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换热器管子-管板液压胀接中影响因素分析点击：2062 日期：[ 2014-04-26 21:53:42 ] |
| 换热器管子-管板液压胀接中影响因素分析 陈 光 (上海电气电站设备有限公司上海电站辅机厂,上海200090) 摘 要：针对换热器管子-管板液压胀接中影响胀接效果的五个因素,利用ANSYS数值计算结果和相关理论分别对各影响因素进行了详细的讨论,通过计算和分析得出了相关影响因素的结论,可供科研和实际生产中参考。 关键词：换热器;液压胀接;残余接触压力;影响因素;数值模拟 中图分类号：TK226 文献标识码：A 文章编号：1671-086X(2010)05-0376-05 管壳式换热器是石油化工、火电及核电厂中应用最广的设备之一。国内外生产实践经验及研究资料表明,大多数换热器的失效都发生在管子与管板连接部位。管子与管板接头质量的好坏直接影响到生产的安全可靠性。 胀接是管子与管板连接的主要形式,常用的胀接方法有机械胀接、爆炸胀接、橡胶和液压胀接等,而机械胀接是国内外目前最为常用的方法。该方法除了具有劳动强度高和工作效率低等缺点外,还难以对管板厚度超过100 mm以上的换热器实行全厚度胀接。而现代化工装置都在高参数下运行,换热器管板的厚度越来越厚,管板厚度超过300 mm的换热器已不鲜见,用传统的机械胀接技术已无法对这种厚管板换热器进行全厚度胀接,从而换热管和管板之间的间隙难以消除,留下间隙腐蚀的隐患。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。其连接方法有两种[1]:一种是“O”形环法,这种方法以“O”形环作为密封元件,对管子内壁的尺寸精度和粗糙度要求较高;另一种为液袋式液压胀接技术,可对各种规格、各种材料的换热管进行可靠的全程胀接,特别适用于厚管板换热器、大口径管的胀接。 1 液压胀管的原理与主要特点 1.1原理 液压胀管过程通常可分为三个阶段,见图1。 (1)对换热管内表面施加均匀内压,使换热管发生完全塑性变形,直到换热管外壁与管板孔内壁接触。这一阶段管板不受力,也称为换热管的变形阶段,对应图1中1—2—3—a点结束。 (2)胀接压力继续增加,直至管板孔壁部分或全部进入塑性状态,这一阶段称为对管板加载阶段。当管板不发生塑性变形时对应图1中a—4—b或到c点结束,当管板发生塑性变形时对应图1中a—4—b—c—d或到e点结束。 (3)当胀接压力达到预定值时,卸去胀接压力,管板产生弹性恢复力施加在胀后的管子外壁上形成接触压力,从而达到胀接的目的。当管板不发生塑性变形时对应图1中b—5—f—g(当材料无严重的包辛格效应时)或b—5—f—g (当材料有严重的包辛格效应时),当管板发生塑性变形时对应图1中d—5—h—i(当材料无严重的包辛格效应时)或d—5—h—i (当材料有严重的包辛格效应时)。 1.2主要特点 (1)胀管芯轴插入管子而不损伤管子内孔,设备操作移动方便。 (2)胀管深度及定位精确,最大限度地保证管子与管板的根部间隙减小。 (3)液压胀管压力能精确设定并重复定位,胀管质量能得到充分保证,胀管附加应力及拉脱力能够预测。 (4)液压胀管无机械挤压产生的冷作硬化,根部残余应力较小,腐蚀倾向比机械滚压胀接小得多。 (5)液压胀管可对任意管板厚度的换热器进行全程胀接。 (6)液压胀接操作时间短,只需几秒钟,效率高。 2 胀接压力的计算与选取 换热器管子-管板胀接工艺中,胀接压力的确定是关键因素,关系到预定胀接目的和效果是否能完满地达到。实际操作中需根据不同的管子、管板材料,不同的胀接目的来确定合适的胀接压力。在《压力容器安全技术监察规程》中对采用柔性胀接时提出了要求:胀接前,应通过计算胀管压力进行试胀,对于贴胀拉脱力应达到1 MPa,强度胀拉脱力应达到4 MPa。但在规程中没有给出具体计算方法,国外的各种标准及规范中也没有明确的计算公式。然而从当前国内外有关文献资料中发现,胀管压力计算的简化模型取法基本相同,管板由套筒表示,套筒外半径是一个等效值。目前这个等效半径值有多种计算方法,当今采用较多且较合理的是Kohlpaintner等效外筒公式[3],用以计算等效外筒外径。为简单起见,把每个被胀管口视为从管板上取管桥尺寸作为壁厚的外层厚壁圆筒,以换热管作为内层圆筒的一个两端开口的双层圆筒体[2],见图2。 双层筒体内壁在压力的作用下,其轴向变形是个微量,可以忽略不计,其径向变形基本可划分为三个阶段。