换热管与管板液压胀接加工工艺研究开题报告

1

研究背景

自全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在大量寻找新能源及在节约能源上研究新途径。作为一种能实现物料之间热量传递的节能设备，换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，是石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业不可缺少的工艺设备之一。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的35%-45%[1]。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。因此换热器的研究备受世界各国的高度重视。

管壳式换热器是使用最多的换热器，由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成，如图1.1。管壳式换热器就是把换热管与管板连接，再用壳体固定。进行换热的两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。两种流体通过换热管进行间壁传热，将热能由高温流体传给低温流体。在工作中，换热器的可靠性和使用寿命很大程度上跟管子与管板的连接质量有关。这是因为它不仅加工工作量大，而且必须使每个连接处在设备运行中，保证介质无泄漏及承受介质压力的能力，一旦管子与管板连接部位发生泄漏事故，将给化工厂带来巨大的经济损失。因此，开发高效率高质量的连接技术是当前换热器制造的一个重要课题。

在换热器的换热管与管板的连接方法中,胀接是换热器制造中最常采用的工艺。目前应用最广泛的胀接技术是机械滚胀法。但用该方法胀接的换热管内壁粗糙,残余应力高,胀紧度难于控制,而且操作时工人劳动强度大,效率低。为了克服机械胀接的缺点,找到适合我国国情,同时又具有国际先进水平的柔性胀接技术,我们对国内外橡胶胀接

和“O”形环液压胀接技术进行了分析研究,认为这两种新型的胀接技术在克服机械胀接的缺点方面有着各自的优势,并且具有明显的互补性。为此,在充分吸收橡胶胀接和“O”形环液压胀接的技术优势的基础上,成功开发出了液压胀接技术。作为一种新兴的连接方法，液压胀接的具体操作方法尚处于试验阶段，要得出适用于所有情况的操作规则，还有待于研究。

图1.1

管壳式换热器

2

文献综述

2.1

连接方式的分类

换热管与管板的连接方式根据换热器的使用条件及加工条件的不同而分为强度胀接、强度焊、强度焊接+贴胀、强度张+密封焊。强度胀接是指保证换热管与管板连接的密封性能和抗拉脱强度的胀接；贴胀是指为消除换热管与管孔之间间隙的轻度胀接；强度焊接是指为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接；密封焊是指为保证换热管与管板连接的密封性能的胀接[2]。

胀接方法受温度限制比受压力限制大。因为随着温度的升高，换热管与管板的刚度下降，胀接应力松弛，热膨胀应力增大，最后引起接头脱落或松动，从而发生泄漏。由于强度胀接接头不仅受温度的影响，还受操作压力、材质和其他条件的影响，因而强度胀接适用于设计压力小于4MPa，设计温度小于300℃，操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及无严重的应力腐蚀的场合。

换热管与管板的胀接由非均匀胀接和均匀胀接两大类。非均匀胀接指机械滚胀，均匀胀接包括液压胀接、液袋胀接、橡胶胀接以及爆炸胀接。机械滚胀是利用滚柱胀管器伸入插在管板孔中的换热器的端部，旋转胀管器使管子直径增大并产生塑性变形，而管板只产生弹性变形。取出膨胀管后管板弹性变形恢复，使管板与管子之间产生一定的挤压力而贴合在一起，从而达到紧固与密封的目的。由于机械滚胀能较好地耐反复热循环，能抵抗热冲击及热膨胀差产生的轴向力，换热管的更换修补较容易，且操作简单，适用范围广，所以机械滚胀是目前我国企业内使用最多的连接方法。同时，机械滚胀也存在着许多不足之处，如不容易控制管板的胀度，各管胀度的均匀性差，即各管子的连接强度和紧密性不均匀，管子的可焊性差，以及劳动条件差，生产率低，且对小管径或厚壁管无能为力等。

正是由于机械滚胀存在不少问题，所以无论是企业还是研究院都很积极研究新的连接方法，其中液压胀接就是其中一种。液压胀接作为胀接方法的一种，在基本的思路上与机械滚胀是一样的，只是操作的方法与使用的装备不同，二者都是利用压力让换热管发生塑性变形，管板发生弹性变形，然后泄压，让管板回弹，然后与换热管贴紧，从而达到连接的目的。

液压胀接时将心轴塞进管端，依靠心轴两端设置的O型密封环密封，把高压油或水直接加入管内，使管壁受到必要的高压力，从而达到胀管的目的。液压胀接具有自己的优点，其优点为管壁受力均匀，管子轴向伸长少，无加工硬化现象，密封性好，无缝管和有缝管都能胀接。但是液压胀接时，靠近管板表面的部位无法施胀，且液压胀接对管内有污染[1]。

