管殼式廢熱鍋爐撓性管板強度設計分析

黃　莉

浙江省天正設計工程有限公司　杭州　310012

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管殼式廢熱鍋爐撓性管板強度設計分析

黃莉*

浙江省天正設計工程有限公司杭州310012

摘要介紹撓性管板的特點及結構型式，對典型的管殼式廢熱鍋爐撓性管板進行應力分析，得出管板強度計算的危險工況(內(nèi)壓與溫差組合的工況)。應用GB 150-2011、GB/T 151-2014和西德AD規(guī)范中的計算方法進行撓性管板的強度計算時，管板厚度還應考慮制造、安裝及運輸?shù)囊蟆Ｔ诖_定撓性管板厚度時，須根據(jù)標準JB/T 4732-1995(2005年確認)進行管板圓弧過渡區(qū)轉角應力評定。

關鍵詞撓性管板應力分析強度計算轉角應力

換熱器設計中，管板的形式有厚管板、薄管板和撓性管板三種。在實際的設計中經(jīng)常會遇到很多管板偏厚的情況，尤其厚度超過60mm時加工就比較困難。當管殼溫差較大時(即使殼程設置膨脹節(jié))計算出的管板厚度往往偏厚，厚管板不僅加工困難，浪費材料，對鉆孔、脹管和焊接等工藝也帶來諸多問題。這就加快了薄管板技術的發(fā)展，國內(nèi)外廢熱鍋爐撓性管板的研究和使用已經(jīng)取得了一定的研究成果。

撓性管板是指臥式管殼式余(廢)熱鍋爐的管板強度，主要依靠換熱管及其它元件支撐、并為減小管殼間溫差應力在平管板周邊設置撓性過渡段的管板[1]。它除了承受內(nèi)壓之外，還能補償和平衡換熱管同殼體之間的溫差應力。對于撓性管板的管板強度計算到目前尚無統(tǒng)一的計算公式，其主要原因是影響管板的強度因素較多，有壓力、溫度、設備直徑、換熱管中心距、轉角處的結構、管板圓弧過渡區(qū)轉角半徑、高溫測管板及換熱管熱防護等[2]。常用的撓性管板的強度設計方法有德國AD規(guī)范、美國TEMA和標準GB151-2014附錄M等。 其中GB151-2014附錄M主要參考了西德AD規(guī)范、SH/T3158、GB/T16508標準。GB150-2011中增加了受拉撐板厚的計算方法，也可以進行撓性管板的強度計算，參見GB150.3-2011中的5.12.3。

1撓性管板的特點及結構型式

撓性管板最大的特點是周邊設置的撓性過渡段，其較高的柔性相當于在殼程設置了膨脹節(jié)，可以補償管束與殼體之間的熱膨脹值差，減小管板邊緣由變形協(xié)調引起的二次應力，除此之外撓性管板還有的特點[3][4]：① 由于管板很薄，管板上下面溫差應力小，特別適用于廢熱鍋爐這種管殼間溫差大的設備，而且減小管板在工作中的內(nèi)應力；② 在制造方面節(jié)省工時，特別是在鉆孔和脹接加工時，節(jié)省大量的制造費用，但為控制管板加工精度，可能增加制造難度；③ 取材方便，可以直接采用鋼板制造，避免通常情況下諸多困難的鍛造、厚板拼接、熱處理過程等，特別是不銹鋼和貴重金屬；④ 由于管板厚度較薄，從而增加了定長換熱管的有效傳熱長度及換熱面積，在一定程度上能改善換熱器的換熱效果。撓性管板結構形式分為兩種：Ⅰ型管板和Ⅱ型管板[1],其中Ⅰ型又分為三種結構，Ⅱ型又分為兩種結構，基本上包含了所有的撓性管板結構型式，其具體結構特點見GB151-2014附錄M圖M.2和圖M.3。

2撓性管板應力分析

一般的固定管板式換熱器引起管板應力的載荷有壓力(管程壓力Pt，殼程壓力Ps)、管殼熱膨脹差及法蘭力矩[5]。本文討論的管殼式廢熱鍋爐和管殼式熱交換器差不多，屬于壓力容器的范疇，其具體結構型式見圖1。由于管板與殼體直接焊接，撓性管板的應力主要由內(nèi)壓和管殼溫差引起。本文按管程壓力Pt和殼程壓力Ps(假設Ps、Pt同為正壓)及管殼溫差單獨作用時，進行管板的應力分析，以此來研究管板強度計算的危險工況。

