管接头结构及管束对管板强度和刚度影响的研究
随着过程工业生产规模向着大型化发展，大型管壳式换热器的应用越来越普遍。管板作为管壳式换热器的重要承载部件，其合理的设计对保障设备的安全运行以及降低造价成本具有重要的意义。目前在进行大型管壳式换热器模拟时往往忽略实际的管接头结构以及折流板的作用，降低了模拟的准确性。另外，对于受力和变形复杂的大直径薄管板，管束对管板的支撑作用更突出，而依据我国现有标准难以得到精确解。为此，本论文对管壳式换热器进行了大量的数值模拟和分析，论文主要工作如下:(1)建立了不同管接头结构的数值分析模型，分析了管板中心的挠度和应力分布规律，并且与将管子与管板全贴合的简化模型计算结果进行了比较，发现在管板刚度和强度方面，紧密的胀接接头好于焊接接头，简化模型得到的结果相比于焊接接头偏于不保守，满胀接头可采用简化模型。胀接长度越大管子对管板支撑作用越强，管子与管孔间隙对管板的作用可忽略不计。 (2)针对某大型焊接接头固定管板换热器建立了有限元分析模型，分析了管板厚度以及管子根数变化对管板强度及刚度的影响，并与JB4732理论计算所得结果进行对比，结果表明虽然薄管板挠曲波形复杂，但是管板中部波幅及对管子应力影响很小。管板减薄以及管子根数的减少都会导致管板挠度以及应力变化幅度增加，理论计算得到的管板应力和挠度数值偏低。 (3)对焊接接头的固定管板换热器进行了极限载荷分析，研究了不同载荷工况下管接头结构承载能力，并分析了管板厚度对极限载荷的影响。结果表明管板越薄，产生塑性铰的接头结构越多，焊缝与管子连接处是容易发生破坏的部位。将管子与管板全贴合的简化模型过高地估计了换热器承载能力。 (4)采用管-壳单元结合的方式建立了固定管板换热器模型，对管程以及壳程压力下的固定管板换热器进行了特征值属曲分析，研究了管板厚度、壳体厚度以及折流板数日对换热管束临界失稳载荷的影响。结果表明大直径薄管板换热器在壳程工况下会导致管束边缘的管子发生压杆失稳。若不考虑折流板作用，换热器会在发生强度失效之前发生边缘管子屈曲。
管壳式换热器;接头结构;换热管束;管板强度;管板刚度
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
钱才富
2021
中文
TK172
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）