换热器管板胀接接头高温下拉脱实验研究

换热器管板胀接接头高温下拉脱实验研究 l5期胡玉红,等:换热器管板胀接接头高温下拉脱实验研究 考虑到换热管内外径,管板内径加工误差对试 件胀紧程度的影响,在进行液压胀接前,分别用千 分尺对加工好的换热管内径和外径,管板内径进行 测量,依据换热管和管板的间隙大小进行编号和组 配,接着将组配后的试件进行分组,详见1.然后 在型号为YZJ--350D的胀管机上,采用液袋式胀接 法进行胀接,胀接压力为200MPa,如图2所示.最 后测量胀接后换热管的内径,计算胀管率,见表1最 后两列数据.胀管率计算公式如下 :×,00lULl%O:——————一X 式中:OL为胀管率;Di为胀接后换热管内径,mm;D 为胀接前换热管内径,mm;8为胀接前换热管与管 板孔之间的间隙,mm. 表1胀接前后测量结果及胀管率和试件分组 2试件高温拉脱实验 将管板与换热管胀接接头,卡具及上下卡头按 图3所示的实验装置图组装,通过上下卡头的螺纹 连接到REGER--3000型电子万能实验机上.该型 电子万能实验机主要进行高低温拉压实验,加热箱 能为实验过程提供恒温条件.胀接接头共有17个, 分为5组,各组按顺序分别对应的实验温度为常温, 100?,200?,300~C和500~C. 拉脱实验过程主要分两个阶段完成. l一上卡头,2—销轴,3—换热器,4一卡具,5一管板,6一下卡头 图3试件在拉脱实验中的装置图 (1)消除连接件间隙阶段,包括胀接接头与卡 具之间,卡具与实验机螺纹连接之间的间隙;该过 程主要是通过力的加载速度及加载最大值来控制. (2)拉脱实验阶段,在消除了接头,卡具和螺纹 科学技术与工程9卷 连接之间的间隙影响后,将换热管从管板孔中拉 脱;拉脱过程可使用位移控制一次拉脱,也可首先 通过施加力控制,再使用位移控制,逐步完成整个 拉脱过程. 图4,图6分别表示常温,IO0~C和300?条件 下,4号,14号和2号接头在拉伸(3,5)mm位移时 对应的所有力一位移加载曲线,图7一图9分别表示 4号,14号和2号接头拉脱过程的完整力.位移加载 曲线.从图4可见,4号接头进行了5次试拉,最后 一 次试拉消除了试件连接的间隙.从图5和图6可 见,14号和2号接头进行了多次试拉,但都没有消 除试件连接的间隙,其力一位移曲线都有一段刚体 位移. l5200 Z 11400 旧 撂7600 3800 00o 0o0 图44号接头局部力一位移加载曲线 , .一, / / J , /,r /| / / , , / }/,, / / / l / 0.61.21.82.43 轴向位移,nIn1 图514号接头局部力.位移加载曲线 从图7可知,4号接头在很短的位移内其拉脱 力达到最大值,力一位移曲线斜率几乎相等,说明此 l33oo 10430 Z7800 ? 星52o0 薜 26oo 0.0O O.0O l550o l24oo Z9300 ? 匡620o 撂 3lo0 0.O0 O00 }\,, /.\l 1234 轴向位移/mm 图62号接头局部力一位移加载曲线 . \ {.\ \’ l42842567O 轴向位移/mm 图74号接头力一位移加载曲线 图814号接头力.位移加载曲线 时换热管与管板没有发生相对滑动,拉脱力主要表 现为换热管的拉伸特性,随着位移继续增大,换热 管与管板发生相对滑动,此时拉脱力表现为克服摩 l5期胡玉红,等:换热器管板胀接接头高温下拉脱实验研究 2lOoo l68oo Z12600 嚣8400 撂 4200 0.OO OOO ‘7,’. 1— f fl .\一, 一, 1326395265 轴向位移m 图92号接头力.位移加载曲线 擦阻力,并随着换热管与管板接触面积和摩擦阻力 的减小而降低.由图8可知,l4号接头的力一位移 加载曲线随着位移的增加,其拉脱力逐步下降,并 有6处发生突然卸载变化,突然卸载的原因是换热 管表面与管板接触部位发生相对滑动时出现瞬间 脱离,其中第3和5处突然卸载发生的瞬间脱离最 严重,致使拉脱力从0沿卸载曲线重新加载到原值 附近.由图9可知,2号接头的力一位移加载曲线也 有6处发生突然卸载,各处卸载发生时对应的位移 值与l4号接头相应的位移值很接近,卸载程度相 同.由此可得,管板接头胀接后在100?一300~(2条 件下,由于温度的影响,在换热管与管板间形成了 多道密封环,且密封环压力差别与常温相比呈缩小 趋势,从而在高温拉脱过程中导致多处接触部位的 瞬间脱离. 3实验结果与分析 17个胀接接头在不同温度下的拉脱力结果如 表2所示,图l0一图13分别为试件在常温,100~C, 300~(2和500~C条件下换热管拉脱后的照片.从表2 可见,各试件拉脱力的平均值在常温下为9.9kN, 在(100—300)?为(19.8,19.5)kN,显然常温下胀 接接头的拉脱力最小,在(100—300)qC条件下拉脱 力变化不大;在常温条件下,各个接头的拉脱力随 胀管率增大而明显增加,但是在(100300)oC条件 下,拉脱力随胀管率的增大而增加趋势明显下降, 这主要是由于工作温度增加使换热管与管板残余 接触压力趋于均匀所致.