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《换热器管子与管板接头拉脱力的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第34卷第3期北京化工大学学报Vol.34,No.32007年JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGY2007换热器管子与管板接头拉脱力的研究段成红钱才富(北京化工大学机电工程学院,北京100029)摘要:通过试验和三维有限元分析研究了换热器中管子与管板连接的液压胀接、焊接以及胀焊结合接头(包括先焊后胀以及先胀后焊两种情况)的拉脱力大小和失效形式。有限元分析考虑了接头的几何非线性、材料非线性、接触非线性以及热固耦合,从而能模拟接头材料的弹塑性变形、热塑性以及先胀后焊过程中焊接热对胀接的影响。研究结果表明,焊接接头的拉脱力远大于液压胀接接头
2、的拉脱力,并且略大于胀焊结合接头的拉脱力;对于先胀后焊或者先焊后胀接头,拉脱力并没有明显的变化;在拉力作用下,胀接接头的破坏主要是管子与管板接触面间的拉脱破坏,而焊接接头的破坏主要为焊缝的剪切破坏。关键词:拉脱力;管子与管板接头;胀接;焊接;胀焊结合中图分类号:TQ05115引言1接头拉脱力试验研究管壳式换热器广泛应用于化工、石油化工等各111试件个行业,其中管子与管板连接接头是设备中最容易焊接和胀焊结合试件如图1所示。管板为16发生失效的地方。目前常用的接头连接方式有胀接Mn低合金钢,管子为20#碳素钢,焊接为手工亚弧(机械胀接、液压胀接、橡胶胀接和爆炸胀接等)、焊焊,焊丝H08Mn2S
3、i。管板试样为矩形板,厚48接以及胀焊结合。接头的性能表现在两个方面,即mm。管孔三角形排列,管子每隔一孔进行胀接、焊密封性能和拉脱强度(或拉脱力)。关于拉脱力的研接或胀焊结合的连接,每块管板上连接6根接管。究,文献中所报道的绝大多数都是针对胀接接头的,焊接除填满管板上表面115×45°的倒角外,高出部而对焊接、胀焊结合接头的拉脱力研究较少。分经机加工成为115×115mm的等腰三角形,以保[1][2]YokellS和匡良明基于不同力学假设给出了拉证焊缝尺寸的精确性。焊缝沿管子轴线总焊高为3脱力的近似公式。对于在胀接拉脱力研究中起关键mm。几何尺寸如图2所示。胀接接头没有坡口和[3][4]
4、作用的摩擦系数,汪建华等人和Allam利用试焊缝。所有胀接采用液袋式胀接,胀接压力分别为验反算出了某种材料组合下的摩擦系数。颜惠160和180MPa。[5][6]庚指出拉脱力小于压脱力。李磊等人、段红卫[7][8]等人和王海峰等人试验研究了胀接接头是否开槽、开槽尺寸和位置等对拉脱力的影响,并进行了数值模拟。在有关焊接连接的研究中,大部分是关[9]于接头焊接质量控制的研究,如朱日良和Jawad等人[10]。图1管子与管板接头试件本文将通过试验和有限元数值计算方法对管子Fig.1Specimenfortestingtube2to2tubesheetjoints与管板液压胀接、焊接以及胀焊结合接
5、头的拉脱力112试验工况和试验结果进行对比研究。接头拉脱力试验研究考虑七种工况:(1)和(2)胀接,胀接压力分别为160和180MPa;(3)焊接;收稿日期:2006204229(4)和(5)先焊后胀,胀接压力分别为160和180基金项目:北京市自然科学基金(3002009)MPa;(6)和(7)先胀后焊,胀接压力分别为160和第一作者:女,1963年生,副教授180MPa。如表1所示。E2mail:duanch@mail.buct.edu.cn第3期段成红等:换热器管子与管板接头拉脱力的研究·309·见表1,其中有部分试件试验时管子断裂,没有得到有效数据。试验发现,焊接或胀焊接合接头的拉
6、脱力明显高于只胀接的接头;所有经过焊接的接头其断裂面都是沿着管子轴线方向,并且紧贴管子外表面,如图3所示,三角形焊缝基本没有发生变化。由此可见,焊缝拉拔破坏主要是受到沿着管子外表面剪切力的作用。2接头三维弹塑性有限元分析211几何模型(1)模型范围管子在管板上正三角形排列,图2接头几何尺寸与试件相同。由于模型的对称性,选取360°/12即Fig.2Geometryanddimensionofajoint30°的范围,如图4所示。试件在万能试验机上拉拔。从开始到接头破(2)接头几何尺寸管子、管板和焊缝的所有坏,试验机记录的最大拉力被视为接头拉脱力,结果几何尺寸同试件。如图2所示。表1试验工况
7、和接头拉脱力Table1Pull2outforcesofjointsunderdifferentconditions接头试验胀接压力/试验拉脱力/kN试验平均有限元计算工况连接方式MPa第1次第2次第3次第4次第5次第6次拉脱力/kN拉脱力/kN1胀接16081281410174131111—815491682胀接180161010108126141111—10134101703焊接066156610————661255
