某項(xiàng)目中，遇到了一臺(tái)U型管板換熱器，僅管板上半部分有換熱管。

按照GB/T151的對(duì)于管板計(jì)算章節(jié)，對(duì)于管板計(jì)算方法適用范圍，以及計(jì)算方法的力學(xué)模型都有詳細(xì)解釋。

對(duì)于部分布管的換熱器管板，規(guī)范是不適用的。

管板與換熱管的設(shè)計(jì)按照GB150.1~150.4-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收，但是由于管板上的換熱管布置為非對(duì)稱布管，不具有均勻密集開(kāi)孔，且管板周邊布管區(qū)無(wú)量綱寬度k>1，與GB/T 151-2014的U形管板的常規(guī)計(jì)算不符。為了確保結(jié)構(gòu)的安全性，采用有限元法分析管板與換熱管連接結(jié)構(gòu)的詳細(xì)應(yīng)力。

模型簡(jiǎn)化：

考慮到結(jié)構(gòu)的形式為U型管換熱器，設(shè)備管殼程材料為S30408，設(shè)計(jì)溫度為殼程為98°C，管程為167°C。設(shè)計(jì)壓力殼程為0.5，管程為1.0。設(shè)計(jì)壓力和溫度均不苛刻。在分析管板與換熱管連接區(qū)域應(yīng)力時(shí)，只需要對(duì)其在機(jī)械載荷作用下進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核即可。無(wú)需考慮溫差應(yīng)力對(duì)于管板的影響。在建模時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建立1/2管板和換熱管模型，減少計(jì)算量。

由于U型管板的換熱管并沒(méi)有像固定管板一樣有熱膨脹位移限制，所以只需考慮換熱管的削弱作用，所以只需要建200mm長(zhǎng)即可。

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，考慮管板的管程側(cè)的隔板槽深度6mm和殼程側(cè)的凸臺(tái)高度6mm，管板計(jì)算時(shí)去除隔板槽深以及凸臺(tái)高度，建模厚度按照42mm。劃分網(wǎng)格時(shí)，采用20節(jié)點(diǎn)的Solid186高階單元。為了確保求解結(jié)果快速收斂，所有體均采用六面體網(wǎng)格劃分。在求解過(guò)程中，不斷對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，直至求解結(jié)果基本保持不變。

劃分網(wǎng)格

邊界條件

管板在一側(cè)表面施加可能出現(xiàn)的最大的壓力，負(fù)壓時(shí)考慮壓差，均為正壓則考慮壓力大者。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到管板的應(yīng)力分布：

對(duì)管板進(jìn)行應(yīng)力線性化

U型管板最大彎曲應(yīng)力一般出現(xiàn)在中間，所以將中間評(píng)定一下。

最大應(yīng)力點(diǎn)的位置可能在不連續(xù)的邊緣處，在最大點(diǎn)位置截面也進(jìn)行線性化評(píng)定，經(jīng)過(guò)評(píng)定結(jié)果為合格。

U型管板的厚度一般是有“上限”的，上限的意思是，U型管板換熱器是一個(gè)possible的結(jié)構(gòu)。不似固定管板換熱器，有時(shí)候壓力和溫差應(yīng)力都很大，無(wú)論你怎么調(diào)整，換熱器都無(wú)法計(jì)算通過(guò)，固定管板這種結(jié)構(gòu)就不可行，固定管板有些工況可能是impossible，必須要換結(jié)構(gòu)。

只要你愿意，U型管板可以通過(guò)加厚管板厚度，降低管板的應(yīng)力。即使沒(méi)有有限元的工具，U型管板根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，也可以估計(jì)出管板的厚度上下限。

比如這個(gè)管板，是一個(gè)非均勻布管的管板，k>1，在各種商業(yè)常規(guī)計(jì)算軟件中無(wú)法計(jì)算。那么可以采用如下幾種方法，得到可以供參考的管板厚度：

1. 在常規(guī)計(jì)算軟件，如SW6中，不斷加大管子數(shù)量，使得k剛好略小于1，此時(shí)獲得一個(gè)管板的厚度t1。

2. 在SW6中，按照2倍換熱管計(jì)算滿布管時(shí)的管板厚度t2。

3. 按照周邊簡(jiǎn)支圓平板公式計(jì)算圓平板厚度t3。

一般來(lái)說(shuō)管板厚度基本上就是在t1到t3之間。如果直徑較小，t3算出來(lái)也不大。選擇t3作為管板厚度，那么強(qiáng)度上基本不會(huì)有問(wèn)題。