直截面外导流筒安全评价方法、换热器修正方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种直截面外导流筒安全评价方法、换热器修正方法及系统，涉及换热器参数设计领域，包括：根据直截面外导流筒的对称结构特点和真实载荷条件确定此导流筒的径向位移公式和转角公式，然后根据径向位移公式和转角公式构建7阶矩阵方程并求解，进而得到此导流筒中各个元件的应力，并基于此应力对各个元件的弯曲应力和薄膜应力进行强度评定，确定各个元件的最终壁厚；根据各个元件的最终壁厚，计算此导流筒的轴向刚度，进而对换热器系统进行计算修正；通过换热器系统修正，得到此导流筒的轴向力，进一步对轴向力和内压载荷下的直截面外导流筒进行计算和安全评价。本发明专利技术达到准确评价直截面外导流筒和带直截面导流筒换热器系统的目的。筒换热器系统的目的。筒换热器系统的目的。

Safety evaluation method, heat exchanger correction method and system of straight section outer draft tube

【技术实现步骤摘要】
直截面外导流筒安全评价方法、换热器修正方法及系统


[0001]本专利技术涉及换热器设计领域，特别是涉及一种直截面外导流筒安全评价方法、换热器修正方法及系统。

技术介绍

[0002]随着换热器设备大型化、高参数化，直截面外导流筒由于其制造方便、结构紧凑，且其带内分布器后进一步减少换热死区、改善受力、节省壳程轴向空间等优势，使其成为大型换热器出口处、入口处优选的导流结构。直截面外导流筒(即带内分布器的直截面外导流筒)用于换热器时的实际外形如图1所示。
[0003]直截面外导流筒是由四个元件组成，如图2所示，包括端板，外筒体，内筒体和内分布器筒体(图中以分布筒体1,2表示)；内分布器筒体分为开孔区和非开孔区。直截面外导流筒中的各元件之间是通过焊接方式连接的，端板与内、外筒体成直角，结构不连续处具有局部高应力特性且紧邻焊缝区域，为保证换热器设备安全运行，此处应进行合理设计和计算。其中，直截面外导流筒的1/8空间模型图和3D渲染图如图3和图4所示。由于缺乏科学计算方法，国内外依靠经验设计，无法完整的评价直截面外导流筒的强度失效和安全状况，并忽视了外导流筒轴向刚度对整个换热器应力的影响，给工程安全带来隐患。当前带内分布器的直截面导流筒设计计算存在的具体问题如下：
[0004](1)目前工程经验方法均是基于内压下计算外壳体周向应力强度，属于结构的一次应力强度，即远离非连续区的筒体强度。但直截面外导流筒为非连续结构，内筒体、外筒体、端板以及内分布器筒体之间相互作用，在内压和轴向力等载荷下变形协调，出现二次应力，二次应力不但会引起结构破坏而且二次应力的衰减区域关系到直截面外导流筒的结构紧凑性。(2)直截面外导流筒中的各元件之间通过直角焊接连接，内筒体、外筒体、端板以及内分布器筒体之间的连接部位为几何突变区域，结构不连续导致二次应力较高，而高应力区恰是焊接区域，属于结构危险部位，忽视该危险部位评价将带来安全隐患。(3)当前设计直截面外导流筒时，采用经验方法，将端板厚度按两倍于外筒体的厚度进行设计，没有科学依据，过于盲目，是另一个安全隐患。(4)换热器壳体的总轴向刚度直接影响换热器管板系统(包括管板、管束、壳侧筒体、管板与换热管接头等关键元件)的强度计算。而直截面外导流筒的出现显然改变了换热器壳体轴向刚度，但是目前尚未发现考虑上述影响的相关计算方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种直截面外导流筒安全评价方法、换热器修正方法及系统，达到准确计算和评价直截面外导流筒的强度、轴向刚度以及换热器管板系统计算修正的目的。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]第一方面，本专利技术实施例提供了一种直截面外导流筒安全评价方法，所述直截面
