换热器管子与管板液压胀接接头连接

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-28 9:30:56 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器

液压胀接是近几年来发展较快的换热器管子与管板的连接方法,该方法利用液体压力作用于换热管内表面,使之产生大的塑性变形并与管板孔接触,依靠卸除压力后的残余应力使管子与管板达到紧密连接,其连接质量的好坏直接影响到生产的安全可靠。国内外学者及工程技术人员对接头性能曾开展过一些研究工作。Scott等人采用应力腐蚀试验及X射线衍射试验等研究了液压胀接接头过渡区的残余应力和残余变形[1]。S.Weinstock等对应变强化和材料随温度变化的特性等因素进行了理论和试验两方面的探讨[2]。桑芝富等对换热器管子与管板胀接结构的连接强度、耐压性能及疲劳强度等进行了试验研究[3]。颜惠庚等人也曾对液压胀接开展了一些试验研究工作[4]。试验方法耗费较多的财力和时间,且由于各种因素的影响,测量结果的精确性受到限制。液压胀管过程的理论和计算研究主要包括基于平面问题的理论解和数值解等[5~7],其主要讨论了胀接过程中管子与管板的塑性区扩展、胀后残余接触压力和残余变形分布规律等问题。
    文中采用有限元法模拟了液压胀接接头胀后连接性能,讨论了工作温度对接头连接强度和密封能力的影响,并对液压胀接的使用条件做了探讨。
    1 液压胀接有限元模拟液压胀接的数值模拟严格地讲是个三维问题,考虑到求解三维问题的复杂性,一般将管板简化为一定尺寸的圆柱套筒,即合理确定管板的刚度,可将三维接触问题简化为二维轴对称问题,该处理既提高了计算效率,又能保证一定的精度。笔者就该方法的可行性在文献[8]中做过讨论。文中的有限元计算模型均采用二维轴对称模型。
1.1 模型建立
     几何模型见图1。换热管的管口伸出管板端面2mm,管子为 25mm×2mm的10钢,管板为16Mn锻件,厚度δ=50mm,管孔直径De=25.4mm,根据文献[9],取等效套筒直径D=44mm。1 2 单元选用及分网管子和管板选用4节点等参单元(PLANE42)。管子与管板的接触采用二维面 面接触单元Con tact172和目标单元Targe169模拟。摩擦类型取修正的库仑摩擦模型,即当管子与管板的接触摩擦力超过σst/3时接触面间发生相对滑动,σst为换热管的屈服强度,摩擦因数取0.2,接触算法采用罚函数与拉格朗日组合法。管子与管板的材料分别为10和16MnⅡ,材料塑性为双线性等向强化,服从Mises屈服准则。采用ANSYS程序对模型进行分网计算,网格图见图2。
 
1.3 边界条件和载荷
    管板的上、下外边缘及管子的壳程侧截面加轴向约束,主要分2个大的阶段加载。第1个阶段是接头液压胀接过程的模拟,分为2个载荷步,第1个载荷步在管子内壁施加大小为胀接压力的内压,第2个载荷步施加0MPa,分别来模拟胀接的加载和卸载过程,胀接压力的作用范围在距管板上、下边缘各2mm以内,模拟胀头的作用位置。第2个阶段的载荷根据研究问题将接头在工作状态下的温度和流体压力分多个载荷步加载。为提高求解过程的收敛速度,保证非线性计算的稳定性,主要采取以下措施:打开自动时间步长;使用完全的Newton Raphson迭代,以保证每次平衡迭代使用正切刚度矩阵;采用线性搜索使计算稳定化。将以上2个载荷步写入载荷步文件,进行连续求解。
1.4 计算结果及分析
    接头连接性能包括连接强度和泄漏压力2个指标。接头的连接强度通常用拉脱应力q来定量表征,含义为单位胀接接触面积上接头所能提供的轴向力,可表达为:
q=F/(πdl)(1)
式中,F为笔者通过接头拉伸模拟得到接头沿轴向连接破坏的外力,N;d为换热管外径,l为胀接长度,mm。泄漏压力是评价接头连接性能的另一重要指标,以往文献中大多通过试验方法未确定接头冷态的密封压力,主要通过接头残余接触压力来分析计算,缺少有关泄漏压力的定量计算。与前人所做工作不同,笔者通过ANSYS参数化语言APDL控制流体压力的加载,即流体压力在按照一定的增量施加前,检查前一次压力作用后的接头接触情况,对接触压力小于某一数值的部位施加流体压力,认为该部位已有流体渗透,文中取沿流体渗透方向接触压力小于2MPa作为评价流体渗透的准则。为简化问题,笔者在讨论接头密封性能时仅考虑换热器壳程受压的情况。因此,胀接接头密封性准则概括为,随着换热器壳程压力的升高,接头接触压力低于2MPa的部位有流体渗透,当渗透范围扩展到胀接接头边缘时,该接头密封失效。
    以下算例取液压胀接压力p=160MPa,研究接头胀后连接强度和密封性能,有限元计算模型如前所述。
1.4.1 胀后连接强度
    为研究接头的连接强度,笔者做了拉伸试验模拟。模拟方法是在模拟接头胀接过程的基础上,在换热管壳程侧端面分10个载荷步加载轴向位移进行稳态分析,大小分别为0.1、0.5、1、5、10、15、20、30、35和40(单位均为mm),模拟接头在试验机上进行拉伸试验时的加载情况。通过后处理得到的节点反力作为接头轴向拉伸的外力,其随时间变化的曲线见图3,由于进行稳态分析,时间不具有物理意义。从图3中可看出,接头所能承受的最大轴向拉伸外力F=9305N,根据式(1)得接头强度指标拉脱应力q=2.58MPa。拉脱试验模拟结果与摩擦因数的选取有关,参照文献[4]取摩擦因数为0.2,结果偏于安全。在文献[10]中,该模型的试验拉脱外力为10350N,文中数值计算结果与之吻合较好。胀接压力对接头的连接强度有显著影响,接头的拉脱应力q随胀接压力p的变化见图4。
 
