了固定 管板 式换热 嚣中设 置膨胀节的 因素 、 膨胀 节的设计计 算以及如何避 免设 置膨胀节。
关键词 ：固定管板式换热 器； 膨胀节 ； 设计 中图分类号 ：Ｑ０ ０ ２ Ｔ ２ Ｔ ５ ． ；Ｈ １２ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编号 ：１０ —２ １２ １ ）４００ －２ ０９３ ８ （ ０ １ ０ －０ ６０
Ｈｊｈｉｈ ｎ Ｄｅｉｎ ｏ ｐ ｎ ｉｎ Ｊ ｉｔ ｇ ｌ ｔｉ ｓｇ ｆＥｘ ａ ｓｏ ｏｎ ｇ
ＬＩ Ｘｉ ｏ－ ａ ， ＦＥＮＧ ｎ－ｈｏ ａ ｍ ｉ Ｙａ ｚ ｎｇ
（ ｈｎ ｕｎ ｉ Ｃ ｎｒｃｎ ｎｉｅｒ ｇ Ｃ ． Ｃ ｉ Ｈ ａｑｕ ｏｔ ｔ ｇＥ ｇｎｅｎ ｏ ， ａ ａｉ ｉ
（ ）首 先应 从 工 艺 流程 角 度 考 虑 ， 艺通 过 采 １ 工 取 一定 措施 即 可避 免某 些 设 计 工 况 的 出 现 ， 而避 从
免 设备 设置 膨胀 节 。
１ 膨胀节 的定义
由一个或几个波纹管及结构件组成 ， 用来 吸收 由于热胀冷缩等原因引起 的设备尺寸变化的装置 。
（） ２ 在压力降允许的情况下 ， 减小折流板间距 。 （ ）在 费 用估算 可行 的情 况 下 ， 通 过 适 当增 ３ 可 加 管板 厚度 ， 以避免膨 胀节 。 （ ）在工艺介质允许 和经济合理的情况下 ， ４ 可 通 过更 换壳 程筒 体 或换 热管 材 质 以减 小 膨胀 差 ， 达 到避 免膨胀 节 的 目的 。
固定管板式换热器管板热应力分析及控制措施
化 工 机 械 ２０１９年
固定管板式换热器管板热应力分析及控制措施
于春柳 郑旭东 任金平 张 琪 芦娅妮
（陇 东 学 院 化 学 化 工 学 院 ）
摘 要 介绍了固定管板式换热器管板设计标准，分析了管板热应力产生机理，寻求减 小 管 板 热 应 力 的 有 效 途 径 ，对 指 导 管 板 设 计 、优 化 管 板 结 构 及 改 善 换 热 器 性 能 等 具 有 重 要 的 意 义 。 关键词 固定管板式换热器 管板设计 热应力分析 控制措施 中 图 分 类 号 ＴＱ０５１．５ 文 献 标 识 码 Ｂ 文 章 编 号 ０２５４６０９４（２０１９）０２０２１００３
换热器是化 工 生 产 中 重 要 的 单 元 设 备，通 常 用来加热低温流 体 或 冷 却 高 温 流 体，把 液 体 汽 化 成蒸汽或把蒸 汽 冷 凝 成 液 体 。 ［１，２］ 换 热 器 按 照 结 构 形 式 可 分 为 固 定 管 板 式 换 热 器 、浮 头 式 换 热 器 、 Ｕ形管换热器和填料函式换热器。与其 他形式的 换热器相比较，固 定 管 板 式 换 热 器 具 有 制 造 成 本 低、清洗方 便、坚 固 耐 用 及 适 用 性 强 等 优 点 ， ［２～４］ 被广泛应用 于 化 工、炼 油 等 行 业。 固 定 管 板 式 换 热器由 壳 体、换 热 管、管 板、折 流 板 及 管 箱 等 组 成 。 ［４］ 壳体多 为 圆 筒 形，内 部 装 有 换 热 管，换 热 管 两 端 固 定 在 管 板 上，按 正 三 角 形 或 正 方 形 排 列 ［５］，通常在换热管 上 均 匀 安 装 若 干 数 量 的 折 流 板 ，提 高 换 热 效 率 的 同 时 还 起 到 支 撑 管 束 的 作 用 。 与壳体两端管板 连 接 的 是 管 箱，管 箱 分 为 左 管 箱 和 右 管 箱 ，均 由 圆 筒 、封 头 和 法 兰 组 焊 而 成 。 固 定 管板式换热器常在操作工况极其严苛的情况下运 行，因此换热器管 板 既 要 满 足 压 力 载 荷 作 用 下 的 强度要求，又要满 足 因 壳 体 与 换 热 管 热 膨 胀 差 引 起的热应 力 和 管 板 两 侧 温 度 差 引 起 的 热 应 力 要 求 。 ［６］ 工作过程中 管 板 产 生 的 热 应 力 过 大，会 对 其强度有影响，更 有 甚 者 会 影 响 换 热 器 的 换 热 效 率和工作寿命 。 ［７］ 因 此，笔 者 在 介 绍 管 板 设 计 标 准的基础上分析 热 应 力 产 生 的 机 理，寻 求 控 制 管 板热应力的有效途径。
固定管板式换热器应力分析和疲劳分析
固定管板式换热器应力分析和疲劳分析摘要：建立固定管板式换热器的三维模型，根据模型材料情况，尺寸大小，以设计工况为例，使用有限元分析法对其进行应力分析和疲劳分析。
关键词：固定管板式换热器；应力分析；疲劳分析一、概述固定管板式换热器主要是由的管束、管板和壳体三部分构成，组装时将管束焊接在管板上，管板焊接在壳体上，工艺接管焊接在壳体上[1]。
