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管子与管板连接接头的强度和密封性能研究

作　者: 段成红
导　师: 钱才富
学　校: 北京化工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 焊接接头液压胀接接头胀焊结合接头拉脱力残余接触压力热-固结合分析
分类号: TG407
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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引　用: 4次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-24
第一章绪论  24-64
  1.1 课题来源及研究目的和意义  24
  1.2 管壳式换热器管子与管板接头连接技术概述  24-26
    1.2.1 管壳式换热器简介  24-25
    1.2.2 什么是接头连接?  25
    1.2.3 接头连接质量性能指标  25
    1.2.4 各种连接方法的主要优缺点  25-26
  1.3 接头连接理论和技术的研究进展  26-41
    1.3.1 胀接接头  26-37
      1.3.1.1 胀接接头的发展历史  26-27
      1.3.1.2 机械胀接接头  27-33
      1.3.1.3 液压胀接接头  33
      1.3.1.4 爆炸胀接接头  33-34
      1.3.1.5 橡胶胀接接头  34-36
      1.3.16 各种胀接方法对比  36-37
    1.3.2 焊接接头  37-39
      1.3.2.1 接头形式及专用设备  37-38
      1.3.2.2 焊接接头常见质量问题  38-39
      1.3.2.3 焊接接头检验  39
      1.3.2.4 焊接接头工艺实践  39
    1.3.3 胀焊结合接头  39-41
      1.3.3.1 胀焊结合接头的数值分析  39-40
      1.3.3.2 胀焊顺序  40-41
    1.3.4 粘胀连接接头  41
    1.3.5 螺纹连接接头  41
  1.4 液压胀接接头  41-61
    1.4.1 液压胀接基本原理、胀管方法和接头质量评定指标  42
    1.4.2 液压胀接压力的确定  42-44
    1.4.3 液压胀接接头的残余接触压力  44-45
    1.4.4 液压胀接接头的拉脱力/压脱力与密封性能  45-47
    1.4.5 接头参数对残余接触压力和拉脱力/压脱力的影响  47-59
      1.4.5.1 管子与管板材料性能对接头连接的影响  47-48
      1.4.5.2 孔表面加工质量和摩擦系数等对接头连接的影响  48-49
      1.4.5.3 管子与管板孔之间初始间隙对接头连接的影响  49-50
      1.4.5.4 胀管率以及管壁减薄对接头连接的影响  50-51
      1.4.5.5 胀接接头的相互影响  51
      1.4.5.6 当量套筒直径对接头连接的影响  51-52
      1.4.5.7 管板孔开槽对接头连接的影响  52-56
      1.4.5.8 模型孔数对接头连接的影响  56
      1.4.5.9 排孔方式对接头连接的影响  56-57
      1.4.5.10 使用温度变化对接头连接的影响  57-59
      1.4.5.11 关于胀接接头的其他研究  59
    1.4.6 接头过渡区的残余应力  59-61
    1.4.7 液压胀接设备技术及应用  61
  1.5 本论文研究内容  61-62
  1.6 本课题难点  62
  1.7 本课题创新点  62-64
第二章材料性能试验  64-68
  2.1 试验目的  64
  2.2 试件  64
  2.3 试验方法及过程  64-65
  2.4 试验结果  65-68
第三章接头拉脱试验  68-76
  3.1 试验目的  68
  3.2 试件  68-70
  3.3 试件材料及其性能  70-71
  3.4 试验方法及过程  71-73
    3.4.1 液压胀接接头的胀接及拉脱试验  71-73
    3.4.2 焊接和胀焊结合接头的焊接、胀接和拉脱试验  73
  3.5 试验结果及分析  73-74
  3.6 本章小结  74-76
第四章胀接、焊接和胀焊结合接头的有限元模型  76-102
  4.1 有限元数值分析方法简介  76-79
