管壳式废热锅炉挠性管板强度设计分析

黄　莉

浙江省天正设计工程有限公司　杭州　310012



管壳式废热锅炉挠性管板强度设计分析

黄莉*

浙江省天正设计工程有限公司杭州310012

摘要介绍挠性管板的特点及结构型式，对典型的管壳式废热锅炉挠性管板进行应力分析，得出管板强度计算的危险工况(内压与温差组合的工况)。应用GB 150-2011、GB/T 151-2014和西德AD规范中的计算方法进行挠性管板的强度计算时，管板厚度还应考虑制造、安装及运输的要求。在确定挠性管板厚度时，须根据标准JB/T 4732-1995(2005年确认)进行管板圆弧过渡区转角应力评定。

关键词挠性管板应力分析强度计算转角应力

换热器设计中，管板的形式有厚管板、薄管板和挠性管板三种。在实际的设计中经常会遇到很多管板偏厚的情况，尤其厚度超过60mm时加工就比较困难。当管壳温差较大时(即使壳程设置膨胀节)计算出的管板厚度往往偏厚，厚管板不仅加工困难，浪费材料，对钻孔、胀管和焊接等工艺也带来诸多问题。这就加快了薄管板技术的发展，国内外废热锅炉挠性管板的研究和使用已经取得了一定的研究成果。

挠性管板是指卧式管壳式余(废)热锅炉的管板强度，主要依靠换热管及其它元件支撑、并为减小管壳间温差应力在平管板周边设置挠性过渡段的管板[1]。它除了承受内压之外，还能补偿和平衡换热管同壳体之间的温差应力。对于挠性管板的管板强度计算到目前尚无统一的计算公式，其主要原因是影响管板的强度因素较多，有压力、温度、设备直径、换热管中心距、转角处的结构、管板圆弧过渡区转角半径、高温测管板及换热管热防护等[2]。常用的挠性管板的强度设计方法有德国AD规范、美国TEMA和标准GB151-2014附录M等。 其中GB151-2014附录M主要参考了西德AD规范、SH/T3158、GB/T16508标准。GB150-2011中增加了受拉撑板厚的计算方法，也可以进行挠性管板的强度计算，参见GB150.3-2011中的5.12.3。

1挠性管板的特点及结构型式

挠性管板最大的特点是周边设置的挠性过渡段，其较高的柔性相当于在壳程设置了膨胀节，可以补偿管束与壳体之间的热膨胀值差，减小管板边缘由变形协调引起的二次应力，除此之外挠性管板还有的特点[3][4]：① 由于管板很薄，管板上下面温差应力小，特别适用于废热锅炉这种管壳间温差大的设备，而且减小管板在工作中的内应力；② 在制造方面节省工时，特别是在钻孔和胀接加工时，节省大量的制造费用，但为控制管板加工精度，可能增加制造难度；③ 取材方便，可以直接采用钢板制造，避免通常情况下诸多困难的锻造、厚板拼接、热处理过程等，特别是不锈钢和贵重金属；④ 由于管板厚度较薄，从而增加了定长换热管的有效传热长度及换热面积，在一定程度上能改善换热器的换热效果。挠性管板结构形式分为两种：Ⅰ型管板和Ⅱ型管板[1],其中Ⅰ型又分为三种结构，Ⅱ型又分为两种结构，基本上包含了所有的挠性管板结构型式，其具体结构特点见GB151-2014附录M图M.2和图M.3。

2挠性管板应力分析

一般的固定管板式换热器引起管板应力的载荷有压力(管程压力Pt，壳程压力Ps)、管壳热膨胀差及法兰力矩[5]。本文讨论的管壳式废热锅炉和管壳式热交换器差不多，属于压力容器的范畴，其具体结构型式见图1。由于管板与壳体直接焊接，挠性管板的应力主要由内压和管壳温差引起。本文按管程压力Pt和壳程压力Ps(假设Ps、Pt同为正压)及管壳温差单独作用时，进行管板的应力分析，以此来研究管板强度计算的危险工况。