图2.1

管子液压胀接变形示意图

图2.2

液压胀接示意图

2.2

液压胀接的原理和主要特点

2.2.1

原理

液压胀管过程通常可分为三个阶段,见图2.3。

（1）对换热管内表面施加均匀内压,使换热管发生完全塑性变形,直到换热管外壁与管板孔内壁接触。这一阶段管板不受力,也称为换热管的变形阶段，对应图2.3中1—2—3—a

点结束。

（2）胀接压力继续增加,直至管板孔壁部分或全部进入塑性状态,这一阶段称为对管板加载阶段。当管板不发生塑性变形时对应图2.3中a—4—b

或到c

点结束,当管板发生塑性变形时对应图2.3中a—4—b—c—d

或到e

点结束。

（3）当胀接压力达到预定值时,卸去胀接压力,管板产生弹性恢复力施加在胀后的管子外壁上形成接触压力,从而达到胀接的目的。当管板不发生塑性变形时对应图2.3中b—5—f—g

(

当材料无严重的包辛格效应时)

或b—5—f—gˊ(

当材料有严重的包辛格效应时),当管板发生塑性变形时对应图2.3中d—5—h—i(

当材料无严重的包辛格效应时)

或d—5—h—iˊ(

当材料有严重的包辛格效应时)

[3]。

图2.3

胀接原理图

2.2.2

主要特点

（1）胀管芯轴插入管子而不损伤管子内孔,设备操作移动方便。

（2）胀管深度及定位精确,最大限度地保证管子与管板的根部间隙减小。

（3）液压胀管压力能精确设定并重复定位,胀管质量能得到充分保证,胀管附加应力及拉脱力能够预测。

（4）液压胀管无机械挤压产生的冷作硬化,根部残余应力较小,腐蚀倾向比机械滚压胀接小得多。

（5）液压胀管可对任意管板厚度的换热器进行全程胀接。

（6）液压胀接操作时间短,只需几秒钟,效率高。

图2.4

胀管机工作原理示意图

1.油箱；2.高压油泵；3.换向阀；4.增压缸；5.增压活塞；6.高压软管；7.操作手柄；8.换热管；9.管板；10.溢流阀；11.压力表

2.3

胀接压力的计算

液压胀接时,胀管压力均匀地作用于管子内壁,因而可容易地对胀接过程进行分析。由于实际管板为多孔平板,为了便于分析,采用单管模型,并假定材料为理想塑性,服从Tresca

屈服准则。由于管板孔中开适当宽度的槽后,胀接接头的连接强度都超过管板不开槽的效果,为了便于分析,管板孔内壁按不开槽计算。残余接触压力可由下式计算

pc*=（1-2c）pi-σst㏑Kt

（1）

此处

c=1/{K2t（1-μt）+1+μt+{[Et（K2S-1）]/

[ES（K2S-1）]}[1-μs+

K2S（1+μs）]}

(2)

由式（1）可以看出,在同样的胀接压力下,降低管子的屈服强度有利于提高胀接后管子与管板之间的残余接触压力。当换热管与管板材料及管孔结构尺寸给定时,c

为定值。

若f

为管子外表面和管板孔之间的摩擦系数,[

q

]

为许用拉脱力,对于贴胀取[

q

]=2.0MPa,对于强度胀取[

q

]

=

4.0MPa,残余接触压力应满足

pc*≥[

q

]/f

（3）

将上式代入式（1）,可知强度胀的胀接压力许用值应满足如下关系

[pi]≥{[

q

]/f+σst㏑Kt}/（1-2c）

（4）

最大胀接压力为管板模型外表面发生屈服时的压力,即

pimax=σst㏑Kt+σss㏑Ks

（5）

因此胀接压力的选取范围为

pimax≥[pi]

≥{[

q

]/f+σst㏑Kt}/（1-2c）

（6）

当密封压要求较高时,除了要在管板孔内开环形槽外,胀接压力应适当向上选取。由于液袋胀接的胀头使用寿命与胀接压力有关,胀接压力过高,胀头寿命就会降低,使胀接成本上升。因此,胀接压力的提高是以提高成本为代价的。而且对于强度胀,若胀接压力超过pimax,就可能在胀接时发生管板的塑性区与周围的已胀好接头的残余应力区的干涉,引起周围接头的残余接触压力的降低,严重时会造成试压或工作时发生泄漏,这就是所谓的过胀现象。过胀发生后,如果进行补胀,泄漏区将会扩散到相邻的接头。实际应用表明,适当加大开槽宽度,可以在不增加胀接压力的情况下,提高胀接接头的密封压力和拉脱力。因此,在确定强度胀接的胀接压力时,只要使所选压力满足式（4）或适当大些即可,而不必追求过高的胀接压力[4]。