外导流筒为带内分布器的直截面外导流筒，所述直截面外导流筒包括四个元件，分别为内筒体、外筒体、端板以及内分布器筒体，所述直截面外导流筒安全评价方法包括：
[0008]根据直截面外导流筒的对称结构特点和真实载荷条件，建立1/2对称力学模型；所述1/2对称力学模型包括内径为R
i
的内筒体的初始壁厚、内径为R
o
的外筒体的初始壁厚、连接所述内筒体和所述外筒体的端板的初始壁厚以及内径为R
i
的内分布器筒体的初始壁厚；所述真实载荷条件包括介质内压载荷和设定的直截面外导流筒轴向力载荷；
[0009]根据所述1/2对称力学模型构建所述直截面外导流筒中各元件的径向位移公式和转角公式；所述直截面外导流筒中各元件的径向位移公式包括内筒体在连接处的径向位移公式、外筒体在连接处的径向位移公式、端板在R
t
处的径向位移公式、端板在R
o
处的径向位移公式以及内分布器筒体在连接处的径向位移公式；所述直截面外导流筒中各元件的转角公式包括内筒体在连接处的转角公式、外筒体在连接处的转角公式、端板在R
t
处的转角公式、端板在R
o
处的转角公式以及内分布器筒体在连接处的转角公式；
[0010]根据所述直截面外导流筒中各元件的径向位移公式和转角公式，构建7阶矩阵方程；所述7阶矩阵方程表示所述直截面外导流筒中的内筒体、外筒体、端板以及内分布器筒体之间的变形协调关系和相互作用力关系；
[0011]根据所述7阶矩阵方程的解，计算所述直截面外导流筒中各元件每个位置处的应力；所述应力包括外筒体的弯曲应力和薄膜应力、端板的弯曲应力和薄膜应力、内筒体的弯曲应力和薄膜应力、内分布器筒体的弯曲应力和薄膜应力；其中，筒体类的弯曲应力包括周向弯曲应力和经向弯曲应力；所述筒体类的薄膜应力包括周向薄膜应力和经向薄膜应力；所述筒体类包括外筒体、内筒体以及内分布筒体；所述端板的弯曲应力包括周向弯曲应力和径向弯曲应力；所述端板的薄膜应力包括周向薄膜应力和径向薄膜应力；
[0012]根据所述直截面外导流筒中各元件每个位置处的应力，确定所述直截面外导流筒中各元件的最大应力，并根据所述直截面外导流筒中各元件的最大应力，对所述直截面外导流筒中各元件进行强度评定，确定各个元件的最终壁厚；所述最大应力包括最大弯曲应力和最大薄膜应力。
[0013]第二方面，本专利技术实施例提供了一种换热器系统修正方法，包括：
[0014]第一方面所述的直截面外导流筒安全评价方法；
[0015]根据各个元件的最终壁厚，计算所述直截面外导流筒的轴向刚度；
[0016]根据所述直截面外导流筒的轴向刚度，对换热器系统进行修正，得到换热器系统的修正结果；所述换热器系统的修正结果包括管板修正结果、管束修正结果、管板与换热管连接头的修正结果以及壳程筒体修正结果；
[0017]根据所述壳程筒体修正结果，计算换热器系统中壳程筒体的轴向力，并将所述壳程筒体的轴向力施加到直截面外导流筒的内筒体的端部，并与所述介质内压载荷一起进行强度计算，以更新所述直截面外导流筒中各元件的最大应力；所述壳程筒体的轴向力为计算得到的直截面外导流筒轴向力载荷；
[0018]根据更新后的所述直截面外导流筒中各元件的最大应力，对所述直截面外导流筒中各元件进行强度评定，更新各个元件的最终壁厚。
[0019]第三方面，本专利技术实施例提供了一种直截面外导流筒安全评价系统，所述直截面外导流筒为带内分布器的直截面外导流筒，所述直截面外导流筒包括四个元件，分别为内
筒体、外筒体、端板以及内分布器筒体，所述直截面外导流筒安全评价系统包括：
[0020]1/2对称力学模型建立模块，用于根据直截面外导流筒的对称结构特点和真实载荷条件，建立1/2对称力学模型；所述1/2对称力学模型包括内径为R
t
的内筒体的初始壁厚、内径为R
o
的外筒体的初始壁厚、连接所述内筒体和所述外筒体的端板的初始壁厚以及内径为R
i
的内分布器筒体的初始壁厚；所述真实载荷条件包括介质内压载荷和设定的直截面外导流筒轴向力载荷；
