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管子与管板连接接头的强度和密封性能研究

段成红  
【摘要】: 目前我国已经成为制造大国,但却不是制造强国,特别是在石油、化工、能源等工业制造领域。管壳式换热器在这些工业领域中有着广泛地应用,而换热器中管子与管板的连接接头(包括胀接接头、焊接接头以及胀焊结合接头)是制造过程中数量最多、变形最复杂、使用过程中失效最为频繁的地方。因此,对管子与管板连接接头的强度和密封性能的研究有着广泛的工业应用价值和较大的理论研究意义。 本论文首先通过试验获得了接头相关材料的应力应变曲线,为随后的非线性数值模拟取得了材料性能数据,从材料角度保证了计算结果的正确性。 其次,论文对液压胀接接头、焊接接头、胀焊结合接头进行了接头强度的试验研究和数值模拟分析,重点对比研究了这些接头在常温下拉脱力的大小和失效形式。在本论文研究的参数范围内发现:胀接接头的拉脱力远小于焊接接头的拉脱力,约为其大小的1/6-1/5,即焊接接头承载能力明显高于胀接接头。焊接、先焊后胀以及先胀后焊这三类接头的拉脱力相差较小,且焊接接头的拉脱力还略大于后两种情况,说明这三种接头的轴向连接强度并没有本质区别;胀焊结合接头中胀接压力大小对拉脱力影响不大。焊接接头拉脱破坏时,其断裂面沿着管子轴线方向,并且紧贴管子外表面,为剪切破坏;胀焊结合接头拉脱破坏时表现为接触面首先分离,然后焊缝才开裂,且与焊接接头破坏形式基本相同。论文的数值模拟结果和试验结果非常吻合。 然后,论文对先胀后焊接头的形成过程进行了模拟。先胀后焊接头在胀接后管子与管板接触面上将有残余接触压力存在,随后的焊接所产生的热载荷将对该残余接触压力产生影响,同时接触面上的接触状态也将影响焊接热载荷的分布和传递,即他们是相互影响的。本文通过热-固(热-结构)结合分析计算了焊接温度从室温20℃升至1500℃又降回到20℃时,各个温度下接触面上的残余接触压力。热分析考虑了辐射和对流,且假设金属材料的热属性相同但随温度变化。结构分析中常温材料弹塑性应力应变曲线采用材料的真实拉伸试验曲线,其他温度下的材料弹塑性曲线进行了适当、合理的假设。计算结果表明,胀接后再焊接,若不考虑焊接引起的材料组织结构的变化,在热弹塑性范围内,管子与管板间的残余接触压力随温度发生了较大的变化,特别是在温度较高时离焊缝较近的上密封环带峰值压力几乎消失,下密封环带峰值压力也所剩无几,但恢复到室温后,残余接触压力最终没有明显变化,或者说依靠胀接残余接触压力所建立的密封性能和抗拉脱能力都没有明显变化。此结果也说明,胀焊结合接头的连接形式是合理的,是能够提高接头的使用可靠性和长期性的。 最后,为了模拟液压胀接接头在工作环境中的密封性能,本文还计算了管程、壳程流体压力不同、温度不同,以及接头整体温度高低对密封环带上最小残余接触压力的影响。计算结果表明,在相同的胀接压力下,若管程工作压力高于壳程工作压力,接头密封性能增强,且上密封环带受压差的影响大于下密封环带。在相同的胀接压力下,若管程工作温度高于壳程工作温度,由于管板上下表面分别接触的是管程介质和壳程介质,上密封环带数值明显减小,下密封环带数值明显增大,接头密封性能增强。反之,若管程温度低于壳程温度,接头密封性能略有减弱。在相同的胀接压力下,若管、壳程的温差恒定,随着流体温度的升高,接头密封性能略有下降。


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