颜惠庚等人按Mises屈服失效判据,由厚壁圆筒的弹塑性理论可以分别导出各阶段的压力计算公式[4]。 2.1各阶段压力计算公式 假定材料为理想塑性材料,服从Von Mises屈服准则。 (1)换热管的变形阶段,使换热管发生塑性变形,当管子外表面与管板孔内表面刚好接触时,对应的胀接压力为: (2)管板加载阶段,胀接压力继续增加,直至管板单管模型部分或全部进入塑性状态。 上面各式中:pi为胀接压力;pc为换热管外壁面与管板孔内表面的接触压力;Rc为屈服界面半径;pRc为残余接触压力;σss为管板材料的屈服强度;σst为管子的屈服强度;c0为管子与管板孔的初始间隙;Et、Es分别为管子、管板材料的弹性模量;μt、μs分别为管子、管板材料的泊松比;mt、ms分别为管子、管板的强化指数;Kt、Ks分别为管子、管板的外内半径比;ri、r0分别为管子的内外半径;Ri、Ro分别为管板当量外圆筒的内外半径。 (3)当胀接压力达到预定值后,卸去胀接压力,管板产生弹性恢复,利用管子外壁与管板孔内壁接触面处的位移条件,求出残余接触压力。 2.2胀管压力的选取 在上述分析的基础上,颜惠庚等人又根据卸载定律,分析得出以下胀管压力的选取原则。 (1)换热管与管板胀接后正好消除层间间隙的最小胀接压力为: (2)管板孔内表面刚好发生屈服时的胀接压力,通常认为此压力为最佳胀管压力: (3)为了避免胀接压力过大而使得管板的塑性区域与周围已胀好的接头的残余应力区干涉,严重时会在试压或工作中发生泄漏,并且在进行补胀时,会将泄漏区扩散到相邻的接头,即所谓的过胀现象,因此在确定胀接压力时,存在一个最大胀接压力值: (4)从以上分析可以得知: ①对于贴胀,其胀接压力范围应为:pimin<pi≤pisy ②对于强度胀,其胀接压力范围应为:pisy<pi≤pimax 3 影响胀接残余接触压力的主要因素分析 3.1胀接压力与残余接触压力关系 3.1.1已知条件(实例) 取管板材料为SA350LF2,管子材料为SA803,残余接触压力计算所用到参数为(下同):管子内径12.87 mm;管子外径15.9 mm;管子弹性模量210 GPa;管子平均最小屈服强度366MPa;管子平均最大屈服强度368 MPa;管子平均最小抗拉强度526 MPa;管子平均最大抗拉强度527 MPa;管板孔内径16.24 mm;管板弹性模量210 GPa;胀接压力pi;管板孔中心距21 mm。 3.1.2计算结果 利用上海电气集团公司联合上海交通大学开发的《液压胀管计算》软件,计算得到的计算结果见图3。 从图3可以得出,其他参数不变,残余接触压力随胀接压力近似线性变化,即残余接触压力与胀接压力近似成正比,但不是可以一直增加,胀接压力有上限pimax。 3.2胀接长度与胀接压力关系 在1 MPa考核条件下,胀接长度与胀接压力之间的关系采用ANSYS轴对称模型进行分析计算得到。 胀接压力为350 MPa,胀接长度分别为85mm、70 mm、55 mm、40 mm,其对应的有限元分析结果见图4。 根据数值计算结果,得出胀接长度与胀接压力关系见图5。 从图5可以看出,在相同胀接长度情况下,胀接压力越高,胀接残余接触压力也越高。在相同胀接压力情况下,胀接长度越长,平均胀接残余接触压力就越小,这是因为胀接段的两端有峰值,而所比较的胀接残余接触压力为整个胀接长度上的平均值;胀接长度越小则受两端的峰值影响就越大,反之就小。对于胀接的中间段来说,相同胀接参数下,胀接残余压力变化很小。因此,为了提高拉脱力和胀接质量,建议尽可能采用全管板厚度胀接。 3.3管子和管板的屈服强度比与接触压力关系 管子与管板屈服强度之比对胀接压力的选取和接触压力的大小有重要影响,在胀接过程中管子先屈服,管板后屈服的情况较多,因为胀接完成时管板依然保持较好的弹性是胀接效果的关键。如果管子材料的屈服强度小于管板材料的屈服强度,需要的胀接压力较小而且胀接密封效果更能保证。如果管子材料的屈服强度大于管板材料的屈服强度,需要的胀接压力则需要加大,而且密封效果可能不佳。因此,对于管子材料的屈服强度大于管板材料的屈服强度的情况需要加以分析,从而保证能提供适当的胀接压力。 根据不同的屈服强度比,计算得管子和管板的屈服强度比与接触压力关系见图6。理论上管子与管板的屈服强度比增大,管子的屈服会更难,而管板的屈服变得相对容易,这样管板回弹能力比管子弱,残余接触压力会减小。 3.4管子与管板孔间的间隙对胀接的影响 管板间隙是按照GB 151—1999《管壳式热交换器规范》选取的。