2.4

影响胀接残余应力的主要因素分析

换热管与管板的接头强度通过测量管外表面与管板孔表面之间的残余接触应力来得到，所以要想知道其连接强度，我们可以分析残余接触应力，这可以通过其影响因素来预先分析。这些影响因素有管子和管板的屈服强度、管子和管板孔之间的初始径向间隙、管子与管板接触面的摩擦因素，以及胀接压力、管子很管板的弹性模量等。

图2.5

胀接压力与残余接触应力的关系

2.4.1

管子和管板的屈服强度比与接触压力关系

管子与管板屈服强度之比对胀接压力的选取和接触压力的大小有重要影响,在胀接过程中管子先屈服,管板后屈服的情况较多,因为胀接完成时管板依然保持较好的弹性是胀接效果的关键。如果管子材料的屈服强度小于管板材料的屈服强度,需要的胀接压力较小而且胀接密封效果更能保证。如果管子材料的屈服强度大于管板材料的屈服强度,需要的胀接压力则需要加大,而且密封效果可能不佳。因此,对于管子材料的屈服强度大于管板材料的屈服强度的情况需要加以分析,从而保证能提供适当的胀接压力。

根据不同的屈服强度比,计算得管子和管板的屈服强度比与接触压力关系见图2.6。理论上管子与管板的屈服强度比增大,管子的屈服会更难,而管板的屈服变得相对容易,这样管板回弹能力比管子弱,残余接触压力会减小[5]。

图2.6

屈服强度与接触应力的关系

2.4.2

管子与管板孔间的间隙对胀接的影响

管板间隙是按照GB151—1999《管壳式热交换器规范》选取的。一般都能保证在胀接间隙消失时管子已经全部屈服。胀接时管子首先发生屈服变形至管板孔内壁,继续加压,管板变形至一定量后卸去内压,管板回弹,紧紧地卡住管子,胀接完成。因此间隙太小,管子没有完全屈服;间隙太大,管子可能破环,导致密封性能不佳,并且需要更大的胀接压力,导致胀接性能不易掌控。所以间隙的控制是胀接工艺的一个关键点。分别用有限元分析和幂硬化模型进行计算,得到间隙与胀接压力之间的关系见图2.7。

图2.7将幂强化模型计算结果和有限分析模型的结果相比较,2

条曲线对应的残余接触压力都是5.25MPa,结果显示间隙越大,需要的胀接压力越大,但不是无限增大,还要受到其他因素的限制。在相同的残余接触压力的前提下,幂强化模型和有限元模型均体现了胀接压力随间隙的增大而必然增大的规律。当间隙增大到一定程度后,胀接压力增加的程度减缓,而且在胀接压力值达到最大后回落[6]。

间隙对胀接压力及胀接残余应力的影响较为复杂,一般来说,管子、管板材料的塑性较好,材料的拉伸应力应变曲线从屈服点到开始强化有一个波动区域。当实际间隙为设计间隙时,管子的形变分析过程可以采用理想弹塑性假设,如果有超差情况则需要考虑材料强化的影响。

图2.7

间隙与胀接应力的关系

图2.8

c=0.0508mm

Ett=3.45GPa时纵向应力分布

图2.9

c=0mm

Ett=3.45GPa时纵向应力分布

2.4.3管子管板接触面的摩擦因数

一般认为,粗糙的管板孔,其胀接接头强度高;

管板孔光滑,则接头密封性能好。但也有文献认为,管板孔过于粗糙时,由于管子产生轴向伸长使孔壁粗糙面凸起部分剪断,接头强度反而降低。GB151—1999

标准指出,“光滑的管孔能在壁厚减薄较小的情况下提供紧密的耐压连接”,“薄的管子比厚管子需要较高的管孔粗糙度要求”

。因此,虽然JB1147—1980

中规定“管孔粗糙度不低于Ra3.2μa

即可”,但对于希望胀接率不要太高的铜、钛、不锈钢管子(

其延性低,易产生加工硬化或有抗腐蚀要求),其管孔粗糙度不低于Ra1.6μa

为好[7]。

通过前人的研究发现,管板孔内表面与管子外表面的接触摩擦因数通常在0.2~

0.6。采用数值模拟方法考察表面摩擦因数对胀接残余接触压力的影响进行研究,采用ANSYS

轴对称模型,分别取表面接触摩擦因数为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6进行模拟计算。计算结果发现,管板孔和管子间的表面接触摩擦因数对于胀接残余接触压力在数值上的影响非常小。考虑到表面接触摩擦因数对拉脱力的影响很大(

