蒸汽发生器管子管板液压胀保压时间数值模拟.pdf

蒸汽发生器管子管板液压胀保压时问数值模拟 邹小清 上海交通大学 ， 上海2 0 0 2 4 0 摘要 第三代 A P 1 0 0 0核岛主设备蒸汽发生器管子直径更小、 管板厚度更厚、 管子排列更密集、 管 子管板全长度液压胀管难度更大。采用 A N S Y S软件模拟蒸汽发生器管子与管板液压胀管的方法， 着重用瞬态分析方法研究胀管压力和保压时间对接触压应力 的影响， 从而确定使接触压应力最大 的平衡 点。 关键词 管子管板 ； 液压胀管； 瞬态分析； A N S Y S 中图分类号 T K 2 2 3 ． 1 ； T B 1 1 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 0 0 9 0 0 2 6～ 0 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 1 0 ． 0 9 ． 0 0 6 Nume r i c a l Si mul a t i o n o f Pr e s s ur e M a i nt a i n o f Hy dr a ul i c a l l y Ex p a n de d Tu b e t o t u b e s h e e t J o i n t s i n S t e a m Ge n e r a t o r ZOU Xi a o qi n g S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r c i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a Abs t r a c t Fo r t h e 3 r d g e ne r a t i o n AP1 0 0 0 n u c l e a r p o we r p l a n t s t e a m g e n e r a t o r ， t u b e d i a me t e r i s s ma l l e r ， t u b e s h e e t i s t h i c k e r，t u b e s a r e a r r a n g e d mo r e s e r r i e d ． I t i s mo r e d i f f i c u l t t o h y d r a u l i c a l l y e x p a n d t u b e t o t u b e s h e e t ． T h e m e t h o d o f t h e h y d r a u l i c a l l y e x p a n d e d t u b et ot u b e s h e e t j o i n t s i n s t e a m g e n e r a t o r wa s s t u d i e d b y ANS YS， a n d t he e x p a n s i o n p r e s s u r e a n d p r e s s u r e ma i n t a i n e f f e c t o n c o nt a c t s t r e s s we r e a n a l y z e d b y t r a n s i e n t a n a l y s i s me t h o d ． T h e a p p r o p r i a t e p a r a me t e r s w h i c h r e l a t e d t o t h e ma x c o n t a c t s t r e s s v a l u e s we r e f o u n d． Ke y wo r d s t u b et ot u b e s h e e t j o i n t ； h y d r a u l i c e x p a n d t u b e s ； t r a n s i e n t a n a l y s i s ； ANS YS 0引言 液压胀管方法作为固定管子与管板的新型方 法， 已被_人们熟悉和认识 ， 并广泛应用在火电高压 加热器 、 化工换热器 的制造 中。