熱交換器脹管工藝的優(yōu)化及探討

李愛國，林雅嵐，祁少昆,黨亞茹

(陜西化建工程有限責任公司，陜西 咸陽 712100)

管殼式熱交換器管板和換熱管的連接接頭形式及質(zhì)量優(yōu)劣是影響設(shè)備運行壽命的重要因素。在強度焊+貼脹連接結(jié)構(gòu)中，貼脹的目的是通過脹接來填充換熱管和管孔之間的間隙，以減小換熱管在設(shè)備運行過程中因振動而對焊接接頭造成影響，同時也兼?zhèn)湟欢ǖ拿芊饧翱归g隙腐蝕的作用。

脹接一般通過測量及計算脹管率來進行控制，必要時也要求制造前進行脹管工藝評定。筆者認為還存在以下問題需要探討：

1) 實際采購的材料在力學性能方面和材料標準中給出的性能指標差異較大，用材料標準中屈服強度下限值計算得到的脹接壓力是否能夠達到預(yù)定的脹管效果？

2) 脹管工藝評定需要在設(shè)備制造前進行，要提前購買材料，且評定需要做許多檢測項目，耗時比較長，所以對單臺設(shè)備制造也不太適合。

3) GB/T 151—2014中對強度脹接僅提到換熱管材料的硬度應(yīng)低于管板的硬度，對于貼脹工藝方面鮮有指導條款【1】。且工程中經(jīng)常出現(xiàn)不同材料搭配，不一定能夠滿足這個硬度匹配條件，例如，同種材料牌號的換熱管和管板搭配因為鋼管和鍛件的力學性能差異就可能出現(xiàn)相反的匹配，甚至會出現(xiàn)換熱管硬度及強度比管板高許多的情況，如雙相鋼或鎳基合金換熱管和低合金鋼管板的匹配。

理論上講，對高硬度材料的換熱管進行退火或者二次固溶處理從而達到降低硬度并滿足脹接要求的原理是可行的，是一般的解決方式。但實際上，硬度和強度的關(guān)系不是非常確定，且小直徑換熱管及管孔內(nèi)壁硬度的測量難度和誤差非常大，只采用硬度值來判定換熱管、管板材料強度的匹配不是理想的解決辦法。

1 分析步驟及方式

為解決上述問題，從理論上進一步探討脹接的基本原理，借助應(yīng)力分析軟件模擬脹管過程，對擬定的脹接工藝進行驗證，確定出合適的脹管壓力，從而提高脹管一次成功率，簡化工作程序，保證脹接質(zhì)量。

本文將按照以下步驟展開分析：

1) 利用應(yīng)力分析軟件ANSYS對脹接過程進行仿真建模；

2) 按照材料理論屈服強度及材料實際屈服強度分別確定脹接壓力進行模擬仿真計算，然后進行比較；

3) 建立分析模型時，分別按管橋等效圓筒的單管脹接模式及多管脹接的實際模型模式兩種情況進行分析，然后對結(jié)果進行比較；

4) 對于偶爾會出現(xiàn)的管孔偏差超標引起間隙過大的情況也進行了模擬分析；

5) 按照脹接仿真模型參數(shù)進行實際脹管試驗，并對試驗結(jié)果與計算機模擬結(jié)果進行比較。

2 建模及分析過程

2.1 單管脹接(等效圓筒理論)的仿真模型

管板和換熱管的脹接過程屬于幾何非線性及材料非線性的結(jié)合，屬于彈塑性理論范疇，涉及材料加工硬化以及從非接觸到接觸階段的過渡，從加載、保壓到最后卸載，計算過程比較復(fù)雜，如果對整個管板建模進行分析，又會涉及管孔之間的干涉，常常導致結(jié)果很難收斂，且計算耗時很長，非常困難。經(jīng)查閱資料，對管橋部分進行簡化。依據(jù)等效圓筒理論，先對單管和等效成圓筒的單個管橋建立模型，采用V.MESSIS屈服準則，簡化運算；然后再建立管板一個局部的模型，包含至少9根管子，基本能夠代表實際管板情況；最后對運算結(jié)果進行對比，總結(jié)出工程上簡單易操作的模擬分析模式。

2.1.1 等效圓筒外徑計算

運用Kohlpaintner 的計算公式【2】進行計算，其等效原則是換熱管外壁的位移相同，比較貼合工程實際，計算也較簡單。

-2.433 88η2+1946 83η+0.980 34

(1)

