波纹管换热器管板的设计计算与强度校核
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
换热器管板设计
换热器管板设计计算管析是管壳式换热器的主要部件。
管板的设计是否合理对确保换热器的安全运行、节约金属材料，降低制造成本是至关重要的。
在此采用GB151标准中管板计算方法来设计计算管板。
（1）管板采用延长部分兼作法兰的管板形式。
结构如图2.2所示，图2-2 管板结构图结构尺寸数据列表2－6：（2）计算A ——壳程圆筒内直径横截面积，2mm ；222i 0.785800502654.84π==⨯=D A mms δ——壳程圆筒的厚度，mm ；s A ——圆筒壳壁金属横截面积，2mm ；2i () 3.148(8008)20307.3πδδ=+=⨯⨯+=s s s A D mmt δ——换热管壁厚，mm ；a ——单根换热管管壁金属横截面积，2mm ；2o () 3.14 2.5(25 2.5)176.6πδδ=-=⨯⨯-=t t a d mm2220176.638857.5=⨯=na mml A ——管板开孔后的面积，2mm ； 对于固定管板式换热器2223.1425502654.8220394662.644π⨯=-=-⨯=o l d A A n mmd A ——在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，面未能被换热管支承的面积，2mm ；对于三角形排列2'(0.866)1832(600.86632)18598=-=⨯⨯-⨯=d n A n S S S mmt A ——管板布管区的面积，2mm ； 对于多管程，三角形排列的换热管2220.8660.8662203218598213690.5=+=⨯⨯+=t d A nS A mmt D ——管板布管区当量直径，mm ；708.9===t D mmt E ——换热管材料的弹性模量，MPa ；L ——换热管有效长度（两管板内侧间距），mm ；t K ——管束模数，MPa ；对于固定式32061038877.23842.6(300060)708.9⨯⨯===-⨯t t t E na K MPa LDi ——换热管的回转半径，mm ；0.258===i mmcr l ——换热管受压失稳当量长度，mm ； 按GB151图32，确定为320=cr l mm[]σcr ——换热管稳定许用应力，MPa ；r C ——系数127.9r C ππ===因32040127.98==<=cr r l C i 故有/1140[]12451103.362222128σσ⎡⎤⎡⎤=-=⨯⨯-=⎢⎥⎢⎥⨯⎣⎦⎣⎦t cr cr s r l i MPa C λ——系数394662.60.785502654.8λ===l A A Q ——换热管束与圆筒刚度比，当壳体不带波形膨胀节时20638877.21.8920920307.3⨯===⨯t s s E na Q E A β——系数38877.20.098394662.6β===l na A s ∑——系数0.60.60.4(1)0.4(1 1.89) 2.60.785λ∑=++=++=s Q t ∑——系数110.4(1)(0.6)0.4(10.098)(0.6 1.89) 3.60.785βλ∑=+++=⨯+++=t Q t ρ——系数708.90.886800ρ===t t i D D K ——换热管加强系数12128001.318 6.0530＝[[=⨯=Kk ——管板周边不布管区无量纲宽度(1) 6.05(10.886)0.69ρ=-=⨯-=t k Kυ——管板材料泊松比，取0.3υ=μ——管板强度削弱系数，一般可取0.4μ=η——管板刚度削弱系数，一般可取μ值f δ——管板延长部分的法兰（或凸缘）厚度，mm ；f δ'——壳体法兰（或凸缘）厚度，mm ； f δ''——管箱法兰（或凸缘）厚度，mm ；ω'——系数，按//s i f i D D δδ'和查GB151图26，得0.00021ω'=；ω''——系数，按//h i f i D D δδ''和查文献[3] 图4-24得0.00063ω''=； f K ——管板边缘旋转刚度参数，MPa ； 对于固定管板其延长部分兼作法兰f f K K '=f K '——壳程圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，MPa ；3333221[()]12122091070230[()0.0002120910]12800708004.8δω''''==++⨯⨯⨯⨯=⨯⨯+⨯⨯+=f f f f f s i f iE b K K E D b D MPaf K ''——管箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，MPa ；3333221[()]12122091070230[()0.0006320910]128007080017.7δω''''''''=++⨯⨯⨯⨯=⨯⨯+⨯⨯+=f f f f h i f iE b K E D b D MPaf K ——旋转风度无量纲参数； 对于固定式管板 33.14 4.89.810441431.2π-⨯===⨯⨯ff tK K K1m ——管板第一弯矩系数，按f K K 和查GB151图27,得10.13=m 2m ——管板第二弯矩系数，按K Q 和查GB151 图28,得2 2.14=mm ——管板总弯矩系数120.130.3 2.140.6110.3υυ++⨯===++m m m1G ——系数因0m >,所以取11e i G G 与中较大值。
不锈钢薄壁波纹换热管强度的有限元分析
不锈钢薄壁波纹换热管强度的有限元分析不锈钢薄壁波纹换热管是一种广泛用于工业过程中传热和分离液体的热交换器。
近年来，由于换热器涉及到工艺流程的可靠性、安全性和可靠性，越来越多的企业开始对薄壁波纹换热管结构的强度进行有限元分析，以确保其正常运行。
本文旨在探讨不锈钢薄壁波纹换热管强度的有限元分析，为提供合理的分析结果提供资料参考。
二、不锈钢薄壁波纹换热管强度的有限元分析1．换热器强度分析原理换热管，也称为换热器，是一种用于在热液体或气体中交换热量的装置，以达到将热液体从一侧流动到另一侧的目的。
因此，换热器的强度是传热的关键，同时也是换热管的安全性的基础。
本文使用有限元方法来分析不锈钢薄壁波纹换热管的强度，以确定其结构的实际性能。
2．模型建立在分析不锈钢薄壁波纹换热管强度之前，必须建立一个精确的模型来代表换热管，并完成有限元网格划分。
一般来说，换热器结构模型可以分为三个部分：波纹外壁、波纹内壁和大管外壁。
在建立模型时，首先需要确定模型维度，然后根据实际情况选择模型的网格方式，最后分析计算有限元网格的有效结果。
3．换热管强度分析模型为了验证不锈钢薄壁波纹换热管的强度，可以使用ANSYS结构有限元分析软件建立换热管强度分析模型。
首先，该模型中的荷载可以设定为温度场，以分析换热器的强度，并计算变形。
在建立模型时，必须考虑荷载和尺寸约束，并采用适当的材料参数和实际条件来模拟计算。
4．模拟结果建立的模型可以用来模拟不锈钢薄壁波纹换热管的受力情况，并分析其变形尺寸。
结果表明，当温度场变化时，换热管的受力情况发生变化，最终伴随温度场变化受力也有所变化，强度变化很小。
此外，当荷载改变时，换热管的受力情况也会发生变化，但变化很小，表明换热管结构具有较高的稳定性。
三、结论通过本次有限元分析，我们得出了不锈钢薄壁波纹换热管强度的结论。
根据仿真结果，不锈钢薄壁波纹换热管的结构具有较高的稳定性，变形尺寸随荷载和温度变化很小，表明换热管结构具有较高的强度。
基于当量壁厚法的波节管换热器管板设计
图 １ 波节管结构 图
当量 壁厚 计 算 时 主要 考 虑 轴 向力 Ｆ对 其 轴 向
刚 度 的影响 ， 通过 大量 的分析计 算 ， 笔者 归 纳了工 业 生 产 中常 用 的 波 节 管 当 量 壁 厚 的 关 系 式 。文 中 以
收 稿 １ ：２ ０ — １３ ３期 ０ ６１ － ０
基 金 项 目 ：２０ ０ ５年 湖 北 省 教 育 厅 重点 项 目（ ２ ０ １０ ６ Ｄ ０５５０） 作 者 简 介 ：徐 建 民 （９ ５） 男 ， 北 鄂 州 人 ， 教 授 ， 士 ， １ ６一 ， 湖 副 硕 主要 从 事 过 程 装 备 开 发 、 计 及 教 学 工 作 。 设
结果 限制 了波节 管 换 热 器 的应 用 与 发 展 ， 可能 造 还 成 安全 隐患 。 文 中提 出 了 当量 壁 厚 的设 计 方 法 ， 即通 过模 拟 分 析和 归纳 ， 根据 轴 向 刚度相 等 的原则 ， 一定厚 度 把 的波节 管壁 厚 当量 成 对 应 光 管 的壁 厚 ， 而把 波 节 从
ＸＵ ｉｎ ｍｉ Ｊ ａ — ｎ，Ｗ ＡＮＧ ｉ－ ｉｎ ，ＣＨＥＮ Ｗ ｕｌ Ｊａｑ ｏ ｇ —ｉ ＭＡＯ ｏｊｎ ｎ， Ｇｕ ’ｉ
