双管板换热器管板设计厚度探讨

双管板换热器管板设计厚度探讨 双管板换热器管板设计厚度探讨 2009年4月 炼油技术与工程 PETROLEUMREFINERYENGINEERING第39卷第4期 双管板换热器管板设计厚度探讨 郑丽娜王家帮贺小华 南京工业大学机械与动力工程学院(江苏省南京市210009) 摘要:由于双管板换热器管板结构的多样性,其管板厚度设计方法目前国内没有标准可依,国外TEMA标准也 仅给出了3种设计计算模型.针对某u形管及固定管壳式换热器双管板结构,根据SW6软件相应模块进行管板厚 度近似计算,在此基础上采用ANSYS软件对管板模型结构进行热应力分析并进行优化设计.分析结果表明,双管 板换热器管板厚度采用SW6软件近似计算是安全的,但结果过于保守.有限元优化设计有效地降低了管板厚度, 为双管板换热器管板设计提供了有效手段. 关键词:双管板换热器管板厚度SW6软件热应力分析优化设计 双管板换热器是在换热器一端设有一定间隙 的两块管板或相当于有一定间隙的两块管板的换 热器.实际操作中,双管板换热器一般用于以下 两种场合?J:一种是绝对防止管壳程间介质混串 的场合,一般在内外管板之问空腔上加排液倒淋 装置,供Et常观察和内管板发生泄漏时排放,使得 管壳程介质切实被内外两层管板隔离.另一种是 管壳程间介质压差很大的场合,通常在内外管板 之间的空腔中加入一种介质,以减小管壳程间介 质的压差. 双管板换热器的管板厚度设计方法目前国内 没有标准可依,通常采用近似方法将双管板换热 器分解成两部分,然后根据每块管板两侧所接触 的介质压力与温度按GB151一l999相应模块 来进行设计计算,此方法的合理性和安全性值得 商榷.国外TEMA--1999E3]标准虽然给出了3种 双管板换热器管板设计方法,但与本研究对象结 构不符,且没有工程设计软件.基于双管板换热 NSYS软件对u 器的管板设计现状,本研究运用A 形管及固定管壳式双管板换热器管板结构进行了 温度场和热应力分析,并与近似计算方法进行比 较,进一步对双管板换热器的管板结构进行优化 设计,为设计提供依据. 1U形管双管板换热器管板厚度设计 u形管双管板换热器的设计参数及主要的几 何尺寸见表1和表2,结构见图1. 表1U形管双管板换热器主要几何尺寸 Table1MaingeometricparametersofU—tube doubletube—sheetheatexchangermm 换热管外径d19壳程筒体壁厚14 换热管壁厚2.1l管程简体内径800 换热管中心距25管程筒体壁厚l6 壳程筒体内径D;800 表2u形管双管板换热器设计参数 Table2DesignparametersofU?-tubedoubletube--sheet heatexchanger 1.1基于SW6软件的U形管双管板换热器管板 近似计算 目前,国内工程上针对U形管双管板换热器 管板厚度的计算,一般采用将其分解为固定管板 换热器和u形管换热器两部分,分别采用SW6软 件进行计算J.参照文献[5],[6],两管板间聚 收稿日期:2008—11—24. 作者简介:郑丽娜,在读硕士研究生,主要从事过程装备结构 强度分析工作.联系电话:025—83587299,E-mail:zhenglina 0o3@126.corn 炼油技术与工程2009年第39卷 , 液壳壁厚取为8mm,聚液壳长度,J一般为200300mm,本研究取L=250lnm.针对管,壳程压 力作用下各种操作工况,计算得名义厚度为:管板 = 87mm,6管板=98mm.由于管壳程温差较大, 采用SW6软件计算时,聚液壳上需要设置膨胀 节,否则,无论管板厚度如何,计算都无法通过. 图1U形管双管板换热器结构示意 Fig.1SketchofU—tubedoubletube—sheetheatexchanger 1.2基于有限元分析模型的U形管双管板换热 器管板计算 1.2.1有限元分析模型 因换热器结构和载荷具有对称性,可沿结构的 纵向对称面切开,选取管箱筒体,管箱法兰,两个管 板,壳程筒体,壳程法兰和管束的1/2结构作为管 板应力分析模型.管箱简体长度取250mm,壳程 简体长度取200Bin,换热管长度取800mm作为管 板分析模型.