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哈雷釬焊板式換熱器
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介質溫度對換熱器脹接接頭的影響分析

點擊:1275 日期:[ 2014-04-26 22:06:01 ]
                              介質溫度對換熱器脹接接頭的影響分析                      羅敏 于海 劉巨保        張明霞 寶音布和                       (大慶石油學院)        (大慶石油化工機械廠)     摘要:在換熱器不同的工作介質溫度下,選取液壓脹接后的管板與接頭為研究對象,建立了換熱管與 管板接頭三維有限元模型,模擬分析了在10種介質溫度下接頭脹接后的密封性能和拉脫強度。計算結 果表明,在工作狀態下,殘余接觸壓力隨管程介質溫度的升高先增加后減小,然后趨于穩定;拉脫力隨溫 度升高先增大,然后趨于穩定。同常溫相比,管程的介質溫度升高使它的密封性能和拉脫強度都得到增 強。     關鍵詞:換熱器 液壓脹接接頭 殘余接觸壓力     中圖分類號 TQ051·5 文獻標識碼 A 文章編號 0254-6094(2008)04-0228-04 管殼式換熱器廣泛應用于石油、化工和能源 等領域,換熱器中管子與管板的連接接頭是最容 易失效的部位。因此,研究管子與管板連接接頭 的密封性能有廣泛的工程應用價值和較高的理論 研究意義。液壓脹接因有機械脹接無法比擬的優 點而得到廣泛應用。研究有關液壓脹接過程的數 值模擬的論文較多[1~3],但研究介質溫度對脹接 接頭影響的論文較少,且多數是關于管、殼程在相 同溫度下的研究[4~6]。筆者利用ANSYS軟件,采 用APDL參數化設計語言建立了液壓脹接后換熱 管與管板接頭三維有限元模型,考慮了接頭的材 料非線性、幾何非線性和接觸非線性的影響,在不 同溫度的工作介質下對換熱管與管板接頭進行了 殘余接觸壓力和拉脫力計算,計算結果為換熱器 管板與換熱管的液壓脹接設計和施工提供了一定 的理論依據。 1 液壓脹接接頭有限元模型的建立 1.1 結構及計算參數 換熱管(規格為Φ19mm×2.0mm)與管板的 間隙為0.2mm,換熱管上開有兩道溝槽,脹接長 度50mm。管板模型的外徑為75mm,內徑為19.4 mm,長為98mm,脹接壓力為200MPa。換熱管與 管板的連接如圖1所示。 換熱管和管板的材料選取16Mn,殼程為低溫 冷卻介質,溫度為25℃,壓力為10.68MPa,對流 換熱系數為0.008502W/(mm2·℃);管程為不 同溫度下的換熱介質,壓力為0.063MPa,對流系 數為0.000322W/(mm2·℃)。 1.2 有限元模型 換熱管的排列方式取正三角形排列,由于接 頭結構的周期性對稱,取1/12模型(圖2)來研 究。該模型考慮了溫度變化對材料性能(彈性模 量、線膨脹系數及導熱率)的影響、帶初始間隙的 接觸以及彈塑性分析等非線性問題。采用了熱單 元SOLID70、結構單元SOLID45以及接觸對單元(CONTA173、TARG170)進行數值模擬。 邊界條件:邊界“A”采用對稱邊界條件;邊 界“B”是換熱管內表面,為壓力邊界條件;邊界 “C”是未脹管板孔表面,是自由邊界;邊界“D” 表示換熱管上表面和管板上下表面,為自由邊 界;邊界“E”是管板外側圓柱表面,施加固定約 束。 1.3 計算步驟 在工作狀態下,有必要先對接頭液壓脹接過 程進行有限元計算,再進行不同介質溫度下的有 限元計算。計算過程分3步:第1步為脹接壓力 加載階段,脹接壓力由0增加至200MPa;第2步 為脹接壓力卸載階段,將脹接壓力卸載到0;第3 步為工作狀態下接頭力學分析,殼程介質溫度為 25℃,管程施加不同介質溫度。 2 工作狀態下的有限元計算與分析 2.1 脹接接頭溫度場分析 管程介質溫度分別取20、40、60、100、144、 200、250、300、350、400℃。其中,當管程介質溫度 為300℃時脹接接頭溫度場分布如圖3所示。 