（ ｃ ｏ ｌｏ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌＥｎ ｉ ｅ ｒｎ Ｓ ｈ ｏ ｆＭ ｃ ａ ｉａ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ， Ｗ ｕ ａ ｎ ｔ ｕ ｅ ｏ ｃ ｎ ｌ ｇ ｈ ｎ Ｉ ｓ ｉ ｔ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ， Ｗ ｕ ａ ３ ０ ３ Ｃｈ ｎ ） ｔ ｈｎ ４ ０７ ， ｉａ
薄 ， 计 时通 常在两 端 焊 接 一 段 厚 壁 圆筒后 再 与 管 设 板焊接， 结构见 图 １ 其 。波 节 管 对 管 板 受 力 的影 响
不锈钢薄壁波纹换热管强度的有限元分析
不锈钢薄壁波纹换热管强度的有限元分析近年来，随着能源价格的上涨和环境污染的加剧，节能换热设备正在受到越来越多的重视。
不锈钢薄壁波纹管作为一种新型的换热设备，由于具有良好的换热性能和抗腐蚀性，目前已经被广泛应用于水力发电、核电、冶金、冷冻等领域。
然而，由于其薄壁厚度仅为几毫米，其强度特性需要经过正确的研究和分析才能得到正确的认识。
有限元分析作为一种综合的分析方法，可以用来研究不锈钢薄壁波纹管的强度特性。
有限元分析使用了一种数学模型，将物体分解为由多个有限小元素组成的大量体系，并利用数值方法和推导出的相关公式对每个小元的复杂的变形、拉伸和压缩等行为进行分析，从而精确地确定不锈钢薄壁波纹管的强度特性。
首先，设计及建立有限元模型。
基于实际情况，分析不锈钢薄壁波纹管的受力情况，采用Solidthinking Inspire软件进行建模，建立不锈钢薄壁波纹管的有限元模型，并进行网格的划分。
其次，设置作用力。
根据求解不锈钢薄壁波纹管强度特性的目的，分析不锈钢薄壁波纹管的受力情况，通过弹性分析分析组织应力的分布，设置不锈钢薄壁波纹管的作用力。
第三，确定材料参数。
不锈钢薄壁波纹管的材料参数和物理参数应仔细确定，同时要注意温度、压强等参数是否影响分析结果。
最后，进行数值模拟分析。
通过ANSYS有限元分析软件，根据有限元模型和所设置的材料参数，对不锈钢薄壁波纹管进行强度分析，求解结果，并对比实际试验结果，以确定不锈钢薄壁波纹管的强度特性。
通过以上分析，可以有效地利用有限元方法对不锈钢薄壁波纹管的强度特性进行研究。
通过精确的分析和模拟，可以获得有效的设计参数和技术参数，有助于提高不锈钢薄壁波纹管的质量和性能，以满足客户的要求。
综上所述，有限元分析对于研究不锈钢薄壁波纹管的强度特性具有重要意义，可以有效解决技术问题，为不锈钢薄壁波纹管的设计提供重要参考。
在有限元分析的基础上，可以开展更多的研究和应用，以改进不锈钢薄壁波纹管的设计和性能，开发新型的换热设备。
波节管换热器计算例题(国家容标委提供)
锅炉压力容器标准案例案例编号CC-003-1 材料牌号奥氏体不锈钢案例名称奥氏体不锈钢波纹管换热器设计适用标准GB151-1999《管壳式换热器》批准日期2004年3月10日失效日期2009年3月10日咨询：当采用奥氏体不锈钢波纹管（简称波纹管）作为换热管时，换热器应如何设计？回复：本案例提供了波纹管换热器的设计方法。
给出了有关波纹换热管设计参数的确定方法，供设计参考，其余部分仍按GB 151—1999《管壳式换热器》的有关规定执行。
一、案例1 适用范围1.1 本案例适用于换热管为奥氏体不锈钢波纹管的管壳式换热器（以下简称为波纹管换热器）的设计。
1.2 对本案例未作规定者，还应符合GB 151—1999各有关章节的要求。
1.3 本案例适用换热器的公称压力PN≤4.0MPa；波纹换热管的公称直径（波峰/波谷的外径）Φ32/25mm、Φ42/33mm；折流板最大间距为波纹管管坯（波谷）外径的25倍。
1.4 计算换热面积，以波纹换热管外表面积为基础，扣除伸入管板内的换热管长度，计算得到的管束外表面积(m2)。
表1给出了一个波距波纹管的外表面积。
(第三章附件4给出了波纹管外表面积计算方法)。
1.5 未经固溶化处理的管坯制成的波纹管，不得用于有应力腐蚀的场合。
2 换热管材料换热管材料应符合下列标准中较高级(或高级)冷轧管或普通级冷轧管的技术要求。
GB 13296—1991 锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管GB/T 14976—1994 流体输送用不锈钢无缝钢管3 波纹换热管设计本设计规定了波纹换热管的结构形式、许用内压力、许用外压力、轴向刚度及稳定许用压应力的设计计算。