位移边界条件:纵向对称面按对称边 界处理,管箱筒体端部约束轴向位移,壳程筒体和 换热管端部施加轴向力.管程压力作用下,换热管端面受到拉应力=P×/(一d)=3.2MPa; 壳程压力作用下,壳程简体端面受到拉应力= P×D/(D一D)=29.5MPa,换热管端面受到压 应力.=P×/(d:一d)=5.3MPa;管,壳程压 力同时作用时,壳程简体端面受到拉应力29.5 MPa,换热管端面受到压应力2.1MPa. 1.2.2U形管双管板换热器热应力场分析 换热器壳程介质温度为32?,对流系数为 543.98W/(m?oC),管程介质温度为130oC,对 流系数为500W/(in??),聚液壳内部温度为 20?,对流系数为6w/(m?oC),结构的对称面 上按绝热边界条件处理.通过三维有限元分析, 先求出模型的温度场,进一步获得分析结构的热 应力场.图2为在P.+P+操作工况下的 TRESCA应力云图.由图2可知,最大TRESCA 应力为150.527MPa,位于管板2与法兰连接处. 1.2.3不带聚液壳的U形管双管板换热器热应 力场分析 由图2可知,总体最大热应力为150.527 MPa,管板材料在设计温度下的许用应力值 []=110MPa,二次应力的许用极限为3[]= 330MPa,显然该结构管板应力强度有较大富裕. 现将聚液壳上的膨胀节去掉,其它参数不变,经有 限元计算,最大TRESCA应力为244.927MPa,仍 在许用范围内,管板结构仍为安全.由SW6软件 及上述有限元分析结果可知,对于U形管双管板 换热器管板,采用SW6近似计算得到的管板厚 度,其设计方法安全,但过于保守,为此,本文进一 步对该管板进行优化. 力位置 .聂石磊币而百0.53 图2管板稳态热应力场分布 Fig.2Steady—statethermalstressfieldoftube—sheet 1.3管板厚度优化 管板优化设计的最终目的是在满足刚度和强 度要求下使管板的厚度最小.本研究对带膨胀节 的U形管双管板换热器管板进行优化,选定两个 管板的厚度A1和A2作为优化的设计变量, TRESCA应力强度SMAX1和SMAX2作为优化的 约束条件,由于本设备换热器管子管板之间采用 胀接,考虑到胀接厚度的要求,选取两个管板的最 小厚度不小于40mm,即A1?40mm,A2? 40mm. 1.3.1优化结果及分析 经过7次优化迭代得到的数据见表3,序列7 第4期郑丽娜等.双管板换热器管板设计厚度探讨 为最后迭代结果,可以看出管板厚度降低很多.优化设计结果,最终两个管板的厚 度取为41mm. 表3优化设计序列 Table3Sequenceofoptimizationdesign 1.3.2优化后结构应力强度评定 换热器操作时受到管程压力,壳程压力和温 度载荷等3种载荷的作用.参照有关管板设计方 法,应考虑温度单独作用,管程压力,壳程压力,管 程和壳程压力,管程压力加温差,壳程压力加温 差,管壳程压力联合作用加温差7种不同工况进 行分析.限于篇幅,现将3种工况下应力强度最 大部位的评定结果列于表4和表5. 表4管板1强度评定 Table4StressintensityoftubesheetNo.1 表5管板2强度评定 Table5StressintensityoftubesheetNo.2 塑_一_..鲨冀鍪兰.PLP七|一.鼍矗 嗷叁蒋洒j一-.鼍ll||?,|. —瓠舔釉惜晦负99.59.?i165~通过r 蝴164.0_330通过 pT|llI|I 话瓠袋犍il毫 |毫孽芬芒l薯专j 蠢晖应力一938_.28i585萎蠢嚣一总应力.3通过PT|毒板与兰轰畿?|jl11l1.一一 一一 次局部薄膜应力柏.62鬻《一习b晦通过 一望宣:.:_.一._..竺:!.--::?一一..型. 2固定管壳式双管板换热器管板厚度设计 固定管壳式双管板换热器的设计相关参数及 主要的几何尺寸见表6和表7,结构见图3. 表6固定管壳式双管板换热器主要几何尺寸 Table6Maingeometricparametersoffixedshelland tubedoubletube—sheetheatexchangemm 换热管外径l9壳程简体壁厚14 换热管壁厚.2.77管程简体内径!O00.