（化工过程机械专业论文）双管板换热器内管板与换热管连接结构的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 双管板换热器是在常规换热器的管板侧再添加一块管板，起到一道密封防 线的作用，便于及时检查换热管与管板接头处焊接或胀接的泄漏情况。主要用 于管程介质与壳程介质相混会发生重大事故的场合。在双管板换热器中，换热 管与两管板相连，其连接的好坏直接影响换热器的可靠性。目前常用的液压胀 接技术是双管板换热器管板与换热管连接的重要手段，液压胀接压力的大小直 接关系到换热管与管板连接的稳定性，所以选取合适的液压胀接压力是关键。 另外，两管板之间的间距也是影响换热管与管板连接紧密性的重要因素。目前 液压胀接压力和内外管板间距等参数在设计制造中还没有相应的标准规范，仅 依据经验和试验数据选取。本论文以试验和数值模拟为手段，对双管板换热器 液压胀接接头以及两管板间距进行了研究，为双管板换热器的工程设计制造提 供参考依据。 论文主要研究内容和结论如下： 1 ) 对不同胀接接头进行拉脱力试验研究，试验结果表明：在一定胀接压力 范围内，管板孔不开槽或者开一槽时，随着胀接压力增大，拉脱力增大。而当 管板孔开两槽时，拉脱力有下降的趋势。适当地增加管板孔的开槽宽度，能提 高胀接接头的拉脱力。管板孔开槽位置越接近管板中心，胀接接头的拉脱力越 大。 2 ) 通过建立液压胀接接头的参数化三维有限元分析模型，分析了不同胀接 压力、管板孔开槽个数、开槽宽度、开槽位置对胀接接头残余接触压力的影响。 模拟结果表明：一定的胀接压力范围内，胀接压力越大，残余接触压力越大。 胀接后在管子与管板接触面上都存在一条或多条密封环带，其上的残余接触压 力较高；管板孔开两道环形槽时，管子与管板液压胀接接头的残余接触压力要 比光孔胀接接头的高很多，但较开一道槽的结构高的不是很多；适当地增加管 板孔开槽宽度，可以提高胀接接头的残余接触压力；开槽位置在靠近管板中心 的残余接触压力较靠近管板端面的大。 3 ) 在参数化三维有限元分析的基础上将三维模型简化为二维模型，对双管 板换热器内管板胀接结构的胀接压力进行优化，得到了最佳胀接压力。数值模 拟结果与试验结果趋势一致。 4 ) 对两管板间距的研究表明：管板间距越小，内管板与换热管连接接头的 t r e s c a 应力越大；间距增加，双管板换热器内管板胀接的均匀性受到影响。 对该间距进行优化设计，得到了最优的管板间距，为双管板换热器的设计提供 了依据。 关键词双管板换热器内管板连接结构优化设计 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t d o u b l et u b e s h e e th e a te x c h a n g e ri sak i n do fh e a te x c h a n g e rw h i c ha d d s a n o t h e rt u b e s h e e tn e a rt h eo r i g i n a lt u b e s h e e tf o rt h ec o n v e n t i o n a lh e a te x c h a n g e r t h ea d d e dt u b e - s h e e tp l a y sar o l ea sas e a l i n gl i n eo fd e f e n s ea n dm a k e se a s i l yf o r t h ei n s p e c t i o no ft h el e a k a g e sb e t w e e nt h ew e l d i n gjo i n t so re x p a n d e djo i n t so ft u b e s a n dt u b e s h e e t i ti sm a i n l yu s e df o rt h eo c c a s i o nt h a tt e r r i b l ea c c i d e n tm a yt a k e p l a c ew h e nm e d i ai nt u b es i d ea n ds h e l ls i d em i xt o g e t h e r t h ep r o p e rc o n n e c t i o n jo i n t sb e t w e e nt u b e sa n dt h et w ot u b e - s h e e t sd i r e c t l ya f f e c tt h er e l i a b i l i t yo fh e a t e x c h a n g e r r e c e n t l y ，h y d r a u l