波纹换热管是由波纹管和接头两部分组成，其结构尺寸如图1所示。
3.1 符号A——单根管管壁金属横截面积，mm 2 ;A =πδt (d1－δt)B——系数，按GB 150中第6章方法确定；C——许用内压系数，C=0.25C r——系数;Cr=π[2 l cr K b1／(aσs)]1/2d1——波谷外直径（管坯外直径），mm ;d2——波峰外直径，mm ;E t——波纹管材料弹性模量，MPa ;f——波纹圆弧半弦长（半波宽），mm ;F——波距（波纹管波宽与波节直边之和），mm ;I——波纹换热管的回转半径，mm ;I =0.25[d12+（d1－2δt）2]1/2K1——波纹管轴向单波刚度，N/mm ;K b1——长度为l cr的波纹管刚度，N/mm ;K b1 = FK1／l crl cr——波纹换热管轴向受压失稳计算长度，按GB 151—1999图32确定，mm ;p——波纹管换热器的设计压力(管程设计压力为p t，壳程设计压力为p s)，MPa ;[p]i——波纹换热管许用内压力，MPa ;[p]o——波纹换热管许用外压力，MPa ;δt——波纹管壁厚，mm ;σs——波纹管材料屈服强度，MPa;σb——波纹管材料抗拉强度，MPa ;[σ]cr——波纹管稳定许用压应力，MPa 。
ASME_BPVC.VIII.1-2021_中换热管与管板连接焊缝强度计算及探讨
王 任 ASME BPVC.VIII.1-2021中换热管与管板连接焊缝强度计算及探讨292023，33（3）櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴毷毷毷毷设 计技 术ＡＳＭＥＢＰＶＣ ＶＩＩＩ １ ２０２１中换热管与管板连接焊缝强度计算及探讨王 任 中国成达工程有限公司 成都 ６１００４１摘要 本文对ＡＳＭＥＢＰＶＣ ＶＩＩＩ １ ２０２１中换热管与管板连接焊缝采用强度焊所需最小焊缝尺寸及焊缝强度计算进行分析，并与ＧＢ／Ｔ１５１ ２０１４进行对比，为换热器设计中的换热管与管板的连接焊缝强度计算提供一定的参考。
关键词 强度焊 焊缝尺寸 在管壳式换热器设计中，换热管与管板连接型式通常有强度胀、强度焊、强度焊加贴胀、内孔焊，而强度焊或强度焊加贴胀应用最广。
采用强度焊或强度焊加贴胀时，换热管与管板连接焊缝尺寸要求及强度校核是换热器设计计算中非常重要的部分。
本文将结合标准规范对此计算进行分析和探讨。
１ ＡＳＭＥＢＰＶＣ ＶＩＩＩ １ ２０２１中强度焊的分类及要求 按ＡＳＭＥＢＰＶＣ ＶＩＩＩ １ ２０２１中ＵＷ ２０章节规定，强度焊分为完全强度焊和部分强度焊。
完全强度焊与部分强度焊尺寸计算公式一致，只是设计强度与换热管轴向强度之比取值不同，完全强度焊时，取设计强度与换热管轴向强度的比值为１。
ＧＢ／Ｔ１５１ ２０１４中没有对强度焊进行分类，只是对设计选定的焊接尺寸进行各工况下的应力校核。
１ １ 完全强度焊对于完全强度焊，标准中要求焊缝强度应大于等于换热管的轴向强度，焊缝尺寸需满足ＵＷ２０ ６的要求。
根据此原则，只要换热管与管板连接焊缝尺寸满足完全强度焊的最小尺寸要求，就无需进行换热管与管板连接焊缝的轴向载荷校核，此焊缝也无需进行剪切载荷试验，只需对换热管进行轴向载荷的校核。
１ ２ 部分强度焊部分强度焊（非密封焊）的焊缝强度不大于换热管的轴向强度，设计强度（焊缝设计强度）是根据各工况下的轴向载荷来确定的，焊缝的最小尺寸要求是根据设计强度来进行计算的，即满足ＵＷ ２０ ６的要求。
换热器结构设计及强度计算 说明书
摘要本次设计的题目为汽提塔冷凝器。
汽提塔冷凝器是换热器的一种应用，这里我设计成浮头式换热器。
浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种，它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死，另一端可相对壳体滑移，称为浮头。
浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束，因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力，另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便，易清洗。
在化工工业中应用非常广泛。
本文对浮头式换热器进行了整体的设计，按照设计要求，在结构的选取上，采用了1-2型，即壳侧一程，管侧两程。
