王海峰,桑芝富
（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇南京　210009）
液壓脹接是近幾年來發(fā)展較快的換熱器管子與管板的連接方法,該方法利用液體壓力作用于換熱管內(nèi)表面,使之產(chǎn)生大的塑性變形并與管板孔接觸,依靠卸除壓力后的殘余應(yīng)力使管子與管板達(dá)到緊密連接,其連接質(zhì)量的好壞直接影響到生產(chǎn)的安全可靠。國內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)接頭性能曾開展過一些研究工作。Ｓｃｏｔｔ等人采用應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)及Ｘ射線衍射試驗(yàn)等研究了液壓脹接接頭過渡區(qū)的殘余應(yīng)力和殘余變形[1]。Ｓ.Ｗｅｉｎｓｔｏｃｋ等對(duì)應(yīng)變強(qiáng)化和材料隨溫度變化的特性等因素進(jìn)行了理論和試驗(yàn)兩方面的探討[2]。桑芝富等對(duì)換熱器管子與管板脹接結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度、耐壓性能及疲勞強(qiáng)度等進(jìn)行了試驗(yàn)研究[3]。顏惠庚等人也曾對(duì)液壓脹接開展了一些試驗(yàn)研究工作[4]。試驗(yàn)方法耗費(fèi)較多的財(cái)力和時(shí)間,且由于各種因素的影響,測(cè)量結(jié)果的性受到限制。液壓脹管過程的理論和計(jì)算研究主要包括基于平面問題的理論解和數(shù)值解等[5～7],其主要討論了脹接過程中管子與管板的塑性區(qū)擴(kuò)展、脹后殘余接觸壓力和殘余變形分布規(guī)律等問題。
    文中采用有限元法模擬了液壓脹接接頭脹后連接性能,討論了工作溫度對(duì)接頭連接強(qiáng)度和密封能力的影響,并對(duì)液壓脹接的使用條件做了探討。
    1　液壓脹接有限元模擬液壓脹接的數(shù)值模擬嚴(yán)格地講是個(gè)三維問題,考慮到求解三維問題的復(fù)雜性,一般將管板簡化為一定尺寸的圓柱套筒,即合理確定管板的剛度,可將三維接觸問題簡化為二維軸對(duì)稱問題,該處理既提高了計(jì)算效率,又能保證一定的精度。筆者就該方法的可行性在文獻(xiàn)[8]中做過討論。文中的有限元計(jì)算模型均采用二維軸對(duì)稱模型。
1.1　模型建立
     幾何模型見圖1。換熱管的管口伸出管板端面2ｍｍ,管子為 25ｍｍ×2ｍｍ的10鋼,管板為16Ｍｎ鍛件,厚度δ=50ｍｍ,管孔直徑Ｄｅ=25.4ｍｍ,根據(jù)文獻(xiàn)[9],取等效套筒直徑Ｄ=44ｍｍ。1 2　單元選用及分網(wǎng)管子和管板選用4節(jié)點(diǎn)等參單元（ＰＬＡＮＥ42）。管子與管板的接觸采用二維面 面接觸單元Ｃｏｎ ｔａｃｔ172和目標(biāo)單元Ｔａｒｇｅ169模擬。摩擦類型取修正的庫侖摩擦模型,即當(dāng)管子與管板的接觸摩擦力超過σｓｔ/3時(shí)接觸面間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),σｓｔ為換熱管的屈服強(qiáng)度,摩擦因數(shù)取0.2,接觸算法采用罰函數(shù)與拉格朗日組合法。管子與管板的材料分別為10和16ＭｎⅡ,材料塑性為雙線性等向強(qiáng)化,服從Ｍｉｓｅｓ屈服準(zhǔn)則。采用ＡＮＳＹＳ程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行分網(wǎng)計(jì)算,網(wǎng)格圖見圖2。
 
1.3　邊界條件和載荷