i ce x p a n s i o ni sc o m m o n l yu s e df o rt h ec o n n e c t i o no f t u b e sa n dt u b e s h e e t t h ep r o p e re x p a n d i n gp r e s s u r ed i r e c t l ya f f e c t st h es t a b i l i t yo n t h ej o i n t so ft u b e sa n dt u b e s h e e t t h e r e f o r e ，t h ea p p r o p r i a t es e l e c t i o no fh y d r a u l i c e x p a n s i o np r e s s u r ei sv e r yi m p o r t a n t i na d d i t i o n ，t h es p a c i n gb e t w e e ni n n e ra n d o u t e rt u b e s h e e tf o rd o u b l et u b e s h e e th e a te x c h a n g e ri sa l s oa ni m p o r t a n tf a c t o r w h i c ha f f e c t st h et i g h t n e s so fc o n n e c t i o nj o i n t s a tp r e s e n t ，t h e r ei sn oc o r r e s p o n d i n g s t a n d a r dc o n c e r n i n gt h ed e t e r m i n a t i o no fh y d r a u l i cp r e s s u r ea n dt h es p a c i n gb e t w e e n t w ot u b e s h e e t s ，t h es e l e c t i o no ft h ea b o v ep a r a m e t e r sc a no n l yr e l yo ne x p e r i e n c e a n de x p e r i m e n t a ld a t a i nt h i st h e s i s ，t h eh y d r a u l i ce x p a n s i o nj o i n t sa n dt h es p a c i n g b e t w e e nt w ot u b e s h e e t sf o rd o u b l et u b e s h e e th e a te x c h a n g e rw e r es t u d i e db y m e a n so fe x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i sr e s e a r c hp r o v i d e sar e f e r e n c e f o rt h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go f d o u b l et u b e s h e e th e a te x c h a n g e r t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) t h ep u l l o u tf o r c ee x p e r i m e n t sf o rd i f f e r e n te x p a n d i n gjo i n t sw e r em a d e ，a n d i ts h o w st h a tu n d e rc e r t a i np r e s s u r er a n g et h ep u l l o u tf o r c eo ft h ejo i n t sw i l l i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fe x p a n s i o np r e s s u r ew h e nn og r o o v eo ro n eg r o o v e e x i s t si nt u b e - s h e e t b u tt h ep u l l o u tf o r c eo ft h ee x p a n d i n gjo i n t sw i l lg r a d u a l l y d e c l i n ew h e