E3201换热器液压胀接接头的非线性有限元分析.pdf

E 3 2 0 1 换热器液压胀接接头的非线 性有限元分析 l 淼舡⋯。～⋯。。。4 ，， ●慧学院⋯～一。⋯⋯。。。㈣ ●淼一⋯⋯⋯6 。。4 。， 摘要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E 3 2 0 1 换热器液压胀接接头的三维非 线性有限元模型。求解该模型能够计算出接触应力、残余接触应力的分布情况，以及胀接压力变化对分布情况的影响趋势，为胀 接接头的结构设计和工艺参数优选提供了理论依据。 关键词换热器液压胀接接头非线性有限元 A b s t r a c tI nv i e wo ft h ef a c t o r ss u c ha st h es m i n h a r d e n i n gp r o p e r t vo ft u b ea n dt u b e s h e e tm a t e r i a l s ，t h ee Ⅱ宅c t so fa d j a c e n tt u b e s h e e t h o e so nt h ee x p a n d e dt u b e ，a3 一Dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eh Y d r a u l i c a l l ve x p a n d e di o i n ti se s t a b l i s h e d { o rE 一3 2 0 1h e a t e x c h a n g e r ．B vs o l v i n gt h i sm o d e l ，t h ec o n t a c ts t r e s s ，t h ed i s t “b u t i o no fr e s i d u a lc o n t a c ts t r e s sa n dt h ei n n u e n c eo fe x p a n s i o np r e s s u r e o nt h ed i s t r i b u t i o nc a nb ed e s c r i b e d ．I tp I D v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf b rt h es t m c t u r ed e s i f 即a n dt h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e ro fh y ． d r a u l i c a l l ve x p a n d e di o i n t s ． K e yw o r d sh e a te x c h a n g e r ．h v d r a u l i c a l l ve x p a n d e di o i n t s ；n o n l i n e a r ；6 n i t ee l e m e n t 寻I 言 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[ 2 l 而得到广泛应用，国内外学 者也针对液压胀管技术从实验【3 】、解析法分析㈤、有 限元分析M 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，周围管板孑L 的变形影响等。为此，本 文应用大型有限元分析软件A N S Y S ，以E 3 2 0 1 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。 液压胀按接头的非线性 有限元模型 E 3 2 0 l 换热器是大庆石化公司某装置中的脱气 塔顶水冷器，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 万方数据 础芜与撩封 结构的强度焊和强度胀，如图1 。根据胀接接头结构 | | ，j 。 j ⋯■。。_ 了⋯一 、、一／j 、√，| 图1 换热器液压胀接接头结构示图 的对称性和胀接工艺过程，选取3 0 ℃的换热管和周 围管板半孑L 为研究对象，建立图2 的非线性有限元 模型。该模型由8 节点三维实体单元S O L I D 4 5 、接触 图2 液压胀矮接头非线性有限兀模型 单元C O N T A l 7 3 和T A R G l 7 0 单元组成。换热管材 质为1 6 M n 冷拔管．最大抗拉强度为6 7 0 M P a 、屈服 应力为3 2 0 M P a 管板材质为1 6 M n Ⅲ，最大抗拉强 度为6 0 0 M P a 、屈服应力为2 7 5 M P a 。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 M i s e s 屈服准则，其应力一应变曲线见图3 。 5 0 0 4 S 0 } 4 0 0 3 5 0，7 ’“ 芒3 0 0 『厂 墨2 5 0I ≤2 0 l f M P a 。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第一阶段为 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，使用完全的N e w t o n R a p h s o n 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 考虑了周围管板孑L 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孑L 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问获得足够 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。图4 给 出了胀接压力为2 1 0 M P a 时加载后的接触应力分 布。图5 给出了胀接压力为2 1 0 M P a 时卸载后的残 余接触应力分布，图6 给出了胀接压力为2 1 0 M P a 时完全卸压后残余接触应力在中截面上沿轴向的分 L ⋯⋯一⋯一。，一⋯⋯⋯一一⋯⋯一1 一。⋯j [ 5 ．7 6 1 1 ．5 2 7 、2 82 3 ．0 4 2 8 ．8 3 4 ．5 64 【1 啦变E 一3 图3 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1 1 0 ～2 1 0图4 加载后换热管与管板接触应力分布图 万方数据 布曲线。图7 给出了胀接压力为2 1 0 M P a 时完全卸 压后残余接触应力沿圆周方向的分布曲线，表l 给 出了不同胀接压力时的接触应力和残余接触应力 值。 从图4 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最大、达到 2 7 6 M P a ，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。 