在换热过程中，不同部位接触的液体不同，导致各构造温度不同，变形程度也不同，温差热应力由此产生。
不同型号的固定管板式换热器考虑和关注点不同，产生的温差热应力也会不同，如GB151主要考虑管束和壳体之间的压力和温差，但未考虑构件自身的温度和管束管板之间的温差。
JB4732以管板为对称轴，保持管板弹性系数不变，在管板的弹性范围内，计算它的热应力，但JB4732换热器无法计算管板的温度场，薛明德和吴强生[2]根据JB4732换热器的特性，以管板温度场和热应力为基础，提出一种新式的计算和分析管板温度场的方法，并进行了实验。
分析结果表明：管板区的内壳表面、管板区与非管板区的交汇处、管板与壳体过渡处，存在较大的温差，如果管板和管板孔相接触会使其温差加大，却会较少管板的表面热效应使管板出现一个相对均匀的温度梯度。
本文研究的换热器因为容易受压力和温度的影响，因此需要进行应力分析和疲劳分析。
本文固定管板式换热器基本设计参数如图1，基本结构如图2。
图1基本设计参数图2结构简图二、有限元模型建立1.材料参数本文使用不锈钢S31803材料建立模型，S31803材料具备良好的柔韧性和耐腐蚀性，能很好地防止固定管板式换热器腐蚀，同时，S31803材料导热性能良好，换热速度快，因此本文选择使用S31803材料建立模型。
S31803材料具体性能如下：温度/K弹性模量/GPa泊松比热膨胀系数/[10-6mm/( mm·K)]导热系数/(W/(m·K)设计应力强度/MPa423 .151900.313.416.1246.73831930.13.1515.5156.2.153343 .15196.40.31314.9258.3303 .152000.312.614.2258.7（二）材料尺寸本文以《钢制压力容器一分析设计标准》[3]为标准依据设计并制作了固定管板式换热器，为了更加精准进行换热器反应分析和疲劳分析，我们需要确定换热器各个部位的元件尺寸，本文因条件有限，同时为了计算方便，忽略设备自身的重量和介质的静压。
波形膨胀节对固定管板式换热器管板应力的影响
壳体在设置了波形膨胀节后 , 由于在轴向温差 应力的作用下 ,膨胀节使筒体产生了一个 δ ex的轴向
( 6)
变形 ,因此 ,壳体实际被拉伸量为 : δ- δ s =
( 7) 式 + ( 8) 式得 :
p ex L +δ ex Es A s
在半径 r 处的管板单位面积上 , 由流体压力和 管子约束力共同作用的轴向分布载荷 Pr 为 : p s ( A - A t) - pt ( A - A t) Pr = - f
A = ( A - A t)
A
( ps - pt) - f
袁强
波形膨胀节对固定管板式换热器管板应力的影响
・4 1 ・
式中 :
Y— — — 管子与壳体的单位长度热膨胀差 Es — — — 壳体材料的弹性模数 As — — — 壳壁厚度为 S s 的壳体金属截面积
根据虎克定律 :
P = Δl Es A s/ l
图3 管子与壳体的拉伸与压缩
Δl = Pl/ Es A s 故
Et na E na Pl QP Δl = t ・ ・ = Al Al Es A s A PQ f = KW + + K Yl A ( 1)
则 令
f =
Et na Et na (Δl + Y l ) W + Al Al Et na K = Al Et na Q = Es A s
由式 ( 3) 可得出以下结论 : 作用在管板单位面积 上的总载荷不仅和管壳程的压力 、 管子与壳体的热 膨胀差 ( Y l ) 有关 ,而且和管板的挠度以及壳体轴向 载荷 P 有关 。 在生产实践中 , 经对上百台换热器使用情况分 析 ,笔者认为 : 温差应力因素对管板影响占主导地 位 。对于同样材料 , 管 、 壳程的压力越大 , 管板就越 厚 。当管 、 壳程的压力较小时 ,压力对管板厚度的影 响相对温差应力的影响小得多 。往往在各强度都保 证的前提下 ,管板在温差应力的作用下需要很厚才 能满足要求 。而在筒体上设置一个或几个膨胀节 , 管板的厚度会明显减薄 , 这主要是由于膨胀节的设 置改善了变形协同关系 。 3 无膨胀节的固定管板式换热器轴向温差应力的 计算 固定管板式换热器的管子与壳体的拉伸与压缩 示意见图 3 。
膨胀节设计
通常在符合标准规定的前提下可直接选用，不需计算。对选用标准膨胀节时的注意问题说明如下。
标准规定，凡符合下列条件之一的膨胀节应设置内衬套:
(1)要求流量损失小，介质流动平稳的场合;
(2)膨胀节内的介质流速超过GB 16749标准中的表6-1规定的数值。