图1　管壳式废热锅炉结构

2.1内压下管板的边界力

管板、管束系统在Ps作用下，解除筒体与管板之间的相互约束，由于各元件的应力情况不同，则它们边缘自由位移也是不同的。此时作用于管板管桥面积上的Ps产生轴向载荷，此载荷使所有换热管均匀拉长(假设此时管板可自由移动)，管板可左右移动，热端管板左移，冷端管板右移，使管板端部产生轴向载荷(壳程圆筒内径上单位圆周长度受力)：PsRs/2(Rs指壳程筒节中径)。

壳程圆筒在Ps径向作用下直径增大，产生环向拉伸薄膜应力，由于泊松效应壳程圆筒长度缩短，径向发生膨胀，它与管板端部的自由变形不相一致，其连接面上因变形协调产生相互作用。径向发生胀大的壳程圆筒对管板端部产生向外的剪力Qs，同时管板端部阻止圆筒向外胀大，会产生相反的剪力，此力为一对自平衡内力。在Qs作用下，壳程圆筒和管板端部在发生径向位移的同时端面会发生偏转，为使两者的端面偏转保持一致，则必然会在端面上引起一对弯矩Ms[6]，见图2。

图2　管板受内压及管壳温差的边界力

由于管程筒体内径较壳程筒体内径小100mm，其受力点在管程圆筒与管板的焊接处(图2)。当Pt作用时，则发生相反的情况，在管板与管程圆筒焊接点处产生与由Ps作用时相反的应力，从而产生相反的变形。由此得知Ps与Pt共同作用时(假设压力均为正压)，管板的应力相互抵消。为此在进行管板的强度计算时，不考虑Ps与Pt均为正压或负压共同作用时的工况。

2.2管壳温差下管板的边界力

假设管子材料平均温度为tt，壳体材料平均温度为ts，假设tt>ts。令管壳材料线膨胀系数相同，即管壳间将产生热膨胀差Δ。在自由变形条件下，管束由于热膨胀将自由变形伸长Δt，壳程圆筒由于热膨胀产生轴向伸长Δs，由于tt>ts，则Δt>Δs，由此管壳产生热膨胀差Δ(Δ=Δt-Δs)。为了消除热膨胀差，自由变形伸长较小的壳程筒体将对自由伸长较大的管板产生轴向力VΔ，在VΔ作用下管板发生弯曲变形，产生弯矩MΔ(图2)。

对于管壳式废热锅炉，换热管中都是高温气体，所以管束热膨胀差大于壳体热膨胀差，即tt>ts。由图2可知Ps为正压且与管壳热膨胀差同时作用时，其管板周边受力及管板变形趋于一致，管板受力增大，可能成为管板强度计算的危险工况。Pt为负压且与管壳热膨胀差Δ同时作用时，其管板周边受力及管板变形趋于一致，管板受力增大，也可能成为管板强度的危险工况。此结论与文献7中的“管板应力最大工况均为温差载荷与壳程压力同时作用的工况”相一致。

3管板的强度计算

3.1模型结构及参数

该管壳式废热锅炉的结构见图1，管板结构见图3，设计参数见表1，各部分材质及力学性能见表2。

图3　管板结构尺寸

从图3可见，在管板上部有一弓形非布管区，为了降低此区域的应力水平和变形，提高管板的强度，加装了4根与换热管同规格的拉撑管和4个角撑板，用以承受管板的轴向应力。采用德国AD规范、GB151-2014附录M和GB150-2011中的5.12.3受拉撑的板厚计算方法进行管板强度设计。

表1　废热锅炉设计参数

表2　废热锅炉各部分材质及力学性能

3.2计算

3.2.1AD规范

为了充分发挥管子对管板的加强作用，AD规范提出只需考虑非布管区及布管区与非布管区交界处的管板强度，将管子作为固定支撑，即将管板视作管子固定支撑下的圆平板，计算其最大无支撑区的平板强度。此方法只考虑管板的局部弯曲应力，但因管板实际厚度取决于制造所要求的最小厚度，其实际使用效果良好。据此建立的管板厚度公式[8][9]：

(1)

根据式(1)计算得管板最小需要的厚度为10.3mm。

3.2.2GB 151-2014附录M

GB151-2014附录M挠性管板强度计算主要参考了西德AD规范、SH/T3158、GB/T16508标准，其计算式：

(2)