{' 换热管中心距25管程简体壁厚l6 壳程筒体内径一一1o0o 表7固定管壳式双管板换热器设计参数 Table7Designparametersoffixedshellandtube doubletube—sheetheatexchange 工作压力/I】曩函$最l-吣2 工作温庄蠡蟛蠢j;99n3游J_l,13o.2 :_: 腐蚀余量,幽lm曩_2'll- 主要受压元件材质j16MnR0ocrl9NilO藏 2.1基于SW6软件的固定管壳式双管板换热器 管板近似计算 对于固定管壳式双管板换热器管板厚度的近 似计算,一般将其等效成两个固定管板换热器,采 用SW6软件进行计算.经计算,管板的名义厚度 为:6管板l=81mm,6管板2=60mm,聚液壳长度L= 160mm,壁厚为8Bin. 2.2基于有限元分析模型的固定管壳式双管板 换热器管板计算 有限元模型的选取同1.2.1,选取管箱筒体, 管箱法兰,两个管板,壳程筒体和管束的1/2作为 管板应力分析模型,管箱简体长度取300mm,壳 程筒体长度取250mm,换热管长度取800mill作 为管板分析模型.固定管壳式双管板换热器由于 炼油技术与工程2009年第39卷 壳程简体设有膨胀节,在内压和温度载荷共同作用下的轴向应力可由下述方法确 定. 图3固定管壳式双管板换热器结构示意 Fig.3Sketchoffixedshellandtubedoubletube—sheetheatexchanger 在内压和温度作用下,所选分析模型的内力 平衡方程为: PA一PA=Nh+ 补充方程为: A1h=Al 其中:Alsh=AI~++A/Ej=?Nshl+ ‰m?ffuf+= 对换热器多种操作工况进行有限元分析,经 过优化分析后管板1的厚度为64mm,管板2的 厚度为45mm.限于篇幅,仅将3种工况下应力 强度最大部位的评定结果列于表8. 表8管板强度评定 Table8Stressintensityoftubesheet 3基于SW6软件与有限元优化分析的管板厚度 对比(见表9) 表9管板设计厚度对比 Table9Comparisonofthicknessoftubesheetmm 4结论 (1)针对U形管及固定管壳式双管板换热 器,其管板设计厚度采用SW6软件相应模块进行 近似计算是安全的,但结果过于保守. (2)采用有限元分析软件对双管板换热器的 管板相应结构进行热应力分析并进行优化设计, 有效地降低了管板厚度,为双管板换热器的管板 厚度设计提供依据. 符号说明 .,r,.——换热管端面拉应力,壳程筒体端面拉应力,换热管 端面压应力,MPa; []——管板许用应力强度,MPa; 41,2——管板1和管板2在优化设计中的厚度,MPa; SMAX1,sMAx2——管板l和管板2在优化设计中的应力强度, MPa: 三——聚液壳长度,mm; P,P——壳程和管程设计压力,MPa; A,A——管板壳程侧和管板管程侧有效受压面积,m; D.,D——壳程简体外径和内径,m; d,dl——换热管外径和内径,m; ?h,?——壳程简体,管束内力,N; ?zh,?z——壳程简体,管束的轴向变形量,m; 第4期郑丽娜等.双管板换热器管板设计厚度探讨 ?fh,?,—壳程在温度载荷,内压作用下的轴向变形量,In; ?fE——每一个膨胀节产生的轴向变形量,113; 尺——膨胀节的半径,m; o/h,a——壳程筒体,管束材料的热膨胀系数,?; ?,?f——壳程简体,管束操作温度与制造装配温度的差 值,?; AA——壳程简体,管束的横截面积,m; ,——膨胀节惯性矩,/n; —— 膨胀节材料的弹性模量,MPa; —— 壳程筒体的总长度,m. 参考文献 [1]刘军.双管板换热器和单管板换热器的比较[J].炼油技术与 工程,2004,34(1):24-25. [2]国家技术监督局.GB151—1999管壳式换热器[s].北京:中 国标准出版社,2000. [3]Tubularexchangermanufacturersassociation,INC.Standardsof thetubularexchangermanufacturersassociation---t999[s].New York:RichardCByrne,Secretary. [4]于顺民.