    4.1.1 有限元数值分析的发展及其趋势  76-78
    4.1.2 ANSYS有限元通用分析软件简介  78-79
  4.2 胀接接头结构及有限元几何模型  79-89
    4.2.1 胀接接头几何模型及其特点  80-82
      4.2.1.1 模型范围的选取  80-81
      4.2.1.2 接头几何结构尺寸  81-82
    4.2.2 胀接接头有限元模型的建立  82-89
      4.2.2.1 单元类型和网格划分  82-85
      4.2.2.2 材料物性  85
      4.2.2.3 参数化有限元模型  85-86
      4.2.2.4 管子与管板间接触的定义  86
      4.2.2.5 力载荷与边界条件  86-88
      4.2.2.6 胀接及拉脱过程的模拟  88-89
      4.2.2.7 温差载荷对胀接的影响  89
  4.3 网格疏密的考核  89-91
  4.4 焊接及胀焊结合过程的模拟  91-102
    4.4.1 热分析基本概念及热固结合分析  91-93
      4.4.1.1 热分析基本概念  91-92
      4.4.1.2 热固结合分析方法  92-93
    4.4.2 焊接及胀焊结合接头几何模型及其特点  93
    4.4.3 焊接及胀焊结合接头有限元模型的建立  93-100
      4.4.3.1 单元类型和网格划分  93-95
      4.4.3.2 材料物性  95-97
      4.4.3.3 力载荷与边界条件  97
      4.4.3.4 热载荷与边界条件  97-100
    4.4.4 不同温度下接头的温度场分布  100
    4.4.5 温度对胀焊结合接头性能的影响  100-101
    4.4.6 焊缝单元的生与死  101-102
第五章接头拉脱力的有限元分析  102-110
  5.1 引言  102-103
    5.1.1 液压胀接接头  102
    5.1.2 焊接接头  102
    5.1.3 先焊后胀接头  102-103
    5.1.4 先胀后焊接头  103
  5.2 接头拉脱力的数值计算结果  103-106
    5.2.1 胀接接头的拉脱力  103-104
    5.2.2 焊接接头的拉脱力  104-105
    5.2.3 先焊后胀接头的拉脱力  105-106
    5.2.4 先胀后焊接头的拉脱力  106
  5.3 拉脱力数值计算结果与试验结果的比较  106-107
  5.4 本章小结  107-110
第六章焊接对胀接接头连接性能影响的有限元分析  110-130
  6.1 引言  110
  6.2 接头常温胀接后残余接触压力的数值计算结果  110-113
  6.3 先胀后焊过程中接头残余接触压力的数值计算结果  113-123
    6.3.1 不同温度下接头的温度场分布  113-114
    6.3.2 升温与降温对应过程中的残余接触压力数值对比  114-116
    6.3.3 温度对接触面上残余接触压力的影响  116-119
    6.3.4 温度对管板厚度在0°方向上残余接触压力的影响  119-121
    6.3.5 温度对管板厚度在30°方向上残余接触压力的影响  121-123
  6.4 本章小结  123-130
第七章操作条件对胀接接头密封性能的影响  130-140
  7.1 引言  130-131
  7.2 压力载荷对胀接接头残余接触压力的影响  131-133
  7.3 温度载荷对胀接接头残余接触压力的影响  133-139
    7.3.1 传热膜系数H的选取  133-134
    7.3.2 管、壳程流体温差对残余接触压力的影响  134-137
      7.3.2.1 胀接接头在管、壳程流体温度作用下的温度场  134-135
      7.3.2.2 管、壳程流体温差对残余接触压力的影响  135-137
    7.3.3 管、壳程流体温度高低对残余接触压力的影响  137-139
  7.4 本章小结  139-140
第八章结论与展望  140-142
  8.1 论文主要结论  140-141
  8.2 本课题研究展望  141-142
参考文献  142-154
致谢  154-156
研究成果及发表的学术论文  156-158
作者和导师简介  158-160
北京化工大学博士研究生学位论文答辩委员会决议书  160-161

管子与管板连接接头的强度和密封性能研究

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