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[原创] 非标U形管板,选择b型还是f型计算

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 楼主| 发表于 2024-5-31 08:57:43 显示全部楼层 |阅读模式
1. 遇到非标U形管板如何考虑
我们经常会遇到各种的非标的结构。
比如高低压U形管换热器,其管程压力非常高,做成焊接结构,壳程压力低,做成可拆结构,省去了大的设备法兰,节省造价。

                               
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这种非标换热器管板,在GB/T 151中找不到对应的计算模型

                               
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上文结构,比较接近的结构是GB/T 151的b型f型管板。
那么到底采用b型还是f型呢?

2. 论文参考
其实这种结构在一些论文里都有比较详细的说明:

                               
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有兴趣的朋友可以搜索一下文章内容。
由于U形管板的最大应力在管板中间,而这种壳程侧法兰的力矩对于管板受力有好的影响。一般可以忽略法兰的存在,是偏安全的做法。

                               
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所以对于一般的这种结构的管板,通常做法是选择GB/T 151 的b型。代入到SW6计算即可获得管板的厚度。

3. 为什么不选择f型呢
实际的模型和f型都带垫片螺栓f型看上去更符合实际模型
而且根据经验,f型计算出来比b型要厚,更安全。
为什么不选择f型,反而要选择不带垫片螺栓的b型呢?

                               
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对于高低压换热器,管程的筒体+管板是筒体端部
对于f型,管程筒体比较薄,管板兼做法兰
就是筒体端部和兼做法兰的区别。
规范的公式都是按照兼做法兰来考虑的兰设计力矩
如果采用f型,管板的厚度一般由管板的“法兰延长部分”起了决定作用。
由于筒体端部的外内径比值X偏小,导致Y值很大,然后管板的应力由“法兰”的应力决定,从而导致管板的厚度会很大。

                               
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从计算公式可以看到由于管板是筒体端部,端部外径和内径比值较小,即Di+2bf和Di非常接近,X接近于1

                               
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查GB150的199页,图7-8,Y值的图,Y随着X(即横坐标K)的增加而迅速降低
X越接近1(横坐标K),Y成倍增加。
而法兰设计力矩对于延长部分的法兰应力计算公式可以看到,Y上升时,管板的“延长部分的法兰”的应力也成倍上升。

                               
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最终管板的应力不由管板中间控制,而是由边缘的“虚拟的法兰”应力控制。

                               
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这就与我们实际模型完全不同了。
对于筒体端部来说,一般端部比较厚,法兰应力相对是很低的(低压端的法兰弯矩较小),大多数情况会低于管板中心应力。而现在由于错误的延长部分的法兰厚度,导致了不合理的法兰应力。
这也是为什么一般不选择f型的原因。

4. 管板优化
既然知道此种结构的法兰边缘应力一般不会导致管板失效,还能否进一步的优化管板厚度呢?
能够优化的前提是:
边缘是端部,且端部比较厚,端部本身安全。管板应力由管板中心的应力控制。
壳程法兰的弯矩对于管板起到了优化的作用,通过叠加边缘的法兰弯矩,降低管板中心的应力。
我们不妨用f的模型来计算,“边缘法兰”取管板的厚度时,对于某模型,通过计算结果可以看到,管板兼做法兰部分的应力为285MPa,起控制作用。

                               
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由于管板的兼做法兰厚度相当于到了筒体上延伸,不妨将边缘的厚度设置更厚点,在SW6中,将管板与管板法兰厚度之差值设置为-200,进行试算。

                               
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对应模型如下图所示,筒体部分可以看做管板法兰的一部分

                               
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得到的管板结果比b型要薄很多。
此时起控制作用的在管板中心,而不是管板的法兰盘。

                               
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盘点一下计算结果:
当按照b型计算时,管板需要215mm,最大应力在中心
当按照f型计算式,法兰盘厚取管板厚,管板需要225mm,最大应力在法兰盘
但是按照f型计算且将法兰盘厚度增加200mm时,管板的厚度为160mm,最大应力在中心。
看来这种管板还有更详细研究,优化的空间。通过法兰盘厚度的调整,来使得管板应力分布与实际模型的应力分布更吻合,来优化管板厚度。
期待专家的进一步研究结果。

5. 高高压U形管板
对于高低压U形换热器,可以按照b型计算。
但是对于高高压的U形换热器呢?
如下图所示:

                               
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管程压力13.4MPa,壳程压力11Mpa。
壳程法兰和筒体都非常厚。
此时法兰对于管板的应力不能忽略不计了。
此时壳程的螺栓力矩和壳程的压力在边缘产生的力矩叠加,导致管板中心的弯矩可能比管程的要更大。
采用b型的模型,不一定符合壳程法兰弯矩可以忽略的假设。
b型只考虑了管程压力,将会有较大的误差。
此时建议按照f型来校核。
下图是高高压U形管,按照f型手动计算的结果。法兰厚度控制了管板厚度。

                               
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由于管板外圆直径和筒体外直径相差比较大,管板法兰的加厚也比不太符合模型,实际中还是取的法兰厚度值。
在调试过程中,可以逐步加厚边缘法兰厚度,可以大幅度降低法兰应力(管板优化空间)。
同时计算管板时,还需要把管板的端部当做筒体端部模型校核一下,筒体端部应力,应该在原计算应力基础上叠加法兰的力矩,并满足强度条件。(即管板边缘安全
如果GB/T151升版,建议把管板端部配壳程法兰结构添加到正式的计算模型里,提供精确算法,以获得精确的管板厚度。
避免此种结构在各种压力组合下,选择错误的计算模型。

6. 总结
对于上述讨论的U形管板:
高低压时,一般可以采用b型代入到SW6进行计算。
对于高高压时,建议采用f型计算比较合适。
当能确保边缘的管板兼做筒体端部安全时,可以适当考虑加厚管板的“法兰盘厚度”,使得管板的应力由管板中心来控制,此时可以降低管板的厚度。

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发表于 2024-5-31 09:04:30 显示全部楼层

这个帖子不回对不起自己!我想我是一天也不能离开马后炮化工
[发帖际遇]: 609989700 捡到一块切糕,卖给了小马,赚了 10 个 韶华币. 幸运榜 / 衰神榜
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发表于 2024-5-31 10:05:20 显示全部楼层
谢谢楼主分享
[发帖际遇]: huiju2010 发帖时在路边捡到 4 个 韶华币,偷偷放进了口袋. 幸运榜 / 衰神榜
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发表于 2024-5-31 10:48:46 显示全部楼层
学习一下新知识
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 成长值: 5125

发表于 2024-5-31 13:55:50 显示全部楼层
楼主太厉害了!楼主,I*老*虎*U!我觉得马后炮化工真是个好地方!
[发帖际遇]: ccwd2008 发帖时在路边捡到 2 个 韶华币,偷偷放进了口袋. 幸运榜 / 衰神榜
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发表于 2024-6-3 07:52:34 显示全部楼层

我看不错噢 谢谢楼主!马后炮化工越来越好!
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发表于 2024-6-3 15:09:26 显示全部楼层

论坛不能没有像楼主这样的人才啊!我会一直支持马后炮化工
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发表于 2024-8-21 09:15:27 显示全部楼层
感谢分享,又学习到了
[发帖际遇]: 陆人甲 成功获得红包 1 个 韶华币. 幸运榜 / 衰神榜
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