[0021]公式构建模块，用于根据所述1/2对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直截面外导流筒安全评价方法，其特征在于，所述直截面外导流筒为带内分布器的直截面外导流筒，所述直截面外导流筒包括四个元件，分别为内筒体、外筒体、端板以及内分布器筒体，所述直截面外导流筒安全评价方法包括：根据直截面外导流筒的对称结构特点和真实载荷条件，建立1/2对称力学模型；所述1/2对称力学模型包括内径为R
i
的内筒体的初始壁厚、内径为R
o
的外筒体的初始壁厚、连接所述内筒体和所述外筒体的端板的初始壁厚以及内径为R
i
的内分布器筒体的初始壁厚；所述真实载荷条件包括介质内压载荷和设定的直截面外导流筒轴向力载荷；根据所述1/2对称力学模型构建所述直截面外导流筒中各元件的径向位移公式和转角公式；所述直截面外导流筒中各元件的径向位移公式包括内筒体在连接处的径向位移公式、外筒体在连接处的径向位移公式、端板在R
t
处的径向位移公式、端板在R
o
处的径向位移公式以及内分布器筒体在连接处的径向位移公式；所述直截面外导流筒中各元件的转角公式包括内筒体在连接处的转角公式、外筒体在连接处的转角公式、端板在R
t
处的转角公式、端板在R
o
处的转角公式以及内分布器筒体在连接处的转角公式；根据所述直截面外导流筒中各元件的径向位移公式和转角公式，构建7阶矩阵方程；所述7阶矩阵方程表示所述直截面外导流筒中的内筒体、外筒体、端板以及内分布器筒体之间的变形协调关系和相互作用力关系；根据所述7阶矩阵方程的解，计算所述直截面外导流筒中各元件每个位置处的应力；所述应力包括外筒体的弯曲应力和薄膜应力、端板的弯曲应力和薄膜应力、内筒体的弯曲应力和薄膜应力、内分布器筒体的弯曲应力和薄膜应力；其中，筒体类的弯曲应力包括周向弯曲应力和经向弯曲应力；所述筒体类的薄膜应力包括周向薄膜应力和经向薄膜应力；所述筒体类包括外筒体、内筒体以及内分布筒体；所述端板的弯曲应力包括周向弯曲应力和径向弯曲应力；所述端板的薄膜应力包括周向薄膜应力和径向薄膜应力；根据所述直截面外导流筒中各元件每个位置处的应力，确定所述直截面外导流筒中各元件的最大应力，并根据所述直截面外导流筒中各元件的最大应力，对所述直截面外导流筒中各元件进行强度评定，确定各个元件的最终壁厚；所述最大应力包括最大弯曲应力和最大薄膜应力。2.根据权利要求1所述的一种直截面外导流筒安全评价方法，其特征在于，所述根据直截面外导流筒的对称结构特点和真实载荷条件，建立1/2对称力学模型，具体包括：根据直截面外导流筒的设计条件，按照半经验方法计算内筒体初始壁厚、外筒体初始壁厚、端板初始壁厚以及内分布器筒体初始壁厚；根据所述直截面外导流筒的对称结构特点、所述内筒体初始壁厚、所述外筒体初始壁厚、所述端板初始壁厚以及所述内分布器筒体初始壁厚，建立1/2对称力学模型。3.根据权利要求1所述的一种直截面外导流筒安全评价方法，其特征在于，所述7阶矩阵方程为：其中，Q1＝Q
t
；Q2＝Q
g
＝
‑
Q
o
；Q3＝Q
s
；Q
d
＝Q
t
‑
Q
s
＝Q1‑
Q3；M1＝M
t
；M2＝M
o
＝M
g
；M3＝M
s
；M
d
＝M
s
‑
M
t
＝M3‑
M1；Q
t
为端板与内筒体连接处R
t
的单位周长径向力，Q
g
为外筒体与端板连接处的单位
周长径向力，Q
o
为端板与外筒体连接处R
o
的单位周长径向力，Q
s
为内筒体与端板连接处的单位周长径向力，Q
d
为内分布器筒体与端板连接处的单位周长径向力；M
t
为端板与内筒体连接处R
t
的单位周长弯矩，M
o
为端板与外筒体连接处R
o
的单位周长弯矩，M
g
为外筒体与端板连接处的单位周长弯矩，M
s
为内筒体与端板连接处的单位周长弯矩，M
d
为内分布器筒体与端板连接处的单位周长弯矩；V
t
为作用于端板R
t
处单位剪切力；当i＝1时，由D
s
＝D
t
