非对称布管换热器管板

某项目中，遇到了一台U型管板换热器，仅管板上半部分有换热管。

按照GB/T151的对于管板计算章节，对于管板计算方法适用范围，以及计算方法的力学模型都有详细解释。

对于部分布管的换热器管板，规范是不适用的。

管板与换热管的设计按照GB150.1~150.4-2011标准进行设计、制造、检验与验收，但是由于管板上的换热管布置为非对称布管，不具有均匀密集开孔，且管板周边布管区无量纲宽度k>1，与GB/T 151-2014的U形管板的常规计算不符。为了确保结构的安全性，采用有限元法分析管板与换热管连接结构的详细应力。

模型简化：

考虑到结构的形式为U型管换热器，设备管壳程材料为S30408，设计温度为壳程为98°C，管程为167°C。设计压力壳程为0.5，管程为1.0。设计压力和温度均不苛刻。在分析管板与换热管连接区域应力时，只需要对其在机械载荷作用下进行应力强度校核即可。无需考虑温差应力对于管板的影响。在建模时，考虑结构的对称性，建立1/2管板和换热管模型，减少计算量。

由于U型管板的换热管并没有像固定管板一样有热膨胀位移限制，所以只需考虑换热管的削弱作用，所以只需要建200mm长即可。

在进行有限元分析时，考虑管板的管程侧的隔板槽深度6mm和壳程侧的凸台高度6mm，管板计算时去除隔板槽深以及凸台高度，建模厚度按照42mm。划分网格时，采用20节点的Solid186高阶单元。为了确保求解结果快速收敛，所有体均采用六面体网格划分。在求解过程中，不断对网格进行细化，直至求解结果基本保持不变。

划分网格

边界条件

管板在一侧表面施加可能出现的最大的压力，负压时考虑压差，均为正压则考虑压力大者。

经过计算得到管板的应力分布：

对管板进行应力线性化

U型管板最大弯曲应力一般出现在中间，所以将中间评定一下。

最大应力点的位置可能在不连续的边缘处，在最大点位置截面也进行线性化评定，经过评定结果为合格。

U型管板的厚度一般是有“上限”的，上限的意思是，U型管板换热器是一个possible的结构。不似固定管板换热器，有时候压力和温差应力都很大，无论你怎么调整，换热器都无法计算通过，固定管板这种结构就不可行，固定管板有些工况可能是impossible，必须要换结构。

只要你愿意，U型管板可以通过加厚管板厚度，降低管板的应力。即使没有有限元的工具，U型管板根据工程经验，也可以估计出管板的厚度上下限。

比如这个管板，是一个非均匀布管的管板，k>1，在各种商业常规计算软件中无法计算。那么可以采用如下几种方法，得到可以供参考的管板厚度：

1. 在常规计算软件，如SW6中，不断加大管子数量，使得k刚好略小于1，此时获得一个管板的厚度t1。

2. 在SW6中，按照2倍换热管计算满布管时的管板厚度t2。

3. 按照周边简支圆平板公式计算圆平板厚度t3。

一般来说管板厚度基本上就是在t1到t3之间。如果直径较小，t3算出来也不大。选择t3作为管板厚度，那么强度上基本不会有问题。