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双管板换热器内管板液压胀接压力的探讨 汤伟 ， 尹侠 南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京2 1 0 0 0 9 摘要 由于双管板换热器结构 的特殊性， 内管板的胀接是一个难点， 胀接压力的大小直接关系到双 管板换热器的可靠性， 因此选取合适的胀接压力是关键 。运用 A N S Y S软件对双管板换热器的内管 板进行液压胀接模拟， 并采用优化设计方法， 对胀接压力进行了优化， 获得了最佳 的液压胀接压力， 并通过试验验证 了模拟的合理性， 为双管板换热器 内管板胀接工艺提供参考。 关键词 双管板换热器； 内管板； 液压胀接 ； A N S Y S ； 优化设计 中图分 类号 T Q 0 5 1 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 1 0 2 0 0 2 2 0 6 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 1 ． 0 2 ． 0 0 5 Di s c u s s i o n o f Hy dr a u l i c a l l y Ex p a n di ng Pr e s s u r e o n Tu b e t o I n ne r Tu be s h e e t o f Do u b l e Tu be s h e e t He a t Ex c ha n g e r TANG W e i ， YI N Xi a M e c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e ri n g C o l l e g e o f N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e p r o p e r e x p a n d i n g p r e s s u r e o n t u b e t o i nn e r t u b e s h e e t o f t h e d o u b l e t u b e s h e e t h e a t e x c h a n g - e r i s t h e ma i n f a c t o r whi c h di r e c t l y a f f e c t s t h e r e l i a b i l i t y o f t h e he a t e x c h a n g e r ．T hi s h y d r a u l i c e x p a n s i o n s i mu l a t i o n wa s c a r r i e d o u t b y t h e FEA s o f t wa r e ANS YS i n t h i s pa p e r ． Th e b e s t e x p a n s i o n p r e s s u r e wa s o b t a i n e d b y t h e o p t i mi z a t i o n d e s i g n me t h o d． Mo r e o v e r ，t h e r a t i o n a l i t y o f t he s i mu l a t i o n wa s v e rifie d b y e x - p e r i me n t s ．Th e n s o me s u g g e s t i o n s a b o u t t h e e x p a n d i n g t e c hn o l o gy o f t h e d o u b l e t ub e s h e e t h e a t e x c h a n g e r a r e p r o v i d e d ． Ke y wo r d s d o u b l e t u b e s h e e t e x c h a n g e r ； i n n e r t u b e s h e e t ； h y d r a u l i c e x p a n s i o n； ANS Y S； o p t i mi z a t i o n d e s i gn 0 引言 双管板换热器是一种应用于管程和壳程 、 介 质混合或少量泄漏会产生严重后果场合 的换热设 备。在双管板换热器 中，换热管与两管板相连 ， 其连接可靠性直 接影响设备 的寿命⋯ 。 目前换 热管与管板的连接主要有胀接 、 焊接和胀焊并用 2 2 等方法 ，而胀接方法则可以分为机械胀接 、 液压 胀接、 橡胶胀接和爆炸胀接等 - 5 。