从图5 可见，当胀接压力完全卸载后，换热管与 管板的残余接触应力与加载后的接触应力分布完全 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，最大残余接触应力为8 7 M P a ，占接触应 力的3 1 ．5 2 ％。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。 图5 卸载后换热管与管板残余接触应力分布图 从图6 曲线可以清晰看到．换热管与管板卸载 后残余接触应力沿轴向分布是不均匀的，形成了3 个比较高的残余接触应力区，位于开槽附近和管板 8 6 ．4 5 7 7 ．7 6 6 9 ．1 2 置6 0 ．4 8 鬻 姜5 I 8 4 墓4 3 2 0 羹3 4 ．5 6 号| } 2 5 ．9 2 1 7 ．2 9 8 ．6 4 0 ．0 0 轴向位置，n 1 “ 图6 残余接触应力沿轴向位置变化曲线 鲋苑与捺讨 端部附近．其大小依次为8 6 ．5 M P a ，6 2 ．6 M P a 和 4 7 ．5 M P a ．最大残余应力区是由于槽边缘和管板端 部效应所致。 从图7 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 。～ 3 0 0 时，残余接触应力由大到小变化，但从数值上看 差别不大，最大值与最小值相差1 ．4 8 M P a 、占最大残 余接触应力的1 ．7 ％。这主要是由于周围管板开孑L 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孑L 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。 哪崩方向，f 。l 图7 残余接触应力沿圆周方向变化曲线 综合考虑图5 ～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2 m m 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 艺不能完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，M P a1 1 01 3 01 5 01 7 01 9 02 1 0 接触应力，M P a4 6 8 11 3 71 8 52 3 22 7 6 残余接触应力，M P aO2 04 67 28 18 7 残余接触应力与 接触应力的比率， 0 ．0 02 4 ．6 93 3 ．5 83 8 ．9 23 4 ．9 13 1 ．5 2 ％ g ∞ 2 配 钾 始 “ 吆 盯 记 “ 盯黼 黼 黼 撕 黼 酾 蛐 盼 盱 姆 万方数据 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1 1 0 M P a 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1 3 0 M P a 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1 7 0 M P a 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1 7 0 M P a 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最 大达3 8 ．9 2 ％，是E 3 2 0 1 换热器的最佳胀接压力。 结论和认识 1 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； 2 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； 3 换热管与管板的残余接触应力受周围管板 开孑L 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 4 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1 7 0 M P a 后，胀接 压力对提高残余接触应力的能力明显下降，E 3 2 0 1 换热器胀接压力的最佳值为1 7 0 M P a 5 本文分析计算结果已在E 3 2 0 1 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。 参考文献 [ 1 】吴金星，董其伍，刘敏珊，等．管壳式换热器失效分析、预防 及在线检测【J ] ．压力容器，2 0 0 l ，1 8 6 5 7 6 0 ． [ 2 ] 王守革，李国继，王晓强．液压胀管技术的应用【J ] ．压力容 器．2 0 0 3 ，2 0 2 2 4 2 7 ． [ 3 ] 施建平．换热器制造中满足胀管率的机械胀接试验研究 【J ] ．压力容器，2 0 0 l ，1 8 3 7 1 2 ． 【4 】A ．C h a a b a n ，H ．M a ，A ．B a z e r g u i ．Ap m p o s e de q u a t i o nf o rt h e e q u i v a l e n ts l e e v ed i a m e t e ru s e di nt h es i n g l e t u b em o d e 【J 】 ． J o u m a lo fP r e s s u r eV e s s e lT e c h n o l o 盯o fA S M E ．1 9 9 2 ，1 1 4 2 1 9 2 2 ． [ 5 ] 郝俊文，李培宁，胡振伦．换热器管板均匀胀接时适宜开槽 宽度的研究【J ] ．压力容器，2 0 0 1 ，1 8 4 2 2 2 6 ． 『6 1 王海峰，桑芝富．换热器管子与管板液压胀接连接的管槽 尺寸[ J ] ．压力容器，2 0 0 3 ，1 8 1 2 2 3 2 6 ． 【7 ]K o h l p a i n t n e rWR ．C a l c u l a t i o no fh yd r a u l i c a l l ye x p a n d e d t u b e t o t u b e s h e e tj o i n t s 【J ]．J o u m a lo fP r e s s u r eV e s s e l T e c h n o l o g yo fA s M E ，1 9 9 5 ，1 1 7 2 2 4 3 0 ． 一本文编辑方赢荣收稿日期2 ∞6 _ 0 2 1 9一 简讯 2 0 0 6 年油区治安专项行动电视电话会议在京召开 2 0 0 6 年整治油气田及输油气管道生产治安秩 序专项行动电视电话会议3 月3 0 日在京召开。全 国油气田及输油气管道安全保护工作部际联席会 议的有关领导和代表出席会议。会议表彰了在 2 0 0 4 ～2 0 0 5 年专项行动中涌现出来的先进集体和 先进个人，对今年3 月下旬至1 1 月在北京等2 3 个 省、自治区、直辖市组织开展专项行动进行全面动 员部署。中国石油天然气集团公司副总经理苏树林 出席会议。会议要求，各部门和石油企业一定要加 大工作力度。要把专项行动与打黑除恶专项斗争紧 密结合起来，坚决打掉涉油犯罪的“保护伞”。 张箫铃摘自新浪网 万方数据