式中：Ds——等效圓筒外徑，mm；

p——換熱管中心距,mm；

η——管橋系數(shù),0.11≤η≤0.63。

(2)

式中：h——沿兩孔中心線的管橋?qū)挾龋琺m;

Ri——管孔內(nèi)半徑,mm。

根據(jù)式(1)和式(2)計算得知：對于φ19×2 的換熱管，Ds=34.86 mm；對于φ25×2.5 的換熱管，Ds=43.46 mm。

2.1.2 雙相鋼S22253 材料非線性(應(yīng)變強化段)數(shù)據(jù)的獲取

由于ANSYS的材料庫中無S22253 雙相鋼鋼管材料的非線性階段數(shù)據(jù)，因此對鋼管取樣進行了拉伸試驗，經(jīng)過曲線回歸和線性化處理得到屈服階段線性化曲線，結(jié)果如圖1所示。然后在ANSYS軟件里自行建立了S22253 鋼管材料的非線性階段的數(shù)據(jù)，為進一步分析奠定基礎(chǔ)。

圖1 S22253鋼管屈服階段線性化曲線

2.1.3 脹接壓力確定

為了達到脹接的效果，一般初定的脹接壓力需大于消除換熱管和管孔之間間隙所需的壓力，并小于管板彈性極限對應(yīng)的壓力，無論如何，最大極限壓力應(yīng)不得使管橋部分(等效圓筒)發(fā)生全部屈服。

經(jīng)查閱資料，目前計算脹管壓力的公式有王海峰、顏惠庚等基于彈塑性理論并采用假想等效圓筒的幾何模型推導出的公式，但二者差異比較大【2】。王海峰的推導公式考慮了變形時的冪應(yīng)變強化特性，比較科學，但是非常復(fù)雜，不適合工程實際應(yīng)用【3】。

本文采用大洋脹管機廠提供的公式計算初設(shè)脹管壓力(該公式其實是在顏惠庚的公式中加入了考慮周圍其他換熱管影響的內(nèi)壓放大系數(shù))。脹管壓力初定結(jié)果見表1。

表1 脹管壓力初定

先按脹管機廠給出的公式進行計算，再按材料標準強度下限及材料實際力學性能兩種材料模型進行仿真和試驗。

2.1.4 單管脹接計算機模擬仿真過程(等效圓筒理論)

脹接屬于靜力學中非線性彈塑性分析，本文采用ANSYS Workbench 16.0中 Static structural模塊進行了3D建模。對于1根換熱管和套在外面的1個等效圓筒的組合，因加載區(qū)域需要，將換熱管分為3部分并建立組件；為了簡化運算，沿XZ及YZ平面進行了對稱設(shè)置，模型便簡化為1/4 ；為了方便查看計算結(jié)果，分別建立了沿換熱管和圓筒壁厚方向的2個路徑，并建立了換熱管外壁的假想構(gòu)造面(查看結(jié)合面殘余剪應(yīng)力及正應(yīng)力)，同時建立了以換熱管內(nèi)孔為基準的柱坐標系，網(wǎng)格劃分時沿換熱管壁厚分為3層，等效圓筒沿壁厚分為5層，其余均為系統(tǒng)自動劃分的六面體單元，可以滿足后續(xù)分析的需要。換熱管和管孔的間隙按照GB/T 151—2014中Ⅰ級管束要求，換熱管外壁和管孔間設(shè)定為摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.15，粗糙度取Ra6.3。

換熱管內(nèi)孔相應(yīng)區(qū)域加載初定的脹管壓力，將管板一端面(垂直于換熱管)設(shè)置成固定約束，相應(yīng)的換熱管同一端也設(shè)定為固定約束，管板另一端面及換熱管另一端設(shè)置成軸向位移等于零，1/4 剖切面設(shè)置成對稱約束。

求解過程分為3步，每步又分為20個子步，加載階段2 s，保壓階段4 s，卸載階段2 s，并關(guān)閉軟彈簧及系統(tǒng)自定的分步。

按照工程常用的幾種管板與換熱管的材料搭配[包括雙相鋼+低合金鋼、奧氏體不銹鋼+低合金鋼、低合金鋼+低合金鋼(同牌號)、奧氏體不銹鋼+奧氏體不銹鋼(同牌號)]分別進行仿真分析并進行了比較，材料性能見表2。