一般都能保证在胀接间隙消失时管子已经全部屈服。胀接时管子首先发生屈服变形至管板孔内壁,继续加压,管板变形至一定量后卸去内压,管板回弹,紧紧地卡住管子,胀接完成。因此间隙太小,管子没有完全屈服;间隙太大,管子可能破环,导致密封性能不佳,并且需要更大的胀接压力,导致胀接性能不易掌控。所以间隙的控制是胀接工艺的一个关键点。分别用有限元分析和幂硬化模型进行计算,得到间隙与胀接压力之间的关系见图7。 图7将幂强化模型计算结果和有限分析模型的结果相比较,2条曲线对应的残余接触压力都是5.25 MPa,结果显示间隙越大,需要的胀接压力越大,但不是无限增大,还要受到其他因素的限制。在相同的残余接触压力的前提下,幂强化模型和有限元模型均体现了胀接压力随间隙的增大而必然增大的规律。当间隙增大到一定程度后,胀接压力增加的程度减缓,而且在胀接压力值达到最大后回落。 间隙对胀接压力及胀接残余应力的影响较为复杂,一般来说,管子、管板材料的塑性较好,材料的拉伸应力应变曲线从屈服点到开始强化有一个波动区域。当实际间隙为设计间隙时,管子的形变分析过程可以采用理想弹塑性假设,如果有超差情况则需要考虑材料强化的影响。 3.5管子管板接触面的摩擦因数 一般认为,粗糙的管板孔,其胀接接头强度高;管板孔光滑,则接头密封性能好。但也有文献认为,管板孔过于粗糙时,由于管子产生轴向伸长使孔壁粗糙面凸起部分剪断,接头强度反而降低。GB 151—1999标准指出,“光滑的管孔能在壁厚减薄较小的情况下提供紧密的耐压连接”,“薄的管子比厚管子需要较高的管孔粗糙度要求”。因此,虽然JB 1147—1980中规定“管孔粗糙度不低于Ra3.2μm即可”,但对于希望胀接率不要太高的铜、钛、不锈钢管子(其延性低,易产生加工硬化或有抗腐蚀要求),其管孔粗糙度不低于Ra1.6μm为好。 通过前人的研究发现,管板孔内表面与管子外表面的接触摩擦因数通常在0.2~0.6。采用数值模拟方法考察表面摩擦因数对胀接残余接触压力的影响进行研究,采用ANSYS轴对称模型,分别取表面接触摩擦因数为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6进行模拟计算。计算结果发现,管板孔和管子间的表面接触摩擦因数对于胀接残余接触压力在数值上的影响非常小。考虑到表面接触摩擦因数对拉脱力的影响很大(在相同的接触压力下,表面接触摩擦因数越大,计算得到的拉脱力就越大),在工程计算中常偏于保守,通常建议选取管子-管板孔间表面接触摩擦因数为下限值0.2[5]。 4 结 语 笔者利用ANSYS数值模拟软件,详细分析了胀接压力、胀接长度、屈服比、间隙大小、摩擦因数等五个因素对换热器管子-管板液压胀接的影响。 (1)在一定的范围残余接触压力和胀接压力成正比,即胀接压力越大则残余解除压力越大。 (2)胀接长度对胀接压力的影响有限,胀接长度受管板厚度限制,对于确定厚度的管板其最大胀接长度确定不变,所以在整个分析过程中可以视为常数。 (3)管子管板屈服强度比越高,胀接时卸载阶段管板回弹能力比管子回弹能力更弱,残余接触压力越低。 (4)在能够完成胀接的前提下,间隙越大所需的胀接压力越大,但当间隙增大到一定程度,胀接压力增加的程度减缓,而且在压力值达到最大后要有回落。 (5)管板孔和管子间的表面接触摩擦因数对于胀接残余接触压力的影响非常小,管子-管板孔表面接触摩擦因数通常处于保守考虑,取下限值0.2,这一点符合工程计算的要求。 参考文献: [1]石庭瑞,颜惠庚.换热器的液压胀接技术及其应用要点[J].石油机械,2001,29(2):28-31. [2]周林云,马青年.液压胀管的原理与应用[J].压力容器,2002,19(5):50-52. [3] KOHLPAINTNER W R.Calculation of Hydraulically Ex-panded Tube-to-Tubesheet Joints[J].ASME Journal of Pres-sure Vessel Technology,1995,117(1):24-30. [4]颜惠庚,张炳生,葛乐通,等.换热器的液压胀管研究(一)———胀接压力的确定[J].压力容器,1996,13(2):36-40. [5]颜惠庚,张炳生,葛乐通,等.换热器的液压胀管研究(二)———残余接触压力与摩擦系数[J].压力容器,1996,13(4):309-313. |
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