nt w og r o o v e se x i s ti nt u b e s h e e t f o re x p a n s i o nj o i n t s ，t h ep u l l o u t f o r c e sw i l li n c r e a s ew i t ht h ep r o p e ri n c r e a s i n go fg r o o v ew i d t h a n dt h ec l o s e rt h e g r o o v ep o s i t i o nt ot u b e s h e e tc e n t e ri s ，t h eg r e a t e rt h ep u l l o u tf o r c eo fe x p a n s i o n a b s t a c t j o i n t1 s 2 1b yb u i l d i n ga3 一dp a r a m e t e r i z e df i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rh y d r a u l i c a l l y e x p a n s i o njo i n t s ，t h ee f f e c to fe x p a n s i o np r e s s u r e s ，g r o o v en u m b e r so ft u b e - s h e e t h o l e ，g r o o v ew i d t h s a n dg r o o v el o c a t i o n so nt h er e s i d u a lc o n t a c t p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n so fe x p a n d i n gjo i n t sw e r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r e s i d u a lc o n t a c tp r e s s u r ef o re x p a n s i o nj o i n t sw i l li n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f e x p a n s i o np r e s s u r eu n d e rt h ec e r t a i np r e s s u r er a n g e t h es e a l i n gc i r c u l a r b a n d se x i s t o nt h ec o n t a c ts u r f a c eb e t w e e nt h et u b ea n dt h et u b e s h e e tu n d e rt h ea c t i o no ft h e e x p a n s i o np r e s s u r e t h er e s i d u a lc o n t a c tp r e s s u r eo nt h es e a l i n gc i r c u l a r b a n d si s h i g h e rt h a nt h a to fo t h e rp o s i t i o n s t h er e s i d u a lc o n t a c tp r e s s u r eo ne x p a n s i o nj o i n t s w i t ht w og r o o v e si sm u c hh i g h e rt h a nt h a to fu n g r o o v e de x p a n s i o n jo i n t s ，a n di sa l i t t l eh i g h e rt h a nt h a to fe x p a n s i o nj o i n t sw i t ho n eg r o o v e t h ep r o p e ri n c r e a s eo f g r o o v ew i d t hc a ni n c r e a s et h er e s i d u a lc o n t a c tp r e s s u r eo fe x p a n d i n gjo i n t s a n dt h e c l o s e rt h eg r o o v ep o s i t i o nt ot u b e s h e e tc e n t e ri s ，t h eg r e a t e rt h er e s i d u a lc