    管板的上、下外邊緣及管子的殼程側(cè)截面加軸向約束,主要分2個(gè)大的階段加載。第1個(gè)階段是接頭液壓脹接過程的模擬,分為2個(gè)載荷步,第1個(gè)載荷步在管子內(nèi)壁施加大小為脹接壓力的內(nèi)壓,第2個(gè)載荷步施加0ＭＰａ,分別來模擬脹接的加載和卸載過程,脹接壓力的作用范圍在距管板上、下邊緣各2ｍｍ以內(nèi),模擬脹頭的作用位置。第2個(gè)階段的載荷根據(jù)研究問題將接頭在工作狀態(tài)下的溫度和流體壓力分多個(gè)載荷步加載。為提高求解過程的收斂速度,保證非線性計(jì)算的穩(wěn)定性,主要采取以下措施:打開自動(dòng)時(shí)間步長;使用*的Ｎｅｗｔｏｎ Ｒａｐｈｓｏｎ迭代,以保證每次平衡迭代使用正切剛度矩陣;采用線性搜索使計(jì)算穩(wěn)定化。將以上2個(gè)載荷步寫入載荷步文件,進(jìn)行連續(xù)求解。
1.4　計(jì)算結(jié)果及分析
    接頭連接性能包括連接強(qiáng)度和泄漏壓力2個(gè)指標(biāo)。接頭的連接強(qiáng)度通常用拉脫應(yīng)力ｑ來定量表征,含義為單位脹接接觸面積上接頭所能提供的軸向力,可表達(dá)為:
ｑ=Ｆ/（πｄｌ）（1）
式中,Ｆ為筆者通過接頭拉伸模擬得到接頭沿軸向連接破壞的外力,Ｎ;ｄ為換熱管外徑,ｌ為脹接長度,ｍｍ。泄漏壓力是評(píng)價(jià)接頭連接性能的另一重要指標(biāo),以往文獻(xiàn)中大多通過試驗(yàn)方法未確定接頭冷態(tài)的密封壓力,主要通過接頭殘余接觸壓力來分析計(jì)算,缺少有關(guān)泄漏壓力的定量計(jì)算。與前人所做工作不同,筆者通過ＡＮＳＹＳ參數(shù)化語言ＡＰＤＬ控制流體壓力的加載,即流體壓力在按照一定的增量施加前,檢查前一次壓力作用后的接頭接觸情況,對(duì)接觸壓力小于某一數(shù)值的部位施加流體壓力,認(rèn)為該部位已有流體滲透,文中取沿流體滲透方向接觸壓力小于2ＭＰａ作為評(píng)價(jià)流體滲透的準(zhǔn)則。為簡化問題,筆者在討論接頭密封性能時(shí)僅考慮換熱器殼程受壓的情況。因此,脹接接頭密封性準(zhǔn)則概括為,隨著換熱器殼程壓力的升高,接頭接觸壓力低于2ＭＰａ的部位有流體滲透,當(dāng)滲透范圍擴(kuò)展到脹接接頭邊緣時(shí),該接頭密封失效。
    以下算例取液壓脹接壓力ｐ=160ＭＰａ,研究接頭脹后連接強(qiáng)度和密封性能,有限元計(jì)算模型如前所述。
1.4.1　脹后連接強(qiáng)度
    為研究接頭的連接強(qiáng)度,筆者做了拉伸試驗(yàn)?zāi)M。模擬方法是在模擬接頭脹接過程的基礎(chǔ)上,在換熱管殼程側(cè)端面分10個(gè)載荷步加載軸向位移進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析,大小分別為0.1、0.5、1、5、10、15、20、30、35和40（單位均為ｍｍ）,模擬接頭在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)的加載情況。通過后處理得到的節(jié)點(diǎn)反力作為接頭軸向拉伸的外力,其隨時(shí)間變化的曲線見圖3,由于進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析,時(shí)間不具有物理意義。從圖3中可看出,接頭所能承受的zui大軸向拉伸外力Ｆ=9305Ｎ,根據(jù)式（1）得接頭強(qiáng)度指標(biāo)拉脫應(yīng)力ｑ=2.58ＭＰａ。拉脫試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與摩擦因數(shù)的選取有關(guān),參照文獻(xiàn)[4]取摩擦因數(shù)為0.2,結(jié)果偏于安全。在文獻(xiàn)[10]中,該模型的試驗(yàn)拉脫外力為10350Ｎ,文中數(shù)值計(jì)算結(jié)果與之吻合較好。脹接壓力對(duì)接頭的連接強(qiáng)度有顯著影響,接頭的拉脫應(yīng)力ｑ隨脹接壓力ｐ的變化見圖4。
 
1. 4.2　脹后密封性能
