GB151中U形管式换热器管板设计方法的改进

、
让． 当 ， 为 定值 时方程 的系数 只与 Ｋ，
有关 。联立 解线性 方程 组 （ ８ ）～ （ １ １ ）式 ，可
穗
图４ ｅ 、ｆ 型管板 的法兰预紧力矩作用
一
求 得 、 、与 、Ｋ， 的关 系式 。
由压 力 引起 的 管 板 应 力 在管 板 中心 ｒ ＝０ 处， 与环形 板交 界的 当量 圆板 ｒ ＝Ｒ 处， 以及环 形 板边缘 ｒ ＝Ｒ三 处可能得 到最大 值 。
按照现行 的法 兰设 计 规定 ．法 兰力矩 的计
当 密封面 处没有介 质作 用时 ， 即图 １ （ ｅ ） 型
结 构 只受 到管程 压力 Ｐ ， 作用 ， 或 图 Ｉ（ ｆ ）型结
算 应 区别预 紧情况 和操作情 况 ，即密封 面处有
无介质作 用两种情 况按 不 同方 法分别 计算 。
・３ ４・
对于管板 中心处 ，ｒ ：０时 ，则 ： Ｃｌ ｏ —ｃ ．（ ．Ｋ， ）
一
由式 （ １ ６ ） 、（ １ ７ ）可求 出 Ｃ （ ，露， ）和
Ｃ （ ， ， ）曲线，由 （ １ ４ ）式 知 ， （ ，
４ ［
ａ
一６ ］ ｊ
（ … １ ６ ）
・３ ２・
上 日 ｎ 上 一 旨 ＾ ¨ Ｐ
图 ３ 管板受 力图
（ ３ ）对于延长部分兼作法兰的管板 （ ｅ 、ｆ
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压
力
容
器
型） ，由管板 与法兰 共同承 受法 兰力矩 。 假定法 兰预紧 力矩 为 肘＾ ，以半径 为 Ｒ的
Ｋ１ ）＝ＭＲ 。至此 ，用式 （ １ ４ ） 、（ １ ５ ）即 可求得 压 力作用 下 ｒ ＝０ 、Ｒ ， 、Ｒ三 个校核 点的 应力 。
对 于管板 布管区与 环形 板接 茬 点 ．ｒ ：髓 处 ：
Ｃｌ ， － ｒ ， ＝ ｅ （ ｜ 。 ， ，霞 ， ）一一ｉ ３ ｚ －
（ １ ７ ）
数 。当量 圆板边缘 无量纲 转 角为
㈨ ‘ ，
式 中 ．Ｋ ，Ｋ№ 。Ｋ ，ＫＲ Ｐ Ｋ ．Ｋ｜ Ｘ 的表达 式见 文献 ［ ７ ３ ， 它 们仅 仅是 与 的 函
设在
作 用下管 板与 法兰 间相互 作 用的
弯矩 为 Ｍ ＋ 其 正方 向见 图 ４ 此 时在 管板 内部
的设计方法 ，扩大其适用范围 ，并与标准中固 定 式换热 器管 板 的设计 方法 相协 调 ，在新 版的 Ｇ Ｂ １ ５ １ 一 × ×中对 ｕ 形管式换热器 管板 设计
・ 本文的研究工 作得到棱工业科学 基金的 赏助 。
中较大半径， 对于 （ ａ ）型结构 ． Ｒ即是垫片压
－
・３ ｌ・
型管板在压力作用下的力学模型分别见图 ２ 。 （ ２ ） 管板可以近一步分解 为两个元件，中
间部 分 为 受到 开 孔 削 弱 的规 则 排 列 的 多 孔板 ， 折算 成 为一块 半 径 为 亿 ， 厚度仍为 ｄ ， 但刚度、 强 度都 受到 削弱 的当量 均质 圆板 。在 计算 该 圆 板 的 刚度 削弱 系数 和强 度 削弱 系数 时 ，应 考 虑焊 接 或胀 接 于管板 的管子 对开 孔板 能 起到 一 定 的 加强作 用 ｝但 与 固定式 ，浮 头式 管板 不 同 的是 ，ｕ 形 管 对 管 板 没 有弹 性 基 础 支 承 作 用 。 在管板 的边缘 部分 是 一 圈非 布管 区 ，简 化 为 内
方 法作 了较大 的改 进 。 本 文仅 对 标准 中 ｕ 形 臂 式 换 热 器 管 板 设 计方 法 的原理进 行 详细 的介 绍 。
１ Ｇ Ｂ １ ５ １ 一 ××中 ｕ型蕾式换热器蕾板 计算方法的力学模型
（ １ ） 不同结构型式的管板边缘支承条件的 描述在管板与壳体的连接处， 如图 １ （ ｂ ） 、 （ ｃ ） 、 （ ｅ ） ．或管板 与管箱 的连接 处 ．如 图 １ （ ｂ ） 、 （ ｄ ） 、 （ ｆ ） ， 用一个假想的圆柱形截面将管板与边 缘 结 构分 开 ，管 板半径 为 Ｒ； 对于 （ ｂ ）型结构
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Ｇ Ｂ１ ５ １中 Ｕ形管式 换热器管板 设计 方法 的改进
紧力 作用 中心 圆半 径 ，管 板边缘 为简 支 。于是 对 于 图 １中六 种结 构 型式 的管板 边 缘 的约 束 条 件 可 以统 一地 表示 为 ：
Ｋ， 吼 一 Ｍ （ １ ）
量 纲转 角分 别满 足 ：
（ ７ ）
将 （ １ ２ ） 、（ １ ３ ）式 写成 通 常的管板 设计公
式形式 ：
一
根据 弹性 薄板理 论 ，环板 外缘 与 内缘的无
ｃ （ 譬 ） ｚ
（ １ ５ ）
・３ ３・
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Ｇ Ｂ １ ５ １中 Ｕ形管式换热 器管板设计方法的改进
号 ｃ （ ｐ ｓ － （ …）
Ｊ ， 。 ＝ 一 （ 一 ） （ 鲁 ） 。