o n t a c t p r e s s u r eo fe x p a n s i o nj o i n ti s 3 ) t h et w o - d i m e n s i o n a lm o d e lw a sg o tb yt h e s i m p l i f i c a t i o n o f t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lb a s e do nt h e3 一dp a r a m e t e r i z e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， a n dt h e nt h ei d e a le x p a n s i o np r e s s u r ew a so b t a i n e db yt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f e x p a n d i n gs t r u c t u r e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sc o i n c i d ew i t ht h o s eo f e x p e r i m e n t 4 ) t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h es p a c i n gb e t w e e nt w ot u b e - s h e e t s ，i ts h o w st h a t t h es m a l l e rs p a c i n gb e t w e e nt w ot u b e - s h e e t si s ，t h eg r e a t e rt r e s c as t r e s si n t e n s i t y o ni n n e rt u b e s h e e ta n dt u b e sc o n n e c t i n gj o i n ti s t h ei n c r e a s eo fs p a c i n gu n b e n e f i t t h eu n i f o r m i t yo fi n n e rt u b e - s h e e te x p a n s i o n t h ep r o p e rs p a c i n gb e t w e e nt w o t u b e s h e e t sw a sf i n a l l yo b t a i n e db yo p t i m i z a t i o nd e s i g n i tp r o v i d e sa ne f f e c t i v e m e a n sf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fs p a c i n gb e t w e e ni n n e ra n do u t e rt u b e s h e e tf o r d o u b l et u b e s h e e th e a te x c h a n g e r s k e y w o r d sd o u b l et u b es h e e th e a t e x c h a n g e r ；i n n e rt u b e - s h e e t ；c o n n e c t i o n s t r u c t u r e ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 双管板换热器简介1 1 2 双管板换热器换热管与管板的连接3 1 3 液压胀管及内外管板间距的研究现状及发展7 1 3 1 液压胀接的研究现状及发展7 1 3 2 管板间距的研究及发展1 0 1 4 有限元数值分析方法简介1 1 1 4 1 有限元数值分析的发展及其趋势1 1 1 4 2a n s y s 有限元分析软件简介1 3 1 5 本文的研究目的、意义和主要内容1 4 1 5 1 本文的研究目的、意义1 4 1 5 2 本文研究的主要内容1 4 第2 章单管液压胀接接头试验研究1 9 2 1 材料性能试验1 9 2 1 1 试验目的19 2 1 2 试验方法及过程1 9 2 2 液压胀接接头的胀接及拉脱试验2 1 2 2 1 试验目的2 l 2 2 2 试验方法及过程2 1 2 3 试验结果及分析2 3 2 3 1 试验数据2 3 2 3 2 不同胀接压力的影响2 8 2 3 3 开槽个数的影响2 8 目录 2 3 4 开槽宽度的影响2 9 2 