换热器管子与管板液压胀接接头连接性能

　　换热器管子与管板液压胀接接头连接性能王海峰，桑芝富（南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京210009）压力和接头的工作温度对连接性能有显著影响。连接性能主要包括连接强度和密封能力。以生产中常见的10管子与16Mn管板连接为算例，采用有限元法模拟了胀接过程及接头胀后连接性能，在此基础上讨论了温度循环的影响。分析表明，液压胀接压力能显著提高接头的连接性能，接头的连接强度随温度升高先增后减，经过第1个温度循环后有一定程度的降低，而经过第2个和第3个温度循环后基本不变。后针对国家换热器标准中有关胀接的规定提出了一些建议。

　　051.501：A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S.Weiretock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。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~'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。

　　石油化工设备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。

　　11模型建立几何模型见。换热管的管口伸出管板端面2mm，管子为025mmX2mm的10钢，管板为16Mn锻件，厚度§=50mm，管孔直径De=25.4mm，根据单元选用及分网管子与管板的接触采用二维面-面接触单元Con-tactnS和目标单兀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/乃时接触面间发生相对滑动，为换热管的屈服强度，摩擦因数取0……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16Mn，材料塑性为双线性等向强化，服从Mises屈月艮准则。采用ANSYS程序对模型进行分网计算网格图见。

　　几何模型网格图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NewtoirRaphson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。

　　14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：（1），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；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。

　　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。

　　141胀后连接强度：过程，胀接压力的作用范围在距管板上下边缘线见由于于进行稳态分析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），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，其随时间变化的曲义。从中可看出，接头所能承受的大轴向拉伸外力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檫因数的选取有关，参照取摩檫因数为0.2，结果偏于安全。在中，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。

　　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l.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和流体渗透随密封试验压力的变化见，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，在本算例中管擂为皆微接头连接的两端接触接头泄漏压力与胀接压力的关系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石油化工设备bookmark1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°C的增量递增到400°q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和0.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°c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400C时的泄漏压力比室温时降低约20.这是由于管子（0钢）比管板材料（16Mn锻件）的热膨胀系数高，在室温时二者差2.97X106/C随着温度升高，差别逐渐减小，到400C时降为0.22X106/C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，该现象与报道的机械胀接的情况相似。

　　3结语（1）利用接触单元技术，能模拟依靠过盈或塑性载荷对其连接性能的影响，对类似工程问题的解决有借鉴价值。

　　在GB 151―1999〈管壳式换热器〉中规定，管壳式换热器胀接连接只适用于设计温度小于或等于300C的场合，但经计算表明只要注意管子与管板材料的匹配和选择合适的胀接压力，接头的连接性能仍然能够得到保证，相关资料也有胀接用于高于300C场合的报导，如舰用锅炉。因此，标准中的规定还有待商榷。

　　液压胀接压力能够显著提高接头的连接性能，同机械胀接相比，液压胀接的成型规律有所不同，其不易形成过胀，因此在实际应用时可适当增加液压胀接压力。

　　通过建立二维轴对称模型讨论了换热器液压胀接接头连接性能，对周围管孔的影响还有待于进一步研究。