管板 壳 程侧 表 面 的 应 力 则取 （ １ ２ ） ～ （ １ ４ ）式的相 反数 。
由轴 向力平 衡条 件可 知 ： Ｖｔ ＝音 （ －ｐ ， ）兄 ， ＾ 一÷ （ Ａ— ）Ｒ
铷 一 一
一 一
＋ 十
＋ 十
＋ 十
㈣
单 位 圆 周 长 度 上 作 用 的 力 矩 表 示 ，其 值 按
ＧＢ １ ５ ０的法 兰设 计规 定 ，根据 密封面 处有 无介 质 的不同 工况分别 予 以计算 。
．
； ｒ ＝ ～ 一 燕十 ＋ ＋ 十 十 ＋
的当量圆 板 （ 多孔 板 ）与环 形板 之 间相互 作用 有横 剪 力 。 和 弯矩 肘 其正方 向与 图 ３所示 的 。 和 方 向相 同。
卿一一百
）
将 （ １ ）式 无量 纲化 ，有
Ｋ ，・鲰 ＝ Ｍ Ｒ （ １ １）
式（ ８ ） ～（ ｉ ｉ ） 中只有 四个 未知 量 ＾ 、 Ｍ、
关 键 词 ： 篓ｓ ｗ 堕 ｅ ｌ １ ． 墼 兰 量 兰 弘ｒ 才 ｄ
：
／ ２ ７ 模 型
ｕ 形 管式换 热 器 见诸于 多种 行业 ，应甩十 分 广泛 ，根 据不 同的设 计 要求 其管 板周 边支 承 连 接 结 构 可 以有 图 ｌ所 示 的 各 种 形 式 ，但 是 ＧＢ １ ５ １ —８ ９中 的 设计 公 式 仅 仅 针 对 了周 边 简 支且 为全布管 的 当量 圆板 。即 图 ｌ中的 ａ型结 构 ，没 有考 虑管 板周 边不 布管 区的 存在 以及边
兰预 紧 力矩 ＾ ，并进 一 步叠 加 压 力 作 用与 法
Ｐ ． 作用时 ，应先计算法兰密封面上法兰力
譬 晕 崔
话 难
图 １ 管板 周边 的支 承型式
根 据 不 同的 边缘 结 构 ， ， 具 有 不 同的表 达 式， 其原理 同固 定式换 热器 管板 ： ， 六 种 结构 的 具体 表 达式 见 ＧＢ ｌ ５ １ 一 ×× ，当 Ｋ， ＝０时 ，管 板 周边 为简支 ，即 （ ａ ）型结 构 ；当 Ｋ， 一。 。 时， 相 当于 管 板周边 为固支 。 图 １中所 示 的六种 类
半径 为 Ｒ ，外 半径 为 Ｒ 的 圆环形 板 。当量 圆板 与环形 板 之 间相 互作 用有剪 力 Ｖ。 ， 弯矩 Ｍ ， 其 正方 向如 图 ３所 示 。
式中
仕—— 管板 边缘 转 角 ； Ｍ —— 管 板 与边 缘 结 构 相 互 间作 用 的
弯矩
’
Ｋ＿ 广一 管 板 边缘 旋转 刚 度参 数 。
若 壳程 圆筒 与 管箱 圆筒 内径 不同时 ，Ｒ取 二 者
缘的多种连接结构型式 ，也不能计算法兰力矩 对管板的作用。近年来美、法等国家的计算方 法都考虑了管板周边不布管 区的影响．以某些 简化 办法 考虑 了管板 周边 的不 同结 构 型
式 。为 了完善我 国 ｕ 形管 式 换 热器管 板
ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｒ ｓ ｉ ｓ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ． ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｗｉ ｌ ｌ ｂ ｅ ｉ ｓ ｓ ｕ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｗ ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ＧＢ１ ５ １ － × × ． Ａｎ ｄ ａ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ＧＢ１ ５ １ — ８ ９ ａ ｎ ｄ ＧＢ１ ５ １ － × ×
２ 壳 程 压 力 与管 程 压 力 作 用下 管
板应 力分 析
该 三 处 管板 管 程 侧 表 面 的 径 向弯 曲应 力 将 前述各 物理量进 行 无量纲 化 ，令
一
为
：
簧
㈤ … 一 ［
～ ］
，一
鲁 ，
ｃ 。
（ ４ ）
一 譬 ［
６ 砘］
一
构 只受 到 管 程压 力 作 用时 ，法 兰预 冯力 矩
＾ 应 按 Ｍ － 计算・
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篓
壁
＝
十
Ｈ
） Ｍ ’
一
Ｍ 一
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Ｍ
图８ ｆ 型管板受力分析 ＋管 程压力与法兰力矩作用
Ｌ ＿ ／＝
一
图 ９
当 密封 面处 有介 质 作用 时 ，即 图 １ （ ｅ ）型 结构 在管 程 压力 Ａ 作用 时 ，或 图 １（ ｆ ）型结 构
一
（ Ｄ ｅ ） ：
（ １ ２ ）
面一
； 一
㈣
：
对 于板 中不 同位 置处 的转 角、弯矩 ， 以 Ｒ、
— 一
ｆ 等不 同下 标予 以分 别 表示 。Ｄ 为板 的弯 曲剐