管壳式换热器的强度计算

▪ 1.管板太薄，因流体压力和温差应力的作用， 产生过大的翘曲变形，从而破坏了结构及管、 壳程之间的密封。
▪ 2.在壳壁和管壁中产生过大的轴向应力，当 它超过材料允许的极限时，则壳体或管子将 遭到破坏。
▪ 3.由于管子受到的轴向力过大，使管子和管 板在胀接连接处被拉脱，换热器遇到破坏。
▪ 设计换热器时必须对上述情况充分考虑并进 行强度计算，以免发生此类破坏。
管壳式换热器的强度计算
▪ 换热器的受力情况与容器有所不同，如固定 管板式换热器，壳体和管壁除受壳程和管程 的流体压力产生的轴向应力和周向应力外， 还受到管、壳壁温差造成的轴向温差应力。 因此，尽管换热器的壳体、管子、封头、法 兰、开孔等按一般受压容器计算的强度得到 满足，但在操作时仍然可能。遇到下列几种 特有的破坏情况：
▪ 2．将管束当作弹性支承，而管板则作为放置 于这弹性基础上的圆平板，然后根据载荷大 小、管束的刚度和周边支承情况来确定管板 的弯曲应力。由于它比较全面地考虑了管束 的支承和温差等影响，因而比较精确，但计 算公式较多，计算过程也较繁杂。在大力发 展电子计算技术的今天，是一种有效的设计 方法。
▪ 3．取管板上相邻四根管子之间的棱形面积， 按弹性理论求此棱形面积在均布压力作用下 的最大弯曲应力。由于此法与管板实际受载 情况相差甚大，仅用于粗略计算。
▪ 管板厚度应同时考虑上述弯曲强度、剪切强度 及管板最小厚度三项因素，从中取最大厚度， 然后加上厚度附加量。
(二)基于安置在弹性基础上的圆平板的强度计算
▪ 由于管板结构的复杂，影响管板强度的因素 很多，所以正确地进行管板强度分析是比较 困准、复杂的。现行各国规范的管板厚度计 算公式，都是对实际管板作一定的假定简化 而得到的近似公式。由于所采用的假定简化 各不相同，与真实管板受力状况必然有程度 不同的差别，造成在同样条件下用现行的各 国规范计算公式算得的厚度差别很大。这些 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。
▪ 3.认为管板是弹性基础上受均布载荷的多孔圆板， 既考虑到管子的加强作用，又考虑到管孔的削弱作 用。因此分析问题比较全面。如英国BS标准推荐的 计算公式。
▪ 我国制定管板公式时，研究了各国规范管板公式的 上述现状，对英国BS1515规范、美国TEMA规范、 日本工业标准（JIS）、苏联PTM42-62规范等规范 中的管板公式进行了分析比较，吸收它们的合理因 素，摒弃它们与实际不相符合的因素或错误的部分， 对管板厚度计算公式重新进行了理论推导，制定了 我国自己的管板设计规定。管板计算公式基本上也 是根据第3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。
（一）基于圆平板的强度计算
▪ 管束对管板支承作用的大小随换热器结构形 式而异。固定管板式换热器管束对管板的支 承作用最为显著，而U形管式换热器的管子 对管板不存在支承作用，浮头式和填函式换 热器的管束和壳体可以自由变形，仅由于两 管板的变形通过管束相互制约而存在支承作 用。管板的计算可按受均布载荷的平板考虑， 并针对实际存在的管束对管板的不同支承作 用，对不同类型的换热器，用不同的结构系 数K予以修正。
▪ 1．将管板当作受均布载荷的实心圆板，以按 弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要 依据，并加入适当的修正系数以考虑管板开 孔削弱和管束的实际支承作用。这种设计方 法对管板作了很大简化，因而是一种半经验 公式。但由于公式简单，便于运算，同时又 有长期使用经验，结果比较安全，因而有些 管板厚度设计公式仍以此作为基础。
▪ 关于筒体轴向应力校核、管子轴向应力和拉 脱力校核 参见 聂清德 主编的《化工设备设
计》101～ 103页及109～ 111页的例子。
管壳式换热器结构设计
▪ 1.壳体、管箱壳体和封头的设计 1.1壁厚的设计 1.2壳体、管箱壳体和封头的尺寸及质量 1.3进出口设计 （接管外伸长度；接管与筒
体、管箱壳体的连接；排气、排液管） 1.4接管最小位置（壳程接管位置的最小尺
▪ 1.将管板看成为周边支承条件下受均布我荷 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。 如美国TEMA标准，日本工业标准所采用的 简单而实用的公式，但其局限性较大。
▪ 2.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 板的强度校核。
寸；管程接管位置的最小尺寸）
▪ 2.管板与换热管 2.1管板 管板结构；管板的最小厚度；管板尺寸； 管板质量计算。
2.2换热管 换热管的规格与尺寸偏差；换热管的排列
型式。
2.3管程分程
▪ 3.壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接 3.1壳体与管板的连接结构 3.2管板与法兰的连接 固定式管板；可拆式管板 3.3管子与管板的连接 胀接；焊接；胀焊并用
▪ 圆平板在各种不同支承条件下，按板的弯曲强 度为依据的管厚tc设计公式的一般形式为：
tc Dc
Kp
t
C
（1）
▪ 将管板简化为圆平板按弯曲强度为依据的管板 厚度tc的设计公式与上式非常相似，即:
tc

