u型管式换热器
换热器设计
新闻动态
介质温度对换热器胀接接头的影响分析点击：1689 日期：[ 2014-04-26 22:06:01 ] |
| 介质温度对换热器胀接接头的影响分析 罗敏 于海 刘巨保 张明霞 宝音布和 (大庆石油学院) (大庆石油化工机械厂) 摘要：在换热器不同的工作介质温度下,选取液压胀接后的管板与接头为研究对象,建立了换热管与 管板接头三维有限元模型,模拟分析了在10种介质温度下接头胀接后的密封性能和拉脱强度。计算结 果表明,在工作状态下,残余接触压力随管程介质温度的升高先增加后减小,然后趋于稳定;拉脱力随温 度升高先增大,然后趋于稳定。同常温相比,管程的介质温度升高使它的密封性能和拉脱强度都得到增 强。 关键词：换热器 液压胀接接头 残余接触压力 中图分类号 TQ051·5 文献标识码 A 文章编号 0254-6094(2008)04-0228-04 管壳式换热器广泛应用于石油、化工和能源 等领域,换热器中管子与管板的连接接头是最容 易失效的部位。因此,研究管子与管板连接接头 的密封性能有广泛的工程应用价值和较高的理论 研究意义。液压胀接因有机械胀接无法比拟的优 点而得到广泛应用。研究有关液压胀接过程的数 值模拟的论文较多[1~3],但研究介质温度对胀接 接头影响的论文较少,且多数是关于管、壳程在相 同温度下的研究[4~6]。笔者利用ANSYS软件,采 用APDL参数化设计语言建立了液压胀接后换热 管与管板接头三维有限元模型,考虑了接头的材 料非线性、几何非线性和接触非线性的影响,在不 同温度的工作介质下对换热管与管板接头进行了 残余接触压力和拉脱力计算,计算结果为换热器 管板与换热管的液压胀接设计和施工提供了一定 的理论依据。 1 液压胀接接头有限元模型的建立 1.1 结构及计算参数 换热管(规格为Φ19mm×2.0mm)与管板的 间隙为0.2mm,换热管上开有两道沟槽,胀接长 度50mm。管板模型的外径为75mm,内径为19.4 mm,长为98mm,胀接压力为200MPa。换热管与 管板的连接如图1所示。 换热管和管板的材料选取16Mn,壳程为低温 冷却介质,温度为25℃,压力为10.68MPa,对流 换热系数为0.008502W/(mm2·℃);管程为不 同温度下的换热介质,压力为0.063MPa,对流系 数为0.000322W/(mm2·℃)。 1.2 有限元模型 换热管的排列方式取正三角形排列,由于接 头结构的周期性对称,取1/12模型(图2)来研 究。该模型考虑了温度变化对材料性能(弹性模 量、线膨胀系数及导热率)的影响、带初始间隙的 接触以及弹塑性分析等非线性问题。采用了热单 元SOLID70、结构单元SOLID45以及接触对单元(CONTA173、TARG170)进行数值模拟。 边界条件:边界“A”采用对称边界条件;边 界“B”是换热管内表面,为压力边界条件;边界 “C”是未胀管板孔表面,是自由边界;边界“D” 表示换热管上表面和管板上下表面,为自由边 界;边界“E”是管板外侧圆柱表面,施加固定约 束。 1.3 计算步骤 在工作状态下,有必要先对接头液压胀接过 程进行有限元计算,再进行不同介质温度下的有 限元计算。计算过程分3步:第1步为胀接压力 加载阶段,胀接压力由0增加至200MPa;第2步 为胀接压力卸载阶段,将胀接压力卸载到0;第3 步为工作状态下接头力学分析,壳程介质温度为 25℃,管程施加不同介质温度。 2 工作状态下的有限元计算与分析 2.1 胀接接头温度场分析 管程介质温度分别取20、40、60、100、144、 200、250、300、350、400℃。其中,当管程介质温度 为300℃时胀接接头温度场分布如图3所示。 由图3可见,胀接接头温度分布是从管程高 温表面向壳程低温表面逐渐降低,过渡比较均匀。 液压胀接后接头存在一定的温差,温度变化范围 为145.744~265.307℃,前人把接头按无温差处 理[4],是不太合理的。