在核电设备制造 领域也已逐步采用高压全长度液压胀管方法取代 传统的机械滚压胀接方法进行蒸汽发生器管子与 管板 固定。 胀管原理 在胀管 区域首先是管子承受压力 2 6 后产生弹性变形 ， 直到屈服 ， 这时管子与管板孔之 间的间隙越来越小 ， 当管子管板相贴合后 ， 管板也 承受弹性变形， 在有些情况下， 管板也部分产生塑 性变形。当胀管压力释放后 ， 回复变形开始 ， 由于 管板的弹性回复大于管子 ， 使管子与管板间产生 附着压力 ， 从而使管子被 固定在管板孑 L 中。 蒸汽发生器是核电站一回路的关键设备。第 三代核电技术 A P 1 0 0 0百万千瓦核 电蒸汽发生器 的管板的管孔采用三角形排列方式 。管板材料 S A 5 0 8一G r ． 3 C 1 ． 2锻件 ， 管子材料 S B 1 6 3 N i C r 第2 7卷第 9期 压 力 容 器 总第2 1 4期 一 F e A l l o y 6 9 0 ， 管 孔 直 径 1 7 ． 7 5 m m， 节 距 2 4 ． 8 9 m m， 管子尺寸 0 1 7 ． 4 8 m m1 ． 0 2 m m。在 管子管板材料和尺寸确定的情况下 ， 文 中对不 同 胀接压力下保压时间对接触压应力 简称接触压 力 的影响做数值模拟分析。 1 有限元分析方法 1 ． 1 建立模型 常用于分析胀 管过程的模型有单孔模 型、 7 孔模型和 1 9孑 L 模型 3种 。单孔模型是将胀接接 头简化为两同心厚壁 圆筒， 用外层 圆筒即等效套 筒来代替管板 ， 胀接时胀接压力均匀地作用于 内 层圆筒即管子内壁上 ， 且该公式仅适用 于三角形 分布的情况。 等效套筒的直径按下列公式计算 Ds ／P 1 2． 5 5 0 0 9r ／ 1 6 ． 21 81 8 r ／ 1 0． 8 8 2 8 8 r ／ 。一2 ．43 3 8 8r ／ 1 ． 9 4 68 3 6 r ／0． 9 8 0 3 4 式中卵 管桥系数 ， 取值 0 ． 1 1 ～ 0 ． 6 5 P 热换管中心距 根据等效套筒的直径计算 出的单孔模 型和 7 孔模型见图 1 ， 2 。 图 1 单孔模型示意 l 7 ． 48 15． 44 1 ． 2建立接 触对 网格划分完成后 ， 需要进一步完成接触对 的 设置 ， 从而进行求解 。一个接触对分接触单元和 目标单元。作为目标单元的对象， 可以是面、 体、 节点 3种类型 ， 文中选择管板 内表面作为 目标面。 目标的类型， 可 以是刚性也可以是柔性的， 由于管 板会发生弹性变形 ， 目标类型选为柔性。接触单 元可以是面、 体、 节点 3 种类型， 文中选择管子外 表面作为接触面。接触类型有点点接触 、 点面接 触 、 面面接触 3种类型， 文 中选择面面接触。 图2 7孔模型示意 1 ． 3 保压时间的数值模拟分析 在 A N S Y S分析过程中， 为确定塑性变形的保 压时间， 采用瞬态分析法。在所有静态和瞬态分 析中， A N S Y S使用时间作为跟踪参 数 ， 而不论分 析是否依赖于时间。其好处是 在所有情况下可 以使用一个不变的“ 计数器” 或“ 跟踪器” ， 不需要 依赖于分析的术语。 在瞬态分析 中时 间用秒 、 分钟或小 时表示 。 在指定载荷历程 曲线 的同时 使用 T I ME命令 ， 在每个载荷步结束点赋时间值。缺省情况下， 程 序 自动地对 t i m e赋值 ， 在载荷步 1结束时， 赋 t i m e 1 ； 在载荷步 2结束 时， 赋 t i m e2 ； 依 次类推。 载荷步中的任何子步将被赋给合适 的、 用线性插 值得到的时间值。通过赋给自定义的时间值， 就 可建立 自己的跟踪参数。例如 ， 若要将 1 0 0 ．个单 位的载荷增加到一载荷步上 ， 可 以在该载荷步的 结束时将时间指定为 1 0 0 ， 以使载荷和时间值完 全同步。在后处理器中， 如果得到一个变形一时 间关系图， 其含义与变形一载荷关系相同。