在EJMA标准中，为防止膨胀节在实验条件下发生屈曲，试验压力应低于或等于柱失稳或平面失稳的极限设计压力的1．5倍(柱失稳是指波纹管中部整体的侧向偏移，只有当波纹管的长度与直径之比比较大时，这种现象才会发生。
GB 16749未考虑柱失稳)。对于平面失稳，GB 16749规定，膨胀节在试验压力下，最大波距与受压前波距之比不得超过1．15，如果大于1．15，则认为膨胀节产生了平面失稳。
一方面，热膨胀差是由材料的温度和材料的线膨胀系数共同决定的;另一方面，热膨胀差对于管板及换热管中各项应力的影响十分复杂。因此，是否需要设置膨胀节必须通过全面地计算来决定。
2、选用GB 16749标准膨胀节时应注意的问题
GB 16749标准膨胀节的结构形式及尺寸是根据美国EJMA标准相关的公式及我国自1970年代以来引进的压力容器和换热器中膨胀节的结构尺寸，参照国内外有关国家标准、行业标准及制造厂的产品样本确定的，
GB 16749及EJMA标准中都将膨胀节位移量作为产生应力的因素，位移量是否合格完全是通过应力校核及疲劳寿命校核决定的，没有其他的限制条件。因此在设计非标膨胀节时，只要计算结果完全符合标准的规定，
那么无论是压力还是位移量就都在允许的范围。当然，保留必要的余量还是应该的。
(6)当各项应力超标时，按下述原则调整结构尺寸，并重新进行应力计算。
在标准中的内衬套是搭接在壳体内壁的，衬套内径往往会小于折流板或支持板直径，会造成管束组装困难。可以采用衬套与膨胀节对接的形式，见图1，使内衬套的内径与膨胀节直边段的内径一致。
固定管板式换热器膨胀节对实际设备运行的影响
固定管板式换热器膨胀节对实际设备运行的影响摘要：文章分析了实际设备运行中，膨胀节对固定管板式换热器的影响。
通过对固定管板式换热器轴向温差应力的计算，说明了膨胀节设置的合理性和必要性，并提出了膨胀节设置的一些注意事项。
关键词：固定管板式换热器；膨胀节；影响石油和化工等领域早已经广泛应用列管式换热器，而最常用到的就是固定管板式换热器。
其结构紧凑、简单，每根管子都能单独的清洗管内和更换。
相对于其他换热器，在同样的壳体内，固定管板式换热器的布管数量是最多的，由管子共同支撑两管板，其管板相对于其他换热器最薄，而且造价也低廉。
在列式换热器中，管板是一个重要部件，它不可过厚，因为会影响设备性能，并且还要消耗大量的金属。
因此，在管板的设计过程中要求设计者应采用各种办法降低其厚度，以减小温差应力和改善材料的性能等。
在设备运行中，管板受温差应力的影响较大；而设置膨胀节是减小温差应力的一种有效措施。
本文将分析灌顶管板式换热器受膨胀节的影响，并比较膨胀节有无两种情况下，管板受温差应力的影响。
1 换热器管板的受力分析在设备的实际运行中，管板不仅要承受壳程、管程介质的压力，还要承受壳壁、管壁温差产生的载荷。
通过实验研究所得出的结论也是如此。
实际生产中，在对多台换热器运行情况进行分析后，笔者认为：管板主要受温差应力的影响较大。
同一材料，壳程、管程的压力越大，所需要的管板则要更厚。
当壳程、管程的压力减小时，温差应力比压力对管板的厚度的影响要大很多。
在其他条件不变的情况下，管板厚度要很厚才能承受温差应力的作用。
如果在换热器上设置一个或多个膨胀节，管板的厚度也能相应的减薄。
2 管板有无膨胀节的受力分析2.1 无膨胀节的固定管板式换热器的管板受力分析固定管板式换热器的壳体和管子，是连接在一起的，在设备运行的过程中，壳程和管程的温度各自上升，使得各自长生形变，从而形成力的作用。
由于它们是连接一体的，所以，它们受到力的作用是相等的。
因此，壳体受到拉应力作用，管子受到压应力作用，这就是温差应力。
换热器、膨胀节
换热器、膨胀节
换热器何时需要设置膨胀节？本人理解是在换热器管板计算时如果壳程筒体的轴向拉应力、换热管的轴向拉应力、换热管与管板的拉脱力其中有一不合格就要设置膨胀节。
最近我们碰到一项目上有几台换热器，其中有一直径300，管程设计压力-0.1MPa，壳程正压，管程工作温度高于壳程，SW6计算怎么调整折流板间距都要设置膨胀节，除非把管板调整到50mm.最后设计时加膨胀节。
结果客户有疑问，老板责怪我们设备造价高，不经济，竞争不过人家。
各位遇到此类情况时有何高招？
并不能单纯的看温差来定的。
设备强度计算要更详细的一些数据，据壳体、换热管和管板与换热管的应力计算来确定，当壳程与管程温差较大时，温差应力过大，而管板、管束与壳体是刚性连接，承受拉力过大时，造成管子从管板脱出，或者壳体从管板脱出，这种情况下就需要设置膨胀节来缓冲这种应力，要不要加膨胀节不能仅凭温差，还要看管子壳体的材质，做受力计算，算着合格了，就不需要，不合格就要加膨胀节，折流板的间距很重要，详细请看GB151.
