[发明专利]一种大型复杂工况换热器管板的设计方法

说明书

本发明属于换热器管板厚度设计技术领域，特别涉及一种大型复杂工况换热器管板的设计方法。本发明通过有限元方法在研究各具有代表性的单一载荷即即管程压力、壳程压力、温差载荷的作用下，换热器各关键部位的应力随管板厚度的变化规律的基础上，结合对各载荷引起的应力组合的分析，同时结合分析设计应力分类法和各类应力的许用极限，初步确定换热器管板的设计厚度，最后对管板初步设计厚度在设计载荷即管程设计压力、壳程设计压力、管壳程设计压力和多个特殊工况载荷作用下进行校核，最终确定管板设计厚度。本发明所得到的管板设计厚度最小，在保证了设备运行安全的前提下，避免大量的设计冗余。

技术领域

本发明属于换热器管板厚度设计技术领域，特别涉及一种大型复杂工况换热器管板的设计方法。

背景技术

大型复杂工况换热器是一种直径远超出GB151的设计范围，工作过程复杂的换热器，如丁辛醇生产装置中的丁醛转化器、丁醇转化器等，其工作过程不仅包括转化反应和换热的正常操作工况，还包括催化剂氧化、还原等特殊工况。据了解，目前此类换热器中已有国产化丁醛转化器投入运行，但是国产丁醛转化器的管板普遍较厚(如：Φ4900mm丁醛转化器管板厚度为80mm，Φ4600mm丁醛转化器管板厚度为66mm，Φ4100mm丁醛转化器管板厚度为60mm)，使得国产丁醛转化器在市场竞争中处于劣势。根据调查和分析，目前在诸如丁醛转化器这类大型复杂工况换热器管板设计时一般采用解析法初步估算管板厚度，再采用有限方法对其进行校核，但在有限元模型建立时采用梁或杆单元模拟换热管，并对管板进行了等效处理；梁、杆单元的使用和管板的等效处理都无法准确的模拟换热管与管板连接局部的温度场及应力场，此外，管板等效处理的合理性也可能影响校核计算的准确性。

因此，开发出一套能够在保证设备运行安全的前提下，避免大量的设计冗余的大型复杂工况换热器管板设计方法是有必要的。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种大型复杂工况换热器管板的设计方法，本发明在保证设备运行安全的前提下，避免大量的设计冗余。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术措施：

一种大型复杂工况换热器管板的设计方法，包括以下操作步骤：

建立有限元全实体计算模型；

改变换热器管板的厚度，并分别对各个厚度管板的换热器施加最苛刻的单一载荷，比较在最苛刻的单一载荷的作用下，随着换热器管板的厚度的变化，换热器的各个关键部位应力的变化；

在不同换热器管板的厚度下，分别叠加换热器的每一个关键部位在不同类型的单一载荷下的应力，并选出在不同换热器管板的厚度下的最大的一次应力值以及一次加二次应力值；

结合换热器的结构材料在设计温度下的限制应力值，对所述最大的一次应力值以及一次加二次应力值进行比较分析，确定换热器管板的初步设计厚度；

将所述换热器管板的初步设计厚度建立在有限元全实体计算模型中，在设计工况以及多个特殊工况载荷的作用下对换热器的结构进行校核，确定换热器管板的最终厚度。

优选的，所述最苛刻的单一载荷包括换热器管程压力最大值、换热器壳程压力最大值以及换热器管壳程最大温差。

优选的，所述有限元全实体计算模型包括换热器管板、锻环、换热管束、壳程筒体、管程筒体；所述换热器管板与锻环之间连接，换热器管板与换热管束之间连接，锻环与壳程筒体之间连接，锻环与管程筒体之间连接。

进一步的，所述改变换热器管板的厚度即为逐步减小换热器管板的厚度。

进一步的，所述换热器的各个关键部位包括所述锻环与壳程筒体连接处、锻环与管程筒体连接处、锻环与换热器管板连接处、换热器管板的过渡圆弧中部、换热器管板的布管区、换热管束。