多孔管子管板液压胀接性能影响的分析.pdf

多孔管子管板液压胀接性能影响的分析 和广庆 ， 杨 圆明 ， 李翠翠 1 ． 国核工程有限公 司 ， 上海2 0 0 2 3 3； 2 ． 哈 电集 团 秦皇 岛 重型装备 有限公司 ， 河北 秦皇 岛 0 6 6 2 0 6 ； 3 ． 中核集团中国中原对外工程有限公司 ， 北京1 0 0 1 9 1 摘要 对单孔和 多孔的管子管板 的液压胀接进行理论计算和有 限元分析 ， 计算结果表明， 在相同和 不 同胀接参数下 ， 多孔胀接后和单孔胀接的残余接触压力有 明显差异 ； 选取不 同布孔的管进行拉脱 力试验 ， 试验结果表明， 多孔胀接后 ， 管子拉脱力数值 与孔 区布置具有相关性。模拟分析和试验结 果对胀接评定试样的制作 、 多孔胀接性能的评价提供 了参考。 关键词 管子管板接 头； 液压胀接 ； 残余接触压力； 拉脱力 中图分类号 T H1 3 1 ． 2 ； T L 3 5 3 ． 1 3 ； T G 4 0 7 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 5 0 8 0 0 0 70 7 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 5 ． 0 8 ． 0 0 2 Hy dr a ul i c Ex p a n s i o n I n f e c t i o n An a l y s i s o f M ul t i - ho l e Tu b e t o Tu b e s h e e t J o i n t HE Gua ngqi ng ， YANG Yua n m i n g ， LI Cu ic u i 1 ． S t a t e N u c l e a r P o w e r E n g i n e e r C o ． ， L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 0 2 3 3 ， C h i n a ； 2 ． H a r b i n E l e c t r i c C o r p o r a t i o n Q HD H e a v y E q u i p m e m t C o ． ， L t d ． ， Q i n h u a n g d a o 0 6 6 2 0 6 ， C h i n a ； 3 ． C N N C C h i n a Z h o n g y u a n E n g i n e e r C o rp． ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ， C h i n a Abs t r a c t Th e r e s i d ua l c o n t a c t p r e s s u r e o f s i n g l e h o l e a n d mu l t i - h o l e a r e d i f f e r e n t f o r t u b e t o t u b e s he e t h y d r a u l i c e x pa n s i o n b y c a l c u l a t i o n a n d e l e me n t a na l y s i s ． Th e r e s u l t s h o wn t ha t t u b e p u l l o u t f o r c e v a l u e h a v e r e l a t i o n s hi p wi t h t u b e p o s i t i o n i n mu l t i - h o l e t u b e s h e e t b y h y d r a u l i c e x p a n s i o n t e s t ． I t p r o v i de a r e f e r e u c e f o r h y d r a u l i c e x p a ns i o n q u a l i fic a t i o n mo c k u p ma nu f a c t u r e a nd e x pa ns i o n e v a l ua t i o n o f mu l t i h o l e t u b e s h e e t j o i n t ． Ke y wo r d s t u b e t o t 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 s i o n ； r e s i d u a l c o n t a c t p r e s s u r e ； p u l l o u t f o r c e l 0引言 核电蒸汽发生器管子管板接头普遍采用胀接 和焊接结合 的连接方法 。