根据经验，假如管壳程材质不一样，管程为不锈钢，壳程为碳钢低合金钢，温差哪怕只有十几度，都有可能会需要加膨胀节，因为管壳程温度不一样，换热管和壳体筒体的材质类型不一样，膨胀量不一样，需要一个膨胀节调节这个膨胀量，否则管板会发生事故。
高温高压固定管板式换热器膨胀节更换技术
３ ４
力 墨／ａｌ℃位／ 爨 ‘系‘ ａ 压 福 移ｍ ／ 数秀Ｍ 力Ｍ 温／ 夯 作 工 度 Ｐ ｍ命次ｊ 尔 力 压 安 鼻 ／ 全 稳 Ｐ
１ 端环 ； ． ２加强环 ； ．波纹管 ； ．垫环 ； ．垫环。 ３ ４ ５
图 ２ Ｊ １１ Ｅ－ Ｄ新膨胀节装配图 ０
Ｆ ｇ ２ Ａｓｅ ｌ ｒ ｗｉ ｆ Ｅ・０ Ｄ ｉ． ｓ ｍｂ ｙｄ ａ ｎｇｏ １ １ Ｊ
ｎ ｗ ｅ ｐ ｎ ｉｎｊ ｉｔ ｅ ｘ ａ ｓ ｏ ｏ ｎ
管板 式换 热器结 构 的原 因 ， 更换 膨 胀 节 就必 需 先 要 把 膨胀节 采用 Ｈ Ｌ Ａ Ｆ剖 。若 采用 原先设计 方 案进 行
Ｈ Ｌ 剖修复 ， ＡＦ 则其强度不能满足 ， 而对于此类型换 热器膨胀节的更换， 前 尚无资料可参考。 目
１ 新膨胀节的设计
１ １ Ｊ －０ Ｄ 技术参 数 ． Ｅ １ １ 外型尺 寸／ ｍｍ： ５ Ｌ９０ ０Ｘ ３ ； Ｄ ５ ０Ｘ ０ ０
ａ ｏ ｉｃ ｌ ｎｇ ｃ ｒ ｕｍ ｆ ｒ ｎ ｅ ｄｉｅ ｔｏｎ ｅ ｅ ｃ ｒ ｃｉ
该换 热器 的壳 体膨 胀 节 为单 层 ７波 结 构 ， 度 厚 ３ｍ 材 质 为 ＩＣ Ｎ Ｌ２ ， 波 间 的平 衡 环 材 质 ｍ， Ｎ Ｏ Ｅ ６５ 每
Ｓ ５ ６ Ｒ ０ 颈部环 材 质 为 Ｓ ５ ６ Ｒ ０ 由于 固定 Ａ １Ｇ ６ ， Ａ １Ｇ ７ 。
／ＭＰ ａ
计压
８ ５ ．５
ｌ ． １７
３０ ５
关于固定管板热交换器壳程圆筒轴向应力的讨论
关于固定管板热交换器壳程圆筒轴向应力的讨论
固定管板热交换器是一种常见的热交换设备，用于在流体之间传递热量。
它由壳体和管束组成，其中壳体承受着内外两侧流体的压力和温度差，因此需要能够承受这些力而不产生变形或破裂。
在固定管板热交换器的设计和运行中，壳体的轴向应力是一个重要的参数。
轴向应力是指壳体在径向方向上受到的应力，它是由内外侧流体的压力差引起的。
轴向应力的大小会对壳体的强度和稳定性产生影响，因此需要进行合理的计算和控制。
壳体的轴向应力可以通过应力分析来计算。
一般情况下，固定管板热交换器的壳体可以近似看作是一个圆筒结构，因此可以利用圆筒的应力公式来计算轴向应力。
圆筒的轴向应力公式如下：
σ = (p * r) / t
其中，σ是轴向应力，p是内外侧流体的压力差，r是壳体的内径，t是壳体的壁厚。
根据这个公式，可以计算出在给定条件下壳体的轴向应力。
在固定管板热交换器的设计中，需要合理选择壳体的材料和尺寸，以确保轴向应力在允许范围内。
一般来说，壳体的材料应具有足够的强度和耐腐蚀性，可以承受内外侧流体的压力和温度差。
同时，壳体的尺寸也需要满足设计要求，以保证轴向应力在允许的范围内。
需要注意的是，固定管板热交换器在运行中还可能存在其他力的作用，比如温度变化引起的热应力和管束振动引起的震动应力等。
这些应力也需要进行合理的计算和控制，以确保设备的安全可靠运行。
固定管板换热器管板计算方法与步骤
《过程设备设计》课程作业题目：固定管板换热器管板计算方法与步骤、学院化工学院专学姓月日2019年业过程装备与控制工程固定管板换热器管板计算方法与步骤一、基本假设世界各国的管板的计算公式尽管形式各异，但其大体上是分别在以下三种基本假设的前提下得出的。
i.将管板看成为周边简支条件下承受均布载荷的圆平板，应用平板理论得出计算公式。
考虑到管孔的削弱，再引人经验性的修正系数。
如在力学模型上作了适当简化的美国TEMA方法。
i i.将管子当作管板的固定支撑而管板是受管子支撑着的平板。
管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。
如西德AD规范采用的计算公式。
