管子與管板連接接頭的強(qiáng)度和密封性能研究.pdf

1、目前我國已經(jīng)成為制造大國，但卻不是制造強(qiáng)國，特別是在石油、化工、能源等工業(yè)制造領(lǐng)域。管殼式換熱器在這些工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛地應(yīng)用，而換熱器中管子與管板的連接接頭（包括脹接接頭、焊接接頭以及脹焊結(jié)合接頭）是制造過程中數(shù)量最多、變形最復(fù)雜、使用過程中失效最為頻繁的地方。因此，對管子與管板連接接頭的強(qiáng)度和密封性能的研究有著廣泛的工業(yè)應(yīng)用價值和較大的理論研究意義。
　　 本論文首先通過試驗獲得了接頭相關(guān)材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，為隨后的非線性數(shù)

2、值模擬取得了材料性能數(shù)據(jù)，從材料角度保證了計算結(jié)果的正確性。
　　 其次，論文對液壓脹接接頭、焊接接頭、脹焊結(jié)合接頭進(jìn)行了接頭強(qiáng)度的試驗研究和數(shù)值模擬分析，重點對比研究了這些接頭在常溫下拉脫力的大小和失效形式。在本論文研究的參數(shù)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)：脹接接頭的拉脫力遠(yuǎn)小于焊接接頭的拉脫力，約為其大小的1/6-1/5，即焊接接頭承載能力明顯高于脹接接頭。焊接、先焊后脹以及先脹后焊這三類接頭的拉脫力相差較小，且焊接接頭的拉脫力還略大于后兩種情

3、況，說明這三種接頭的軸向連接強(qiáng)度并沒有本質(zhì)區(qū)別；脹焊結(jié)合接頭中脹接壓力大小對拉脫力影響不大。焊接接頭拉脫破壞時，其斷裂面沿著管子軸線方向，并且緊貼管子外表面，為剪切破壞；脹焊結(jié)合接頭拉脫破壞時表現(xiàn)為接觸面首先分離，然后焊縫才開裂，且與焊接接頭破壞形式基本相同。論文的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗結(jié)果非常吻合。
　　 然后，論文對先脹后焊接頭的形成過程進(jìn)行了模擬。先脹后焊接頭在脹接后管子與管板接觸面上將有殘余接觸壓力存在，隨后的焊接所產(chǎn)生的熱

4、載荷將對該殘余接觸壓力產(chǎn)生影響，同時接觸面上的接觸狀態(tài)也將影響焊接熱載荷的分布和傳遞，即他們是相互影響的。本文通過熱-固（熱-結(jié)構(gòu)）結(jié)合分析計算了焊接溫度從室溫20℃升至1500℃又降回到20℃時，各個溫度下接觸面上的殘余接觸壓力。熱分析考慮了輻射和對流，且假設(shè)金屬材料的熱屬性相同但隨溫度變化。結(jié)構(gòu)分析中常溫材料彈塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線采用材料的真實拉伸試驗曲線，其他溫度下的材料彈塑性曲線進(jìn)行了適當(dāng)、合理的假設(shè)。計算結(jié)果表明，脹接后再焊接，若

5、不考慮焊接引起的材料組織結(jié)構(gòu)的變化，在熱彈塑性范圍內(nèi)，管子與管板間的殘余接觸壓力隨溫度發(fā)生了較大的變化，特別是在溫度較高時離焊縫較近的上密封環(huán)帶峰值壓力幾乎消失，下密封環(huán)帶峰值壓力也所剩無幾，但恢復(fù)到室溫后，殘余接觸壓力最終沒有明顯變化，或者說依靠脹接殘余接觸壓力所建立的密封性能和抗拉脫能力都沒有明顯變化。此結(jié)果也說明，脹焊結(jié)合接頭的連接形式是合理的，是能夠提高接頭的使用可靠性和長期性的。
　　 最后，為了模擬液壓脹接接頭在工作

6、環(huán)境中的密封性能，本文還計算了管程、殼程流體壓力不同、溫度不同，以及接頭整體溫度高低對密封環(huán)帶上最小殘余接觸壓力的影響。計算結(jié)果表明，在相同的脹接壓力下，若管程工作壓力高于殼程工作壓力，接頭密封性能增強(qiáng)，且上密封環(huán)帶受壓差的影響大于下密封環(huán)帶。在相同的脹接壓力下，若管程工作溫度高于殼程工作溫度，由于管板上下表面分別接觸的是管程介質(zhì)和殼程介質(zhì)，上密封環(huán)帶數(shù)值明顯減小，下密封環(huán)帶數(shù)值明顯增大，接頭密封性能增強(qiáng)。反之，若管程溫度低于殼程溫度，