首先，通过换热计算确定换热面积与管子的根数初步选定结构。
然后按照设计的要求以及一系列国际标准进行结构设计，之后对各部分进行校核。
本次毕业设计任务是流量为3500kg/h，浮头式换热器的机械设计，工作压力管程为0.43MPa、壳程为0.042MPa，工作温度管程为61℃、壳程为80℃。
通过本次毕业设计，我熟悉了浮头式换热器的工艺流程，掌握了浮头式换热器的结构及计算方法，了解了浮头式化热器的制造要求及安装过程。
但是，限于经验不足和水平有限，一定存在缺点甚至错误之处，敬请老师批评指正。
关键词：换热器；浮头式；管程；壳程AbstractThe topic of my study is the design of stripper condenser. stripper condenser is one of applications heat exchanger.In here, my design is the floating head heat exchanger. The floating head heat exchanger is a special type of tube and shell heat exchanger. It is special for its floating head. One of its tube sheet is fixed，while another can float in the shell，so called floating head. As the tubes can expand without the restriction of the shell，it can avoid thermal stress. Another advantage is that it can be dismantled and clean easily . It is widely used in chemical industry. In this study an overall design of the floating head heat exchanger is carried out .According to the demand the type 1-2 is chosen to be the basic type，which has one segment in shell and two segment in tubes. First，heat transfer is calculated to determine the heat exchange surface area and the number of tubes that needed. Then，according to the request and standards，structural of system is well designed. After that，the finite element analysis of the shell is completed.The graduation design task is 3500kg/h flow of the floating head heat exchanger, the mechanical design, working pressure tube 0.4 3MP, shell, work process of 0.042MP for 61 ℃, the temperature tube for 80 ℃shell cheng. Through the graduation design, I am familiar with the floating head heat exchanger process, mastered the structure of floating head heat exchanger and calculation method of floating head, learned the heat exchanger is manufacturing requirements and installation process. But, due to lack of experience and limited ability, certain shortcomings and even mistakes, please