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焊接对管头与管板间的胀接连接的影响的讨论点击：2117 日期：[ 2014-04-26 21:08:25 ] |
| 焊接对管头与管板间的胀接连接的影响的讨论 陆景阳（葫芦岛市特种设备监督检验所，葫芦岛125001） 马睿 刘季敏 吕庆双（中航黎明锦西化工机械（集团）有限责任公司，葫芦岛125001） 摘要：为换热器制造开发高质量的换热管与管板的连接技术，利用ANSYS有限元分析软件模拟分析换热管与管板间的连接形式。采用胀焊结合的连接形式时，焊接产生的热应力和胀接产生的残余接触应力之间互有影响。胀接分析过程中根据材料的力学、物理性能，引入材料的几何非线性和接触非线性理论分析[1]，采用多线性随动强化准则，计算胀管压力卸除后换热管与管板之间的残余接触应力，得出最高效、最合适的胀接压力。焊接分析过程中利用ANSYS软件进行模拟计算，采用单元生成技术，得出强度焊产生的热应力的影响范围。本方法为换热管与管板接头的结构设计和工艺参数优选提供了理论依据。 关键词：ANSYS 贴胀 强度焊 残余应力 0·前言 换热器在工业生产中有着十分重要和广泛的用途。换热器发生失效的部位主要是换热管与管板的连接处，它给连续生产带来了巨大的经济损失，其可靠性和使用寿命很大程度上与换热管和管板的连接质量有关，换热管与管板连接质量对整个系统的运行状态会产生重大影响，因此开发高效率、高质量的连接技术是换热器制造的一个重要课题。 1·换热管与管板的连接理论 换热管与管板的连接分为胀接、焊接以及胀焊结合的形式。在石油、化工的生产中，胀焊结合常常被使用。这种形式有先焊后胀及先胀后焊的不同操作方法。但是先焊后胀焊缝容易产生裂纹，甚至于将焊缝胀裂，对于这种情况，一般采用深度胀(管口15 mm左右不胀)，使胀接部位避开焊缝，从而减小胀接对焊缝的影响，但会对使用寿命有影响。若是采用先胀后焊在不考虑油污和空气影响焊缝质量的理想情况下，强度焊以后产生的热应力对胀接效果是否还会有影响？ 胀接是对换热管施加压力，当管内压力达到一定值时，换热管贴紧管板，致使管板也开始发生弹性变形，当管内压力卸除后，由于换热管产生塑性变形，所以管板弹性回复量大于管的弹性回复量，致使管子与管板紧密贴合完成胀接。胀管工艺就是要在换热管与管板间获得足够的残余接触应力。残余接触应力的大小是保证胀接接头具有足够的密封性能和拉脱强度的前提。为了取得更好的密封性能和拉脱强度采用胀焊结合的连接形式，但若是两者互相影响较大就得不偿失。 2 ·ANSYS有限元的分析[2] 模型的建立[3] 我们研究的对象是换热管和管扳的连接处。为方便计算只建立单一管子与管板连接处的模型，换热管直径19mm，管壁厚2mm，管板宽度为80mm，管孔中心距离为25mm，平均划分网格。 2.1确定ANSYS分析的单元模型，设置单元类型选择三维模型solid185体单元。 2.2设置材料特性参数值，管板材料为16Mn，换热管材料为20钢，具体参数如表1，表2所示。 2.3定义接触对为面面接触对，采用TARGE170和CONTA174接触单元。 2.4施加约束条件：换热管末端设定为全约束，管板与换热管连接处为自由端，无约束。 2.5在换热管内施加(换热管与管板连接处)压力160MPa，具体模型、网格、胀接压力如图1所示。 3 ·ANSYS对贴胀的处理结果 我们主要分析胀接压力与残余接触应力的关系。在换热管内壁加载160MPa压力，卸载后得到残余接触应力分布图，如图2所示。 在图中我们得知，残余接触应力沿轴向分布不均匀，最大残余接触应力在连接中心处，为65.9MPa，占胀接压力的41.2%。