根据式(2)计算得管板厚度为12.3mm。

3.2.3GB 150-2011

GB150-2011拉撑板的计算厚度主要参考了JISB《压力容器拉撑所支撑的板》，主要适用于以棒材、管材及板材支撑的压力容器平封头、管板等的计算。此方法的具体计算过程参见《压力容器》GB150-2011问题解答及算例表28，可以用SW6零部件中拉撑平盖进行计算：

(3)

根据式(3)计算得管板厚度为11.7mm。

3.3结果分析

以上三种规范计算管板厚度相差不大，GB151计算厚度偏保守。管板厚度δ还应考虑腐蚀余量C1、钢板厚度负偏差C2和制造、安装及运输的要求厚度δ2：

δ=δ1+C1+C2+δ2

(4)

由于挠性管板圆弧过渡区处在换热管与筒体的连接部位，换热管和筒体的轴向刚度很大，内压和温差载荷造成换热管和筒体之间的相对变形量大部分转嫁到圆弧过渡区，在此处造成高应力分布[11]。而增加管板厚度，管板可变形能力差，引起转角处的应力增大，当管板厚度达到一定值后，转角处的应力就无法满足评定标准的要求。并且转角处因受力复杂，且属于挠性支撑，标准公式无法考虑这些因素，因此标准公式计算出的管板厚度的可靠性存在一定的隐患，需要使用有限元分析软件对这些部位进行核算[11][12]。δ2切不可凭感觉随便取值，需在圆弧过渡区转角应力分析合格的条件下选取。不要盲目的认为，增加管板厚度就越安全，大多数情况下，增加厚度就等于增加了危险。

在进行挠性管板强度计算时，根据标准公式计算出的管板厚度δ不一定能满足管板圆弧过渡区转角处应力评定的要求，因此应按照此厚度对管板圆弧过渡区进行应力评定。采用有限元法进行实体建模，对管壳程压力载荷和温度载荷同时作用的正常操作工况下的换热器进行温度场和应力场分析计算，根据应力分析理论[13]，评定圆弧过渡区转角处的应力。如果管板此处的应力评定不合格，则需要调整管板厚度直至评定合格为止。

4结语

(1)管板在同为正压的Ps与Pt共同作用时，管板的受力是相反的，所以管板强度计算不需考虑Ps与Pt同为正压的组合工况，管板的危险工况组合应是内压与管壳温差同时作用。

(2)三种方法计算出管板厚度相差不大，计算出的管板厚度满足强度要求，管板的名义厚度需考虑制造、安装及运输的要求稍加余量，此余量厚度的选择需要考虑管板圆弧过渡区转角应力。

(3)挠性管板的转角应力复杂且是高应力分布区，计算管板强度的标准公式无法考虑此应力，且此应力受管板厚度影响很大，所以在确定管板厚度的时候，需进行管板圆弧过渡区转角应力评定。

参考文献

1GB 151-2014，热交换器[S].

2刘骐，钟月华，消泽仪. 废热锅炉挠性薄管板设计研究进展[J].工业设计，2012，3：243-245.

3江小志，董金善，吕冬祥.基于ANSYS的挠性薄管板设计方法与结构尺寸研究[J].机械强度，2015，37(1)：109-113.

4段春玲.薄管板结构型式与强度设计[J].辽阳石油化工高等专科学校学报，2011，17(1)：25-28.

5桑如苞.压力容器强度设计技术分析(六)[J].石油化工设计，2000，17(4)：50-55.

6桑如苞.压力容器强度设计技术分析(一)[J].石油化工设计，1999，16(3)：41-46.

7叶增荣.管壳式废热锅炉薄管板的热应力分析[J].压力容器，2011，12(28)：23-29.

8薛大年译.德国AD压力容器规范[S].1999.

9AD 2000 CODE.Technical Rules for Pressure Vessels[S].

10GB/T 16508.3-2013，锅壳锅炉设计与强度计算[S].

11黄毓秀，赵国栋，张型波，马一鸣.刚性管板与挠性管板数值分析及比较[J].石油化工设备，2013，42(5)：45-49.

12张贤福.高压挠性薄管板的计算[J].压力容器，2014，31(4)：49-53.

13JB 4732-1995(2005年确认)，钢制压力容器—分析设计标准[S].

(收稿日期2015-10-30)

*黄莉：工程师。2011年毕业于浙江工业大学化工过程机械专业获硕士学位。主要从事压力容器设计工作。

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