the teacher criticism and corrections.KEY WORDS：HEAT EXCHANGER；FLOATING HEAD；TUBE-SIDE；SHELL-SIDE目录第一章 换热器概述 (1)1.1 换热器的应用 (1)1.2 换热器的主要分类 (1)1.2.1 换热器的分类及特点 (1)1.2.2 管壳式换热器的分类及特点 (2)1.3 管壳式换热器特殊结构 (5)1.4 换热管简介 (5)第二章 工艺计算 (7)2.1 设计条件 (7)2.2换热器传热面积与换热器规格： (8)2.2.1 流动空间的确定 (8)2.2.2 初算换热器传热面积'A .......................................................................................... 8 2.2.3 传热管数及管程的确定 ........................................................................................... 9 2.2.4管心距的计算 (9)2.2.5换热器型号、参数的确定 (9)2.2.6壳体内径计算 (9)2.2.7折流板的计算 (10)2.3换热器核算 (10)2.3.1传热系数核算 (11)2.3.2换热器的流体阻力 (13)2.3.3换热器的选型 (14)第三章 换热器的结构计算和强度计算 (15)3.1换热器的壳体设计 (15)3.2筒体材料及壁厚 (15)3.3封头的材料及壁厚 (16)3.4管箱材料的选择及壁厚的计算 (16)3.5开孔补强计算 (17)3.6水压试验及壳体强度的校核 (19)3.7 换热管 (20)3.7.1 换热管的排列方式 (20)3.7.2 布管限定圆L D (20)3.7.3 排管 (21)3.7.4 换热管束的分程 (21)3.8 管板设计 (22)3.8.1 管板与壳体的连接 (22)3.8.2 管板计算 (22)3.8.3 管板重量计算 (26)3.9折流板 (26)3.9.1 折流板的型式和尺寸 (27)3.9.2 折流板排列 (27)3.9.3 折流板的布置 (27)3.10拉杆与定距管 (27)3.10.1 拉杆的结构形式 (27)3.10.2 拉杆的直径、数量及布置 (28)3.10.3 定距管 (28)3.11法兰和垫片 (28)3.11.1固定端的壳体法兰、管箱法兰与管箱垫片 (28)3.11.2外头盖侧法兰、外头盖法兰与外头盖垫片、浮头垫片 (30)3.11.3 接管法兰型式与尺寸 (31)3.12钩圈式浮头 (32)3.12.1 浮头盖的设计计算 (33)3.13分程隔板 (38)3.14鞍座 (38)3.14.1 支反力计算如下 (38)3.14.2 鞍座的型号及尺寸 (40)3.15接管的最小位置 (40)3.15.1壳程接管位置的最小尺寸 (40)3.15.2 管箱接管位置的最小尺寸 (41)附录外文翻译 (45)参考文献 (55)第一章换热器概述过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是在化工、炼油、轻工、交通、食品、制药、冶金、纺织、城建、海洋工程等传统部门所必需的关键设备，而换热设备则是广泛使用的一种通用的过程设备。
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＝－ ・ ［ １ ３
替 ＥａＬ， ， ／ 得
＝
］ ’
㈩
这是 Ｇ １１１９ Ｂ５—９９中给出的表达式 ， 中 ＥａＬ 其 ． ｌ 即为一根换热管的轴向刚度 ， Ｋ ＝ ／ 以 Ｋ 代 即 ＥａＬ，
求等刚度 的折算 ，则波纹管与光管 的轴向力 Ｐ也应 是 相 同的 。 首先 ， 单根波纹换热管的伸长 （ 或缩短 ） 的量为
Ａｌ＝ ／Ｅ Ａ
将位移式代入刚度式 ， 以得出 可
＝
是说 ， 先将波纹管折算为与其 刚度相 同的光管 ， 应 再 将折算后 的数据输入到软件中。 波纹管折算为等刚度光管的折算方法 ： 折算过程 中， 主要考虑管子 的轴 向力 Ｐ 由于是 ，
Ｅ ／Ｚ ｔ ｆ 。
（ ） 子加 强 系数 。 １管
２＝ ／ ｌ － － （） ９
单 根 光管换 热 管 的伸 长 （ 或缩 短 ） 的量为
Ｉ８ｉ ＂・ １ ．Ｄ ３ １
＝
１
（） ３
Ｚ 一 Ｅ ２＝
．
ｔｕ 门ｎ ｘ、 ）
口
（ ） 束模 数 。 ２管