    本算例脹后密封性能分析的方法是在模擬液壓脹接的基礎(chǔ)上,在殼程側(cè)管板表面和換熱管外表面以1ＭＰａ為初始?jí)毫?ＭＰａ為載荷增量進(jìn)行多載荷步加載壓力來實(shí)現(xiàn)的。在每個(gè)載荷步設(shè)定之前,要檢查上一次加載后接頭接觸情況,對(duì)流體滲透的部位,需在新的載荷步中加載流體壓力,在多載荷步循環(huán)求解過程中,當(dāng)滿足上述接頭密封失效準(zhǔn)則時(shí),求解結(jié)束,記下當(dāng)前流體壓力作為接頭泄漏壓力ｐＬ。接頭脹接結(jié)束后和殼程壓力為33ＭＰａ密封失效時(shí)的殘余接觸壓力分別見圖5和圖6,流體滲透隨密封試驗(yàn)壓力的變化見圖7,圖中ｙ為滲透位置距管板管箱側(cè)表面的距離。值得注意的是,接頭的殘余接觸壓力沿管子軸線方向是不均勻的,在本算例中管板厚度為50ｍｍ,接頭連接的兩端接觸壓力比較高,形成重要的密封帶,當(dāng)密封試驗(yàn)壓力超過25ＭＰａ時(shí),流體以較高的速度滲透。液壓脹接壓力能顯著提高接頭的密封能力,接頭泄漏壓力與脹接壓力的變化見圖8。
 
 
2　工作溫度對(duì)接頭連接性能的影響
   為了分析工作溫度對(duì)算例中接頭連接強(qiáng)度的影響,在模擬液壓脹接過程后,分多載荷步施加節(jié)點(diǎn)的溫度載荷,模擬接頭從室溫升到工作溫度再降到室溫的過程。為了研究工況的波動(dòng)情形,總共施加了3個(gè)升溫 降溫循環(huán),每個(gè)溫度循環(huán)的升溫過程從室溫按100℃的增量遞增到400℃,降溫則按照相同量遞減到室溫,在分析時(shí)不考慮蠕變的影響。溫度循環(huán)對(duì)接頭拉脫應(yīng)力和泄漏壓力的影響分別見圖9和圖10。
 
    研究結(jié)果表明:①接頭的連接強(qiáng)度隨溫度升高先增加后減小,400℃時(shí)的連接強(qiáng)度比室溫時(shí)的連接強(qiáng)度降低約15%。接頭的泄漏壓力有相同的變化規(guī)律,400℃時(shí)的泄漏壓力比室溫時(shí)降低約20%。這是由于管子（10鋼）比管板材料（16Ｍｎ鍛件）的熱膨脹系數(shù)高,在室溫時(shí)二者差2.97×10-6/℃,隨著溫度升高,差別逐漸減小,到400℃時(shí)降為0.22×10-6/℃,但與此同時(shí)材料的屈服強(qiáng)度降低,因此接頭連接強(qiáng)度和密封能力有上述規(guī)律。②經(jīng)過第1個(gè)升溫 降溫循環(huán)回復(fù)到室溫后,接頭連接強(qiáng)度和密封能力比脹接結(jié)束后都有所降低,接頭經(jīng)過第2個(gè)和第3個(gè)循環(huán)后連接性能不變,該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[11]報(bào)道的機(jī)械脹接的情況相似。
3　結(jié)語
（1）利用接觸單元技術(shù),能模擬依靠過盈或塑性變形形成連接件的強(qiáng)度和密封性能,并能考慮工作載荷對(duì)其連接性能的影響,對(duì)類似工程問題的解決有借鑒價(jià)值。
（2）在ＧＢ151-1999《管殼式換熱器》中規(guī)定,管殼式換熱器脹接連接只適用于設(shè)計(jì)溫度小于或等于300℃的場合,但經(jīng)計(jì)算表明只要注意管子與管板材料的匹配和選擇合適的脹接壓力,接頭的連接性能仍然能夠得到保證,相關(guān)資料也有脹接用于高于300℃場合的報(bào)導(dǎo),如艦用鍋爐。因此,標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定還有待商榷。
（3）液壓脹接壓力能夠顯著提高接頭的連接性能,同機(jī)械脹接相比,液壓脹接的成型規(guī)律有所不同,其不易形成過脹,因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加液壓脹接壓力。
（4）通過建立二維軸對(duì)稱模型討論了換熱器液壓脹接接頭連接性能,對(duì)周圍管孔的影響還有待于進(jìn)一步研究。