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管壳程压力对换热器胀接接头性能的影响点击：1808 日期：[ 2014-04-26 21:14:25 ] |
| 管壳程压力对换热器胀接接头性能的影响 陈 龙 刘巨保 胡玉红 张 强 (东北石油大学) 摘 要：选择典型的开槽胀接接头结构为研究对象,建立三维非线性有限元模型。经不同管、壳程压力的数值计算得出,壳程压力使管板与换热管的接触区在轴向上缩短,密封性和拉脱强度降低;管程压力使接头的拉脱强度逐渐增大,管板上端的最大残余接触压力降低。为不同工作压力下换热管胀接结构的设计和施工提供了分析方法和理论依据。 关键词：换热器 胀接接头 残余接触压力 工作压力 中图分类号：TQ051·21 文献标识码：A 文章编号：0254-6094(2010)05-0571-05 换热器胀接接头的密封性能和拉脱强度主要取决于设计、加工和工作条件。在设计和加工方面,国内外学者针对开槽结构、胀接压力等参数对残余接触压力的影响进行了大量研究[1~5],基本上能够满足胀接接头的设计和加工技术要求。在工作条件方面研究较少,由于所选参数不同,分析结果具有局限性,段成红等人[6]采用有限元法分析了光孔胀接接头在不同胀接压力下,管、壳程压差(4MPa以内)和温差对最小残余接触压力的影响规律。罗敏等人[7]采用有限元法分析了介质温度对开槽胀接接头性能的影响。笔者采用有限元法,分析工作压力对开槽胀接接头残余接触压力的影响,评价其密封性能和拉脱强度。 1 换热器胀接接头结构 选取典型开槽胀接接头结构如图1所示,换热管为19mm×25mm,换热管与管板的初始间隙为0. 2mm,管板厚度为98mm,换热管和管板材料均为16Mn;液压胀接长度为50mm,胀接压力为160~200MPa;工作条件下接头所处的管程和壳程压力分别取0~30MPa。 2 有限元模型及接触区轴向变化模拟 2.1 有限元模型 换热管排列选取正三角形,考虑结构的对称性,建立如图2所示的三维有限元模型,该模型考虑了材料应变强化影响,属带初始间隙的接触非线性、几何非线性和材料非线性问题。采用AN-SYS软件的结构单元SOLID45、接触对单元CON-TA173与TARG170进行数值计算。 在有限元模型中,边界A为环向固定约束;边界B是换热管内表面,为压力边界;边界C是未胀管板孔表面,为自由边界;边界D是换热管上表面,为轴向固定约束;边界E是管板外侧圆柱表面,为径向固定约束。 2.2 接触区轴向变化模拟 胀接接头在胀接压力卸载后,换热管与管板之间形成残余接触压力p0c,该接触压力沿管板轴向方向有多处出现极值,沿圆周方向相差较小。因此,残余接触压力p0c是轴向坐标z的函数,其中z坐标定义为沿管板轴线由管板上端指向下端的方向(图1)。 胀接接头加工完成后,管板两端分别有胀不紧区域。当管程压力pi作用时,管程介质从管板上端的胀不紧区域逐步进入接触区,使残余接触压力消失,直到残余接触压力大于管程压力为止,此时管板上端接触区变化终止坐标为zpi;同样,当壳程压力po作用时,壳程介质从管板下端的胀不紧区域逐步进入接触区,直到残余接触压力大于壳程压力为止,此时管板下端接触区变化终止坐标为zpo;管壳程压力作用后,管板与换热管接触轴向区间为zpo-zpi,使胀接密封性能和拉脱强度发生改变。为了进一步描述管、壳程压力与残余接触压力和接触区的相互影响,建立了如下判别准则: a.对于 z∈[0,zpi],都满足pc*(z)≤pi且pc*(zpi)>pi,则[0,zpi)属于管程压力pi作用后的接触消失区域。 b.对于 z∈(zpo,Hs]都满足pc*(z)≤po且pc*(zpo)>po,则(zpo,Hs]属于壳程压力Po作用后的接触消失区域。 上述判别原则中,pc*(z)为工作压力下管板与换热管接触区的残余接触压力,Hs为管板与换热管胀接长度,小于管板厚度。 由于工作压力与接触区轴向变化是一个非线性关系,根据以上判别准则,设计了工作压力作用下接触区轴向变化模拟计算框图(图3)。 3 计算结果及分析 3.1 不同管、壳程压力下的密封性能分析 胀接压力为160~200MPa时,换热管与管板的残余接触压力沿轴向分布曲线如图4所示。由图4可知,接触区沿轴向有4处残余接触压力出现峰值,最大残余接触压力发生在管板上端,定义为第1道密封环,依次为第2~4道密封环,其值随着胀接压力的增大而增大。 不同胀接压力和不同管、壳程压力下,接触区沿轴向位置变化见表1、2。由表1可知,管程介质从管板上端进入胀接缝隙,由于第1道密封环的残余接触压力较大,随着管程压力升高,接触区轴向位置不发生变化,一直在距管板上端26mm处。由表2可知,壳程介质从管板下端进入胀接缝隙,随着壳程压力的升高,壳程介质逐渐从第4道密封环渗透到第1道密封环附近,使接触区轴向位置由62mm或63mm变为26mm或27mm,加工时形成的密封环基本消失。限于篇幅,以胀接压力200MPa为例,不同管、壳程压力下的残余接触压力变化如图5、6所示。 由图5可知,随着管程压力的升高,第1道密封环处的残余接触压力逐渐降低,其他各处的残余接触压力反而逐渐增大,这是因为管程压力在胀接缝隙中作用时,第1道密封环位置不变,而管板上端发生变形所致。