KDc 2
p
t
C
（2）
▪ 比较上述两式可以发现：式(2)中的K/2相当于式 (1)中的 K，所以式(2)中的K基本上仍是取决于
▪ A。——周长L。所包围的总面积，mm2。
▪ 其他符号的意义、单位及确定方法同式(2)。
三角形布管
正方形布管
▪ 此外，为满足制造工艺要求，管板还须有足够 的厚度。胀接时，为保证胀接的可靠性，管板 的最小厚度（不包括厚度附加量）按GB151选 取。
▪ 管子和管板采用焊按连接时，由于焊接可以达 到甚至超过管子本身的强度，所以只要管子强 度足够，管板最小厚度可不受此限制，而由焊 接工艺及管板焊接变形等要求来确定。
t
▪故
t

0.25 Do
t
p
▪ 式中 []t ——管板材料在设计温度下的许用 剪应力，取[]t=0.8 []t
▪ t ——不包括附加量的管板厚度，t=tc-C。
▪ 考虑管板开孔削弱系数为(1-do/to)，则管板 按剪切强度的计算公式为：
t 0.309Do p
t 1 do to
▪ 4.其他各部件结构 4.1膨胀节 4.2折流板或支撑板 折流板的型式、尺寸管孔、外直径及允许 的偏差、布置等
4.3防冲与导流 4.4拉杆与定距管 4.5防短路结构
（3）
▪ 式中 to ——管孔中心距，mm；
d。——管子外径，mm；
D。——布管区最外圈管子中心圆直径，mm
▪ 当布管区不是圆形时，则D。为布管区外缘 管子中心连线所限定的周边当量直径，即
Do

4 Ao Lo
▪ 其中 L。——最外圈管子的中心距分段测量 叠加后所形成的布管周长，下图给出了按典 型的三角形和正方形规则布管时的周长L。 （图中粗线表示），mm；
▪ P ——设计压力（取管程压力pt与壳程压力ps中的较 大者），MPa；
▪ []t——管板材料在设计温度下的许用应力，MPa。
百度文库
不同支承的管板计算直径
▪ 对管板还需进行剪切强度校核。当管板上布
管区为圆形时，设最外圈管子中心圆直径为
D。，根据外载和剪应力之间的平衡关系：

4
Do2
p

Dot
支承情况的系数。两式中其他各项形式上相同， 整体管板＝1，但由于管板设计中需考虑开孔 及温差影响，因此含义略有差异。
式(2)中：
▪ C ——附加厚度，mm；
▪ Dc——管板计算直径（当用螺栓与法兰连接时，取 垫片平均直径；对焊接于壳体上的管板，取壳体内 径，如下图1所示），mm；
▪ K ——结构系数，与换热器型式、管板的结构有关， 对管子为直管，固定管板与浮动管板K=1.0，对U形 管，找相关资料查取；
▪ 可见，换热器强度计算应包括两部分内容， 第一部分是作为受压容器，计算筒体、封头、 法兰、开孔、支座等，这与一般容器设计相 同；第二部分是换热器特有的强度计算，包 括管板厚度计算、筒体轴向应力校核、管子 轴向应力和拉脱力校核等项。如果换热器采 用膨胀节，则还需进行膨胀节的计算。
管板的强度计算
▪ 管板的结构如下图所示，它与一般的圆平板 有相似之处，但差别亦不小。主要是管板上 的开孔和同管板连接在一起的管束对管板强 度的影响等。目前一些管板厚度设计公式因 对各影响因素考虑不同而有较大差异。根据 不同的设计依据，管板厚度的设计公式可概 括为下列几类：