实践证明，这种公式适用于各种薄管的计算i i i.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、同时又被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，又考虑了管孔的削弱作用，分析比较全面，现今已为大多数国家的管板规范所采用。
我国石油、化工、机械三部在1983年公布的《换热器设计规定》中所列入的管板计算公式基本上也是根据第三种假设经过比较严密的推导得出的，在国内获得了广泛的应用。
接下来的强度校核也是基于第三种假设。
二、管板设计的基本考虑GB151《管壳式换热器》所列人的管板公式基于的基本考虑是:把实际的管板简化为;承受均布载荷、放置在弹性基础上且受管孔均匀削弱的当量圆平板。
同时在此基础上还考虑了以下几方面对管板应力的影响因素。
1.管束对管板的支承作用在流体压力作用下管板将产生挠度与转角。
因管束与管板连接在一起，管束也将沿轴线方向产生压缩或伸长，管子端部产生弯曲变形。
管束对管板会起到约束的作用，具有减少管板中应力的作用。
考虑管束对管板挠度的约束作用，但忽略管束对管板转角的约束作用。
2.管孔对管板的削弱作用管孔对管板的削弱作用有两个方面：(1)减小了管板整体的刚度与强度。
(2)在管孔边缘产生局部的应力集中,在计算公式中是忽略不计。
论膨胀节在换热器中的应用
论膨胀节在换热器中的应用在换热器的设计和使用中，我们经常要碰到带有膨胀节的换热器。
这些膨胀节应用到换热器中到底能起到什么作用。
首先，膨胀节是一种能自由伸缩的弹性补偿元件，能有效的起到补偿轴向变形的作用。
当管束和壳体由于温差和压力作用变形不一致时，能吸收变形能，自动调节壳体和管束中的应力大小。
其次，在筒体上加上一个波纹膨胀节来吸收换热管和筒体的变形差，将会改善管板受力状况，减小管板的厚度。
应用到膨胀节最多的换热器是固定管板式换热器。
在哪些情况下，我们需要在换热器上设置膨胀节。
在设置膨胀节的时候，我们需要注意些什么。
膨胀节在应用时应该注意得事项。
我们现在用实际项目中出现的案例分析一下，见下图：本设备为硫回收项目中三级硫冷凝器。
本设备为BKM形式的换热器。
其壳程工作压力为0.15MPa，设计压力为0.4MPa，工作温度104~127.5°C，设计温度160°C，材质为Q345R；其管程工作压力为0.075MPa，设计压力为0.4MPa，工作温度228.4~130°C，设计温度250°C，材质为Q345R/0Cr18Ni9（其换热管材质为0Cr18Ni9）。
在使用SW6计算的时候，计算显示需要设置膨胀节。
让我们来分析一下此换热器需要设置膨胀节的原因。
我认为换热器温度高时、壳程管程受热金属材料变形膨胀速度不一致或膨胀量相差太大时就要加膨胀节。
其壳程材料为Q345R，其换热管材料为0Cr18Ni9，这两种材料的线性膨胀系数不同，从而导致膨胀量相差太大。
GB151中规定，当下述三个条件中任何一个不满足时，需要考虑加膨胀节。
1.换热器的壳体和管束的轴向应力满足强度条件，即壳体轴向应力σs≤3[σ]sτ φ管束轴向应力σb≤3[σ]bτφ2.换热器的壳体和管束的轴向压缩应力应满足稳定条件：壳体的压缩应力︱Nσs + Tσs︱≤B管束的压缩应力︱Nσb + Tσb︱≤[σcr]3.管板与换热管间的拉脱力q不得大于许用拉脱力[q](胀接)或3[q](焊接)过去有用管程平均金属温度和壳程平均金属温度差50℃作为设置换热器膨胀节简单依据，但是这种判断方法并不科学。
供暖 膨胀节 标准
供暖膨胀节标准如下：
1.安装要求：金属膨胀节不论是何种结构及安装形式，都是用来
补偿两端固定支架间管线的相对位移，即两个固定支架之间只
允许安装一只波纹膨胀节，否则膨胀节的补偿量会成为不确定
值。
其中住固定支架要求能够满足工况下轴向内压推力、弹力、
摩擦力、管道和管道内介质重量及由风载引起的其它力的合力
对固定支架的作用力。
2.直管压力平衡型膨胀节（ZYP）：该膨胀节由两端各一组工作波、
中间一组平衡波、及内对拉筒（或外拉杆）组成，对拉筒承受
传递压力推力，主要吸收管路中的轴向位移。
3.大拉杆横向型波纹膨胀节（DLB）：该补偿器主要由两个波纹元
件、中间管、环板组件、大拉杆组件等构成，主要补偿管路上
任意平面内的横向位移，拉杆承受传递压力推力。