表2 材料性能列表

2.1.5 單管脹接計算機模擬仿真結(jié)果

摘錄ANSYS建模及加載分析的兩個算例結(jié)果(見圖2和圖3)。由圖2很容易看出， 在合適的脹管壓力下(第一算例)卸載后， 管橋的等效圓筒最大徑向應(yīng)變發(fā)生陡降，而換熱管的最大徑向應(yīng)變幾乎與加載期間相同，結(jié)合面的最小正應(yīng)力(法向)陡升，接觸面同時產(chǎn)生了較大的殘余剪應(yīng)力。這一現(xiàn)象證明，管橋等效圓筒徑向變形大部分屬于彈性，卸載后殘余變形很小，而換熱管的徑向變形幾乎完全屬于塑性，殘余變形很大，結(jié)合面殘余正應(yīng)力增大并產(chǎn)生了很大的殘余剪應(yīng)力。

圖2 ANSYS模擬仿真分析(較合適脹管壓力下的脹管效果)

從圖3(第二算例)可以看出，在較大脹管壓力下，對比管橋等效圓筒的徑向殘余變形，二者幾乎全部為塑性變形，沒有回彈，結(jié)合面不能產(chǎn)生足夠的正應(yīng)力及剪應(yīng)力。

圖3 ANSYS 模擬仿真分析(較大脹管壓力下的脹管徑向殘余變形)

2.1.6 表3～表6分析結(jié)果小結(jié)

表3～表6分別列出了4種不同換熱管材料(管材)與管板材料(板材)搭配模型的ANSYS分析結(jié)果，小結(jié)如下：

表3 ANSYS 分析結(jié)果(模型一：管材S22253+板材16Mn)

表4 ANSYS 分析結(jié)果(模型二：管材S32168+板材16Mn)

表5 ANSYS分析結(jié)果(模型三：管材Q345E+板材16Mn)

表6 ANSYS 分析結(jié)果(模型四：管材S32168+板材S32168)

1) 在初定的各組脹接壓力下，換熱管徑向殘余變形都大于管孔和換熱管的徑向間隙，除了換熱管減薄外，徑向殘余位移已經(jīng)填滿了間隙。

2) 隨著脹接壓力的增加，換熱管徑向殘余塑性變形在增大；等效圓筒的徑向殘余塑性變形也在增大，且在某一臨界壓力下發(fā)生陡增，此時管橋陷入大面積的塑性變形。

3) 模擬仿真的脹管率(壁厚減薄率)范圍在 1.2%～7.0%，可以滿足貼脹的要求。

4) 在合適的脹接壓力下，換熱管幾乎全部發(fā)生了塑性變形，而管橋的等效圓筒只發(fā)生了少量的塑性變形，其結(jié)合面產(chǎn)生了殘余法向壓應(yīng)力及軸向剪應(yīng)力，不但填滿了間隙，而且為抗拒一定的拉脫力奠定了基礎(chǔ)。同時也能看到，當脹管壓力增加到一定程度時，雖然脹管率和徑向殘余變形都非常大，也能填補間隙，但是因管橋發(fā)生了大面積的塑性變形，結(jié)合面的抗剪切能力并沒有提高。同時因脹管率增大是由于換熱管壁厚減薄量增大引起的，這勢必會犧牲換熱管的承載能力，故而增加脹管壓力并不是理想的措施。

5) 由以上2個故意放大間隙(黃色區(qū)域)的模型的模擬分析結(jié)果來看，有如下結(jié)論:

a) 對于S22253+16Mn模型，在同樣脹接壓力(405 MPa)下，換熱管徑向殘余變形變化不大，已經(jīng)小于管孔和換熱管之間的間隙，沒有達到脹接效果；而在較大脹接壓力(450 MPa)下，換熱管徑向殘余變形可以填補空隙，能夠滿足脹接的要求。

2. 換熱管規(guī)格φ25 mm×2.5 mm,管板厚度50 mm，脹接長度25 mm。

2. 換熱管規(guī)格φ25 mm×2.5 mm，管板厚度70 mm，脹接長度50 mm。

b) 對于S32168+S32168 模型，當管孔偏大時，在初定的200 MPa 及230 MPa脹管壓力下脹接，都能達到預(yù)期的脹管效果，與理論間隙的情況沒有不同，而且脹管率提高一倍左右。

c) 這種大間隙問題出現(xiàn)在管板鉆孔時,偶爾會發(fā)生個別管孔直徑尺寸超差或者僅管板背面部分孔徑超差的情況。此時，對于高屈服強度材料換熱管，用提高脹接壓力來補償大間隙是可行的；而對于低屈服強度材料(比如奧氏體不銹鋼)來說,無需提高脹接壓力也能達到脹接目的,但這是以犧牲換熱管壁厚為代價的，必要時還需校核換熱管的應(yīng)力情況，所以加工管孔時嚴格保證圖紙要求的公差是非常重要的。