例如， 在大变形屈曲分析中， 其任务是跟踪结构载荷增 加时结构 的变形。 文中通过 R a m p加载方法 ， 以及加载时间的 设置来模拟胀管的保压时间。比如需要 5 s的保 压时间， 则需要按图 3的方 式进行加载。如图 3 所示 ， 第一个载荷步加载时间取一个非常小的值 ， 比如 1 E一 0 6 ， 加载至 5 MP a ， 第二个载荷步的加 载时间为 0 ． 0 1 s ， 加载至 2 5 0 MP a 。经过 5 s 的保 压后 ， 加载时间变为 5 ． 0 1 s ， 此时载荷不变仍然 为 2 5 0 M P a ， 然后经过很小 一段时间 ， 比如 0 ． 0 1～ 5 ． 0 2 s 载荷 为 0， 卸载完成。总共使用 4个载荷 ． 2 7 C P V T 蒸汽发生器管子管板液压胀保压时间数值模拟 V o 1 2 7 ． N o 9 2 0 1 0 步完成“ 加载一保压一卸载” 的过程。 日 皇 、 啦 警 0 ． 01 5 ． 01 时 间／ s 图 3 加 载曲线 设置时主要完成分析类 型的选择 大变形分 析 ； 时间步长必须足够大 ， 以描述适 当的接触 ， 但如果时间步长太大 ， 则接触力 的光滑传递会被 破坏， 最好的方法是打开时间载荷步的 自动分配 开还是关 ； 对面面接触问题不能使用 自动下降 因子， 它对求解问题不会提供任何帮助 ； 设置合理 的平衡迭代次数 ， 通 常在 2 5～5 0 ； 打开时间步长 预测器选项 ， 以利于收敛 ， 但会使求解时间变长 ； 设置结果输出选项 是只输出最后一个子步的计 算结果 ， 还是全程输出 。 1 ． 4 施加边界条件和载荷 在远离胀接处 的一次侧 、 二次侧管端施加 z 方向的位移约束 ， 在管板外表面施加 ， y ， z三个 方向位移约束 ， 从而限制管板外表面的位移。在 胀管的分析过程中， 要施加的唯一载荷是胀管压力。 胀管加载过程 在管内壁面施加最大胀接压 力， 在非线性分析中， 载荷从初始值采用 R A M P 方法以一定的增量增加到最大胀接压力值 ， 采用 自动时间一载荷步 的方法。胀管卸载过程 在前 一 步计算的基础上 ， 在原管子 内表面承受压力的 位置施加第二步载荷通过多个子载荷步将施 加的压力从最大胀接压力减小到零 。 施加载荷与边界条件 在施加载荷时 ， 要考虑 胀接工具的位置 ， 文 中胀管长度 7 7 9 m m， 始胀位 置 1 5 m m， 未胀位置 0～ 6 ． 3 5 mm。 2 验证试验 现以单孔模型施加 2 5 0 M P a内压 ， 保压时间 7 S 为例做模拟分析。图 4示出卸载完成后单孔 模型的应力云图， 标尺栏 中从左到右残余应力逐 28 渐变大， 在管子的加载 区域和未加载区域 的连接 处即胀接接头处残余应力最大 ， 这与实 际情况是 相符的， 查看标尺栏可以看到残余应力 3 5 8 M P a 。 图5示 出卸载完成后模型的残余接触压力云图， 图形显示卸载后 的残余接触压力较为均匀， 查看 标尺栏 可以看 到， 残余接触压力 1 1 ． 8 M P a ， 图 6 示出卸载完成后模型 方向的位移云图， 即管子 在胀接完成后 内壁所发生的位移， 可以看出， 在模 型的胀接处管子 的位移最大 ， 在胀管 的中间位置 管子的整体内壁位移值为0 ． 7 1 4 m m。 N O n A L L U T IO N 一 N s Y S s 1t H S UI D T Ⅲ 旺 7 D2 s E 0V A VG DMX．I 52 S M N4 0 l S M X46 I E - o9 3t 2 E 僻 l 5 4E- 啷 3o 7 E∞l删 9 E- 4 0 5 0 l 10 2 E l蜊 豳 I ■ 科 3 s ∞ _舶lE 图4 卸载后单孔模型应力云图 N 0 D A LL U T IO N NS YS S TEP4 S UB 3 0 l TI ME7 0 2 CONTPRESAVC HSYS O l 】 MX00 8l 52 S MN一 4l 7E 09 S MXl 9j E0 9 2 8 2 E 0 9 5 E ∞ 一l I S E l 2 3 E 0 9 41 7E f D 1 1 0 - ．