4.万向铰链型波纹膨胀节（WJ）：该膨胀节关键的参数有通径、管
径厚度、压力、温度、介质、产品长度和位移量。
换热器膨胀节注意事项
换热器膨胀节注意事项换热器膨胀节是一种用于管道系统中的重要设备，具有承受温度变化和补偿管道热胀冷缩的功能。
在使用换热器膨胀节时，需要注意以下几个方面。
选择合适的材料。
换热器膨胀节通常由金属材料制成，如不锈钢、铜合金等。
在选择材料时，要考虑到管道所处的工作环境，如温度、压力等因素，并根据实际需要选择合适的金属材料。
同时，还要注意材料的耐腐蚀性能，以保证换热器膨胀节的使用寿命和安全性。
正确安装换热器膨胀节。
在安装换热器膨胀节时，需要根据实际情况确定其位置和方向，并保证与管道的连接牢固。
同时，还要注意安装时的预紧力和预拉伸量，以保证换热器膨胀节在工作时能够正常承受热胀冷缩引起的变形。
第三，定期检查和维护。
换热器膨胀节在使用过程中，可能会受到温度、压力和介质等因素的影响，因此需要定期进行检查和维护，以确保其正常运行。
检查时应注意观察换热器膨胀节的表面是否有裂纹、变形等异常情况，并及时进行修复或更换。
第四，避免超过额定温度和压力。
换热器膨胀节通常具有额定的温度和压力范围，在使用时应避免超过这些范围。
如果超过额定温度和压力，可能会导致换热器膨胀节失效，甚至造成系统泄漏或爆破等安全事故。
第五，注意防腐措施。
在一些特殊环境中，如酸碱腐蚀性介质的管道系统中，需要采取相应的防腐措施，以保护换热器膨胀节免受腐蚀的影响。
常见的防腐措施包括涂层防腐、衬里材料等。
第六，合理设计管道系统。
在设计管道系统时，应考虑到热胀冷缩引起的变形，并合理设置换热器膨胀节的数量和位置，以保证管道系统的正常运行和安全性。
正确使用和维护换热器膨胀节是保证管道系统正常运行和安全性的重要环节。
在使用时，需要选择合适的材料、正确安装、定期检查和维护，并注意避免超过额定温度和压力，同时采取适当的防腐措施。
通过合理设计管道系统，可以更好地发挥换热器膨胀节的作用，提高系统的可靠性和安全性。
换热器设计中设置膨胀节的判断和所需轴向伸缩量的计算
换热器设计中设置膨胀节的判断和所需轴向伸缩量的计算在固定管板式换热器设计中，当管程、壳程的温差和压力达到一定值时，必须在壳体上设置膨胀节；设置膨胀节后的固定管板式换热器，除换热器本身应按带有膨胀节的固定管板式换热器对各元件进行应力计算和校核外，还需对膨胀节本身的各项应力进行计算和校核，在计算中，必须用到膨胀节所需要的轴向伸缩量(或称设计伸缩量)。
由于历史原因，对固定管板式换热器要否设置膨胀节的判断和在膨胀节设计(或按产品标准选用标准膨胀节)中对膨胀节设计伸缩量的确定这二个问题，过去和现行的有关标准或未予提及，或作出了错误的规定或误导，致使在正确执行GB151—89“和]BI121-83(设计膨胀节》中存在某些不尽人意之处。
随着新国标《压力容器波形膨胀节》的制订和执行，在选用标准或设计非标准膨胀节中更需对上述问题加以明确。
本文对这二个问题作出了分析和提示。
l固定管板式换热器和膨胀节设计筒述固定管板式换热器由于管束和壳体通过二块管板予以固定，因而管束、壳体、管板三者在受载后的变形相互制约而构成了静不定系统，加上管、壳程正、负压力和正、负温差的各种组合，有时能使元件的压力应力和温差应力相互叠加，有时则能相互抵消。
在某些情况下，管板厚度的增加虽能够降低管板的应力，但由于管板弯曲变形的降低(管板的弯曲变形在一定程度上能够缓解管束和壳体之间的刚性约束，即起到一些和膨胀节相当的补偿作用)，却会使管子或壳体的轴向应力上升，这一趋势又和该换热器的载荷条件——由于管，壳程温差所引起的载荷和压力所引起的载荷比值等一系列因素有关。
限于篇幅，本文不拟对此进行详细分析，但由此可见，由于涉及因素之多，对在什么情况下应设置膨胀节以及在设置膨胀节后会引起哪些变化的问题，并不是可以简单地表示的。
不论采用何种方法设计膨胀节，基本上都可以从两个方面考虑压力和温差对膨胀节所引起的各项应力，一是由换热器管程压力对膨胀节引起薄膜和弯曲应力，二是由于要求膨胀节产生轴向伸缩量以起到补偿作用，对膨胀节沿轴向的拉伸或压缩使膨胀节产生薄膜和弯曲应力。
