ASME中 UHX和TEMA的差異

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有誰對這兩個規範的差異性有心得的, 或有資料可評估的, 可以談一下或提供資料

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2010年2月17日星期三  
  2004版ASME锅炉压力容器规范VIII卷的重要变动
华东理工大学 丁伯民
笔者已于近期完成了2004版ASME规范第VIII-1、VIII-2、VIII-3卷设计部分的翻译工作。本文不对此三册内容相对于2001版的具体修改逐条进行罗列，因为这些内容都可在各卷卷首的更改一览表中查阅。本文主要就ASME VIII卷（特别是VIII-1卷）的某些主要变动作以介绍，以便让读者窥视ASME规范VIII卷的发展及其动向。
4 e4 d% J6 Y: @! |4 v) Q% Y1、VIII-1的重要变动
2 K) ]' m! }' h4 w! W        2004版相对于2001版的重要变动主要是：将原列于非强制性附录AA的管板设计规则经充实并系统化而扩大为管壳式换热器的规则，并专门辟出一个UHX篇，对所有管壳式换热器（U形管式、固定管板式、浮动管板式）的建造作出全面规定；引入了许多原在ASME规范VIII-2中所采用的分析计算思想，包括对许用应力的规定以及在凸形封头设计、管壳式换热器设计、圆筒和壳体球形部分允许局部减薄的存在等方面的具体应用；对压力容器和换热器膨胀节基本上参照EJMA作出较大修改；允许同时采用美国习惯单位（英制）以及SI单位（公制），并相应地对两种单位的转换作了具体规定以及某些具体问题的变动或说明等。现分别介绍如下。
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1.1 UHX篇管壳式换热器的规则
        从1983版首次以附录AA的形式列入了U形管式换热器2种比较简单类型的管板设计开始至1992版又新增加了固定管板式换热器3种结构类型的管板设计并在以后的各版中陆续增添类型，修改和完善，并补充了计算实例，至2002年增补又增加了浮动管板式换热器6种类型静止端管板、4种类型浮动端管板的管板设计；到2003年增补时则把以前各版列在附录AA的管板设计规则和列在UW-20的管子对管板焊缝统一列入新编的UHX篇中，重新命名为管壳式换热器的规则，至2004版又略作修改。这些规则基本上都是按照ASME规范VIII-2的应力分析设计概念，对由不同载荷在不同结构处所引起的不同应力进行分类，对各类应力各采用不同的限制条件。
至今，ASME VIII-1的HUX篇对U形管式换热器的管板已列入6种结构类型（见图UHX-12.1）；对固定管板式换热器已列入4种结构类型（见图UHX-13.1）；对浮动管板式换热器的静止端管板已列入6种结构类型（见图UHX-14.2），连同管子对管板焊缝的结构和计算、附录26的薄壁膨胀节、附录5的厚壁膨胀节，构成了完整的管壳式换热器管板、管子、壳体和膨胀节建造体系。
1.1.1不同结构类型对管板、管子、壳体所起影响分析的介绍
        ASME VIII-1卷对管板设计采用开孔圆平板理论（如U形管式）和弹性基础上的开孔圆平板理论（如固定管板式和浮动管板式），即不计或计及管束对管板弯曲变形的弹性支承作用；把管板布管区取为当量的开孔圆平板，和其外周不布管的实心环板相互约束，变形相互协调一致；根据管板和壳体或管箱的具体连接方式（区分用法兰垫片连接还是整体连接，前者看作不受约束而后者看成相互约束，构成变形协调），不计及或计及壳体或管箱对管板弯曲变形的支承作用；再根据管板是否延伸为兼作法兰，如是，则还要计及法兰附加弯矩对管板弯曲变形的影响。
, W, W& P5 ^* b7 p" }7 U        对各类换热器所需要考虑的危险工况，以及需要计算并校核的各处应力简要介绍如下。
        1)U形管式换热器