由圖3可見,脹接接頭溫度分布是從管程高 溫表面向殼程低溫表面逐漸降低,過渡比較均勻。 液壓脹接后接頭存在一定的溫差,溫度變化范圍 為145.744~265.307℃,前人把接頭按無溫差處 理[4],是不太合理的。在不同溫度下的工作介質 中接頭溫度分布規律基本相同。 2.2 工作介質溫度對密封性能的影響 分析了管程介質在8種溫度作用下的脹接接 頭性能,其中管程介質溫度為20、100、200、300℃ 時脹接接頭的最大殘余接觸壓力分布如圖4所 示,殘余接觸壓力隨管程介質溫度變化的曲線如 圖5所示,密封環上殘余接觸壓力隨溫度變化的 曲線如圖6所示。 由圖4可見,最大殘余接觸壓力的分布范圍 隨管程介質溫度的升高而逐漸擴大,脹接后未產 生接觸的部位在溫度載荷的作用下也逐漸開始接 觸,軸向接觸長度由20℃時的34.6mm增加到 300℃時的44.1mm,增加了27.5%。由此可見, 溫度升高,接觸區域增大。 由圖5可見,最大殘余接觸壓力先隨著溫度 的升高迅速增大,100℃時達到最大值212.1MPa, 比20℃時增加了53.9%;之后隨著溫度的升高逐 漸減小,300℃時比20℃時增加了20.5%;超過 300℃時,隨著溫度的升高緩慢而增大并趨于穩 定。 由圖6可見,脹接接頭共形成5道密封環,當 介質溫度低于300℃時,有4道密封環殘余接觸 壓力較高,最大殘余接觸壓力位于第2道密封環 上,即在第1道槽與第2道槽之間,開槽有利于提 高密封性能;當介質溫度超過300℃時,5道密封 環的殘余接觸壓力的數值差別不大,最大殘余接 觸壓力位于第1道密封環上,開槽效果不明顯。 2.3 脹接接頭拉脫力分析 采用有限元計算介質在不同溫度下的殘余接 觸壓力之后,便可用下列公式計算拉脫力: 介質在不同溫度下的脹接接頭拉脫力計算結 果如圖7所示。當溫度小于100℃時,拉脫力隨 溫度升高而增大,100℃時的拉脫力最大,其值為 23.37kN;當溫度大于100℃時,拉脫力雖有所變 化,但不太明顯,基本處于穩定狀態。 3 結論 3.1 隨著工作介質溫度的升高,接觸區域逐漸 增大。脹接接頭殘余接觸壓力隨著溫度的升高先 增大后減小,最后趨于穩定。在100℃時脹接接 頭殘余接觸壓力達到最大值212.1MPa,比常溫 增加了53.9%,溫度升高后提高了接頭的密封性 能,溫度在100℃時密封性能最好。 3.2 當溫度小于100℃時,拉脫力隨溫度升高而 增大,100℃時的拉脫力最大;當溫度大于100℃ 時,拉脫力雖有所變化,但不太明顯,基本處于穩 定狀態。 3.3 同常溫相比,隨著工作介質溫度的升高,拉 脫力增大,有利于提高脹接接頭的拉脫強度。但 是當溫度超過300℃時,隨著溫度的繼續升高,在 接頭拉脫強度增大的同時,接觸環上的殘余接觸 壓力較小,接頭密封性能明顯不如溫度低于 300℃的環境,因此該類接頭較適用于0~300℃ 的工作環境。 參考文獻 1 段成紅.管子與管板連接接頭的強度和密封性能研 究:[博士論文].北京:北京化工大學,2007 2 王海峰,桑芝富.換熱器液壓脹接接頭殘余接觸壓力. 南京工業大學學報,2003,25(5):52~56 3 梁新文,劉巨保,黃紅軍.E3201換熱器液壓脹接接頭 的非線性有限元分析.石油工業技術監督,2006,2 (3):13~16 4 徐鴻.包括熱載荷在內的脹接接頭加載的彈塑性分 析.壓力容器,1985,2(1):29~35 5 馮殿義,李玉庚.運行工況變化對換熱器管子拉脫力的影響.化工裝備技術,2000,21(5):27~29 6 AllamMA,BazerguiA,MarchandLeta.lTube-to- TubesheetJoints:MaximumTensileStressandContac  PressureDuetoThermalLoadingandTemperatureCyc- ling.Proceedingsofthe2002InternationalJointPowe  GenerationConference.ASME,2002.51~62 
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