E3201换热器液压胀接接头的非线性有限元分析

　　换热器发生失效的部位主要是换热管与管板连接处，它给化工生产带来了巨大的经济损失。换热管与管板连接方式主要有胀接、焊接、胀焊并用。胀接又分为机械胀接、爆炸胀接和液压胀接。其中液压胀接因其诸多优点而得到广泛应用，国内外学者也针对液压胀管技术从实验气解析法分析、有限元分析等方面进行了研究，均取得很多成果，极大地指导了生产实践，但仍然存在着很多需要解决的技术问题，如定量描述液压胀接过程中接触和材料非线性效应，周围管板孔的变形影响等。为此，本文应用大型有限元分析软件ANSYS，以E3201换热器管板内开槽的液压胀接接头为研究对象，建立三维非线性有限元模型，通过应力分析计算来描述液压胀接过程中的接触和材料非线性效应。

　　液压胀接接头的非线性有限元模型E3201换热器是大庆石化公司某装置中的脱气培顶水冷器，结构为U形管式换热器，换热管为正三角形排列，换热管与管板的连接接头为带有开槽的对称性和胀接工艺过程，选取30C的换热管和周围管板半孔为研究对象，建立的非线性有限元模型。该模型由8节点三维实体单元SOLID45、接触单元CONTA173和TARG170单元组成。换热管材质为16Mn冷拔管，大抗拉强度为670MPa、屈服应力为320MPa；管板材质为16Mnlll，大抗拉强度为600MPa、屈服应力为275MPa.这两种材料均为低合金钢，具有应变硬化性质，材料塑性服从Mses屈服准则，其应力-应变曲线见。

　　换热管材料应力应变曲线施加的液压胀接压力变化范围为110~ MPa，为了得到换热管与管板的接触应力和残余接触应力分布情况，将载荷分为两个阶段阶段为胀接压力由零增加至规定的压力，即胀接压力加载段；第二阶段为胀接压力由规定值减少至零，即胀接压力卸载段。考虑到接触和材料非线性的计算收敛速度和计算精度，采取了一系列技术措施，如在每个载荷步中增加若干子载荷步，使用芫全的Newton-Raphson迭代，线性搜索等求解技术。

　　综上所述，本文建立的非线性有限元模型充分考虑了周围管板孔对胀管的影响、换热管和管板材料的非线性应变硬化性质、换热管两端伸出管板孔的端部效应。该模型一方面使换热管液压胀接接头的受力变形分析转化为接触和材料双重非线性问题，具有一定的分析和计算难度；另一方面，使换热管与管板的接触应力和残余接触应力分布描述更加合理，为该换热器的胀接接头结构设计和加工提供了可靠的理论依据。

　　液压胀接接头的非线性有限元计算与分析液压胀管工艺就是在换热管与管板间获得足够的残余接触应力，而残余接触应力的大小和分布是保证接头具有足够的密封性能和拉脱强度的前提，也是研究液压胀管技术的必要参数。为此，这里着重分析讨论接触应力、残余接触应力随胀接压力的变化情况。

　　通过上述有限元模型，对不同胀接压力条件下的胀接接头进行了有限元计算，得到了换热管与管板的接触应力、残余接触应力和变形状态。给出了胀接压力为210MPa时加载后的接触应力分布。给出了胀接压力为210MPa时卸载后的残余接触应力分布，给出了胀接压力为210MPa时芫全卸压后残余接触应力在中截面上沿轴向的分布曲线，给出了胀接压力为210MPa时芫全卸压后残余接触应力沿圆周方向的分布曲线，表1给出了不同胀接压力时的接触应力和残余接触应力值。

　　从可见，加载后换热管与管板接触应力分布是不均匀的，在管板端部和开槽位置处出现低接触应力区，管板开槽边缘附近出现两段高接触应力区，而且靠近管板端部的接触应力大、达到276MPa，这主要是由于在换热管与管板接触段内施加胀接压力后，开槽处不产生接触，使换热管沿轴线方向产生翘曲所致。