管子管板 的胀接 ， 能够 消除换热器管子和管板管孑 L 间的初始间隙 ， 提高 管子管板接头耐压 、 耐高温和抵 御载荷波动 的能 力 ， 降低应力腐蚀和疲劳破坏 的风 险。文 中采用 A P I O 0 0蒸汽发生器 管子管板结构进行分析和试 验 ， 探索多孔液压胀接 时参数及胀接顺 序对胀接 效果的影响。 管子管板胀接的理论研究和分析普遍采用当 量套筒 的单管模型_ 1 ， 分析结果对于胀接参数 的 选择、 应力环带的分布、 残余接触压力与胀接参数 的关系以及拉脱力的确定等具有指导意义。对于 多孔管板 ， 计算和有限元分析表明， 周围管孔是否 多孑 L 管子管板液压胀接性能影响的分析 胀接对被胀管孔管子管板的残余接触压力有相应 的影响 一 。 1 液压胀接原理 液压胀接的基本原理是在液压介质 如水 的作用下 ， 管子的受压部位首先发生弹性变形 ， 然 后是塑性变形 ； 当压力进一步升高时 ， 管子和管板 发生接触后 ， 将压力施压在管板孔 内壁上 ， 管板将 发生弹性变形 ； 当胀接压力 P 增加到超过管板的 屈服强度后 ， 将发生部分塑性变形 ； 但 当 P 卸压 后 ， 由于管子管板的弹性和塑性恢复量不同， 管板 对管子产生径向压力 胀 紧力 ， 称残余接触压力 尸 r ， ， 是评价胀接性能的关键指标 。 2 多孔管板胀接理论计算 2 ． 1 计算参数 图 1 理论计算当量套简模型 表 1 计算参数选值 换 热管 项 目 参数 孑 L 径／ ra m 6 1 7 ． 7 5 管外径／ ram 6 1 7 ． 4 8 管内径／ ram 6 1 5 ． 4 6 布孑 L 方式 正三角形 孔 间距／ mm 2 4 ． 8 9 2 管板厚度／ mm 7 9 8 多孔管子管板 的胀接 ， 难 以获得准确的解析 解 ， 工程应用 中采用简化的两端开 口的套筒模型 ， 模型中将每个换热管简化为 内层 圆筒 ， 管板周 围 区域 至孔桥边界或当量套筒外径处 简化为外 层圆筒 ， 套筒模型见 图 1 。其影响参数主要包括 8 管内外径 、 管板孔 内径 、 当量外径 、 孔间隙、 材料的 应变强化等 ， 计算参数选用表 1中数值。 孔桥厚度 、 孔间距 、 周围孔是否已胀接等条件 的影响， 可通过当量外径来计算。 2 ． 2 材料性能 选用管板和换热管材料与产品相 同． 根据材 料对胀接 的影响因素和重要程度选择的性能参数 见表 2 。 表 2 换热管和管板主要物理性能 项 目 管板 换热管 材料 S A 5 0 8 S B 1 6 3 N 0 6 6 9 0 弹性模量／ MP a 2 O 0 0 0 0 2 0 8 0 0 0 泊松 比 0 ． 3 O O ． 2 9 屈服极 [ [ ／ M P a 5 3 0 3 0 1 抗拉 强度／ MP a 6 5 0 6 8 8 密度／ g c m。 7 ． 8 5 8 ． 1 1 管子和管板均有可能会发生塑性变形 ， 因此 在 有 限 元 分 析 过 程 中 采 用 S A 5 0 8 和 S B 1 6 3 N 0 6 6 9 0的真应力一应变 曲线作为非线性强 化数 据 。为了提高分析结果的精度 ， 采用多线性强化 ， 即采用图 2中真应力一应变曲线作为分析使用的 强化准则 。 0 0． 5 真 应变 图 2 材料 的真应力一应变 曲线 2 ． 3 摩擦 系数 摩擦系数是一个关键参数 ， 但实际胀接过程 中和胀接后 ， 均很难获得真实的摩擦系数 ， 同时根 据文献[ 6 ] 中的计算 ， 当管 板厚度和孔直径 比较 小 ， 比值在 3以下 时， 经验式和理论式误差小于 第 3 2卷第 8期 压 力 容 器 总第 2 7 3期 1 0 ％ ， 无论采用的摩擦系数大小 ， 拉脱力应在一个 确定的极限值以下。为规避接触表面状态对试验 结果的影响， 本试验模型孔均采用同一规格 B T A 钻头一 次钻 削成型 ， 孔 表面 粗糙度 约 为 R a 3 ． 2 t x m， 每根管子表 面均使用砂带无偏心修磨 ， 均匀 抛光 ， 粗糙度约为 R a O ． 2 I x m。 2 ． 4计 算结果 对 比 周 围孔未胀 接时， 采用 K r i p s ， Y o k e l l J ， 颜 惠庚 及王海峰 。 。 等给出的公式进行 双套筒胀 接模型计算 ， 液压胀接压力计算结果见表 3 。 表 3 胀接压力计算对 比 压力 K r i p s ／ Y o k e l l 颜惠庚 王海峰 P。 ／MPa 3 6． 8 4 3 6． 8 4 4 3． 47 Pp ／MPa 1 42． 5 4 1 4 4． 6 9 P ／MPa 2 20． 75 28 O． 5 0 2 63． 8 8 P ／MPa 3 5 0 5 0 2． 6 0 5 57． 