当接头处于500?的环境 时,换热管在拉脱前发生断裂破坏,这是由于在短 期静载下材料的抗拉强度在温度达到一定高温时 会显着降低. 表2胀接接头高温拉脱实验结果 温度/’E接头编号胀管率/%最大拉脱力/kN拉脱力平均值/kN 7 8 loo 14 17 0.O1 0.387 0.274 0.017 l8.4 22.8 l9.0 l8.9 100.242 200l2O.O52 130.139 21.7 l6.519.6 20.6 图l0常温条件下拉脱后的换热管 图1l100’E条件下拉脱后的换热管 图12300”12条件下拉脱后的换热管 4538科学技术与工程9卷 图13500~C条件下实验后的管板接头 从图10可以明显看见拉脱过程中摩擦造成的 痕迹,且换热管表面没有明显的膨胀环印痕;从图 11和图12可以明显看见在高温条件下所形成的膨 胀环印痕,且换热管表面具有因拉脱所形成的轻微 整齐纹路;从图13可以清晰看见500~C条件下换热 管断裂发生的位置和过程. 4结论 (1)管板胀接接头在100,3oooc条件下,由于温 度的影响,在换热管与管板间形成了多道密封环,且 密封环压力差别与常温相比呈缩小趋势,从而在高温 拉脱过程中导致多处接触部位的瞬间脱离. (2)在常温条件下,管板胀接接头拉脱力随着 胀管率的增大而明显增加;在100—300?条件下, 接头拉脱力随胀管率增大而增加趋势明显下降,不 同胀管率的接头拉脱力基本趋于相同.因此,对于 工作温度大于100%的换热器,建议可以不考虑胀 管率对拉脱力的影响. (3)不同胀管率接头在常温条件下的平均拉脱 力为9.9kN,而在100,300~C为(19.8—19.5)kN. 建议对工作温度大于IO0~C的换热器,拉脱力校核 和胀接压力设计应考虑工作温度影响. 参考文献 1石庭瑞,颜惠庚.换热器的液压胀接技术及应用要点.石油机械, 2001;29(2):28_31 2王海峰,桑芝富.胀紧度对管子与管板胀接强度影响的试验研 究.压力容器,2006;23(4):l6一l9 3段成红,钱才富.换热器管子与管板接头拉脱力的研究.北京化 工大学学报,2007;34(3):309—3l2 4李培学,黄桂东,周长会.换热器管子与管板胀接开槽尺寸的试 验验证.氮肥技术,2007;28(1):34—36 5范庆祝,段红卫.管板孔不同开槽宽度对胀接接头拉脱力的影 响.石油化工高等学校学报,2005;18(2):3O8—312 6郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计.北京:化学工艺出版社, 2005:96 ExperimentalStudywhenExpandedJointofTubesheetin HeatExchangerPullsoutinHighTemperature HUYu—hong,CHENLong,ZHANGQiang,HUJu—bao (DaqingPetroleumInstitute,Daqing163318,P.R.China) [Abstract]Consideringthestructureofhigh-temperatureexperimentalinstitutionandthejointoftubesheetin heatexchanger,thespecimenandtheexperimentalprogramisdesigned,andtheexperimentalresearchaboutthe pull—outforceofhydraulicallyexpandedjointchangesinhightemperatureconditionisheld.Whenthetemperature islessthan100~C,thepull-outforceincreasedsignificantlywithtemperatureincreasing,anditisimpactedgreater byexpandingrate;Whenthetemperatureisbetween100%and300%,thepull—outforcedecreasedsligh tlywith temperatureincreasing,andtheimpactofexpandingrategraduallybecomessmaller.Theexperimentalresultspro’ videatheoreticalbasisforthedesignofexpandedjointofthetubesheetinheatexchangerandthecalculationof pull-outf0rce.J [Keywords]tubularheatexchangerhydraulicallyexpandedjointpull—outforce