圖1　管殼式廢熱鍋爐結構

2.1內(nèi)壓下管板的邊界力

管板、管束系統(tǒng)在Ps作用下，解除筒體與管板之間的相互約束，由于各元件的應力情況不同，則它們邊緣自由位移也是不同的。此時作用于管板管橋面積上的Ps產(chǎn)生軸向載荷，此載荷使所有換熱管均勻拉長(假設此時管板可自由移動)，管板可左右移動，熱端管板左移，冷端管板右移，使管板端部產(chǎn)生軸向載荷(殼程圓筒內(nèi)徑上單位圓周長度受力)：PsRs/2(Rs指殼程筒節(jié)中徑)。

殼程圓筒在Ps徑向作用下直徑增大，產(chǎn)生環(huán)向拉伸薄膜應力，由于泊松效應殼程圓筒長度縮短，徑向發(fā)生膨脹，它與管板端部的自由變形不相一致，其連接面上因變形協(xié)調產(chǎn)生相互作用。徑向發(fā)生脹大的殼程圓筒對管板端部產(chǎn)生向外的剪力Qs，同時管板端部阻止圓筒向外脹大，會產(chǎn)生相反的剪力，此力為一對自平衡內(nèi)力。在Qs作用下，殼程圓筒和管板端部在發(fā)生徑向位移的同時端面會發(fā)生偏轉，為使兩者的端面偏轉保持一致，則必然會在端面上引起一對彎矩Ms[6]，見圖2。

圖2　管板受內(nèi)壓及管殼溫差的邊界力

由于管程筒體內(nèi)徑較殼程筒體內(nèi)徑小100mm，其受力點在管程圓筒與管板的焊接處(圖2)。當Pt作用時，則發(fā)生相反的情況，在管板與管程圓筒焊接點處產(chǎn)生與由Ps作用時相反的應力，從而產(chǎn)生相反的變形。由此得知Ps與Pt共同作用時(假設壓力均為正壓)，管板的應力相互抵消。為此在進行管板的強度計算時，不考慮Ps與Pt均為正壓或負壓共同作用時的工況。

2.2管殼溫差下管板的邊界力

假設管子材料平均溫度為tt，殼體材料平均溫度為ts，假設tt>ts。令管殼材料線膨脹系數(shù)相同，即管殼間將產(chǎn)生熱膨脹差Δ。在自由變形條件下，管束由于熱膨脹將自由變形伸長Δt，殼程圓筒由于熱膨脹產(chǎn)生軸向伸長Δs，由于tt>ts，則Δt>Δs，由此管殼產(chǎn)生熱膨脹差Δ(Δ=Δt-Δs)。為了消除熱膨脹差，自由變形伸長較小的殼程筒體將對自由伸長較大的管板產(chǎn)生軸向力VΔ，在VΔ作用下管板發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生彎矩MΔ(圖2)。

對于管殼式廢熱鍋爐，換熱管中都是高溫氣體，所以管束熱膨脹差大于殼體熱膨脹差，即tt>ts。由圖2可知Ps為正壓且與管殼熱膨脹差同時作用時，其管板周邊受力及管板變形趨于一致，管板受力增大，可能成為管板強度計算的危險工況。Pt為負壓且與管殼熱膨脹差Δ同時作用時，其管板周邊受力及管板變形趨于一致，管板受力增大，也可能成為管板強度的危險工況。此結論與文獻7中的“管板應力最大工況均為溫差載荷與殼程壓力同時作用的工況”相一致。

3管板的強度計算

3.1模型結構及參數(shù)

該管殼式廢熱鍋爐的結構見圖1，管板結構見圖3，設計參數(shù)見表1，各部分材質及力學性能見表2。

圖3　管板結構尺寸

從圖3可見，在管板上部有一弓形非布管區(qū)，為了降低此區(qū)域的應力水平和變形，提高管板的強度，加裝了4根與換熱管同規(guī)格的拉撐管和4個角撐板，用以承受管板的軸向應力。采用德國AD規(guī)范、GB151-2014附錄M和GB150-2011中的5.12.3受拉撐的板厚計算方法進行管板強度設計。

表1　廢熱鍋爐設計參數(shù)