2.2 多孔模型模擬仿真及與單管加等效圓筒變形情況比較

以上對單管加等效圓筒脹接時的受力及變形情況進行了分析，對于多孔(至少1個管孔周圍的其他相鄰布管都存在)的情況，每1個單孔的變形和受力勢必會互相影響。根據(jù)有關(guān)資料的介紹，只研究某一單孔及其周圍相鄰其他孔這一局部模型即可，其偏差和實際情況相差不是很大，可以用于工程上的計算。況且換熱管的管孔少則幾百，多則幾千，若用實際模型來計算分析脹接情況，鑒于目前的計算機能力，計算周期將非常長，很難得到收斂解，也無必要性。本文就正方形布孔情況，建立1個管孔及其周圍環(huán)繞的8個管孔的計算模型，對中心的一個孔進行分析，加載及約束和單孔基本相似，并由此得到了收斂解?，F(xiàn)就其中一算例(S22253+16Mn，脹管壓力405 MPa)的變形分析結(jié)果和單孔進行比較。多孔模型仿真云圖見圖4。

由圖4可以看出，在同樣的加載及約束條件下，由于周圍管孔的影響，管橋殘余變形大幅度減小，換熱管徑向殘余變形也有所減小，但仍能填滿換熱管和管孔之間的空隙。管橋的殘余變形減小證明其彈性變形增大、塑性變形減小，對于脹管的效果是增強的，由此可知，單管加等效圓筒模型模擬仿真結(jié)果是偏于保守的，可以用于工程實踐。

圖4 多孔模型仿真云圖

3 實際脹管效果與仿真模擬結(jié)果比較

3.1 脹管工藝試驗步驟及要求

根據(jù)設(shè)定的模型，按照計算初定的和模擬仿真相同的脹管壓力，對以上4組材料的組合進行了實際脹管試驗。試驗步驟不再贅述。將脹接部分剖開，觀察結(jié)合面貼合情況，結(jié)果顯示，貼合效果非常好(見圖5)。

圖5 實際脹管及拉脫力試驗

3.2 脹管工藝試驗結(jié)果分析及與模擬結(jié)果比較

由試驗結(jié)果可知，前3組材料配合，實際脹管率略低于模擬脹管率(個別情況最大脹管壓力下，實際脹管率大于模擬脹管率)。這是因為，一方面由于管孔允許偏差的原因，實際間隙出現(xiàn)大于模擬分析時的理論間隙，鋼管徑向整體位移增大，故而脹管率(壁厚減薄率)減??；另外，實際脹管試驗加載的脹管壓力是考慮了多孔影響之后計算初定的，故而單管計算機模擬時變形較大，而實際脹管時是多孔，變形較小。

最后1組材料因管孔加工超差，即使在脹管壓力不變的情況下，脹管率也會陡然增大。這可以證明，對于奧氏體不銹鋼這種材料組合，要達到脹管效果是非常容易的，但是間隙過大是以犧牲換熱管壁厚為代價的，必要時還需考慮換熱管本身的應(yīng)力情況，所以制造時保證管孔的尺寸精度非常重要。

4 結(jié)語

通過計算機建模仿真分析及實際脹接試驗，驗證了按照修正后的顏惠庚基于理想彈塑性力學模型計算出的初定壓力，在工程實踐中應(yīng)用是基本符合要求的，但要分以下2種情況分別進行處理：

1) 對于能符合脹接基本原理(換熱管屈服強度及硬度低于管板的情況)的材料組合，無須考慮材料的實際力學性能和標準下限的差異度，直接以標準下限值代入計算，即可得到滿意的貼脹效果；按較小的強度差匹配即可。

2) 對于不符合脹接基本原理的材料組合，要根據(jù)經(jīng)驗初定脹管壓力。確定原則是最大脹管壓力不能使管板應(yīng)力超過管板的實際彈性極限值。然后利用計算機模擬仿真(單根換熱管加等效圓筒或者局部多孔模型，用材料的實際力學性能進行模擬)找出合適的脹管壓力即可，可以不進行實際的脹管評定；但對于重要設(shè)備及重要材料(如加氫反應(yīng)器，S22053、S22253換熱管)，最好再輔助進行脹管工藝評定，以確保產(chǎn)品脹接質(zhì)量。