再次 ， 刚度 相同 ， 则两者的伸长（ 或缩短） 的量也 是相等的， Ｚ ＝ｆ； 即 ， 故 可得 出波纹管与等刚度光管的单根光管壁金 属横 截面 积 ａ为
管 板 是 换 热器 的主 要受 压 元 件 之一 ，其 设 计 合 计计算 ， 是把管板看作承受均布载荷 、 放置在弹性基 理与否 ， 对于设备的安全运行 、 节省材料 、 降低制造 础上 的且 受 管孔 均 匀 削 弱 的 当量 圆板 。这 是 由于在 成本 、 少 加工 制 造 的困难 ， 着重 要 的 意义 。 减 有 绝大多数管壳式换热器结构 中，管子直径相对管板 而 假 关于管壳式换热器管板、管子和壳体 的设计 ， 直径 足 够小 ， 换 热 管 的数 量 又 足够 多 ， 定 在 管板 目 前世 界 上有 多种标 准规 范 ， 如美 国的 Ａ ＭＥⅧ一 １英 上 管 子 是 均匀 分 布 的 ，因 而离 散 的各根 换 热 管对 管 Ｓ 、 可以认为是连续的 ， 管板承受的载荷 国的 Ｂ 、 Ｓ 西德 的 Ａ 日本 的 Ｊ 、 Ｄ、 Ｉ 中国 的 Ｇ １ １ １９ 板 的支撑作用 ， Ｓ Ｂ５—９９ ３ ］ 。 等。这些规范除 Ａ Ｄ标准外 ， 其余 的都是建立在弹性 也认 为是 均匀 分 布 的【 同 时 ， Ｂ ５— ９９是将 固 定 管板 换 热 器 中的管 Ｇ １ １ １９ 基础 圆平板 理论 基础 上 的。 由于各种 方法 所作 假 设简 板与管束和管板与壳体 ，看成 了强度分析 中所考虑 化及考虑的因素各有不同， 所以各种方法的计算结果 即管板管束系统和壳体系统 ， 分析原理 存在一定的差异 。尽管这些公式形式不同 ， 但分别基 的两个系统 ， 按照 Ｇ １１ Ｂ ５ 所采用 的结构分析方法。 按此思路 ， 整个 于 以下 ３ 基本 假设 的前 提下 得 出的【】 种 ｌ： ＿ ２ 分析 分 为 以下 ３个 步骤 ： （ ） 管 板 看 成 是 周 边 支 承 条 件 下 受 均 布 载 荷 １将 第一 步——将结构 （ 热器 ） 换 分离为数个部 件 ， 的圆平板 ， 应用平板理论得出计算公式。 考虑到管孔的 并解 除它们之间的相互约束 ，分别考察其在载荷作 削弱 ， 再引入经验性的修正系数 ， 但是其局限性较大。 用下 所 产生 的变 形 与应 力 。 （） ２ 将换热管 当作管板的固定支撑 ， 而管板是受 第 二步——考 虑它们之 间的变形连续条件 ， 即 管子支撑的平板 。管板 的厚度取决 于管板上的不布 考虑它们在相应边界力作用下 的变形与应力。 管 区的。实践证明 ， 这种公式适用于各种薄管板 的强 第 三 步——叠 加上 述 两 部分 产生 的变形 与 应 度校核。 力， 得到它们最终的变形与应力。 （） ３ 认为管板是弹性基础 上受 均布载荷 的多孔 本章波纹管换热器中管板 的设计计算 ， 是在赵萍 圆板 ， 这样 既考虑到管子 的加强作用 ， 又考虑到管孔 论文基础上 ， 依据 Ｇ １１ ９ ９ 管壳式换热器》 Ｂ ５ —１９ （ 进行 的削弱作用 ， 分析问题比较全面 。 设计计算研究 。 波纹管换热器与传统的管壳式换热器 我国 Ｇ １ １ Ｂ ５ 标准 中的管板计算方法 ，是基于第 的主要差别 ， 在于其换热管束 的不 同。对于管板的计 ３ 种假设推导出来 的。由于假设简化合理 ， 考虑 因素 算而言 ， 两者 的主要差异 ， 就在于管束刚度的不同。 因 较为详细 ， 故计算结果更为准确 ， 已为众多 的实验 此 ， 这 在对管板进行设计计算 时 ， 应将管板的计算公式 应力分析结果所证 实。 中， 与换热管刚度计算有关的参量进行变换 ， 而不能
表 １ 波纹管和光 管换 热器 管板计算中的 系数 比较
波纹管折算 未 折算 光管
管子加强系数 Ｘ １ ８ ．ｌ ９ ４１ ７ ． ０
４ 结束语
本文给 出了波纹管换热器管板强度计算 方法 ， 即将波纹管换热管进行等刚度折算为同直径（ 外径 ） 的光管 ，然后利用强度软件 Ｓ — ９８ ３１ Ｗ６ １９ ． 对管板 Ｖ 进行强度计算 。通过对折算前后两种计算结果的对 比分析发现 ， 于第二种方 法 ， 对 不仅更 为全 面 ， 且更 便 于实际操作和工程应用。利用有限元方法进行波 纹管分析 ， 一直是本领域 的一项重要 的研究课题 ， 它 是波纹管换热器设计和使用的依据 ，也是波纹管换 热管刚度和强度 的研究工作基础 。本文通过对波纹 管换热器 中波纹管换热管刚度 以及管板设计计算的 问题 ， 进行了研究分析。