由图6可知,随着壳程压力的升高,接触区的最大残余接触压力先无显著变化,而后略有降低;第4道密封环的残余接触压力逐渐降低;当壳程压力为30MPa时,第2~4道密封环彻底消失,这是因为壳程压力在接触区内首先作用在第4道密封环处,当壳程压力使该密封环消失后,第3道和第2道密封环也相继消失,并最终使壳程压力作用在第1道密封环上。 图7给出了不同胀接压力下,换热管与管板的最大残余接触压力随管、壳程压力变化的曲线。由图7可知,接头的最大残余接触压力峰值随着管程压力的升高而缓慢减小,随着壳程压力的升高先不变而后迅速降低。在胀接压力为160MPa时,当壳程压力小于临界值5MPa时对最大残余接触压力峰值影响不大,反之该峰值随着壳程压力升高而迅速下降。同理,胀接压力分别为170、180、190、200MPa时,其壳程的临界压力分别为10、15、20、25MPa,最大残余接触压力峰值在壳程临界压力内基本不变,反之最大残余接触压力峰值随着壳程压力的升高而迅速下降。 综上所述,随着管程压力增加,胀接接头在加工时形成的密封环轴向位置不变,但密封性能下降;随着壳程压力增加,密封环位置和密封性能都在变化,特别是当壳程压力大于其临界值时,密封性能呈快速下降趋势。因此,在工作压力作用下,能够确保胀接接头加工时的密封性能,建议选择胀接压力时考虑壳程压力。对于本文研究的胀接接头,在壳程压力小于5、10、15、20、25MPa时,胀接加工压力应大于160、170、180、190、200MPa。 3.2 不同管、壳程压力下拉脱强度分析 根据各胀接压力下不同管、壳程压力的残余接触压力和接触区域进行计算,可得接头的拉脱力随管、壳程压力的变化如图8所示。 图8接头拉脱力随管、壳程压力变化曲线由图8可知,不同胀接压力下接头的拉脱力随着管程压力的升高而逐渐增大,随着壳程压力的升高先略有降低,超过临界压力后快速下降。在胀接压力为160MPa,壳程压力小于临界值5MPa时,接头的拉脱力随着壳程压力的升高而略有降低,反之随着壳程压力升高而迅速降低。同理,在胀接压力分别为170、180、190、200MPa时,对应的临界壳程压力为10、15、20、25MPa,当壳程压力小于临界值时对接头的拉脱力影响不明显,反之接头拉脱力随着壳程压力升高而迅速降低。因此,当壳程压力分别小于5、10、15、20、25MPa时,为使接头保持其加工时的拉脱强度,胀接压力需大于160、170、180、190、200MPa。 4 结论 4.1 胀接接头的残余接触压力随胀接压力升高而增大,最大值发生在管板上端的第1道密封环上。同一胀接压力下,随着管程压力的升高,最大残余接触压力逐渐减小,其他接触区的残余接触压力逐渐增大;随着壳程压力的升高,接头的最大残余接触压力先保持不变,当壳程压力达到临界值后呈快速下降,直到最大残余接触压力消失。 4.2 不同胀接压力加工后的胀接接头,随着管程压力0~30MPa变化时,接触区轴向位置不变,始终在管板上端第1道密封环处;在壳程压力0~30MPa作用下,接触区轴向位置先在第4道密封环处,当壳程压力大于临界值时,接触区轴向位置逐渐变为第1道密封环处。 4.3 不同胀接压力下的接头拉脱力随着管程压力的升高而逐渐增大,随着壳程压力的升高先略有降低,超过临界值后迅速下降。 4.4 对于笔者所研究的胀接接头,在胀接加工压力为160、170、180、190、200MPa时,其壳程压力的临界值分别为5、10、15、20、25MPa,建议该类胀接接头的壳程工作压力应低于临界压力。 参考文献 1·刘敏珊,王素珍,董其伍等.换热管与管板液压胀接的数值研究.化工设备与管道, 2007, 44(4): 30~34 2·梁新文,刘巨保,黄红军. E3201换热器液压胀接接头的非线性有限元分析.石油工业技术监督, 2006, 22(3): 13~16 3·段成红,钱才富.换热器管子与管板接头拉脱力的研究.北京化工大学学报, 2007, 34(3): 308~312 4·WangH F, Sang Z F. Effect ofGeometry ofGrooves onConnection Strength of Hydraulically Expanded Tube-to-Tubesheet Joints. JournalofPressureVessel Technology ofASME, 2005, 127(4): 430~435 5·Al-Aboodi A, Merah N, Shuaib A R et a.l FEA of theEffects of InitialTube-TubesheetClearance, WallReduc-tion and Material Strain Hardening on Rolled JointStrength. JournalofPressureVessel technology of ASME,2008, 130(4): 1204~1210 6·段成红,钱才富.操作条件对胀接接头密封性能的影响.化工设备与管道, 2007, 44(2): 18~21 7·罗敏,于海,刘巨保等.介质温度对换热器胀接接头的影响分析.化工机械, 2008, 35(4): 228~231 |
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