3 5 开槽位置的影响2 9 2 4 试验结论一3 0 第3 章双管板换热器内管板胀接接头的三维有限元分析3 1 3 1 引言31 3 2 有限元几何模型的选取及胀接接头的结构3 2 3 2 1 几何模型的选取3 2 3 2 2 内管板胀接接头结构的几何尺寸3 3 3 3 胀接接头有限元模型的建立3 4 3 3 1 单元类型的选取3 4 3 3 2 管子与管板的材料特性3 6 3 3 3 有限元几何模型3 7 3 3 4 管子与管板间接触的定义3 8 3 3 5 力载荷与边界条件3 9 3 4 胀接接头应力分析4 0 3 4 1 不同胀接压力下胀接接头的残余应力分布4 0 3 4 1 1 管板孔不开槽4 0 3 4 1 2 管板孔开一槽4 3 3 4 1 3 管板孔开两槽4 6 3 4 2 管板孔开槽个数对胀接接头平均残余接触压力的影响4 8 3 4 3 管板孑l 开槽宽度对胀接接头平均残余接触压力的影响4 9 3 4 4 管板孔开槽位置对胀接接头平均残余接触压力的影响5 0 3 5 本章小结5 0 第4 章内管板胀接压力的优化5 2 4 1 引言5 2 4 1 1 选取合适胀按压力的意义5 2 4 1 2 胀接压力的选取5 2 4 2 优化设计5 4 4 2 1 优化设计理论5 4 硕士学位论文 4 2 2 a n s y s 优化设计5 5 4 3 二维胀接模型胀接压力的优化5 8 4 3 1 二维优化模型5 8 4 3 2 优化计算过程及结果分析6 0 4 4 密封性能试验6 3 4 5 本章小结6 4 第5 章双管板内外管板间距的优化6 6 5 1 引言一6 6 5 1 1 双管板内外管板间距优化研究的意义6 6 5 1 2 双管板内外管板间距优化研究的方法6 6 5 2 双管板间距l 的理论计算6 6 5 3 u 型管式双管板换热器的结构参数6 7 5 4 基于a n s y s 的双管板简化模型应力计算6 8 5 4 1 分析方法简介6 8 5 4 2 模型的选取6 9 5 4 3 单元的选取及载荷和边界条件6 9 5 4 3 1 单元的选取6 9 5 4 3 1 载荷和边界条件7 0 5 4 4 模型的应力场分布7 0 5 5 基于a n s y s 的内外管板的间距优化7 2 5 5 1 优化设计7 2 5 5 2 优化结果7 2 5 6 本章小结7 3 第6 章总结与展望7 5 6 1 总结7 5 6 2 后期工作展望7 6 致谢7 7 附录一7 8 1 i i 目录 在读期间发表论文情况8l i v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 双管板换热器简介 双管板换热器主要用于管壳程间物料相混合后会产生严重后果的场合。其 结构一般有两种型式：普通型双管板换热器( 图1 1 ) 和整体式双管板换热器( 图 1 2 ) 。 整体式双管板如图1 2 ，该管板是由一块厚度大于两块管板厚度之和厚度制 成。在制作过程巾，按要求钻孔后，再用特殊的刀具在每一管板所需厚度的交 接处，开一大于换热管中心距的圆槽( 开槽高度由设计而定，但必须保证两管 板的厚度) 。圆槽之间相互沟通，形成一间隙，在管板边缘处开两个接e l 孔( 开 孔高度应在两管板之问) ，以排除及测试流体渗透的情况uj 。在实际应用中，由 于整块式管板加工麻烦，所以很少使用，采用普通型双管板较为普遍。 图1 1普通型双管板图1 - 2 整块式双管板 f i g 1 1o r d i n a r yd o u b l et u b e s h e e th e a tf i g 1 - 2t h es i n g l eb l o c ko fd o u b l et u b e - s h e e t e x c h a n g e r h e a te x c h a n g e r 普通双管板结构又可以分为两种：一种为固定管板式双管板换热器，换热 器两侧各有内外管板，如图1 3 所示。另一种为u 型管式双管板换热器，换热 器一侧有内外管板，如图1 4 所示。在内外两管板之间，通常用一聚液壳体彼 此相接，聚液壳体用来封闭相邻两管板问的间隙，以收集渗漏出的流体及防止 有毒气体外泄，同时可在聚液壳体内充入惰性气体或充满液体，该气体或液体 的压力需比管内和管间的压力稍高，充入聚液壳体中的气体或液体允许渗漏， 但必须不影响两侧流体工作状态【2 j 。 第1 章绪论 图1 3固定管板式双管板换热器结构示意图 f i g 1 3s t r u c t u r eo f f i x e ds h e l la n dt u b ed o u b l et u b e s h e e th e a te x c h a n g e r 图1 4u 型管式双管板换热器结构示意图 f i g 1 - 4s t r u c t u r eo fu - t u b ed o u b l et u b e s h e e th e a te x c h a n g e r 与单管板换热器相比，双管板换热器增加部分为外管板、内外管板之间的聚 液壳体。