静设备
石油化工设备技术，2017，38（6）·8· Petro-Chemical Equipment Technology
板壳理论在压力容器强度设计中的
经典应用之四（上）
一管壳式热交换器管板变通计算的原理与应用（上）
闫东升，周耀，桑如苞
（中国石化工程建设有限公司，北京100101）
摘要：通过分析固定管板、浮头管板和填函管板以及U形管板周边剪力和弯矩的状况，指出七种管板周边剪力和弯矩的差别与联系，同时阐明了“差别”对管板应力的影响。以此为基础，利用变通方法对五种特定管板进行了计算，证实了管板周边剪力和弯矩对管板应力的作用，由此决定了各种管板受力的优劣。结果显示，所述管板受力状况由好到差依次为：固定埋焊管板、浮头理焊管板、浮头夹持管板、U形埋焊管板和U 形夹持管板。此外，对于所述各种管板如何利用SW6软件中的固定理焊管板模块进行便捷变通计算，给出了具体说明。
关键词：管板管壳式热交换器板壳理论受力分析变通计算 doi:10.3969/j.issn.1006—8805.2017.06.002
热交换器管板计算是热交换器强度设计的核心内容，由于该计算方法涉及弹性基础圆板理论和求解多元线性代数方程组，所以分析甚为复杂。压力容器设计人员在面对计算GB/T151没有给出计算方法的特殊结构管板时，这一问题就显得尤为突出。针对此问题，文献【2-3】从基本原理分析出发，分析了包括U形管板、浮头管板和填函管板在内的各种管板计算的贯通性，文献【4】结合算例给出了如何使用固定管板应力计算方法对浮头管板和填函管板进行变通计算。本文在结合算例的基础上，对包括U形管板在内的七种管板的受力差别和应力差异进行了解析，并就如何变通计算进行指导。
1管板应力的产生机理
管板应力产生的根本原因[2-31是由于管板周边存在横剪力和弯矩，使在压力作用下的管板发生弯曲变形，于是产生管板弯曲应力。对于管板周边不存在剪力和弯矩的填函式W型管板（见图 7），由于无论在管程压力或壳程压力作用下，右端管板总能自由移动，填函不能阻止管板移动和板边偏转，为此不会在管板周边形成剪力和弯矩，即不会产生管板弯曲应力。为此GB/T151中规定：此种管板可免于计算管板应力，管板厚度可由结构设计丽怖腰求确定。
由此可以得出结论：管板应力取决于作用于
其周边的剪力和弯矩的有无和大小。根据弹性分析力学原理，管板应力与管板周边的剪力和弯矩成线性关系。各种管板的受力及其应力也就由于其边界力不同而造成各异。所以对各种管板的受力比较可从比较其边界力人手。
管板周边的剪力、弯矩和管束弹性基础是影
响（决定)管板应力的三大要素。以下先对两类管板的受力状况进行分析，而后对各种具体管板的边界力和应力进行解析，最后将各种管板的应力计算方法进行统一化处理。
管壳式热交换器的管板分为两类：一类是无管束弹性基础支撑的管板，即U形管板。另一类是弹性基础管板，有固定管板、浮头管板和填函管板。两类管板受力的根本差别就在于有无管束弹性基础的支撑。弹性基础可有效地分担作用于管
板的压力载荷，使管板应力大幅减小。 1.1U形管板应力解析
U形管板在压力作用下，载荷全部由管板自收稿日期：2017-09-14。
作者简介：闫东升，男，2003年毕业于北京化工大学机械设
计及理论专业，硕士，已发表论文5篇，高级工程师， Email: yands@ sei.com.cn.