固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定
固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定摘要:换热器通俗来讲是同种流体间能够通过热能传递的一个机器装备。
不管是多种流体亦或者是固定粒子，相遇时将能够产生热接触。
换热器之所以在工业生产中受到重视，原因在于工业领域所需要的食品、能源等行业都有换热器存在，换热器在工业生产中占据重要地位，由于它的特点之一是能够对能源进行存储转换，因此在新能源利用中收到相当好的效果。
随着全球经济飞速发展，在能源利用上经常出现浪费资源等问题，工业生产带来的不仅是发展，也产生能源紧张的弊端。
因此，为了节约能源及寻求循环利用的办法，全球目前都致力于此项活动。
换热器之所以被广泛应用，很大一部分原因则是因为在化工生产中能通过合能源来进行转换回收。
换热器是由管板和换热管综连接而成的，因此若是结构不连续，局部产生应力集中或应力过大会造成换热管出现破败现象，导致产生各种质量问题。
综上所述，本文将详细讲述关于固定管板式换热器管板的应力分析和强度评定的必要性及出现问题后相关解决措施。
关键词:固定管板式；换热器管板；应力分析和强度引言:关于工业企业生产过程中的机器设备换热器，它分为四种种类，有接触式，蓄热式，间壁式和中间载体式几种，但厂里最常用的乃是表面式换热器，而固定管壳式换热器则是间壁式分类而来，它的结构特点是十分坚固，且适用范围广，能够承受住企业较大的操作压力，之所以如此受企业青睐，其中的原因是生产成本低，清洗操作方便。
尽管在科技高速发展的时代有各类新型换热器出现在市场，但固定管板式换热器依然占据主导地位，则是因为它的优点多。
一、关于固定管板式换热器管板的应力分析和强度必要性固定管板式换热器之所以站在主导地位，则是因为它造价成本低，受众范围广，且能承受压力大。
且它损坏之后可以进行更换，简单快捷。
尽管固定管板式换热器拥有众多优点，但也存在一定硬伤，它由于结构原因容易导致管束与壳体之间的壁温过大而泄露，或者封口被腐蚀等，当它产生较大热应力，将会致使换热管失效或运行停止。
换热器膨胀节简介
换热器膨胀节简介设置原因固定管板式换热器换热过程中，管束与壳体之间有一定的温差，而管板、管束与壳体之间是刚性地连在一起的，当温差达到某一温度时，由于过大的温差应力往往会引起壳体的破坏或造成管束弯曲，故温差应力很大时，可以选用浮头、U形及填料函式换热器。
但上述换热器的造价较高，若管间不需清洗时，亦可采用固定管板式换热器，但需要设置温差补偿装置，如膨胀节。
作用膨胀节是安装在固定管板式换热器壳体上的挠性构件，由于它的轴向挠度大，不大的轴向力就能产生较大的变形。
依靠这种易变形的挠性构件，对管束与壳体之间的变形差进行补偿，以此来减小因温差而引起的管束与壳体之间的温差应力，同时也有利于管束与管板连接处不被拉脱。
膨胀节还可应用于各种工业设备、机械和管道上，作为补偿位移和吸收振动的构件。
结构形式膨胀节最主要的部分是波纹管（亦称波壳）。
波纹管横截面的形状有多种形式，通常有平板膨胀节、Ω形膨胀节、波形膨胀节等，如下图所示。
而在生产实践中，应用最多的是波形膨胀节，其次是Ω形膨胀节。
前者一般用于需要补偿量较大的场合，后者多用于压力较高的场合。
膨胀节器壁越薄，柔性越好，补偿能力就越强，但所能承受的压力就越低。
波形膨胀节一般有单层和多层两种形式。
若器壁采用多层，则所能承受的压力就会增高，而且仍能保持较大的补偿能力。
采用多层波形膨胀节的结构比单层膨胀节具有很多的优点，因多层膨胀节的壁薄且多层，故弹性大，灵敏度高，补偿能力强，承载能力及疲劳强度高，使用寿命长，而且结构紧凑。
若要求更大的补偿量时，可采用多波膨胀节。
膨胀节一个波的补偿能力由其形状尺寸和材料等决定，如波高越低，耐压性能越好而补偿能力越差；波高越高，波距越大，则补偿量越大，但耐压性能越差。
固定管板换热设备之膨胀节
固定管板换热设备之膨胀节第一篇：固定管板换热设备之膨胀节带膨胀节固定管板式换热器一、固定管板式换热器的概述固定管板换热器管束连接在管板上，管板与壳体焊接，如下图所示。
结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便。