' x4 q) C4 w# K# y; n( q+ ^        由于只有一块管板，故其弯曲变形不受管束轴向变形的约束，所以只要计及管程压力Pt、壳程压力Ps的单独作用，当其中有一者为负时，以Pt、Ps的共同作用作为危险工况。
        ASME VIII-1卷中允许由用户规定按压差设计，即当Pt、Ps都是正压时，可以按Pt、Ps二者共同作用设计。
7 P0 A  t7 b" J( f        需要计算并校核的应力为：管板的弯曲应力，管板布管区外缘处的剪切应力，对与管板整体相连时，由于管箱和/或壳体的轴向薄膜和弯曲应力构成的轴向总应力。
        当管箱和/或壳体对管板整体连接时，由于管箱和/或壳体对管板弯曲变形存在约束作用，有的还由于相连接法兰的螺栓力引起的附加弯矩作用，所以一般而言不能通过平板理论将弯曲应力限定在规定的校核条件以内而直接求出管板厚度，只能根据所受的约束条件（例如与管板相连的管箱和/或壳体厚度、连接法兰的螺栓力等）而导出管板的弯曲应力，而且由于管箱和/或壳体对管板周边的约束作用和它们的厚度对管板厚度之比有关，所以在计算这些约束作用时先要假设管板厚度（规范根据管板布管区外缘处的剪切应力，提供了假设厚度的公式），因此，整个计算应是迭代过程，以在所假设厚度下控制各处的应力满足相应的校核条件为满足要求。
        对于和管箱或壳体整体相连的管板，管箱和壳体对管板支承时所引起的附加应力仅存在于邻近管板处的一定范围内，所以只在此范围内的管箱或壳体才需要承受其最大轴向总应力，并在必要时予以加厚，在此范围之外，管箱或壳体仅承受相应的管程压力Pt或壳程压力Ps。
        2)固定管板式换热器
        由于管板、管束和壳体（有时还包括膨胀节）三者组成静不定结构，管、壳之间的轴向变形差也会对管板构成附加载荷，且为分别计算管板、管子和壳体的应力，ASME VIII-1认为：并不能通过观察来确定Pt、Ps以及管壳间温差ΔT所构成的最大危险工况，只能列出以下(a)～(g)7种可能的危险工况，对它们逐一计算，务使在各可能的危险工况下管板、管子和壳体的应力满足各自的校核条件。
6 \1 Y0 |3 H; c% E1 x, I        a) Ps＝0 ,Pt≠0 ,ΔT＝0
        b) Ps≠0 ,Pt＝0 ,ΔT＝0
        c) Ps≠0 ,Pt≠0 ,ΔT＝0
6 |3 X4 o( T3 y' I" X7 a) E- B        d) Ps＝0 ,Pt＝0 ,ΔT≠0
: l# Y* N2 d  p6 z( J# M        e) Ps＝0 ,Pt≠0 ,ΔT≠0
* h2 ?; m3 {8 F; f2 x        f) Ps≠0 ,Pt＝0 ,ΔT≠0
        g) Ps≠0 ,Pt≠0 ,ΔT≠0
        需要计算并校核的应力除和U形管式换热器所需计算者相同以外，还包括管子轴向应力。
! K7 ~, }9 t* q        由于管板、管子、壳体三者相连而构成静不定系统，所以在求取管板、管子和壳体的应力时，不仅要计及与管板整体相连的管箱和/或壳体的约束影响，更要计及管束、壳体间轴向变形差对管板弯曲变形的支承，所以更不能直接确定管板厚度，而是要先假设管板的厚度，再通过迭代求取三者的应力。而且管板、管子、壳体三者中任一者厚度的改变都会改变相互间的约束作用而影响到其余二者的应力，所以规范规定，对管板、管子、壳体和管箱应以其各自的名义厚度，并以未腐蚀和已腐蚀两种情况分别计算，务使在任何情况下各元件都满足各自的强度校核条件。
; [; r  c8 z$ y& x3 I- U        和U形管式换热器不同的是，壳体的轴向应力不仅由壳程压力Ps引起，而且也由管、壳之间因热膨胀差所致的轴向载荷引起。加上与管板整体相连时由相互约束所引起的轴向薄膜和弯曲应力带有衰减性和自限性的特征，所以壳体轴向总应力的最大值仅存在于和管板相连处附近的一定范围内。为此，如果壳体的轴向总应力不能满足校核条件，只需要在连接处附近一定范围内增加厚度，而不必将全长范围内的壳体加厚，见图UHX-13.4。
