换热器什么情况下需要进行应力分析设计?
(1)管板布管不均匀,或者管板结构为非标准结构,无法采用GB/T151-2014进行设计;
(2)换热器存在疲劳工况,存在温度、压力的波动。
(1)管板与换热管的连接方式:焊接、胀接或胀焊结合的结构;
(2)管板为圆形;
(3)开孔区布管均匀;
(4)除特别指明外,对于固定管板热交换器,两块管板结构和边界约束条件符合模型对称性;
管板延长做法兰时,按“预紧条件”和“操作条件”两种状态分别计算;
对于U形管热交换器、浮头热交换器、填函式热交换器,若不能保证壳程压力Ps与管程压力Pt在任何情况下同时作用时,则应分别对Ps与Pt单独作用的两种工况进行校核。若Ps和Pt之一为负压时,则应考虑压差的危险组合;
对于固定管板热交换器。计算工况见表8-1,应按相关要求确定计算工况;
仅当壳体带膨胀节时方需计算⑤⑥工况;
认为有必要时,可以计算工况⑦,通常情况不需计算。
对换热器各种工况下进行应力分析,然后提取换热管的最大轴向拉伸和压缩应力,进而可以核算换热管的稳定性和换热管与管板连接处拉脱力。
根据GB151-2014第7.3节,换热管轴向应力评定:计算回转半径,根据换热管最大无支撑跨距,可以计算出换热管最大的轴向许用压缩应力。
σc=4×Fc/[π×(D2-d2)]
式中:σc为换热管最大轴向压缩应力;Fc为有限元计算结果提取的最大轴向压缩力;D为换热管的外径;d为换热管的内径。
换热管与管板连接形式为焊接,按GB151-2014表7-12查得换热管许用拉脱应力。
σt=Ft/πDl
式中:σt为换热管最大轴向拉应力;Ft为有限元计算结果提取的最大轴向拉力;D为换热管的外径;l为换热管与管板焊接高度。
整个管板系统在预紧条件和操作条件下承受不同形式的外载荷,其内力大小应按“预紧条件”和“操作条件”两种状态分别求解。
(1)对U形管式、浮头式和填函式热交换器,计算时一般采用壳体有效厚度进行校核。对于固定管板热交换器,壳程筒体厚度应分别按名义厚度和有效厚度两种情况,分别进行管板系统校核计算;
(2)根据换热器模型和载荷的对称性,可以对模型进行适当简化,建立轴对称模型,减小计算量;
(3)对与非疲劳的换热器,一般不需要建立换热管与管板之间的焊角,这样可以简化模型,但对换热管的轴向拉力和压缩力提取影响较小;
(4)对与疲劳换热器,需要建立换热管与管板之间的焊角,这样可以减小计算出来峰值应力,更加符合实际情况;
(5)换热器分析一般完成管板的校核,包括管板安定性评定,换热管的强度和整体稳定性校核,管板系统整体塑性垮塌等失效模式。当换热器存在疲劳、局部屈曲、棘轮、高温蠕变等失效模式,应按照相关失效标准进行补充评定。