挠性薄管板设计方法.docx

挠性薄管板设计方法刘仁玉刘敏黑龙江省化工设计规划院哈尔滨150076摘要通过设计实例,概述挠性薄管板在高温高压换热设备设计中的结构设计和应力分析。关键词挠性薄管板结构设计应力分析在化工及电力等系统中,为了既能满足生产需要,又能回收能量、节约能源,余热锅炉(或高温高压换热器)是必不可少的重要设备。余热锅炉尤其是高压余热锅炉(或高温高压换热设备)在设计中采用挠性管板的结构是随着现代应力分析方法的发展而逐步成熟的一种设计方法。挠性薄管板的主要特点有:(1)除了承受内压外,还能补偿和平衡换热管Ξ与壳体之间的温差应力。(2)由于薄管板本身的温差很小,从而减少了管板在工作中的内应力,且在一定程度上提高了热效率。(3)减轻设备自身重量,改善了管板同管子连接的受压型式,且全部采用焊接,省去胀接工序,从而降低设备投资。尤其是高温高压工况下的余热锅炉和换热设备,采用挠性薄管板,经济效益更为可观。挠性薄管板结构设计1图1是大庆乙烯裂解装置中第二急冷器结构图。自投产至今,该设备一直处于良好运行状态。下面结合具体情况,分析和探讨挠性薄管板设计中的几个关键问题。图1大庆乙烯装置第二急冷器结构图加,反之则减少。这主要是换热管弹性支撑作用111挠性薄管板厚度的确定挠性薄管板厚度的计算至今尚无统一的计算公式,其主要原因是影响管板强度的因素较多,除了压力、温度、设备直径等,还有两个决定性因素:第一是管板上孔桥的大小(包括管板材料的物理性能)。一般情况下,孔桥越大,管板厚度随之增的影响;第二是管程和壳程之间温差的大小,它是影响管板转角处温差应力的主要因素。这二者是相互矛盾的。增加管板厚度,会降低孔桥处的应力,但管板转角处的应力却增大了。因为管板厚度增加,其可变形能力降低,引起转角处应力增Ξ换热管规格为Φ42×5;管间距为61;数量为239根。1998年第3期化工设计33视,适当加大转角处R值,以调整该峰值应力,满足评定标准。(3)管束轴向应力计算管束轴向应力作用在管板上大致分两种情况:①在偏于设备中心部位的管子。由于管束和管壳的温差,使管束中每根管子相对于设备壳体同时产生一个轴向位移。由于管板较薄,这部分管束的轴向力对管板不产生太大影响;②在偏于管板外缘部分的管束。当管子受热向外膨胀时,受到管板圆弧部分的约束,呈压应力状态,该应力是管束轴向应力评定的主要内容。应力分析2采用有限元应力分析法进行工程优化设计是今后发展的必然趋势。中高压余热锅炉挠性管板的设计必须采用应力分析法,根据各点的应力分布进行结构设计。对于挠性薄管板的应力分析计算,目前的通用程序是SAP5-C轴对称有限元。关键是总体数学模型的建立和应力评定标准的确定。数学模型可根据设备的不同使用条件而建立;应力评定可按我国的JB4732《钢制压力容器———分析设计标准》或ASME第八篇二分篇的规定进行。挠性薄管板在设计中应当重点计算以下几个部位:(1)管板同壳体连接的圆弧过渡段此段由于受力苛刻,必须划分较密的网格。尤其是温度有波动的余热锅炉,不但要计算和校核应力,还应进行疲劳分析计算,以防发生疲劳破坏。(2)管板孔桥区的应力计算可按孔板单元进行,根据ASME第八篇二分篇附录4中4-9“多孔平板中的应力”一节之规定,求出管板开孔区的当量半径,在此范围内划分网格。计算时必须考虑换热管的弹性支撑作用,在此基础上建立数学模型,确立网格单元和节点。通过多方案计算,发现在孔桥截面管端的内圆角上均出现较大的峰值应力。因此,该处在结构设计中应引起重结语3随着石油化工企业的发展,大型企业排出的余热(包括显热和含少量可燃物的化学热能)如果均能充分利用,其经济效益相当可观。充分利用并回收余热的主要设备———余热锅炉的设计,尤其是先进炉型及结构的开发和设计显得非常重要。因为要提高蒸汽的利用价值,必须提高蒸汽的压力。而这样又必须采用较先进的设备结构才能实现。本文介绍的挠性薄管板结构的设计及计算,可广泛应用于管壳式高温高压余热锅炉及列管式换热设备的挠性管板设计中。实践证明,挠性薄管板结构能有效地使用在操作条件苛刻的余热锅炉上。(修改回稿1997—10—28)(上接第34页)式中,F为排风管截面积,m2;U为进入干燥器的热空气量,取40000m3/h;v为排风管出口风速,按大值选取,v=12m/s;n为热风分配器个数,n=1。由式(1)、(2)算得再由排风管内周向分布的6块导向板将风均匀地风排出管外。当给冷风时,由冷风圈环缝排出的冷风在塔顶处形成一个风环,将高温热空气隔离。这样可以避免干燥塔顶过热,以免出现焦粉现象。当排风分布不均时,可直接调整排风管内6块均风板,一般是一次调定好。F=40000=0.926m2。3600×1×123结论改进后的热风分配器较之传统的热风分配d=1.130.926=1087mm。在排风管外侧加一冷却风管用于冷却