《过程设备设计基础》温差应力15.pptVIP

一、温差应力计算 2.产生原因 1)结构因素：即换热器的管束与壳体是刚性连接; 2)温差因素：即换热器的管壁温度与壳壁温度差; 3)材质因素：即换热器的管束与壳体材料的线膨胀系数大小的影响. 1.温差应力：仅由管壁与壳壁温差引起的应力。 3.产生后果： 1)管子的弯曲变形; 2)造成管子与管板连接部分泄漏; 3)使管子从管板上拉脱. 设一固定管板式换热器的壳体与管子在安装温度 下，它们的长度均为L，如图（a）所示 。 处于操作状态时如图（b） ：壳体壁温为 ， 管子壁温为 ，且 ，同时 考虑壳体与管子材料相同，则： 壳体的自由伸长量 管子的自由伸长量 （a）安装温度状况 （b）操作温度且未安装状态 （c）协调变形情况 （5-4） （5-5） t 因管子与壳体刚性连接 , 故管子与壳体的协调变形结果是二者实际弹性变形量相等,见图(c) 。 此时管子受到弹性压缩 , 压缩长度为 ; 壳体则受到来自管板的拉力,被弹性拉伸,变形的长度为 。 由虎克定律,得： 显然： （5-6） （5-7） （5-8） (式中 :F 为管子的压缩力或壳体的拉伸力(当F为正值时表示壳体受拉伸而管子受压缩;当F为负值时,则表示壳体受压缩而管子被拉伸)，N; Et、Es分别为管子与壳体材料的弹性模量 ,MPa; At 、As分别为管子与壳体的横截面积) 联立式 (5-6) 和式（5-7) , 得到： (5-9) （5-4） （5-5） 式 (5-4) 与式 (5-5) 代人式 (5-9), 可得 : (5-10) 由式 (5-10) 可见,作用在管子(壳体 )上的拉伸力或压缩力 F 与两壁温差、两种材料的线膨胀系数及管壳的抗拉( 压 ) 刚度成正比。 如果管子与壳体为同一种材料 , 即 则式 (5-10) 又可改写为: (5-11) 管壁所受得压应力为： (5-12) 壳体所受得压应力为： (5-13) 处于工作状态下的换热器承受着流体压力和温差应力的共同作用。在这两个力的联合影响下,管子与管板会出现相互脱离的趋势。这种使管子与管板连接部位产生脱离的力即为拉脱力。 拉脱力为管子每平方毫米胀接周边上所受到的力 , 单位为MPa 。 实验结果证实 : 1）管子与管板是焊接结构形式 , 其连接部位的强度要高于管子自身金属材料的强度,这个拉脱力不足以造成该部位的破坏； 2）如果管子与管板是采用胀接结构形式,则这个拉脱力可能会造成管子在管板上的松脱及密封的失效。 因此,存在上述第二种情况时应对拉脱力进行校核,以保证管端与管板连接的紧固性和密封的有效性。 二、管子拉脱力的计算 在操作压力和温差应力共同作用下,每平方毫米胀接周边受到的拉脱力为: 式中 ：q:管子受到的拉脱力,MPa, Qp :在操作压力下,管子每平方毫米胀接周边所受到的力,MPa; qt :在温差应力下,管子每平方毫米胀接周边所受到的力,MPa, P:设计压力,取管程压力和壳程压力两者中的较大值 ,MPa d0为管子外径 ,mm2; L:管子胀接部位长度 mm; σt :管子上的温差应力,MPa; αt :每根管子的横截面积 mm2; di ：管子内径 ,mm,f ：相邻四根管子之间的面积 mm2 当管子呈三角形排列时: 当管子呈正方形排列时: (当 qp 力与 qt 力作用方向相同时 , 两力符号相同,拉脱力方向与两力方向一致。若 qp力与qt力作用方向相反时，两力符号相异，拉脱力方向则与 qp与qt两者中较大者一致) 换热管的许用拉脱力要根据实验测定。常见的许用拉脱力 [q]见下表。 换热管与管板连接结构形式 [q] 管端不卷边，管板孔不开槽 2.0 管端卷边或管板孔开槽 4.0 焊接 0.5[σ] tt 实际上,管子的拉脱力还与管子和管板连接的不均匀度、换热器内流体温度分布的不均匀性及管板对管子的支撑情况等有关。故以上关于力 q 的计算也只是近似的。尽管如此 , 如果计算出来的管子拉脱力q 大于或等于许用拉脱力 [q], 则应考虑设置温差补偿装置。 为了保证换热器中的管子与管板连接的紧固性和密封性 , 由式 (5-