因此这些部分的设计制造是双管板换热器的重点。由于双管板换热器结 构的特殊性，其设计制造方法并未列入g b l 5 1 1 9 9 9 管壳式换热器 3 中，所以 其管板段的设计制造仍然是一个难题。这些问题主要包括：管子与管板的连接施 胀、管板的强度设计以及内外管板间距的设计等。 通常情况下，内管板与换热管的连接方式采用胀接，外管板采用焊接或胀接。 管板与管子的连接紧密性是双管板换热器的制造要点，胀接的好坏对双管板换热 器的稳定性有很大影响。控制好胀接压力是保证深度胀管得到稳定、可靠胀接接 头的第一要素。目前对于双管板换热器的内外管板厚度设计，通常采用近似方法 将双管板换热器分解成两部分，然后根据每块管板两侧所接触的介质压力与温度 按g b l 5 1 1 9 9 9 管壳式换热器的相应模块来进行设计计算。国外t e m a 。1 9 9 9 1 4 j 虽然给出了3 种双管板换热器管板设计方法，且规定了双管板中任何一个管板的 厚度都不得小于r 、c 及b 级机械标准中按照胀管连接而确定的最小厚度。但由于 硕士学位论文 双管板结构型式的多样性，因而无法普遍适用。双管板之间的聚液壳体不与管程、 壳程相连通，不承受介质压力，但承受设备的机械载荷与热载荷。该聚液壳体的 承载能力主要取决于双管板间距。因而在确定双管板间距时必须考虑观察、检漏 以及控制管板间管子进行合适挠曲所需要的最小空间。目前对于该间距通常是根 据理论公式或经验要求来进行设计计算。 1 2 双管板换热器换热管与管板的连接 换热管与管板的连接工艺是双管板换热器制造中最为繁冗的操作，其连接 是否可靠将影响整个换热器的正常运行。多一块管板，就多了一个泄漏点，由 此换热管与管板间连接的可靠性就成了影响双管板换热器稳定的重要因素。国 内外生产实践经验及研究资料表明，换热管与管板连接接头的泄漏问题比较普 遍，约占换热器总泄漏台数的8 4 1 。接头泄漏点频数约占总泄漏点的9 9 3 。 其中胀紧度控制不当是主要原因之一【5 。因此，选择适当连接方式和合适的胀 接压力，使每一个管子与管板连接接头都满足质量要求是换热器制造商和用户 所迫切希望解决的问题。 目前常用的管子与管板连接主要有焊接、胀接、胀焊结合三种。无论采取 何种形式，要求满足的基本条件有两个：一是良好的密封性，二是足够的结合 力。 胀接是用胀管器将管板孔中的管子强行胀大，使之发生塑性变形，并与仅 发生弹性变形的管板孔紧密贴合，借助于胀接后管板孔的收缩所产生的残余应 力箍紧管子四周，从而实现管子与管板的连接。当管板与换热管采用胀接时， 管板的硬度应大于换热管的硬度以保证管子发生塑性变形时管板仅发生弹性变 形。由于胀接利用的是一种残余应力，该应力会随着温度的升高而降低，故胀 接不适用于温度大于3 0 0 0 c 、设计压力大于4 m p a 的场合，同时还需要考虑管 板与换热管两种材料的线膨胀系数的差异大小。对于外径小于1 4 m m 的管子， 由于管子太小，一般也不采用胀接的方法【6 j 。 焊接是通过加热或加压并且用( 或不用) 填充材料使焊件形成原子问结合 的一种连接方法。加工方便，连接强度好，在高温高压时也能保证【7 l 。焊接与胀 接相比有如下优点：管孔不需开槽且其表面粗糙度要求不高，管予端部不需 退火和磨光，可用于厚度较小管板，因此制造加工较简便。强度高、抗拉脱 第1 章绪论 力强，而且气密性也好。尤其在高温下或要求接头绝对不漏以及管板为不易胀 紧的不锈钢材料时，采用此法较可靠。缺点是管子破漏需拆卸更换时，若无专 用工具，则较拆卸胀接管子要困难，故一般采用堵死的方法。另外，由于焊缝 一般在管板的一侧，而另一侧管子与管板间存在很长的缝隙，连接的管子与管 板间往往因存在的间隙而产生间隙腐蚀，而且焊接残余应力和应力集中有可能 带来应力腐蚀与疲劳破坏，管子发生失效时，维修、拆卸很不方便。只要材料 的可焊性允许，焊接连接可用于广泛的场合。 由于单纯的焊接连接结构在管子与管板孔之间形成环隙，为了减少间隙腐 蚀、提高连接的强度，改善连接的密封性，可以采用胀、焊结合的结构。胀焊 并用根据对胀、焊所起作用的要求不同，又可分成两种：强度胀加密封焊， 对胀接的要求是承受管子载荷，保证连接处的密封，而焊接起的作用，仅仅是 辅助性的防漏。强度焊加贴胀，用焊接保证强度和密封，贴胀是为了消除换 热管与管板孔问的环隙，以防止产生间隙腐蚀并增强抗疲劳破坏能力。 一般情况下，双管板换热器的外管板与换热管采用强度焊加贴胀，内管板 由于换热管伸出内管板较长，采用焊接会在实际操作中产生很大的困难，且容 易对周围换热管造成影响，故管板与换热管连接多采用开槽强度胀接。