1. 4.2 胀后密封性能
    本算例胀后密封性能分析的方法是在模拟液压胀接的基础上,在壳程侧管板表面和换热管外表面以1MPa为初始压力及1MPa为载荷增量进行多载荷步加载压力来实现的。在每个载荷步设定之前,要检查上一次加载后接头接触情况,对流体渗透的部位,需在新的载荷步中加载流体压力,在多载荷步循环求解过程中,当满足上述接头密封失效准则时,求解结束,记下当前流体压力作为接头泄漏压力pL。接头胀接结束后和壳程压力为33MPa密封失效时的残余接触压力分别见图5和图6,流体渗透随密封试验压力的变化见图7,图中y为渗透位置距管板管箱侧表面的距离。值得注意的是,接头的残余接触压力沿管子轴线方向是不均匀的,在本算例中管板厚度为50mm,接头连接的两端接触压力比较高,形成重要的密封带,当密封试验压力超过25MPa时,流体以较高的速度渗透。液压胀接压力能显著提高接头的密封能力,接头泄漏压力与胀接压力的变化见图8。
 
 
2 工作温度对接头连接性能的影响
   为了分析工作温度对算例中接头连接强度的影响,在模拟液压胀接过程后,分多载荷步施加节点的温度载荷,模拟接头从室温升到工作温度再降到室温的过程。为了研究工况的波动情形,总共施加了3个升温 降温循环,每个温度循环的升温过程从室温按100℃的增量递增到400℃,降温则按照相同量递减到室温,在分析时不考虑蠕变的影响。温度循环对接头拉脱应力和泄漏压力的影响分别见图9和图10。
 
    研究结果表明:①接头的连接强度随温度升高先增加后减小,400℃时的连接强度比室温时的连接强度降低约15%。接头的泄漏压力有相同的变化规律,400℃时的泄漏压力比室温时降低约20%。这是由于管子(10钢)比管板材料(16Mn锻件)的热膨胀系数高,在室温时二者差2.97×10-6/℃,随着温度升高,差别逐渐减小,到400℃时降为0.22×10-6/℃,但与此同时材料的屈服强度降低,因此接头连接强度和密封能力有上述规律。②经过第1个升温 降温循环回复到室温后,接头连接强度和密封能力比胀接结束后都有所降低,接头经过第2个和第3个循环后连接性能不变,该现象与文献[11]报道的机械胀接的情况相似。
 



上一页:一种特殊形式的螺旋折
下一页:对具有复杂流路布置的翅片管换热器

评论

发表评论
[ 字号大小: ] [ 加入收藏 ] [ 打印 ] [ 关闭 ]

地址:哈尔滨市南岗区哈军工院内 电话:0451-83027338 传真:0451-82552085 厂长:黄峰 手机:13946031568