非對稱(chēng)布管換熱器管板

某項目中，遇到了一臺U型管板換熱器，僅管板上半部分有換熱管。

按照GB/T151的對于管板計算章節，對于管板計算方法適用范圍，以及計算方法的力學(xué)模型都有詳細解釋。

對于部分布管的換熱器管板，規范是不適用的。

管板與換熱管的設計按照GB150.1~150.4-2011標準進(jìn)行設計、制造、檢驗與驗收，但是由于管板上的換熱管布置為非對稱(chēng)布管，不具有均勻密集開(kāi)孔，且管板周邊布管區無(wú)量綱寬度k>1，與GB/T 151-2014的U形管板的常規計算不符。為了確保結構的安全性，采用有限元法分析管板與換熱管連接結構的詳細應力。

模型簡(jiǎn)化：

考慮到結構的形式為U型管換熱器，設備管殼程材料為S30408，設計溫度為殼程為98°C，管程為167°C。設計壓力殼程為0.5，管程為1.0。設計壓力和溫度均不苛刻。在分析管板與換熱管連接區域應力時(shí)，只需要對其在機械載荷作用下進(jìn)行應力強度校核即可。無(wú)需考慮溫差應力對于管板的影響。在建模時(shí)，考慮結構的對稱(chēng)性，建立1/2管板和換熱管模型，減少計算量。

由于U型管板的換熱管并沒(méi)有像固定管板一樣有熱膨脹位移限制，所以只需考慮換熱管的削弱作用，所以只需要建200mm長(cháng)即可。

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，考慮管板的管程側的隔板槽深度6mm和殼程側的凸臺高度6mm，管板計算時(shí)去除隔板槽深以及凸臺高度，建模厚度按照42mm。劃分網(wǎng)格時(shí)，采用20節點(diǎn)的Solid186高階單元。為了確保求解結果快速收斂，所有體均采用六面體網(wǎng)格劃分。在求解過(guò)程中，不斷對網(wǎng)格進(jìn)行細化，直至求解結果基本保持不變。

劃分網(wǎng)格

邊界條件

管板在一側表面施加可能出現的最大的壓力，負壓時(shí)考慮壓差，均為正壓則考慮壓力大者。

經(jīng)過(guò)計算得到管板的應力分布：

對管板進(jìn)行應力線(xiàn)性化

U型管板最大彎曲應力一般出現在中間，所以將中間評定一下。

最大應力點(diǎn)的位置可能在不連續的邊緣處，在最大點(diǎn)位置截面也進(jìn)行線(xiàn)性化評定，經(jīng)過(guò)評定結果為合格。

U型管板的厚度一般是有“上限”的，上限的意思是，U型管板換熱器是一個(gè)possible的結構。不似固定管板換熱器，有時(shí)候壓力和溫差應力都很大，無(wú)論你怎么調整，換熱器都無(wú)法計算通過(guò)，固定管板這種結構就不可行，固定管板有些工況可能是impossible，必須要換結構。

只要你愿意，U型管板可以通過(guò)加厚管板厚度，降低管板的應力。即使沒(méi)有有限元的工具，U型管板根據工程經(jīng)驗，也可以估計出管板的厚度上下限。

比如這個(gè)管板，是一個(gè)非均勻布管的管板，k>1，在各種商業(yè)常規計算軟件中無(wú)法計算。那么可以采用如下幾種方法，得到可以供參考的管板厚度：

1. 在常規計算軟件，如SW6中，不斷加大管子數量，使得k剛好略小于1，此時(shí)獲得一個(gè)管板的厚度t1。

2. 在SW6中，按照2倍換熱管計算滿(mǎn)布管時(shí)的管板厚度t2。

3. 按照周邊簡(jiǎn)支圓平板公式計算圓平板厚度t3。

一般來(lái)說(shuō)管板厚度基本上就是在t1到t3之間。如果直徑較小，t3算出來(lái)也不大。選擇t3作為管板厚度，那么強度上基本不會(huì )有問(wèn)題。