40 行计算 ， 结果表明 ， 在 2 2 02 8 0 M P a的胀接 压力 范围内， 当周围孔 已全部胀接时 ， 残余接触压力结 果小 于周 围孔未胀接 的值 ， 差值小于 2 ％ ， 如图 3 所示 。因此 ， 对 于 A P 1 0 0 0蒸汽发生器孔 数大于 2 0 0 0 0的多孔管板 ， 胀后的残余应力分布均匀 ， 则 可以忽略此影响。但对于孔数较少的管板或在胀 接评定时 ， 不同位置管孔 的残余接触压力分布不 均 ， 可通过有限元分析和试验进行验证。 姜 差4 s js 3 0 2 0 0 25 o 3 00 胀 接 力 ／ MP a 注 P 。 ～管子发生全 屈服 时的压力 ； P 一 管子外表 面和 管板 孔内表面刚好接触时的压力； P 一管子全 服时， 管板到达弹性 图 3 周围 已胀接和未胀接时 P c 对 比 极 限时的压力 ； P 一管子全屈服 、 管板全 屈服 时的压力 。 3 数值 模拟 由表 3计算结果可以看 出， 采用文献 [ 78 ] 中公式 ， 颜惠庚公式和王海 峰公式计算结果存在 较大差异 ， 前者和后两个公式 对 比， P 。 ， P p ， P ， P 计算结果偏小 ， 主要是由于在计算假设时 ， 没有考 虑换热管和管板初始间隙 C 。 ， 以及换热管和管板 材料的强化特性。颜惠庚和王海峰所推导采用的 公式计算时的差异 ， 主要是 由于王海峰计算在考 虑换热管和管板初始间隙 C 的同时 ， 考虑了管板 和管子的应变强化特性 。 为了达到管子管板胀接 的 目的 ， 胀接压力应 大于换热管和管板 间隙消除时所需要 的压力 P ， 同时小于达到管板弹性极 限所需的压力 ， 胀接 压力的极 限不能超过换热管和管板发生全屈服时 所需要的压力 P ， 。综合 以上各公式计算结果 ， 选 择进行后续残余接触压力 、 拉脱力分析 ， 以及有 限 元分析的胀接压力范围为 2 2 0～3 5 0 M P a ； 同时在 进行胀接工艺试验时， 考虑经济性和设备能力 ， 选 择的胀接压力范 围为 2 3 0～ 2 8 0 MP a 。 对胀后残余接触压力采用考虑材料应变强化 后计 算对 比， 采用王 海峰 的计 算公 式及傅 智勇 等 _ 2 给出的周 围孔胀后 的 当量厚度确 定方法进 考 虑 不 同 的 布 孔 方 式 及 胀 管 位 置 ， 采 用 A N S Y S 建立二维管子管板模 型 ， 应用表 1中的规 格参数及表 2 、 图 2的材料性能参数 。管孔和胀 管位置采用图 4所示的两种方式 。 R R 1 0 R9 R5 尺j 强 C 1 I l c lL ． 一 9 } Ic U 【vc - , I c - ,T l c -, ；i O o 10 o 一镪 o o O 0o lo o o 0 0 0 0 一 a 1 9孔模型 b 单行模型 图 4 管孔和胀管位置 图 3 ． 1 有限元分析模型 在进行胀接分析时 ， 接头结构选择产 品的布 孔方式 ， 考虑计算效率 ， 对分析模型进行简化 ， 包 括套筒模型和 中心轴对称 3 0 。 角度模 型 ， 截 面如 图 5所 示 。 9 多孑 L 管子管板液压胀接性能影响的分析 V o l _ 3 2 N o ． 8 2 0 1 5 冰 、 理 罨 辎 月5 7 R9 R l 1 R1 3 孔 位置 4 试 验 图1 3 单行模型不同位置孔 P 变化 对管子管板胀接接头性能评价 ， 可采用残余 应力测量 、 胀管率测量、 拉脱力和压脱力测量等进 行评价。由于试验采用的试件与蒸汽发生器管板 厚度相同， 测量胀管区及过渡 区的残余应力相对 困难 ， 采用拉脱力测量能够对胀接效果进行快速 的评价。使用微机控制电液伺服万能材料试验机 型号 WA V e - 一1 0 0 0 D， 最大试验力 1 0 0 0 k N， 试验 力示值精度 0 ． 5 ％ 对试验接头进行拉脱力测 试。拉脱过程 由于管子在管板 中移动 ， 因此拉脱 曲线会出现波动， 一般选择第 1个波峰或第 1 个 波峰前换热管移动到达规定距离所测量的值作为 拉脱力。位移一试验力记录曲线见图 1 4 。 4． 6 2 0 7 0 0． 3 9 7 位 移 ／ l n n l 图 1 4 位移一试验力 曲线 根据上述分析， 采用不 同顺序将会对相邻孔 的胀接应力和残余接触压力的数值产生影响。在 完成全程液压胀接后 ， 使用拉压试验机对胀管接 头进行拉脱力测试 ， 试验结果见表 4 。可以看 出， 1 9孑 L 模型不 同孔位置拉脱力最大最小相差超过 1 2 5 0 ％， 其 中周围已胀接孔 和没有孔区域 引起 的残 余接触压力变化有直接影响。 表 4 2 5 0 MP a 胀接压力下孔拉脱力 N 位 置 C 1 C 2 c 3 C 4 C 5 1 6 80 0 1 05 0 0 77 5 0 3 9 6 7 0 8 8 00 8 70 0 斛 93 0 0 90 0 0 艏 7 7 6 0 9 00 0 81 0 0 瞄 79 0 0 8 7 20 胛 1 01 40 8 25 0 71 0 0 8 7 2 5 0 1 1 3 6 0 68 2 0 试验结果与采用经验公式计算的拉脱力进行 对比， 对 比结果见图 1 5 。 