外管板 胀接接头由于采用了焊接技术，其密封性及强度要求都能够达到。因此内管板 胀接质量的好坏成为影响双管板换热器可靠性一个至关重要的因素。 胀接主要分为机械胀接、爆破胀接、橡胶胀接和液压胀接。 机械胀接是利用胀管器滚柱对换热管内壁反复滚压，使深入管板孔内的换 热管端部径向扩张，依靠管子与管板两者问的残余应力来达到密封和紧固的胀 接目的。机械胀接不仅能承受一定的轴向力、热冲击和反复热循环，而且操作 简单、使用灵活，在制造和维修中应用较为普遍。但是机械胀管也存在如下缺 点：各管子问的胀度不一，连接强度和紧密度不均；胀管接口的内表面产生硬 化现象，给重复补胀带来困难；管予与管板材料胀接的相容性有一定的限制， 如钛管与碳钢的胀接、铝管与碳钢的胀接等均受到了限制；劳动生产率低，而 且小管径或厚管壁管子的胀接较困难【8 j 。 爆炸胀接是利用炸药瞬问所产生冲击的巨大压力，迫使管子产生高速塑性 变形，把管子与管板胀接在一起【9 j 。这种方法主要适用于管径大、管壁厚、材 4 硕士学位论文 料强度高，要求深度胀接的特殊场合，该胀接方法受爆炸场地、气候、管理和 操作人员的限制。 为克服机械胀管和爆炸胀管的缺点，一些研究人员研究开发了使换热管内 壁受到均匀压力的液压胀管和橡胶胀管等胀接方法【1 0 11 1 。 橡胶胀接技术是在橡胶受力变形的基础上发展起来的，它是利用橡胶弹性 体的轴向压缩产生的径向压力将管子胀接于管板上的。与机械胀接相比，橡胶 胀接后胀紧度均匀、胀接后管子无表面硬化，且对管子尺寸精度和表面粗糙度 要求不高f 12 1 。橡胶胀接的不足之处是加载拉杆的液压操作装置比较笨重，有时 在胀接时必须安装平衡才能进行操作；由于摩擦作用，橡胶胀管压力沿轴向分 布不均匀，难以实现厚管板沿板厚的全程胀接；胀接是通过中间弹性介质橡胶 实现的，因而无法直接测出作用于换热器管子内壁的胀接压力。另外，橡胶的 老化对胀接压力还有较大的影响。在油缸液压和管子所受胀接压力之间也很难 找到一个精确的计算关系式，所以有时操作不当还会发生过胀【1 3 1 。 液压胀接是七十年代后期由西德的k f i p s 等人首先发展起来的。到目前为 止，液压胀接技术分为两种：一种就是“o ”形环法，这种方法在插入管孔的芯 轴两端各设置一“o ”形圈以密封高压介质，胀接压力直接通过芯轴的中心孔施 加到换热管的内表面，使换热管发生塑性变形而与管板连接在一起。另一种液 压胀接是液袋式液压胀接技术。液袋式液压胀接实际上是对“o ”形环液压胀接 技术的改进，它集中了“o ”形环液压胀接技术和橡胶胀接技术的优点对管子胀 紧力的控制精确、对管子公差要求不高、操作轻便、生产效率高、对管孔没有 污染等特点，是一种较为符合我国国情的很有发展前途的胀接技术。 液袋式液压胀接技术的胀管原理如图1 5 所示。超高压的胀管压力通过芯 轴的中心孔及侧面的小孔进入液袋内，使具有弹性的液袋发生径向胀大的同时 对换热管内壁施加均匀的胀接压力，当胀接压力达到一定值后，换热管产生塑 性变形，消除了与管板孔之问的问隙，并在换热管外壁与管板孔之间产生接触 压力。当胀接压力达到预定值时，卸去胀接压力，由于胀管后管子产生了严重 的塑性变形，而管板主要处于弹性状态，由于管板的自由弹性恢复量比管子的 大，管子与管板间就会产生残余接触压力，换热管就被紧紧地胀接在管板孔之 中。 第1 章绪论 23 4 1 一芯轴 2 一液袋3 一换热管4 一管板 图1 5 液袋胀管示意图 与机械胀管法相比，液压胀接具有更多优点：对换热器及管板孔形状要求不 十分苛刻，对管板厚度限制也不大。胀后残余应力低、在整个胀接长度上的应 力分布均匀、胀后管内表面无加工硬化现象、胀后管头不伸长。不会像机械胀 接那样容易造成材料冷作硬化、晶格产生歪扭、残余应力高。另外，液压胀管 在正常工作的情况下，每分钟可胀接管口2 个左右，是机械胀接的6 8 倍，大 大提高了工作效率，且不论管板厚度有多大，液压胀接都能一次完成，管板厚 度对胀接时间没有影响，较机械胀管生产效率高、制造周期短、劳动强度低。 液压胀接的突出优点是胀管长度不受两块管板之间间距限制，最大可达3 m 以 上，因为它的输压管在工作时不承受扭矩【l4 i 。尽管比机械胀接方法出现的晚， 但液压胀接方法已越来越广泛地应用于管子与管板的连接。但是如何根据生产 中具体条件选择液压胀接压力和胀接结构等参数还没有可以依据的规范。 由于双管板结构的特殊性，深孔强度胀接技术是制造双管板换热器的重点 和难点，液压胀接技术成为该管板胀接的主要手段。在双管板换热器内管板的 液压胀接过程中，如果胀接压力过大，就可能在胀接时发生管板的塑性区与周 围已胀好接头的残余应力的干涉，引起周围接头的残余接触应力的降低，严重 时会在试压时或工作时发生泄漏，并且在进行补胀时，将泄漏区扩散到相邻的 接头，即过胀；如果胀接过小，又会导致欠胀，达不到密封效果，装配后引起 泄漏问题。