2 1 5 E I 一7 憾j5 8 B鹋 J 蜘E 图5 残余接触压力云图 N ￡ ． 0DAL SO1 L i Tl 0N 5 【 J E 郴S 4 EUj STEP 4 SB 30 UX A V ， RS YS O DMX 豫 l 52 SMN一22 5E一 03 SMX98 3E_n 3 9I 2 Ef l 4 I 7 7I 一2 2 5 E H 4 5 o E - f N 黼 图 6 模型 方向的位移云图 第2 7卷第9期 压 力 容 器 第 2 1 4期 为节省成本 ， 使用单管模型做 3例实体验证 试验， 胀管参数设置与模拟试验一致 ， 内外径尺寸 公差 0 ． 0 4 m m， 保压 7 S ， 材料表面粗糙度 1 ． 6 m， 压力卸载后做拔脱力 、 尺寸和解剖等检查 ， 试 验数据见表 1 。 表 1 实体验证试验数据 实际加压／ M P a 拔脱力／ N 管子位移／ m m 表面质量 2 5 0 ． 3 5 3 5 1 2 0 ． 7 4 6 良好 2 5 0 ． 2 5 3 5 1 0 0 ． 7 4 3 良好 2 5 0 ． 1 5 3 5 l 1 0 ． 7 4 3 良好 根据拔脱力计算公式计算残余接触压力 P皖 r n L P 匪f 式中 管子外径 ， 1 7 ． 4 8 m m 胀管长度 ， 7 7 9 m m P 管子与管板之间的接触压力 ．卜 管子外壁与管板 内表面之间 的静摩 擦系数 ， 根据 J B ／ T 7 7 0 8 _ _ 9 5以及管 子与管板的材料 厂 取 0 ． 1 计算 出接触压力均值 P 1 2 ． 5 1 MP a ， 与有 限元分析结果有一定区别 ， 误差为 5 ． 6 ％， 主要是 因为管孔粗糙度的影响， 粗糙度越大拉脱力越大， 管子位移的误差为 4 ％左右 ， 管子 内表面未受损 伤， 试样解剖情况见图 7 。 3 模拟试验 图 7 试样解剖图 为更接近实 际管孔排布情况， 模拟试验采用 三角形分布时最常用的 7孑 L 模 型， 2个实体采用 1 0节点 S O L I D 9 2单元完成 网格划分 ， 管子外表 面和管板孔内表面的接触采用 C O N T A C T 1 7 4与 T A R G E T 1 7 0单元构成 的接触对来模拟 3 J ， 由于 其是轴对称结构 ， 在分析单孔胀管的应力变化时， 取其 1 ／ 4来进行 ， 加载模型如图 8所示。 图 8 单孑 L 胀 管的 7孔模型 根据技术要求 ， 胀接压力不小于 2 5 0 MP a ， 保 压时间不大于 7 S ， 考核拔脱力须大于 8 2 4 0 N 对应于接触压力约为 2 MP a ， 根据工厂经验 ， 文 中选取在管子管板材料 和尺 寸已经 确定 的情况 下 ， 考虑胀接压力 P， 保压时间 r，两因素四水平试 验对结果的影响， 由于产品实际胀接一万多根管 子 ， 拔脱力考核往往参差不齐 ， 所以试验要找出满 足技术要求情况下使拔脱力最大的平衡点， 参数 如表 2所示。A N S Y S分析结果见表 3 。 表 2 影响参数 水平 P ／ MP a T ／ s 1 2 5 0 4 2 2 6 0 5 3 2 7 0 6 4 ， 2 8 0 7 表 3 分析结果 序号 P ， MP a T ／ s P ／ MP a P ， M P a L ， m m 1 2 50 4 5． 7 9 23 0 0． 31 6 4 2 2 50 5 5． 9 4 23 3 0． 31 6 8 3 2 50 6 6． 0 5 231 O． 31 6 4 4 2 5 0 7 6．1 2 23 4 O． 31 6 5 2 6 0 4 5． 8 5 23 7 0． 31 71 6 2 6 0 5 6． 1 0 2 38 0． 31 7 3 7 2 6 0 6 6． 2 9 2 38 0． 31 73 8 2 6 0 7 6． 31 2 35 0． 3l 7 4 9 2 7 0 4 5． 8 9 2 4 5 0． 31 56 1 0 2 7 0 5 6． 