8 0 0 Z 蛮6 0 0 0 4 00 0 R5 R7 R9 Rl l R l 3 孑 L 位霞 图 l 5 拉脱力理论值和试验值对比 对单行布置管孔模型， 完成 3组测量后发现， 拉脱力与理论分 析结果 趋势一致。通 过理论计 算 、 数值模拟及拉脱力试验发现， 不同理论计算结 果偏差较大 ， 但可 以通过理论计算初步确定胀接 压力范围。按照理论分析 ， 当周 围孔全部 已胀接 时， 中心孔胀后 的残余接触压力与周围孔未胀接 时比较有所减小 ， 试验结果 同时表明周 围 1层和 2层胀接后的拉脱力差值小于 5 ％。 当周围孔未全部胀接时 ， 按单个方 向逐个胀 接后 ， 不 同位置孔 的残余 接触压力分布按顺序呈 先升高 、 后降低的趋势 ， 且值大于首孔 ； 当采用间 隔一层胀接时 ， 胀接后残余接触压力变化在 5 ％ 以内 5 结语 为了准确评价胀接性能 ， 在进行胀接试验或 3 2 z 蟠 第 3 2卷第 8期 压 力 容 器 总第 2 7 3期 评定时 ， 应根据孔桥及孔 中心距的尺寸 ， 确定合适 的需要胀接 的管间距 ， 一般 以间隔 1 层 1周 孔 为宜。 对于多孑 L 管板 ， 不同位置管子管板胀接性 能 会分布不均 ， 可 以通过对不同位置 、 采用不同的胀 接压力的方式来抵消胀接顺序和孔位置 的影响 ， 这还需要进行更为深入地研究。 参考文献 C h a a b a n ， M a H， B a z e r g u i A ． T u b et u b e s h e e t j o i n t a p r o p o s e d e q u a t i o n f o r t h e e q u i v a l e n t s l e e v e d i a me t e r u s e d i n t h e s i n g l e t u b e mo d e l 『 J] ．A S ME J o u r n a l o f P r e s s u r e V e s s e l T e c h n o l o g y ， 1 9 9 2 ， 1 1 4 2 1 93 2 ． 傅智勇， 张继革， 张光庆． 液压胀接接头当量双筒模 型直径的计算[ J ] ． 电站辅机 ， 2 0 1 1 ， 3 2 1 6 9 ． 宁静红， 刘敬坤． R 2 9 0水平管内凝结换热和压降的 研究现状[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 3 ， 4 1 7 6 6 7 1 ． T a n g u y B， Be s s o n J ， P i q u e s R， e t a 1 ． Du c t i l e t o b r i t t l e t r a ns i t i o n o f a n A5 08 s t e e l c ha r a c t e r i z e d b y Cha r py i m pa c t t e s t ，P a r t I IMo d e l i n g o f t h e Cha r py t r a ns i t i o n c u r v e[ J ] ．E n g i n e e r i n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 0 5 ， 7 2 1 4 1 34 3 4． L e e Wo e i s h y a n， L i u C h e n y a n g ， S u n T a i n o n g ． De f o r m a t i o n b e h a v i o r o f I n c o n e l 6 9 0 s u p e r a l l o y e v alu a t e d b y i m p a c t t e s t [ J ] ． J o u r n a l o f Ma t e r i als P r o c e s s i n g T e c h no l o g y， 2 0 0 4， 1 531 5 4 21 92 2 5． 颜惠庚， 李培宁． 换热器的液压胀管研究 四 胀接接头的拉脱力和压脱力 [ J ] ． 