液压胀接由 于其突出的优势 ， 被广泛应用于双管板胀接工艺。 一 般情况下， 双管板换热器的外管板与换热管采 用强度焊加贴胀 ； 内管板 由于换热管伸 出内管板 较长， 采用焊接会在实际操作 中产生很大的困难 ， 且容易对周 围换热管造成影响 ， 故管板与换热管 连接采用开槽强度液压胀接。由于采用了焊接技 第 2 8卷第 2期 压 力 容 器 总第 2 1 9期 术 ， 外管板胀接接头 的密封性及强度要求都能够 达到。因此 ， 内管板胀接质量的好 坏成 为影响双 管板换热器可靠性 的一个至关重要的因素。如果 胀接压力过大 ， 就可能在胀接时发生管板 的塑性 区与周围已胀好接头的残余应力 的干涉 ， 引起周 围接头的残余接触应力的降低 ， 严重时会在试压 时或工作时发生泄漏 ， 并且 在进行补胀 时， 将 泄漏 区扩散到相邻 的接 头， 即过胀 ； 如果胀接过 小 ， 又会导致欠胀 ， 达不到密封效果 ， 装配后引起 泄漏问题 。因此 ， 合适 的内管板液压胀接压力成 为制造双管板换热器的难点。 文中通过对双管板换热器的换热管与 内管板 连接部位建立有限元 液压胀接模型 ， 对其结构和 强度进行分析 ， 对胀接压力进行优化 ， 并通过试验 进行验证 ， 以确定最佳胀接压力 。 1 双管板换热器 双管板换热器是在常规换热器的管板侧再添 加一块管板 ，起到一道密封防线 的作用 ， 便于及 时检查换热管与管板焊接或胀 接处 的泄漏情况 ， 避免管程介质与壳程介质相混而发生事故。双管 板换热器 的结构一般有 2种 一种 为固定管板式 换热器 ， 换热器共有 4块管板 ， 如图 1所示 ； 另一 种为 U型管式换热器 ， 换热器一侧有 2块管板 ， 如 图 2所 示 。 外箭板 内管板 内管板 外管板 [ 芏 ] 。 l I I Il I l 。 ① ， r I l r U Ⅱ 1 A f } 丰 W S-} - 1-- 1--- H ． 爵 三 一 j一 目 ；三 E j 三 三 三 三 E 三 j 一一 ≯ l E 垂 蠢 _] I 工r 图 1 固定管板式 双管板换 热器结构示 意 图 2 U型管式双管板换热器结构示意 文 中主要研究双管板换热器换热管与内管板 的液压胀接， 故 只对工程上常用 的 0 2 5 mm 2 ． 5 mm管子与内管板胀 接接头 的结构进行研究 ， 其 结构见图 3 。布管方式采用正三角排列的方式。 2 有限元模拟 文献[ 7 ] 以采用单管模型 ， 假定 材料为理想 塑性 ， 服从屈服准则 并忽略胀接过程 中管板与换 热管的轴向应力 ， 且 不考虑管板孔开槽得 出了管 板胀接压力的理论计算公式 ， 所给方法偏于安全。 文献[ 8 ] 以单管等效模型 ， 且 视管子与管板均为 理想弹塑性材料 、 管 子与管板系统处于轴对称状 态 、 材料不可压缩 、 服从 Mi s e s 屈服准则基础之上 C P V T 双管板换热器内管板液压胀接压力的探讨 V o 1 2 8 ． N o 2 2 0 l l ∞ 寸 叫 ＼ ＼ 。 。 人 ＼ 。 。 ＼ ＼ y 。 。 八 ＼ l l ， ＼＼ 一 t f 一 ， I I 2 5 X 2 ． 5 图3 内管板胀接接头结构尺寸 得到了胀接接头的最佳胀接压力， 等效模型见 图 4 。而液压胀接接头的实际连接性能与管子和管 板的材料、 槽数、 槽宽 、 槽深 、 管子 和管板 间的间 隙、 管板孔及管子表面光洁度等众多因素有关。 因此文献 [ 7 8 ] 中给出的理论公式虽具有一定 的指导意义， 但与实际相比， 是偏于保守的。文中 考虑了管子和管板的材料 、 开槽 、 间隙等影响进行 了模拟。为了使模拟更加趋于实际， 分析模型所 用的材料参数是试验所用材料在常温拉伸试验下 得到的数据， 主要参数见表 1 。 图 4 单孑 L 等效胀管模 型 2 ． 1三 维 模 型 假设在胀接某个管子接头时， 周围管孔仍未 处于未胀状态 ， 则分析模型可以按周期对称性取 3 6 0 。 ／ 1 2的范围【 9 ] ， 见图 5 a 。采用多线性等向 强化来模拟材料的实际应变硬化行为 ， 用 8节点 实体单元 S o l i d 4 5对三维模型的管子与管板划分 网格 ， 管子 与管板接 触采用二维 面面接触单元 ． 2 4 ． 表 1 材料及其性能 物理性能 力学性能 部件 材料 E／ MPa R ／MP a R ／MPa 换热管 2 0 2 ． 0 X1 0 O ． 3 2 7 8 4 3 9 管板 Q 3 4 5 R 2 ． 01 0 0 ． 3 3 4 2 5 2 4 C o n t a c t 1 7 4和目标单元 T a r g e 1 7 3 ， 摩擦系数参考 文献[ 1 0 ] 取 0 ． 2 ， 模型如图 5 b 所示 。施加载荷 时 ， 考虑到胀接工具 的位置 ， 在管板两侧各 2 mm 的范围不加压。