换热管与管板连接强度的研究

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1、换热管与管板连接强度的研究摘要：在蒸发器的设计与制造过程中，加热室往往被视为重点部位,因为其换热效果的大小将直接决定着母液蒸发的效果。而影响换热管与管板连接强度的主要因素是连接方法，结构细节及材料性能等。本文研究了三种连接方法：均压胀接，机械胀接，焊接。分别研究了钛管，碳钢管与碳钢管板的连接强度，以及材料性能对连接强度的影响，研究结果表明，连接强度的理论预测值适用于各种材料与结构。关键词：换热管；管板；连接强度；均压胀接；机械胀接15前言换热管与管板连接的强度水平、对换热器的运行至关重要。影响连接强度的因素有连接方法，材料性能，结构细节等。本文研究

2、了影响连接强度的各种参数以及这些参数的彼此影响。为便于穿管，管板孔径较管径稍大。连接方法有：a)均压胀接；b)机械胀接；c)焊接；d)上述三种方法中任取两种的联合胀接。此外，研究了下述结构细节对连接强度的影响：e)管孔表面质量；f)开槽与不开槽管孔；g)开槽宽度。另外，还分别研究了碳钢管板与钛管、碳钢管的连接强度。考虑了制造与操作的不同状态。在操作状态下研究了：15a)温度对连接强度的影响。均压胀接本法是在管板内长度的管子增加均匀压力使之膨胀。均压胀接法如图1所示。由于胀管器与换热管间环向间隙很小，压力引起的轴向力可忽略不计，即只有周向力。预测换热

3、管特性的数学模型是基于下述四个环节建立起来的：1.施压，使管壁应力达到管材屈服强度；2.升高压力，使管壁塑性变形，直到管壁与管板孔壁接触；3.进一步升高压力，直到管板孔壁与管壁接触区域部分屈服；4.卸压，管板自增强使换热管受压。155.1至屈服应力的换热管特性按弹性理论，应力应变关系：(1)15(2)(3)15承受内压Pi的薄壁管其平均应力为：σr=—Pi/2，σh=Pi·ra/t,σl=0分别代入方程(1)，(2)，(3)15(4)(5)(6)15方程（4），（5），（6）可用来计算弹性范围内换热管半径的增大量，长度缩短量，壁厚减薄量。按图2：或

4、：（7）同样：或：（8）或（9）152与管板孔接触前换热管的特性升高工作压力，管壁屈服，管子塑性变化直至接触管板孔壁。此时，材料总体积保持不变。结果管长缩短。缩短量按下式求得。参见图3，在管板范围内换热管的初始体积：ricL'L，变形后体积：设,并使Vi=Vf,则：图3(10)用式（10）可求得均压胀接的换热管缩短量。3管板局部屈服升高压力，管壁与管孔接触式管板孔局部受压。如图4所示，该局部区域可用内半径为Ri,外半径为R0的厚壁筒代表。按塑性理论，厚壁圆筒的弹性与塑性应力（图5）：弹性区域：（11）15（12）（13）塑性区域：（14）（15）（

5、16）弹塑性交界面：（17）设，由方程（17）确定初始屈服（18）当时达到总体屈服：（19）4卸压到零当压力降到零，变形减小及应力之值可按弹性理论计算，根据壁厚理论与图6，内压引起的变形（σl=0）：（20）外压引起的变形：（21）周向应力：15（22）从图7，管子与管板的协调得：δ1︱r=r0=δ2︱R=R1(23)方程（20）~（23）的基本假定为，压力消除后管板孔的自由松弛量比管子大。应注意，薄壁高强度管与管板接触后仍能保持全弹性状态。在管子的弹性模数较管板的少得多，但其屈服强度又比管板的大得多时就会出现。同样，管板的屈服应力远大于换热管时，

6、在加压或卸压后，管板仍有可能保持全弹性状态。5理论数值与实验值的比较把用钛管，碳钢管与碳钢管板连接的实验结果与理论计算进行了比较，实验用换热管外径25.4mm，壁厚1.2mm，管板厚度76.2mm（图8，表1）。换热管实际尺寸与管板的间隙值如表2。在压力作用管长为66.7mm范围内，引起的管子弹性与塑性缩短量的理论值可用公式（9）与（10）进行计算，结果列于表3。方程（9）中的P值可由Pi=σyt/ri(σy：换热管屈服应力)求得。表1管子和管板的性能15管子管板碳钢钛理论外径in1.01.0理论内径in0.9020.902理论厚度in0.0490

7、.0492.5/8CS3/8Ti孔径in1.010孔节距in1.25公称长度in66实际屈服应力MPa175.0427.0340.2实际抗拉强度MPa385.0567.0E，GPa210108.5210α,in/in°F(106)6.54.96.5泊桑比0.30.340.3表2管子安装尺寸（单位：in）管号管内径管长t间隙1T0.9056.0210.04550.00652T0.9066.0180.04650.00553T0.9066.0070.04500.00654T0.9066.0150.04650.00555T0.9056.0160.04800

8、.00456T0.9066.0140.04700.00507T0.9056.0130.04700.0060平均0.9050