由于采用了对管板相连处局部范围内的壳体加厚以满足强度校核，或为强化对管板周边的支承作用而加厚，所以在某些情况下，局部加厚与管板相连处附近的壳体可以大大降低管板的弯曲应力，提高了设计的经济性，在所列的计算实例中已说明了这一点。而且局部范围内壳体的加厚仍可基本保持壳体的柔性，在某些因管、壳温差过大而需要设置膨胀节时，或可避免设置。
        当管板和管箱或壳体整体相连，在相连处附近管箱或壳体的轴向总应力不能通过校核时，除可调整包括管箱或壳体在内相关元件的壁厚外，规范还提供了弹塑性分析方法，即允许管箱或壳体的轴向总应力在一定范围内超标而出现局部屈服。
        规范还规定，如因压力或温度变化而引起周期性或动荷反作用力，或用户有规定时，还应计及管板和与之相连的管箱或壳体在邻近管板处径向热膨胀差的影响。
- o9 b& e' D' Q1 H1 [        3)浮动管板式换热器
7 \) t% ^7 m& W7 |9 r+ F* o3 ~        和固定管板式换热器相比，仅管板和管束二者之间构成静不动系统，和壳体无关。所以ASME VIII-1对浮动管板式换热器管板、管子、壳体(或管箱)的应力计算和校核，采用和固定管板式换热器同样的方法，仅在导出各有关影响系数时，把管板、管子、壳体三者间的静不定结构改为管板、管子二者间的静不定结构。
        和固定管板式换热器不同，虽然管、壳之间的温差对管板不引起附加载荷，但因为对和管箱或壳体整体连接的管板、管箱或壳体对管板周边存在约束作用，ASME VIII-1计及了管板周边和与之相约束的管箱或壳体间存在温差时的径向膨胀差对管板弯曲所引起的附加约束，所以其可能的危险工况和固定管板换热器相同，也是(a)~(j)的七种，但其中ΔT系指管板周边和与之整体相连的管箱或壳体之间的温差，而不是管子和壳体之间的温差。
( J/ |; C4 O0 J% k! a当管板和管箱或壳体整体相连时，管箱或壳体因支承管板所导致的最大轴向总应力也仅存在于邻近管板处的一定范围内，所以和U形管式或固定管板式换热器相似，只在此范围内才需要加厚管箱或壳体以承受此最大轴向总应力，在此范围之外，其管箱或壳体仅受相应的Pt或Ps作用。当管箱或壳体的轴向总应力不能满足校核时，和固定管板式换热器不同，规范未提及可以进行弹塑性分析。
! i6 h& D- u8 G% X5 I1.1.2一些看法
        (1) 在此之前，美国对管壳式换热器建造的主要依据是TEMA标准，该标准对管板、管子和壳体的应力分析也基于开孔圆平板或弹性基础圆平板，以最为复杂的固定管板式换热器而言，将对管板变形起约束作用的一系列结构和操作因素归纳在有效设计压力Pe 中予以反映，所以其求解过程也是迭代过程，在确定有关的影响系数过程中所假定的管板厚度和按有效设计压力计算所得的管板厚度相一致，其误差允许范围为±1.5%，即指此意，相比2004版的ASME VIII-1方法，似不如后者清晰、直接、严谨。而且ASME VIII-1的方法和国际上一些标准如EN13445等所列方法总体上也比较一致。2004版ASME VIII-1的UHX篇已汇总了各类管壳式换热器包括管子对管板连接焊缝在内的建造规则，与之相匹配，又修订了膨胀节设计规则。对此，业内应关注美国在换热器建造中所采用主流规范的动向。
        (2) 虽然在UG-22载荷一节中原则上提及在容器设计中要考虑的载荷包括温度梯度和不同的热膨胀引起的载荷，但在整册ASME VIII-1中，实际用到需要考虑温差应力的实例还是固定管板式换热器的管、壳之间温差工况，而根据应力分析设计的思想，总体温差应力属于二次应力，具有自限性，可以用许用应力的三倍（或屈服强度的二倍）予以限制，在UHX篇中即是根据这一观点，对凡有温差存在的工况，针对不同的应力情况，采用二次应力、或一次弯曲、一次局部薄膜应力的限制条件，说明ASME VIII-1在这一部分已引入了应力分析设计的思想。当然，下面还将提及更多的章节已引入了这一思想。

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