3 4 2 4 3 0． 31 65 l 1 2 7 0 6 6 ． 5 2 4 7 0 ． 3 1 7 1 2 27 0 7 6． 47 2 4 5 0． 31 38 1 3 28 0 4 5． 91 25 4 0． 3 21 7 1 4 28 0 5 6． 1 3 25 3 0． 3 2 2 9 1 5 28 0 6 6． 1 5 25 4 0． 32 4 7 1 6 2 8 0 7 6 ． 1 7 2 5 5 0 ． 3 2 4 3 注 为接触压力 ， 为残余应力 ， 三为胀后 管子径 向位移。 2 9 C P V T 硫化罐卡箍的质量优化设计 V o 1 2 7 ． N o 9 2 0 1 O 根据分析所得到的数据绘制了 7管模型在不 同的胀管压力下接触压力与保压时间的关系曲线 见图 9～l 2， 保压时间 6 S 情况下不同胀管压力对 接触压力的影响见图 1 3 。 日 藿 趟 6 ． 2 6 ． 0 5 4 5 6 7 时间， s 图9 胀接压力 2 5 0 MP a 时接触压力和保压时间的关系 6． 4 日 誉 6． 1 藿 5． 8 6 7 时间／ s 图 l 0 胀接压力 2 6 0 MP a 时接触压力和保压时间的关系 目 6 6 塞 6． 2 巡 5_ 8 4 5 6 7 时间， s 图1 1 胀接压力2 7 0 MP a 时接触压力和保压时间的关系 母 羔 趟 巡 6 ． 2 0 6． O 5 5． 9 0 4 5 6 7 时 间／ s 图 1 2 胀接压力 2 8 0 MP a时接触压力和保压时间的关系 可以看出， 在保压时问 由4 S 增加到 5 S 或 6 s 的过程 中， 残余 接触压力增大较为明显 ， 从 5 S 或 6 S 到 7 S 之间存在一个残余接触压力平衡点 ， 通过该平衡点后残余接触压力基本保持不变甚至 出现下降。模拟结果中接触压力均能大于 2 MP a 3 O 6 ． 6 邕 6 ． 3 6 ． 0 胀管压力／ MP a 图1 3 保压 6 S 时胀管压力对接触压力的影响 要求， 为尽量提高残余接触压力值， 胀管压力加载 到 2 7 0 M P a 左右较为合适 ， 继续提高胀管压力非 但不能使接触压力增大 ， 相反可能会使接触压力 减小。 4 结论 I 采用 A N S Y S瞬态分析 法可以较详 细地 研究保压时间对管子管板胀接应力的影响； 2 在加载过程 中， 保压时间选取 5 s和 6 S 较为合适 ， 4 S的保压时间较短不能使残余接触压 力充分增加 ， 7 S 保压时间太长 ， 残余接触压力增 加效果不明显甚至会使残余接触压力下降； 3 保压 6 S 情况下 ， 在胀管压力为 2 7 0 M P a 左右 ， 残余接触压力值会倾 向于平衡 ， 此时残余接 触压力值最大。 参考文献 王海峰， 桑芝富， 石庭瑞． 液压胀管数值模拟[ J ] ． 石 油化工设备， 2 0 0 1 ， 3 0 3 1 O一1 3 。 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[ J ] ． 化工设备与管道， 2 0 0 7 ， 4 4 4 3 034． 于洪杰， 徐鸿， 钱才富． 管板孔开槽液压胀接接头性 能的三维有限元分析 一 管板孔 开槽 时液压 胀接接头处 的等效应力及残余接触压力 的分布 [ J ] ． 压力容器， 2 0 0 1 ， 1 8 3 3 9 44． 宋祥春， 王福春． I n c o n e l 6 9 0管子胀接工艺试验 [ J ] ． 压力容器 ， 2 0 0 6 ， 2 3 1 O 3 4 3 6 ． 收稿 日期 2 0 1 0 0 31 1 修稿 13 期 2 0 1 0 0 8 1 1 作者简介 邹小清 1 9 8 2一 ， 男， 主要从事核电主设备蒸 汽发生器的设计工作 ， 通信地址 2 0 1 1 0 0上海市闵行区沪 闵路 5 3 6 6弄 2 8号 5 0 2室， Ema i l z o u x q s h a n g h a i e l e c t r i c ．c o m 。 1 j] J 1 j 1 j ll