在不同温度下的工作介质 中接头温度分布规律基本相同。 2.2 工作介质温度对密封性能的影响 分析了管程介质在8种温度作用下的胀接接 头性能,其中管程介质温度为20、100、200、300℃ 时胀接接头的最大残余接触压力分布如图4所 示,残余接触压力随管程介质温度变化的曲线如 图5所示,密封环上残余接触压力随温度变化的 曲线如图6所示。 由图4可见,最大残余接触压力的分布范围 随管程介质温度的升高而逐渐扩大,胀接后未产 生接触的部位在温度载荷的作用下也逐渐开始接 触,轴向接触长度由20℃时的34.6mm增加到 300℃时的44.1mm,增加了27.5%。由此可见, 温度升高,接触区域增大。 由图5可见,最大残余接触压力先随着温度 的升高迅速增大,100℃时达到最大值212.1MPa, 比20℃时增加了53.9%;之后随着温度的升高逐 渐减小,300℃时比20℃时增加了20.5%;超过 300℃时,随着温度的升高缓慢而增大并趋于稳 定。 由图6可见,胀接接头共形成5道密封环,当 介质温度低于300℃时,有4道密封环残余接触 压力较高,最大残余接触压力位于第2道密封环 上,即在第1道槽与第2道槽之间,开槽有利于提 高密封性能;当介质温度超过300℃时,5道密封 环的残余接触压力的数值差别不大,最大残余接 触压力位于第1道密封环上,开槽效果不明显。 2.3 胀接接头拉脱力分析 采用有限元计算介质在不同温度下的残余接 触压力之后,便可用下列公式计算拉脱力: 介质在不同温度下的胀接接头拉脱力计算结 果如图7所示。当温度小于100℃时,拉脱力随 温度升高而增大,100℃时的拉脱力最大,其值为 23.37kN;当温度大于100℃时,拉脱力虽有所变 化,但不太明显,基本处于稳定状态。 3 结论 3.1 随着工作介质温度的升高,接触区域逐渐 增大。胀接接头残余接触压力随着温度的升高先 增大后减小,最后趋于稳定。在100℃时胀接接 头残余接触压力达到最大值212.1MPa,比常温 增加了53.9%,温度升高后提高了接头的密封性 能,温度在100℃时密封性能最好。 3.2 当温度小于100℃时,拉脱力随温度升高而 增大,100℃时的拉脱力最大;当温度大于100℃ 时,拉脱力虽有所变化,但不太明显,基本处于稳 定状态。 3.3 同常温相比,随着工作介质温度的升高,拉 脱力增大,有利于提高胀接接头的拉脱强度。但 是当温度超过300℃时,随着温度的继续升高,在 接头拉脱强度增大的同时,接触环上的残余接触 压力较小,接头密封性能明显不如温度低于 300℃的环境,因此该类接头较适用于0~300℃ 的工作环境。 参考文献 1 段成红.管子与管板连接接头的强度和密封性能研 究:[博士论文].北京:北京化工大学,2007 2 王海峰,桑芝富.换热器液压胀接接头残余接触压力. 南京工业大学学报,2003,25(5):52~56 3 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,2006,2 (3):13~16 4 徐鸿.包括热载荷在内的胀接接头加载的弹塑性分 析.压力容器,1985,2(1):29~35 5 冯殿义,李玉庚.运行工况变化对换热器管子拉脱力的影响.化工装备技术,2000,21(5):27~29 6 AllamMA,BazerguiA,MarchandLeta.lTube-to- TubesheetJoints:MaximumTensileStressandContac PressureDuetoThermalLoadingandTemperatureCyc- ling.Proceedingsofthe2002InternationalJointPowe GenerationConference.ASME,2002.51~62 |
| 上一篇：主换热器热端温差过大原因分析与处理 | 下一篇：脱硫系统烟气换热器积垢的化学清洗方法 |