在相同的接触压力下,表面接触摩擦因数越大,计算得到的拉脱力就越大),在工程计算中常偏于保守,通常建议选取管子-

管板孔间表面接触摩擦因数为下限值0.2。

2.4.4胀接压力与残余接触应力的关系

如下表格显示了不同胀接压力下的残余接触应力[8]：

表2.1

胀接压力对参与接触应力的影响

胀接压力MPa

110

130

150

170

190

210

接触应力

MPa

46

81

137

185

252

276

残余接触应力MPa

0

20

46

72

81

87

残余接触应力与接触应力的比率/%

0

24.69

33.58

38.92

34.91

34.52

2.5

拉脱力实验

衡量换热设备管子与管板胀接效果的重要指标是拉脱力和密封能力。这只有通过控制胀接接头的胀紧度来保证。用机械胀管法制造换热设备时,主要通过胀管率来控制胀紧程度,这是因为在机械胀接过程中,影响胀紧度的因素很多,人们在实践过程中,只能用胀管率这种经验数据来衡量胀紧效果。实际上,胀管率反映了管子的相对变形程度。但管子胀管率与拉脱力、密封能力并不能建立直接的关系,在操作中胀管率必须在很大的范围内用试验或经验来选择。由于液压胀接是一种对换热管内壁施加均匀压力的柔性胀接技术,其加载和卸载过程与机械胀接技术相比要简单得多。经过一些适当的简化,完全可以从理论上对液压胀接进行分析。从液压胀接技术的本质来看,衡量胀接效果的重要指标应是残余接触压力。残余接触压力与胀接压力之间的关系已被证明是线性关系。只要满足了一定的残余接触压力,管开适当的槽宽,就能满足拉脱和密封能力的要求。从胀接压力的计算公式中可以看出,换热管的真实屈服限对胀接压力的选取有很大影响。对换热管来说,大多数都是冷拔管,钢厂在供货时所提供的只有屈服限的保证值。对于20

钢以上的材料,拉伸曲线的应变强化阶段很长,当退火不完全时,其真实屈服限远大于理论值,使得管子弹性范围增加,在胀接压力去除后,管子回弹量增加,给胀管造成不利的影响。这只有靠提高胀接压力或对换热管进行退火来解决。前者将有可能造成过胀和胀接成本的提高,后者则可降低胀接成本并使胀接接头具有最低的残余应力。显然,对换热管端部进行局部退火,保证胀接接头的质量、降低胀接成本和提高换热设备的使用寿命具有重要的意义。

2.5.1实验原理

拉脱力是衡量胀接效果的重要指标之一。当管板不开槽时,胀接接头的拉脱力高,其密封性能也好。对于工程计算,胀接接头的拉脱力

W=2πr0lfpc

（7）

将式（1）

代入式（7）,则有

W=2πr0lfpc

[pc*=（1-2c）pi-σst㏑Kt

]

（8）

也就是说,只要知道摩擦系数和胀接压力,就可以求得拉脱力。

图2.10

拉脱力的实验值和理论值

2.5.2实验方法与结果

为了验证式（7）的正确性,我们分别以100MPa,120MPa,140MPa,160MPa,180MPa的胀接压力进行了实验,式中摩擦系数取0.15。实验中单管模型的外经为40毫米,内径为25.4毫米,长100毫米。材料为35钢,其内径公差按照GB151-

89

加工,模型内不开槽。换热管规格为Φ25mm×2.

5mm,材料为10

号钢,不退火。

实验结果如图2.10所示。从图中可以看出,在同样的胀接压力下,实测拉脱力大于根据式（7）计算所得的理论拉脱力,在胀接压力较低时,拉脱力的实验值与理论值的偏差较大。这可能是由于在胀接压力较低时,换热管与管板接触的粗糙表面未产生较大的变形,此时的摩擦系数大于所取文献中所给的值。随着胀接压力的提高,接触表面小的凹坑产生塑性变形,接触表面趋于光滑,其摩擦系数更接近于所取的数值,拉脱力的偏差也随之减小。由于实验所得的拉脱力大于理论值,用式（7）计算拉脱力偏于保守。

3

技术路线

本文运用有限元分析软件ANSYS对工艺参数与残余接触应力的关系进行模拟分析，已得到使用与一定场合内的数据标准。可以将其分为以下几个步骤;

（1）.确定试样材料和几何参数

（2）.有限元建模

（3）.数值计算

（4）.结果与讨论

（5）.结论

4

进度安排

1-4周

开题报告，文献翻译

5-6周

确定部件的初始尺寸

7-9周

ANNSYE软件建模

10-14周

应力分析，调整结构尺寸，并得出结论

15-17周

撰写论文

18-19周

论文定稿打印，答辩

参考文献

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换热器的液压胀管研究(二)

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胀接压力的确定.

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36～40