问题提出
在2014年,一台固定管板换热器,壳程侧低压蒸汽,进出口温度为 200/195,材料为Q345R;管程侧为乙烯,进出口温度为-70/5,材料为S30408。
由于靠近 管程出入口处的温度较低,所以靠近管程的壳程筒体(长度600)采用S30408的材料。
壳程采用了两种材料S30408和Q345R。而当时的换热器筒体计算只能采用一种材料。那么应该如何解决这个问题呢?
问题分析及解决
设计人员认为,这种结构没法计算,需要有限元分析。 固定管板的有限元分析,当工况比较多,要出来合适的结果,时非常麻烦的,因为它不像常规计算,一次将一种工况下的多种情况同时考虑,它需要人工考虑7种工况。如果有腐蚀前和腐蚀后的计算,那么分析的工况又多了一倍。属于设计效率非常低下的方法。
技术总监给了个方法,设备按照壳程全部为Q345R计算一遍,然后再按照S30408计算一遍。两者计算的管板取大值。
由于设备工况较多,管壳程正负压,壳程材料不同,以及开停车工况,所以计算比较繁琐,需要建立18个SW6的计算文件。
经过计算,管板最终取80厚。
相对于纯的Q345R筒体,管板并未加厚,成本未造成太多上升。
极限思维
壳程有两种材料组合,当时并无配套软件可以计算。那么设计时采用两种纯材料单独计算,然后取大值,是一种非常科学的做法。
管板计算模型本质上是受均布载荷的圆平板。筒体的两种不同材料,其膨胀系数不一样,弹性模量不一样,会影响管板的边界条件。采用两种同样的材料来计算2次,使得膨胀量产生的推力是偏大的,产生偏保守的结果,所以精确值肯定在两者之间。将其取大值,是工程上可以接受的。
采用这种方法,属于一种极限思维。 在无法获得精确的结果时,使用极限思维能够大大简化工作量,并获得工程上可以接受的结果。 这种思维我们在生活中经常使用: 比如:“大不了”之类的句式,“头掉了碗大个疤”,“二十年后又是一条好汉” 比如:去吃沙县小吃,出门之前不知道吃什么,要多少钱。然后顺手拿了1000就出门了 。
工程中这种思维也经常用到: 比如薄管板的计算,思路是,管板计算太复杂了,但是我知道被管子撑住的地方是不会坏的,而未布管区是应力最大的,那么我只要求出未布管区的厚度就行了,这个厚度我用未布管区内接的最大圆平板厚度就行了。 只要内接圆平板应力不超,那么整个管板就是安全的。 所以计算公式非常简单,但是既省材料,又非常科学。属于极限思维在压力容器中的应用的典范。
后续
在GB/T 151-2014的7.4.6.5节,对于这种换热器,给出了更详细的算法。其计算原理是将筒体刚度按照各分段的串联关系,得到壳体等效总刚度,然后计算管束和壳体的等效刚度比,再代入正常的计算。
换热器的轴向力是由壳体和管束共同承担的,各自分担的量由各自的刚度决定。
能力越大,责任越大,刚度越大,承担越多。
在ASME VIII I中,对于此类设备的处理也类似(当然计算方法是出在GB151之前)。
另外,PVElite中可以直接计算。
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