为了取得更好的胀接效果应该使最大残余接触应力应该分布在连接边缘处而不应该是在中心处，所以可以考虑在管板上开槽的方法使残余接触应力集中在两端处。 通过计算图形也可以看出残余接触应力在圆周方向分布也是不均匀的，这是由于周围管板开孔部位加载后变形较大所影响的，圆周方向最大残余接触应力分布为56.5-65.9MPa，最大偏差为9.4MPa，占胀接压力的5.87%，对于总体结果的影响不大，因此可以忽略。 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不大，设计和施工中根据不同要求可以选择忽略不计。 为了取得更好的胀接压力，使得在工业生产中取得更高的效率，我们还计算了不同胀接压力下得到的不同残余接触应力值，如表3所示。 通过数据可以看出，当胀接压力达到180MPa后，胀接压力的提高对残余接触应力的提高能力有所下降，所以为了提高胀接效率选择最佳的胀接压力应是180MPa。 根据计算结果，绘制胀接压力与残余接触应力关系图，如图3所示。当胀接压力达到200MPa以后，残余接触应力没有增加反而减少，这就是达到了过账现象，所以实际工作中选用合适的胀接压力非常重要。 4 ·ANSYS模拟焊接对胀接效果是否有较大影响[4] 由于这是轴对称模型，并且焊接模拟时涉及的计算量比较大，所以建立简化2维模型对计算结果影响不大。模型建立，左端突起为焊接填充材料，上层为2mm厚换热管壁，其他为管板，如图4所示。 4.1确定A N S Y S分析的单元模型，选择plane13单元。plane13，二维耦合单元,同时具有温度和位移自由度。 4.2设置材料特性参数值，同表2、表3，当材料熔化时应该是没有弹性模量的，但若是没有弹性模量ANSYS软件又无法计算，所以选取近0值。 4.3施加约束条件：设定上表面换热管内壁、模型左端焊缝填充材料以及模型左右两端管板外侧为与空气对流边界条件，空气温度为化工装备20℃，导热系数0.012W·/（m·℃）。 4.4采用ANSYS单元生死技术，开始杀死焊缝单元，然后逐步激活焊缝单元，焊缝单元初始温度为1500℃。 5 ·ANSYS对强度焊的处理结果 强度焊以后会在焊接处产生较大的热应力，并且会扩散到一定的距离，我现在主要分析强度焊对胀接残余接触应力的影响距离有多少。 激活焊缝单元，使其初始温度为1500℃，通过5000s的冷却，观察热应力的影响范围。用ANSYS有限元分析软件模拟，发现在第15s的时候热应力的影响范围最大，如图5所示。通过观察，热应力的影响范围不超过12mm，所以按照深度胀的工艺要求，强度焊对胀接的残余接触应力影响不会很大。 6·结束语 分别通过改变施加胀合力的大小设计出六个案例(120MPa、140MPa、160MPa、180MPa、200MPa、220MPa)，由管子与管板的残余接触应力分布云图得出各残余接触应力的值，建立了有限元计算胀接力与残余接触应力的数据图示关系。并且模拟强度焊产生的热应力影响范围。所以在实际工作中，对于直径为19mm，管壁厚为2mm的换热管采用的最高效率的胀接压力应为180MPa，并且强度焊对胀接质量的影响不会很大，根据不同的工艺要求，可以分别选择先焊后胀和先胀后焊的连接形式。 参考文献 [1]祝效华ANSYS高级有限元分析范例精选电子工业出版社2004 10 [2]徐伟炜ANSYS在机械与化工装备中的应用中国水利水电出版社2007第二版 [3]国家质量监督局GB151-1999钢制管壳式换热器中国标准出版社1999 [4]栾春远压力容器ANSYS分析与强度计算中国水利水电出版社2008 |
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