压力容器， 1 9 9 8 ， 1 5 5 2 5 2 8 ． Kr i p s H． Po dh o r s ky M． Hy dr a ul i c e x p a ns i o n a ne w p r o c e d u r e f o r f a s t e n i n g t u b e s [ J ] ． V G B K r a f t s w e r k s t e c h ， 1 9 7 6， 5 6 7 4 5 64 6 4． Y o k e l l S t a n l e y ． He a t e x c h a n g e r t u b et ot u b e s h e e t e x p a n d e d j o i n t s [ J ] ． T r a n s ． o f A S ME， J ． o f P r e s s u r e Ve s s e l a n d T e c h n o l o g y， 1 9 9 1 ， 1 1 3 3 4 13 4 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， 1 9 9 6 ， 1 3 2 3 64 O ． 王海峰， 桑芝富． 幂强化材料的液压胀管残余接触 压力理论解[ J ] ． 石油机械， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 2 4 2 8 ． 庄茁． 有限元软件入门指南[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 1 9 9 8 ． 收稿 日期 2 0 1 5 0 52 9 修稿 日期 2 0 1 5 0 7 0 6 作者简介 和广庆 1 9 8 1 一 ， 男， 工程师， 研究方向为核岛 主设备制造技术研究， 通信地址 2 0 0 2 3 3上海市闵行区田 林路 8 8 8弄 2号 楼 国核 工 程 有 限公 司， E m a i l h e g u a n g q i n g 2 0 1 3 1 6 3 ． c o n。 上接第 4 3页 3 受挤压工艺 的影 响， 在纵 向 内角半径精 度很难掌控的情况下 ， 通过系列的建立超级管道 上管嘴的有 限元模 型， 可以快速判断管嘴是否符 合要求 。 参 考文献 中广核工程有 限公司． 压水堆核 电厂核 岛设计 [ M] ． 北京 原子能出版社， 2 0 1 0 ． R C CP， 压水堆核电站系统设计和建造规则[ S ] ． 苏厚德， 冯玉洁， 樊建领． 异径挤压三通应力的有限 元分析[ J ] ． 石油化工高等学校学报 ， 2 0 1 0 ， 2 3 3 8 68 9． 薛源， 刘金贵． 核电站主蒸汽超级管道管嘴受力分 析 [ J ] ． 广东 电力 ， 2 0 1 2 ， 2 5 1 2 3 7 3 9 ． 梅健， 王曦， 张立君． A P 1 0 0 0主蒸汽管道镗孔壁厚 设计分析[ J ] ． 压力容器， 2 0 1 4 ， 3 1 9 4 7 5 0 ． R C C M， 压水堆核 岛机械设备设计 和建造规则 2 0 0 0版 2 0 0 2补遗 [ S ] ． [ 7 ] 龚曙光 ， 谢桂兰， 黄云清． A N S Y S 参数化编程与命令 手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 9 ． [ 8 ] 轩福贞， 惠虎， 黄振海， 等． 内压下挤压三通的塑性 极限载荷研究[ J ] ． 压力容器， 2 0 0 3 ， 2 0 1 1 5 ． [ 9 ] 王世军， 王荣山， 杨畅民． 3 0 0 M W 机组三通的结构 应力分析与形状优化[ J ] ． 机械强度， 2 0 0 4， 2 6 3 2 9 5 2 9 8 ． 『 1 0 ]A S M E B o i l e r P r e s s u r e V e s s e l C o d eⅧ D i v i s i o n 1 ， Ru l e s f o r Co n s t r u c t i o n o f Pr e s s u r e Ve s s e l Al t e r na t i v e R u l e s [ S ] ． 2 0 1 3 ． [ 1 1 ]刘学 ， 李国栋， 闫平， 等． 超超临界机组主蒸汽管道 热挤压 T型异径三通强度分析 [ J ] ． 热力发 电， 2 0 0 8， 3 7 7 8 18 4 ． 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 2 3 修稿 日期 2 0 1 5 0 7 2 1 作者简介 李 强 1 9 8 3一 ， 男 ， 工 程 师 ， 主 要从 事 核 2级 设 备力学 分析 、 核 级 管道 力 学分 析 以及 技 术 管理 工 作 ， 通信地址 5 1 8 0 0 0广东省深圳市龙岗区黄阁北路天安数 码城 5栋深圳中广核工程设计有限公司 ， E m a i l l i ． q i a n g c g n pc ．t om． c n。 】 3 ] J]J rL rl rL『h rl rL ] J] j]j 1 2 3 4 5 ] j 1 j 1 2 3 4 5 6 } ． ；