因此，合适的内管板液压胀接压力成为制造双管板换热器的难点。 硕士学位论文 1 3 液压胀管及内外管板间距的研究现状及发展 1 3 1 液压胀接的研究现状及发展 换热管与管板的胀接是一个复杂的过程。近年来，国内外学者对于换热管 与管板的液压胀接接头作了多方面的研究，从理论分析到试验研究，从二维平 面问题到三维有限元分析，并取得了很大进展。 由于多孔管板分析的复杂性，一些国内外学者将其转化为二维轴对称或平 面应力问题来研究。早在1 9 4 3 年，g o o d i e r 等【l5 j 运用弹塑性理论，以带圆孔的 无限大圆板代替了实际的多孔管板进行分析，得到了胀管接头残余应力和残余 变形，但是这种模型显然高估了实际管板的刚度，分析误差过大。k r i s p 、 p o d h o r s k y 等1 16 】在g o o d i e r 的基础上，将管板简化成外径为d 。的厚壁圆筒，利 用有限圆筒代替无限大圆板，提出了等效套筒的概念。这种模型的建立为以后 的研究提供了一个很好的方法。但是其中等效圆筒外径的确立又成为一大难题， 其选择的恰当与否直接影响分析的准确性。s c o t t 等人【1 7 1 对液压胀接接头进行了 试验和理论研究，证明了残余应力的存在，重点研究了管子膨胀区和没有膨胀 区( 即过渡段) 部分。j a w a r d 掣1 8 】对液压胀接接头的综合性能进行了研究，指 出胀接接头跟材料的性质，胀接面的光洁度，以及连接方式等因素有关。u p d i k e 等人1 9 2 1 1 研究了胀接后换热管过渡区的残余应力，并对管板开槽结构进行了理 论和试验研究，证明了开槽结构对增强连接接头具有明显的作用。1 9 9 8 年，a l l a m 等人【2 2 j 采用a b a q u s 软件对胀接接头进行了有限元模拟，同时指出，虽然非 线性接触问题是一难点，但采用非线性有限元分析，在这一方面进行研究将是 大有前途的，比传统的理论估算和试验方法更精确、有效且更经济。1 9 9 2 年 c h a a b a n 等人【23 j 采用非线性有限元和统计学等方法做参数化分析，得到了等效 筒直径与残余接触压力与材料因素、结构尺寸问的经验公式，指出换热管中心 距是确定单管模型等效套筒直径的最重要因素。k o h l p a i n t n e r 2 4 】贝u 考虑了换热管 周围管孔的影响，以换热管按三角形排列的1 9 孔管板为模型，建立了由管桥系 数表示的等效套筒直径的经验公式。 对于换热管与管板的胀接问题，国内的学者也做过大量的研究。8 0 年代徐 鸿1 2 5 2 6 】发表了“包括热载荷在内的胀接接头家在的弹塑性分析”和“胀接接头弹 塑性分析在换热器上的应用”，对管子和管板胀接接头进行了二维弹塑性分析， 第1 章绪论 开发了一套基于增量分析理论的计算机程序。这一理论和程序可以定量分析胀 接接头的几何尺寸、材料机械性能、胀管压力和温度变化等因素对胀接接头管 子与管板间接触压力的影响、室温下胀管后的残余接触应力以及不同温度下接 触应力的变化情况。这是一个能预测胀后残余接触压力及热载荷对其影响，考 虑大变形、管子或管板屈服和胀管后温度变化等因素的数值分析方法。该研究 为后来的三维模型的建立及分析开辟了新思路。颜惠庚等【27 】通过应用单管模型 给出了液压胀接压力的理论公式，指出残余接触压力与胀接压力成线性关系，若 知道摩擦系数，可以将拉脱力直接与胀接压力通过公式联系起来，从而可根据 设计拉脱力来确定胀接压力。匡良明等【2 8 】建立了单孔等效胀管模型，并假定材 料为理想塑性，服从屈服准则并忽略胀接过程中管板与换热管的轴向应力，且 不考虑管板孔开槽的基础上提出了最佳胀管压力的概念，推导出了最佳胀管压 力等参数的计算公式。于洪杰等 2 9 3 0 1 利用参数化方法建立分析模型，考虑了周 围管板孔对胀管的影响、管子和管板材料都具有非线性应变硬化性质、管子两 端伸出管板孔的端部效应、以及管板孔中开槽等实际的条件下，对换热器液压 胀接接头的结构性能进行分析，主要研究了胀接压力、开槽的几何尺寸及位置、 开槽个数等力学参数和几何参数对接头性能的影响。指出：( 1 ) 在管板孔开槽 的接头结构中，开槽宽度在一定范围内增加，能提高密封环压力，但不能过宽。 槽过宽反而会降低密封环压力，而且要增加制造成本。( 2 ) 在不影响管板强度 的条件下，适当加大槽深能提高密封强度。( 3 ) 开槽位置应靠近管板两端中的 一端，这样可得到较高的密封环压力，有利于接头的紧密性，但要注意避开两 端的胀不紧区段。( 4 ) 管板孔开槽可大大提高接头密封环压力，如果单从提高 密封环压力角度考虑，开一道槽就可以大大提高密封环压力，开多道槽效果未 必就好。陆怡等【3 1 】利用液压胀接接头与垫片密封的相似性，给出了