　　从可见，当胀接压力芫全卸载后，换热管与管板的残余接触应力与加载后的接触应力分布芫全相同，只是卸载后的残余接触应力明显低于加载后的接触应力，大残余接触应力为87MPa，占接触应力的3152.由此可见，通过管板开槽和胀接工艺，可以在槽的上下边缘附近得到两条具有较高残余接触应力的密封环带，能够起到很好的密封作用，比一般的面与面接触密封效果好。

　　端部附近，其大小依次为86.5MPa，62.6MPa和47.5MPa，大残余应力区是由于槽边缘和管板端部效应所致。

　　从曲线可见，开槽边缘附近残余接触应力沿圆周方向分布也是不均匀的，从圆周方向角0°~30*时，残余接触应力由大到小变化，但从数值上看差别不大，大值与小值相差1.48MPa、占大残余接触应力的17，这主要是由于周围管板开孔部位加载后变形较大所致。由此可见，换热管与管板的残余接触应力受周围管板开孔影响较小，设计和施工中可以忽略不计，即残余接触应力沿圆周方向可以处理成均匀分布，计算误差在2以内。

　　综合考虑~7残余接触应力分布状态，在换热管与管板连接处由3个高残余接触应力区形成了3个环型密封带，使换热管与管板连接密封性能和拉脱强度得到显著提高。另一方面，在管板端部附近都存在一小段胀不紧（低残余接触应力）区域，距管板上下表面2mm左右。这主要是由于换热管在管板孔两端的伸出部分不但不受胀接压力作用，而且还会阻碍与之相邻管段的胀接变形，并在胀接压力卸载后促进相邻被胀管段的回弹，使相邻被胀管段的残余接触应力降低甚至丧失，胀不紧段的存在使换热管与管板端部保留一条较浅缝隙，因而胀接工艺不能芫全避免换热管与管板连接处出现缝隙腐蚀。

　　从表1中数据可见，随着胀接压力的不断增加，表1不同胀接压力下的接触应力和残余接触应力计算结果胀接压力/MPa接触应力/MPa残余接触应力/MPa残余接触应力与接触应力的比率/在换热管与管板间的接触应力和残余接触应力都有不同程度的增加。当胀接压力为110MPa卸载后，残余接触应力为零，这说明在径向上换热管的变形低于管板变形；当胀接压力达到130MPa时，在接触面间开始存在残余接触应力，并随着胀接压力的增加，接触应力和残余接触应力都有不同幅度的增加；当胀接压力增加到170MPa后，再增加胀接压力时，虽然接触应力有较大增加，但残余接触应力已经不再有明显增加，这主要是由于管板的恢复变形量已与换热管的恢复变形量相近所致，即管板也达到了屈服变形。由此可见，胀接压力为170MPa时，换热管与管板间存在的残余接触应力占接触应力的比率大达38.92，是E3201换热器的佳胀接压力。

　　结论和认识考虑换热管和管板材料的应变硬化特性、周围管板孔对胀管影响等因素，建立了液压胀接接头的三维非线性有限元模型，为进一步研究换热管与管板胀接结构的优化设计、工艺参数优选提供了计算模型和方法；换热管与管板的残余接触应力沿轴向分布不均匀，在槽的上下边缘和管板端部附近残余接触应力明显增高、出现峰值，由高残余接触应力形成的3条闭合密封环带，使换热管与管板连接密封性能和拉脱强度得到显著提高；换热管与管板的残余接触应力受周围管板开孔影响较小，设计和施工中可以忽略不计，即残余接触应力沿圆周方向可以处理成均匀分布，计算误差在2以内；换热管与管板间残余接触应力随着胀接压力的增加而增加，当胀接压力达到170MPa后，胀接压力对提高残余接触应力的能力明显下降，E3201换热器胀接压力的佳值为170MPa；本文分析计算结果已在E3201换热器的液压胀接接头结构设计和工艺参数优选中得到应用，确保了胀接接头的拉脱强度和密封性能要求。