运用SW6进行双管板换热器管板的计算[J].化工 设备与管道,2000,37(1):56. [5]钱婷婷,孙智文.双管板换热器的设计和制造[J].化工装备 技术,2006,27(6):4l44. [6]涂俊宏,于东兴.双管板换热器设计及制造[J].化工设备与 管道,2001,38(2):34-36. (7]张卫义,安永明.多乙二醇塔再沸器膨胀节失效分析及修复 [J].压力容器,2007,24(4):51-71. (编辑漆萍) Studyonthedesignthicknessoftubesheetfor doubletube—sheetheatexchanger ZhengLina,WangJiabang,HeXiaohua CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanfingUniversityofTechnology (Nanfing210009,Jiangsu,China) Abstract:Duetothediversityofthetubesheetconstructionfordoubletube— sheetheatexchangers,there isnonationaldesignstandardfordesignthicknessoftubesheet,andonlythreespecificdesignmodelsaregiv— eninTEMAstandard.TheapproximatecalculationoftubesheetbasedonSW6softwarewasmadeforU—tube andfixedsheHandtubeheatexchangers,andthethermalstreSSanalysisandoptimizationdesignoftubesheet weremadebyANSYSsoftware.The:resultsshowthattheapproximatecalculationofthedesignthicknessof tubeshee!,fordoubletube— sheetheatexchangersbySW6softwareissafe,buttheresultisconservative,Opti— mizationdesignbasedonfiniteelementanalysishaseffectivelyreducedthedesignthicknessoftube-sheetand providedausefulmeans.forthedesignoftubesheetfordoubletube-sheetheatexchangers. KeyWords:doubletube— sheetheatexchanger,designthicknessoftubesheet,SW6software,thermal stressanalysis,optimizationdesign 从低用途的裂解C馏分制取丁二烯 日本三菱化学公司于2009年3月22日宣布,利用自 开发的专有催化剂,开发出将用途不大的丁烯生产1,3一丁 二烯的新技术.这一工艺过程已在三菱化学公司日本水 岛生产基地完成200t/a能力中试,该公司计划于2009年 完成工艺设计,旨在使该技术于2010年推向商业化应用. 丁二烯是用于生产丁苯橡胶(SBR)和其他聚合物用 的单体,通常由正丁烷脱氢制取,但最近开发了从石脑油 催化裂解装置c馏分抽提来生产的方法,C馏分占裂解 装置产品约11%,这种c馏分的丁二烯含量近40%,在 丁二烯抽提后,剩余C馏分的30%为丁烯.迄今,仅在 亚洲这类丁烯就有约0.5—1.0Mt/a,主要用作燃料. 三菱化学公司开发了高活性催化剂,可通过氧化脱 氢选择地将废丁烯转化为丁二烯.该公司预计,新的工 艺可从50kt/a正丁烯生产40kt/a丁二烯.这一技术也 可用于从炼油厂催化裂化(FCC)装置,包括产生高含烯烃 的新一代FCC装置的丁烯来制取丁二烯. (钱伯章摘译自ChemicalEngineering,2009—03)