管束与壳体的壁温相差较大时，为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置膨胀节来吸收热膨胀差。
二、固定管板式换热器的结构三、固定管板式换热器的特点1、固定管板式换热器的优点（1）传热面积比浮头式换热器大20%-30%。
（2）旁路漏流较小。
（3）锻件使用较少，成本低20%以上。
（4）没有内漏。
2、固定管板式换热器的缺点（1）売体和管子壁温差一般易小于等于50℃,大于50℃时应在売体上设置膨胀节。
（2）管板与管头之间易产生温差应力而损坏。
（3）売程无法机械清洗。
（4）管子腐蚀后造成连同売体报废,売体部件寿命决定管子寿命，故设备寿命相对较低。
四、固定管板式换热器的应用1、需要少用接头的场合。
2、温度条件对热应力不成为问题。
3、壳侧流体清洁，无需移动管束。
6、膨胀节焊接在固定管板式换热器壳体上的膨胀节轴向柔度大、容易变形，可补偿管子和壳体因壁温不同产生的热膨胀差，降低它们的轴向载荷，从而减小管子、管板和壳体的温差应力，避免引起强度破坏、失稳破坏和管子拉脱破坏。
膨胀节的种类较多，常用的有波形、平板和Ω形等结构，其中波形膨胀节应用最广泛。
第二篇：固定管板换热器优化设计分析论文一、引言换热设备是核电、化工、石油及其他许多工业部门广泛使用的设备，其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适用性，至今仍占据主导地位。
在固定管板换热器中，壳体，管板和换热管之间为刚性连接，在各种载荷作用下的变形必须互相协调。
本文采用有限元分析的方法，计算固定管板换热器在内压和温度载荷耦合场的作用下，其管板所受的应力，并分别计算了不同厚度的管板所受的应力，以获得管板厚度与应力的关系。
二、工作条件与结构本文以核电厂的某冷却器为例，该换热器为固定管板式换热器，壳体为Ф219.1×4mm，换热管为Ф19×2mm，正三角形排列，管板上共布了26根管子，管板厚度为30mm，壳体厚度为4mm，壳侧材料为022Cr19Ni10，管侧材料为022Cr17Ni12Mo2。
膨胀节的设计要点分析
膨胀节的设计要点分析【摘要】主要论述了固定管板式换热器中设置膨胀节的因素、膨胀节的设计计算以及如何避免设置膨胀节。
【关键词】固定管板式换热器膨胀节设计在固定管板式换热器设计中，经常会遇到需要设置膨胀节的问题，其中以固定管板换热器壳程设置膨胀节居多，本文仅讨论固定管板换热器中膨胀节的设计。
一、膨胀节的定义由一个或几个波纹管及结构件组成，用来吸收由于热胀冷缩等原因引起的设备尺寸变化的装置。
二、设计工况对于固定管板换热器，一般有多种设计工况，包括正常操作工况、开车工况、停车工况、事故工况等。
除非能定性判断某些工况设计条件苛刻程度低于其他工况，否则应对每种设计工况逐一核算，因经常出现在正常操作工况下设备不需要设置膨胀节或设置膨胀节是安全的，而在其他工况下才需设置膨胀节或需改变膨胀节的结构参数。
值得注意的是，如果工艺条件仅提供了正常操作工况的设计条件，应要求工艺专业补充提供其他工况下的设计条件。
三、何时需设置膨胀节在管板计算中按有温差的各种工况计算出的壳体轴向应力、换热管轴向应力、换热管与管板之间的连接拉脱力中，有一个不能满足强度条件时，就需要设置膨胀节。
四、如何避免设置膨胀节膨胀节是固定管板换热器中比较薄弱的环节，在设计中应尽量避免，可参考以下几点方法。
（1）首先应从工艺流程角度考虑，工艺通过采取一定措施即可避免某些设计工况的出现，从而避免设备设置膨胀节。
（2）在压力降允许的情况下，减小折流板间距。
（3）在费用估算可行的情况下，可通过适当增加管板厚度，以避免膨胀节。
（4）在工艺介质允许和经济合理的情况下，可通过更换壳程筒体或换热管材质以减小膨胀差，达到避免膨胀节的目的。
五、膨胀节的计算GB16749―1997《压力容器波形膨胀节》规定了金属波纹管膨胀节的设计、制造、检验、验收、贮存、安装及基本参数与尺寸等。
非标膨胀节的设计可按照此标准进行计算，其设计、制造、检验、试验和验收不应低于此标准的要求。
以下讨论用 SW6 程序进行计算时的几种情况。