胀接压力通过载荷步来控制 ， 先 逐渐增加到预定的胀接压力 ， 然后再逐步卸载到 零 。 a 三维分析模 型的选取 b 三维 网格模 型 图 5 三维分析模型 图 6 ， 7分别示 出胀接压力 在 1 5 0 ， 1 6 0 MP a 下， 接头卸除压力后的残余应力及变形情况。可 以看出， 最 大的残余 应力 发生在 槽边 缘处。在 1 5 0 MP a下 ， 最 大残 余应 力 3 8 7 ． 9 MP a ； 在 1 6 0 M P a 下 ， 最大残余应力 4 2 1 ． 2 MP a 。由此可以看 出， 提高胀接压力 ， 能明显提高残余应力 ， 且管子 在管板开槽处的残余应力要比不开槽的地方大得 第 2 8卷第 2期 压 力 容 器 总第 2 1 9期 多。用三维模型进行优化胀接压力 时， 由于是非 线性分析 ， 计算量非常大 ， 且通常得不到最优化结 果 ， 由此考虑用二维模型代替三维模型。 图6 胀接压力 1 5 0 MP a下的残余应力分布 图7 胀接压力 1 6 0 M P a 下的残余应力分布 2 ． 2二 维优化 模 型 由文献[ 1 1 1 2 ] 可知 ， 只要合理选取单管模 型的等效套筒外 直径 ， 三维模 型可 以由二维单管 轴对称模型替代 。文献 [ 1 3 ] 借助统计学 的原理 ， 通过参数化计算分析方法得到了等效套筒外直径 的回归方程 ， 这大大简化 了模型 ， 降低 了计算成 本。在此基础上， 采用由此方程计算得到的等效 套筒外直径 ， 并将该等效套筒模 型作为优化设计 的模型。采用多线性等向强化来模拟材料的实际 应变硬化行为 ， 用 4节点等参单元 P l a n e 4 2对二 维模型的管子与管板划分 网格 ， 管子与管板接触 采用二维面面接触单元 C o n t a c t 1 7 2和 目标单元 T a r g e 1 6 9 。网格模型如图 8所示 。 2 ． 3优 化设 计 由于管子与管板的连接性能主要 由连接强度 和密封性两个指标来衡量 ， 而残余接触应力是影 响换热器液压胀接可靠性的关键因素 ， 它与拉脱力 、 I L 图 8 二维优化 网格模型 及密封性有着直接的关系。所 以胀接压力优化的 最终 目的是在满足刚度和强度条件下使管子和管 板的残余接触应力最大。因 A N S Y S 程序总是最 小化 目标函数 ， 而且要求其为正值 ， 因此将一个较 大的正值 减去最大的残余接触应力 P 。 一 ， 以 构造新的 目标 函数 。选定管子的胀接压力作为设 计变量 ， 最大残余应力 S m a x 作为优化的状态变量 。 该优化问题可以由如下数学模型表述 Mi n F o F F o P 。 。 P s ． t ． P ≤P ≤ i 1 ， 2 ， ⋯ ， ， 1 S P≤ 式 中P 胀接压力 ， MP a R 管子的抗拉强度 ， MP a 考虑到工程实际胀接压力 的要求 ， 压力范 围 选 1 5 0～ 2 2 0 MP a 。优化方法采用一阶优化计算 ， 确定最大迭代次数 ， 执行优化设计 。 2 ． 4优化结果及分析 经过 2 1次优化迭代 的数据见表 2 。由表 中 结果可知， 合适 的胀接 范围为 1 9 0～2 0 0 MP a之 间， 最佳胀接压力为 2 0 0 ． 9 1 MP a ， 在该胀接压力 下， 管子与管板的残余接触应力最大。 图9示出 1 6 0 M P a 下接头残余接触应力沿胀 接长度的变化。可 以看 出， 管子与管板 的残余接 触应力沿胀接长度并 不均匀 ， 在槽上下边缘地方 形成了一个近似阶跃 的增加 ， 这是 因为管子在两 个槽的上下边缘处与管板密切接触 ， 形成了密封 环带。由于密封 环带上 的残余接触应力较高 ， 使 得胀接接头的拉脱力与密封性能显著提高。接触 环带上的残余接触应力越大， 抗拉脱力就越强， 这 个阶跃似的残余接触应力的最高点就是发生最大 的拉脱力的时刻 。管板开槽后的胀接接头抵抗拉 脱 的力 由两部分组成 一部分为管子与管板之间 ．25 ． 双管板换热器 内管板液压胀接压力的探讨 V o 1 2 8 ． N 0 2 2 0 1 1 表 2 优化设计序 列 迭代次数 胀接压力 P S 目标函数-厂 1 l 7 0． x 】 ●_ 7 71 ． 2 6 2 l 61 ．1 3 ● 7 9 3． 0 4 3 l 5 0． 0 0 __ 81 4． 2 8 4 l 9 7． 5 9 __ 6 6 3． 5 4 5 1 9 5． 8 5 ●_ 6 6 9． 8 O 6 1 9 4． 51 ●_ 67 5．1 9 7 l 9 0． 8 2 ●_ 691 ． 3 3 8 l 8 8． 7 2 __ 70 6． 8 9 9 l 8 8． 5 7 _ 7 06． 9 8 1 0 1 8 7． 7 8 ● 71 0． 7 6 l 1 l 8 5． 6 8 __ 7 20． 