，得公式：其中，D
s
为内筒体在连接处的径向位移，D
t
为端板在R
t
处的径向位移；ρ
t
＝R
t
/R
o
；E
p
为端板材料的弹性模量，单位为MPa；δ
p
为端板的初始壁厚；ν
p
为端板材料泊松比；k
s
为内筒体壳体系数；R
ms
为内筒体壳体中面半径，单位为mm，R
ms
＝R
i
+0.5δ
s
；δ
s
为内筒体的初始壁厚；E
s
为内筒体材料的弹性模量，单位为MPa；p为内部压力；当i＝2时，由D
s
＝D
d
，得公式：其中，D
d
为内分布器筒体在连接处的径向位移；E
d
为内分布器筒体材料弹性模量，单位MPa；R
md
为内分布器筒体壳体中面半径，单位mm，R
md
＝R
i
+0.5δ
d
；δ
d
为内分布器筒体的初始壁厚；k
d
为内分布器筒体壳体系数；当i＝3时，由D
o
＝D
g
，得公式：其中，D
o
为端板在R
o
处的径向位移；D
g
为外筒体在连接处的径向位移；E
g
为外筒体材料的弹性模量，单位为MPa；R
mg
为外筒体壳体中面半径，单位为mm，R
mg
＝R
o
+0.5δ
g
；δ
g
为外筒体的初始壁厚；ν
g
为外筒体材料泊松比；当i＝4时，由β
s
＝β
t
，得公式：
其中，β
s
为内筒体在连接处的转角，β
t
为端板在R
t
处的转角，K
tR
、K
tt
、K
tV
、K
tp
、D
p
均为端板计算系数，与端板几何尺寸相关；当i＝5时，由β
s
＝
‑
β
d
，得公式：其中，β
d
为内分布器筒体在连接处的转角；当i＝6时，由β
o
＝β
g
，得公式：其中，β
o
为端板在R
o
处的转角，K
RR
、K
Rt
、K
RV
、K
Rp
均为端板计算系数，与端板几何尺寸相关；β
g
为外筒体在连接处的转角；当i＝7时，由W
d
＝W
g
+ΔW
p
，得到公式：其中，W
d
为内分布器筒体端部轴向位移，单位为mm；W
g
为外筒体端部轴向位移，单位为mm；
⊿
Wp为端板内/外半径处的轴向位移差，单位为mm。4.根据权利要求1所述的一种直截面外导流筒安全评价方法，其特征在于，所述根据所述7阶矩阵方程的解，计算所述直截面外导流筒中各元件每个位置处的应力，具体包括：
对所述7阶矩阵方程进行求解；根据所述7阶矩阵方程的解，确定所述直截面外导流筒中各个元件在连接处的弯矩和力；所述7阶矩阵方程的解包括外筒体与端板连接处的单位周长弯矩和单位周长径向力、端板与外筒体连接处的单位周长弯矩和单位周长径向力、内筒体与端板连接处的单位周长弯矩和单位周长径向力、端板与内筒体连接处的单位周长弯矩和单位周长径向力，内分布器筒体与端板连接处的单位周长弯矩和单位周长径向力，以及作用于端板R
t
处单位剪切力；根据所述直截面外导流筒中各个元件在连接处的弯矩和力，计算所述直截面外导流筒中各元件每个位置处的应力。5.一种换热器系统修正方法，其特征在于，包括：权利要求1
‑
4任一项所述的直截面外导流筒安全评价方法；根据各个元件的最终壁厚，计算所述直截面外导流筒的轴向刚度；根据所述直截面外导流筒的轴向刚度，对换热器系统进行修正，得到换热器系统的修正结果；所述换热器系统的修正结果包括管板修正结果、管束修正结果、管板与换热管连接头的修正结果以及壳程筒体修正结果；根据所述壳程筒体修正结果，计算换热器系统中壳程筒体的轴向力，并将所述壳程筒体的轴向力施加到直截面外导流筒的内筒体的端部，并与所述介质内压载荷一起进行强度计算，以更新所述直截面外导流筒中各元件的最大应力；所述壳程筒体的轴向力为计算得到的直截面外导流筒轴向力载荷；根据更新后的所述直截面外导流筒...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱国栋，李军，张文立，马庆怀，姜红梅，宋利滨，刘浩，王飞，吴华，
申请(专利权)人：北京广厦环能科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：