铝制板翅式换热器封头大开孔的补强计算

　　1 铝制板翅式换热器封头简介

　　铝制板翅式换热器是一种新型、高效能换热器,其比重小,比热大,单位体积内换热面积是其他换热器的几十倍甚至几百倍,因此在空分设备、石油化工及天然气等深冷领域的应用非常广泛。换热器芯体采用堆栈结构(如图1所示),单台芯体高度在1000~1500 mm之间,封头负责将管路系统中的流体均匀分布至各换热通道,结构比较特殊,两端的侧板需将通道口包含在内,一般封头较长。为保证流体的流速、压降及各通道流体分配均匀,封头上的接管直径较大,通常开孔率Q(Q=di/Di,di为接管内径,Di为封头内径)大于016,甚至达到0185~019,这些大开孔封头补强计算过程比较复杂。

　　2 补强计算

　　常规压力容器强度设计计算采用文献[1]或文献[2]中的公式,以材料力学、板壳理论为基础,并引入应力最大系数和形状系数。补强计算是基于等面积补强理论,利用封头和接管的有效厚度减去计算厚度多余的面积用于开孔补强,其力学意义是:

　　(1)沿壳体经线方向补强范围:文献[1]中规定此范围B=2d。这是依据受均匀拉伸作用的开小孔大平板,其孔边局部应力集中的衰减范围确定的。

　　(2)沿接管轴线方向补强范围:文献[1]中规定此范围h=dDnt(Dnt为接管名义厚度)。这是依据圆柱壳在端部均布载荷作用时,柱壳中局部环向薄膜应力的衰减范围确定的[3]。

　　但文献[1]规定:开孔率都是小于等于015,当开孔率大于015时,孔边会存在较大的弯曲应力,且存在局部结构不连续,偏离薄膜状态过大。此时必须考虑筒体的曲率影响,原力学模型不再适用,故不能适用。推荐采用分析设计、验证实验分析、对比经验试验。

　　文献[4]中规定:当01002[D+CDi+2D[011时,开孔率可适当加大,但不超过018,是基于压力面积补强理论。该理论是以开孔有效补强范围内的金属截面积的承载能力与内压力载荷相平衡为准则。但全国锅炉压力容器标准委员会于10年前曾发文表示,如使用该方法进行补强计算,最大开孔率只能到017;如开孔率超过017,该计算方法不予认可,必须采用应力分析方法,如采用有限元分析,文献[4]的公式只能作为近似计算。

　　文献[5]中/1-70规定:径向接管的开孔超出/UG-36 (b) (1)0(D[1500 mm时,Q最大为1/2;D>1500 mm时,Q最大为1/3,且开孔直径不大于1000 mm)的限制,且同时满足下列要求:¹容器直径大于1500 mm;º接管内直径超过1000 mm,且超过314Rt;»比值Rn/R不超过017。此时需要计算薄膜应力Sm,Sm不应超过设计条件下所规定材料的S值(最大许用应力);计算最大组合应力(薄膜应力Sm和弯曲应力Sb)不应超过设计条件下所规定材料的S值的115倍,以及计算内外部载荷组合应力。文献[5]建议:用较厚的筒节或在开孔处局部插入较厚的筒节可得到较好的补强效果。对于接近容器直径的大开孔、形状特殊的开孔等极端情况,建议进行适宜的验证性试验。一般情况下,换热器封头开孔率Q>015,但封头直径和接管直径均小于上述¹和º的要求。实际工作中笔者与ASME检验师曾讨论过该项规定(U-2 (g)),补强计算仍以/UG-370中的公式进行计算,补强范围通过/UG-400和/1-7 (a)0确定。因为文献[5]是美国标准,在采用国内标准的产品设计中,只能用国家强制(GB)和推荐(GB/T)的标准,因此文献[5]的公式也只能作为近似计算,其中的许用应力值、焊缝系数应在国家标准中选用。