Ｋ、 Ｑ和 ４ 种工况下 的 Ｐ 值都相差很大 ， ｄ 这两种不同 方法算出的管板的各项应力 ， 相差也很大。说明了当
前一些压力容器制造 、设计单位在波纹管换热器设 计中 ，直接利用光管来对管板进行计算 ，是不可行 的， 且不安全 的。正是 由于换热器 刚度的差异 ， 导致 了计算结果的差异很大 。 但后一种方法更为全面 ， 更 便于实际操作和工程应用。 同时应注意 ， 当按照 Ｇ １１ １９ 对拉脱力进行 Ｂ ５ —９ ９
ａ： 凸 Ｉ ｔ （１ ｌＪ １）
以 Ｋ 代替 Ｅ， 得 ． ， Ｌ， ａ
＝
等
（ ４ ）
（） ５
（） ３ 换热管管束与圆筒 刚度比 Ｑ 。
Ｑ
为了便于 比较 ，光管外径 ｃ 可取波纹换热管 的 ｆ ｏ 直段外径 ， 从而计算出光管的内径 为
以 Ｋ， 代替 Ｅａ 得 Ｌ， ／
６ ３
Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔ ｕｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｎｏ７， ０ ｎ ｆ ｃｒ ｇＴ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ２ １ ｉ １
Ｋ ＝ Ｆ ／△
。
中管 板 设 计计 算 方 法 ，运用 化 工 过 程设 备 设 计 计 算
根据材料力学的知识 ， 将波纹管简化为直杆 ， 其 软件 Ｓ — ９ ８ ３ 来计算其强度。在输人数值前 ， Ｗ６ １９ ． Ｖ １ 位移 式 为 我们应先考虑波纹管与光管之 间刚度的不 同 ，也就
ｄ 一 ｌ 等 ＝
则 折 算后 的光 管 的壁厚 为
＝
（ １ ２ ）
（３ １）
Ｑ筹 端ｓ Ｌ ＝ｓ＝Ａ ｌ Ｅ ＝ｎ Ｅ Ｅ Ａ ｓ ｓ Ａ Ｌ ｓ
Ｇ １ １１９ Ｂ ５ — ９ ９中规 定
… （ ６ ）
（） ７
ｄ 一ｄ 。
（ ）固定 管 板式 换 热器 有 效 组合 压力 。在 ４
３ 管板 的算例及 分析
现引用原赵萍论文 中有关一 台波纹 管换热器为 例， 采用 Ｓ —９ ８ Ｗ６ １９ 进行计算 ， 并给出了基于本文提 上 式第 三 项 为 考 虑温 差 产 生 的 当量压 力 ，对 于 出的波纹 管等 刚度折算 和直接采 用光 管计算 的结 波纹管由于轴向刚度降低 ， 而此当量压力也会减小 。 果， 对计算结果进行 了讨论。 式中， ３１ 换热器管板设计参数 ． ｙ ＝Ｔ ｎ Ｅ， Ｅ Ｌ ａ／Ｌ ＝ ｙ ｎ ， Ａ， Ｌ Ｋｂ Ａｌ 圆管 内直径 Ｄ ＝７０ｒｍ； ｉ ０ ａ 计算时可取 壳程设计压力 Ｐ ｓ＝１ Ｐ ； ．Ｍ ａ ６
计 算方法 ， 不仅 更为全面 ， 且更便 于实际操作 和工程应 用。
关键词 ： 波纹管换热器管板； 强度参数卅 算 方法
中图分 类号 ：Ｋ ７ Ｔ １２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６ ２ ５ ５ ２ １ ）７ ０ ６ － ３ １ ７ — ４ Ｘ（ ０ １ ０ — ０ ３－ ０
对于上述计算条件 ， 采用公式（ ２ 、 １ ） １ ）（ ３对波纹 校核时 ， 拉脱力讲算公式 ： 管进行等刚度折算 ，波纹管折算成光滑直管后 的壁 ｇ＝ 厚 约为 ： ＝０１ ｍ。在用 Ｓ — ９ ８ ．ｍ Ｗ６ １９ 软件对管板进 公式 中， 应直接采用波纹管直段 的外径进行计 ｄ 行强度计算时 ，用此厚度值输入到程序 中对管板进 会产生较大的 行计算 。折算后 的计算结果与未 曾折算的与刚度有 算 。如按折算后的数值直接代入公式 ， 误差 ， 对安全不利 。从表 ２ 计算 中可 以看 出。 关 系数的对 比结果见表 ｌ 。
《 装备制造技术）０ １ ） １ 年第 ７ ２ 期
波纹 管换 热器 管板 的设计计算 与强度校核
陈 正 斌
（ 广东省汕头市特种设备检验所 ， 广东 汕头 ５ ５４ ） １０ １
摘 要 ： 用有限元 方法进行波纹 管分析讨 论波 纹管换热 器管板计算 ， 出了波纹 管换热 器管板强度计 算方法 ， 利 给 即将 波纹管换 热管进 行等 刚度折 算为 同直径 （ 外径 ） 的光 管， 通过对 折算前后 两种计算 结果的对 比分析发现 ， 文采 用的 本
３２ 换热管相关参数 ． 管子壁厚 ＝２ ｍ ； ． ０ｍ
为壳程 简体材料的弹性模量 ， Ｐ 。 Ｍ ａ
２ 管板计算பைடு நூலகம் 法
波纹管换热器管板 的计算 ， 可依据 Ｇ １ １ １９ Ｂ ５— ９９