6 7 1 2 1 8 4． 3 2 __ 72 5．1 3 1 3 20 6． 0 5 5 44． 5 7 1 4 2 05． 8 7 55 3． 5 2 l 5 2 0o． 9l __ 63 7． 2 7 1 6 1 9 9 ． 7 3 ●_ 6 4 6 ． 4 8 1 7 l 99． 3 5 __ 6 47． 5 6 1 8 1 9 9 ． 1 4 。。 6 4 9 ． 3 6 1 9 l 9 4 ． 7 2 _● 6 7 2 ． 6 7 2 0 l 9 3 ． 8 3 ●_ 6 7 5 ． 6 4 2 1 1 9 2 ． 9 2 __ 6 8 6 ． 4 4 注 S 一 栏 ”” 表 不 最 大 残余 应 力 超 过 约束 范 围。 的静摩擦力； 另一部分为管子嵌入管板槽中产生 的抗剪切力 j 。为研究接头 的连接强度 ， 对模 型 进行拉脱模拟 ， 模拟方法是在模拟接头胀接过程 的基础上 ， 施加位移载荷 。提取管子承受拉脱载 荷即轴向位移过程 中， 管子下端面上所有节点 的 支反力之和， 其绝对值的最大值即为胀接接头 的 拉脱力。拉脱力模拟的结果见图 1 0 。可以看出， 胀接压力为 2 0 0 MP a 下的拉脱力最大。 0 22 Df s T 图9 1 6 0 M P a 下接头残余接触压力沿胀接长度变化 26 22 l 5O l 8 0 2l 0 胀接压 力／ MP a 图 1 0 不同胀接压力下的数值模拟拉脱力 3 试验验 证 3 ． 1拉 脱 力 试 验 试验所用的换 热管为 5 m m2 ． 5 m m 的 2 0钢管 ， 长度 2 0 0 mm； 管板采用 Q 3 4 5 R， 厚度 4 8 m m， 外径 5 0 m i l l 。换热管胀接于管板的孔 内，图 1 1 示 出胀 接试 件。胀接 压 力取 1 5 0 ， 1 6 0， 1 7 0 ， 1 8 0， 1 9 0 ， 2 0 0， 2 1 0 MP a七个等级。对每个试件进 行编号 ， 每组压力下做 3 组胀接 ， 对每个试件在材 料试验机上进行胀接接头拉脱试验，记录平均拉 脱载荷。 图 1 1 试验胀接试件 3 ． 2密封 性能试 验 设计一个小型的换热器 ， 用 A N S Y S 模拟求得 的最佳胀接压力进行胀接 ， 并进行水压试验 ， 检验 其密封性 ， 模型见图 1 2 。 3 ． 3试验 结果 管子的拉脱力试验结果如图 l 3所示 。 第 2 8卷第 2期 压 力 容 器 总第 2 1 9期 6 7 56 图 l 2 小型换热器模型 胀 接压力／ MP a 图 l 3 不 同胀接压力对管板胀接接 头拉脱力 的影 响 可以看出， 胀接压力在 2 0 0 M P a下， 管子接头 的拉脱力最大 ， 胀 接效果 最好 ， 试 验结果 与 A N ． S Y S优化模拟结果趋势一致。由图 l 0 ， l 3可知， 试验结果在数值上 比理论计算结果大 ， 这是 由于 抗剪力的存 在， 管子和管槽边缘产生严重 的“ 刮 蹭” ， 这种现象产生的拉脱力增加是有 限元程序 不能准确计算出来的 。 对换热器模型进行壳程水压试验， 试验压力 0 ． 8 7 5 MP a ， 经检查 ， 换热管与管板连接处无任何 泄漏现象 ， 说明此胀接工 艺能够满足该双管板换 热器的强度胀接要求 。 4结论 1 运用 A N S Y S软件可 以较好地模 拟双管 板换热器内管板 的液压胀接 ， 模拟结果可为工程 实际的双管板胀接工艺提供参考 ； 2 只要选取 合适的等效套筒外径 ， 优化 胀 接模型可以由二维模型替代三维模型 ， 这大大简 化了计算成本 ， 使优化胀接压力具有可行性； 3 采用 A N S Y S的优化设计功能 ， 对液压胀 接压力进行优化研究表明， 该方法是可行 的， 对多 种因素影响的工程实际情况 ， 通过 A N S Y S优化模 拟来确定最佳胀接压力 ， 具有一定 的工程应用价 值 。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] 苏杨 ， 刘卫东．浅析双管板换热器设计[ J ] ． 化工设 备设计， 1 9 9 9 ， 3 6 4 l 7 2 0 ． 杨玉 欢 ， 邱 朝 放． 换 热 管 与 管板 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2 0 0 3 ， 3 2 1 1 4 1 7 收稿日期 2 0 1 0 0 9 2 0 修稿 日期 2 0 1 0 1 21 9 作者简介 汤伟 1 9 8 6一 ， 女， 主要从事换热器仿真及分 析方面的研究， 通信地址 2 1 0 0 0 9江苏省南京市新模范马 路5号南京工业大学丁家桥校区 1 9 4信箱， Em a i l t a n g - we i 一1 2 1 2 6． c o n。 2 7