[发明专利]一种尾端带膨胀节的浮头换热器的管板系统强度的计算方法

说明书

本发明提供一种尾端带膨胀节的浮头换热器的管板系统强度计算方法，包括：S1、分别设定固定端管板和浮动端管板厚度和直径；S2、分别选择固定端管板和浮动端管板的材料，按标准查取固定端管板材料许用应力[σ₁]和浮动端管板材料许用应力[σ₂]；S3、选定膨胀节类型、尺寸和规格；S4、通过七元线性方程组，计算固定端管板相应弯曲应力值σ_p和浮动端管板相应弯曲应力值以及换热管轴向应力σ_t；S5、比较σ_p和[σ₁]、比较和[σ₂]；S5、计算换热管轴向应力σ_t，分别比较σ_t和换热管许用应力[σ_t]或临界压应力σ_cr。本发明的计算方法，考虑了膨胀节轴向刚度和内腔压力影响，能够合理确定固定端管板和浮动端管板的材料、厚度及直径以及合理评定换热管强度和稳定性。

技术领域

本发明涉及管壳式换热器技术领域，特别是一种尾端带膨胀节的浮头换热器的管板系统强度计算方法。

背景技术

管壳式热交换器在石油化工装置设备中约占30％左右，是典型的压力容器。管壳式热交换器分为U形管热交换器，固定管板热交换器和浮头热交换器，其中浮头换热器主要应用于管壳程温差较大和内部介质容易结垢的情况。

常规浮头换热器主要元件包括：固定端管板，浮动端管板和换热管束，由此成为管板系统。管板系统和壳程筒体仅通过固定端管板连接，浮动管板在热交换器轴向方向处于自由状态，因此可以释放管板系统和壳侧筒体的温差应力，与固定管板热交换器相比，浮头换热器适用于管程和壳程温差大的场合。当管程出现程间温差较大场合，常规浮头换热器会由于程间温差应力过大，无法满足要求，此时，一般采用尾端带膨胀节的浮头换热器。

目前热交换器的计算路线有两种：(1)板壳理论解析法；(2) 有限元数值法。现有的板壳理论解析计算方法是针对的常规浮头换热器，用于尾端带膨胀节的浮头换热器将造成很大偏差，要么造成很大浪费，要么形成安全隐患，而有限元数值方法，设计成本较高，计算时间长，效率低，结果可靠度依赖设计人员的素质。

尾端带膨胀节的浮头换热器尚未发现合理的解析计算方法。

发明内容

为了解决上述的技术问题，而提供一种考虑膨胀节轴向刚度和内腔压力影响，并分别校核计算固定端管板和浮动端管板不同厚度、不同材料、不同直径的尾端带膨胀节的浮头换热器的管板系统强度的计算方法。

一种尾端带膨胀节的浮头换热器的管板系统强度的计算方法，包括：

S1、根据介质情况，分别选择浮头换热器的固定端管板和浮动端管板的材料，设定浮头换热器的固定端管板厚度为δ₁，浮动端管板的厚度δ₂，并确定固定端管板的许用应力值[σ₁]和浮动管板的许用应力值[σ₂]；确定换热管尺寸和材料；

S2、根据结构要求设定浮头换热器的固定端管板直径和浮动端管板直径；

S3、选定膨胀节型号、规格和尺寸；

S4、计算所述固定端管板受到的径向或周向的弯矩M(x)和浮动端管板受到的径向或周向的弯矩M^f1(x)；

S5、将S4中所得到的M(x)和M^f1(x)分别带入应力方程中，计算在设定管板厚度的情况下固定端管板上下表面上相应弯曲应力值σ_p和浮动端管板上下表面上相应弯曲应力值

其中，μ为弯曲削弱系数；

S6、比较σ_p和[σ₁]、比较和[σ₂]；