表2　廢熱鍋爐各部分材質及力學性能

3.2計算

3.2.1AD規(guī)范

為了充分發(fā)揮管子對管板的加強作用，AD規(guī)范提出只需考慮非布管區(qū)及布管區(qū)與非布管區(qū)交界處的管板強度，將管子作為固定支撐，即將管板視作管子固定支撐下的圓平板，計算其最大無支撐區(qū)的平板強度。此方法只考慮管板的局部彎曲應力，但因管板實際厚度取決于制造所要求的最小厚度，其實際使用效果良好。據(jù)此建立的管板厚度公式[8][9]：

(1)

根據(jù)式(1)計算得管板最小需要的厚度為10.3mm。

3.2.2GB 151-2014附錄M

GB151-2014附錄M撓性管板強度計算主要參考了西德AD規(guī)范、SH/T3158、GB/T16508標準，其計算式：

(2)

根據(jù)式(2)計算得管板厚度為12.3mm。

3.2.3GB 150-2011

GB150-2011拉撐板的計算厚度主要參考了JISB《壓力容器拉撐所支撐的板》，主要適用于以棒材、管材及板材支撐的壓力容器平封頭、管板等的計算。此方法的具體計算過程參見《壓力容器》GB150-2011問題解答及算例表28，可以用SW6零部件中拉撐平蓋進行計算：

(3)

根據(jù)式(3)計算得管板厚度為11.7mm。

3.3結果分析

以上三種規(guī)范計算管板厚度相差不大，GB151計算厚度偏保守。管板厚度δ還應考慮腐蝕余量C1、鋼板厚度負偏差C2和制造、安裝及運輸?shù)囊蠛穸圈?：

δ=δ1+C1+C2+δ2

(4)

由于撓性管板圓弧過渡區(qū)處在換熱管與筒體的連接部位，換熱管和筒體的軸向剛度很大，內(nèi)壓和溫差載荷造成換熱管和筒體之間的相對變形量大部分轉嫁到圓弧過渡區(qū)，在此處造成高應力分布[11]。而增加管板厚度，管板可變形能力差，引起轉角處的應力增大，當管板厚度達到一定值后，轉角處的應力就無法滿足評定標準的要求。并且轉角處因受力復雜，且屬于撓性支撐，標準公式無法考慮這些因素，因此標準公式計算出的管板厚度的可靠性存在一定的隱患，需要使用有限元分析軟件對這些部位進行核算[11][12]。δ2切不可憑感覺隨便取值，需在圓弧過渡區(qū)轉角應力分析合格的條件下選取。不要盲目的認為，增加管板厚度就越安全，大多數(shù)情況下，增加厚度就等于增加了危險。

在進行撓性管板強度計算時，根據(jù)標準公式計算出的管板厚度δ不一定能滿足管板圓弧過渡區(qū)轉角處應力評定的要求，因此應按照此厚度對管板圓弧過渡區(qū)進行應力評定。采用有限元法進行實體建模，對管殼程壓力載荷和溫度載荷同時作用的正常操作工況下的換熱器進行溫度場和應力場分析計算，根據(jù)應力分析理論[13]，評定圓弧過渡區(qū)轉角處的應力。如果管板此處的應力評定不合格，則需要調整管板厚度直至評定合格為止。

4結語

(1)管板在同為正壓的Ps與Pt共同作用時，管板的受力是相反的，所以管板強度計算不需考慮Ps與Pt同為正壓的組合工況，管板的危險工況組合應是內(nèi)壓與管殼溫差同時作用。

(2)三種方法計算出管板厚度相差不大，計算出的管板厚度滿足強度要求，管板的名義厚度需考慮制造、安裝及運輸?shù)囊笊约佑嗔浚擞嗔亢穸鹊倪x擇需要考慮管板圓弧過渡區(qū)轉角應力。

(3)撓性管板的轉角應力復雜且是高應力分布區(qū)，計算管板強度的標準公式無法考慮此應力，且此應力受管板厚度影響很大，所以在確定管板厚度的時候，需進行管板圓弧過渡區(qū)轉角應力評定。

參考文獻

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13JB 4732-1995(2005年確認)，鋼制壓力容器—分析設計標準[S].

(收稿日期2015-10-30)

*黃莉：工程師。2011年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學化工過程機械專業(yè)獲碩士學位。主要從事壓力容器設計工作。

聯(lián)系電話：(0571)88365933，E-mail：lilyhappily@126.com。