非标U形管板，选择b型还是f型计算

1. 遇到非标U形管板如何考虑

我们经常会遇到各种的非标的结构。

比如高低压U形管换热器，其管程压力非常高，做成焊接结构，壳程压力低，做成可拆结构，省去了大的设备法兰，节省造价。

这种非标换热器管板，在GB/T 151中找不到对应的计算模型。

上文结构，比较接近的结构是GB/T 151的b型和f型管板。
那么到底采用b型还是f型呢？

---

2. 论文参考

其实这种结构在一些论文里都有比较详细的说明：

有兴趣的朋友可以搜索一下文章内容。
由于U形管板的最大应力在管板中间，而这种壳程侧法兰的力矩对于管板受力有好的影响。一般可以忽略法兰的存在，是偏安全的做法。

所以对于一般的这种结构的管板，通常做法是选择GB/T 151 的b型。代入到SW6计算即可获得管板的厚度。

---

3. 为什么不选择f型呢

实际的模型和f型都带垫片螺栓，f型看上去更符合实际模型。
而且根据经验，f型计算出来比b型要厚，更安全。
为什么不选择f型，反而要选择不带垫片螺栓的b型呢？

对于高低压换热器，管程的筒体+管板是筒体端部。
对于f型，管程筒体比较薄，管板兼做法兰。

就是筒体端部和兼做法兰的区别。

规范的公式都是按照兼做法兰来考虑的法兰设计力矩。
如果采用f型，管板的厚度一般由管板的“法兰延长部分”起了决定作用。
由于筒体端部的外内径比值X偏小，导致Y值很大，然后管板的应力由“法兰”的应力决定，从而导致管板的厚度会很大。

从计算公式可以看到由于管板是筒体端部，端部外径和内径比值较小，即Di+2bf和Di非常接近，X接近于1。

查GB150的199页，图7-8，Y值的图，Y随着X（即横坐标K）的增加而迅速降低。
X越接近1（横坐标K），Y成倍增加。
而法兰设计力矩对于延长部分的法兰应力计算公式可以看到，Y上升时，管板的“延长部分的法兰”的应力也成倍上升。

最终管板的应力不由管板中间控制，而是由边缘的“虚拟的法兰”应力控制。

这就与我们实际模型完全不同了。

对于筒体端部来说，一般端部比较厚，法兰应力相对是很低的（低压端的法兰弯矩较小），大多数情况会低于管板中心应力。而现在由于错误的延长部分的法兰厚度，导致了不合理的法兰应力。
这也是为什么一般不选择f型的原因。

---

4. 管板优化

既然知道此种结构的法兰边缘应力一般不会导致管板失效，还能否进一步的优化管板厚度呢？
能够优化的前提是：

边缘是端部，且端部比较厚，端部本身安全。管板应力由管板中心的应力控制。

壳程法兰的弯矩对于管板起到了优化的作用，通过叠加边缘的法兰弯矩，降低管板中心的应力。

我们不妨用f的模型来计算，“边缘法兰”取管板的厚度时，对于某模型，通过计算结果可以看到，管板兼做法兰部分的应力为285MPa，起控制作用。

由于管板的兼做法兰厚度相当于到了筒体上延伸，不妨将边缘的厚度设置更厚点，在SW6中，将管板与管板法兰厚度之差值设置为-200，进行试算。

对应模型如下图所示，筒体部分可以看做管板法兰的一部分。

得到的管板结果比b型要薄很多。

此时起控制作用的在管板中心，而不是管板的法兰盘。

盘点一下计算结果：

当按照b型计算时，管板需要215mm，最大应力在中心。
当按照f型计算式，法兰盘厚取管板厚，管板需要225mm，最大应力在法兰盘。
但是按照f型计算且将法兰盘厚度增加200mm时，管板的厚度为160mm，最大应力在中心。
看来这种管板还有更详细研究，优化的空间。通过法兰盘厚度的调整，来使得管板应力分布与实际模型的应力分布更吻合，来优化管板厚度。
期待专家的进一步研究结果。

---

5. 高高压U形管板

对于高低压U形换热器，可以按照b型计算。

但是对于高高压的U形换热器呢？
如下图所示：

管程压力13.4MPa，壳程压力11Mpa。
壳程法兰和筒体都非常厚。

此时法兰对于管板的应力不能忽略不计了。

此时壳程的螺栓力矩和壳程的压力在边缘产生的力矩叠加，导致管板中心的弯矩可能比管程的要更大。

采用b型的模型，不一定符合壳程法兰弯矩可以忽略的假设。
b型只考虑了管程压力，将会有较大的误差。
此时建议按照f型来校核。
下图是高高压U形管，按照f型手动计算的结果。法兰厚度控制了管板厚度。

由于管板外圆直径和筒体外直径相差比较大，管板法兰的加厚也比不太符合模型，实际中还是取的法兰厚度值。

在调试过程中，可以逐步加厚边缘法兰厚度，可以大幅度降低法兰应力（管板优化空间）。
同时计算管板时，还需要把管板的端部当做筒体端部模型校核一下，筒体端部应力，应该在原计算应力基础上叠加法兰的力矩，并满足强度条件。（即管板边缘安全）

如果GB/T151升版，建议把管板端部配壳程法兰结构添加到正式的计算模型里，提供精确算法，以获得精确的管板厚度。
避免此种结构在各种压力组合下，选择错误的计算模型。

---

6. 总结

对于上述讨论的U形管板：
高低压时，一般可以采用b型代入到SW6进行计算。
对于高高压时，建议采用f型计算比较合适。
当能确保边缘的管板兼做筒体端部安全时，可以适当考虑加厚管板的“法兰盘厚度”，使得管板的应力由管板中心来控制，此时可以降低管板的厚度。
来源：压力容器唯心不易

感谢优质资料分享。