目前,液压胀接的理论分析仍然建立在双层简体模型基础上,且把液压胀管过程分为三个阶段:不锈钢换热管变形阶段、管板加载阶段以及卸载阶段。通过不同的材料性能假设,可以得到不同阶段胀接压力计算公式。
虽然根据材料的弹塑性理论推导而得到的理论公式没有考虑材料的应变强化和间隙,但是该类公式因为形式简单而被广泛应用在工程实际中。当把周围约束胀管的管桥考虑作简体时,贴胀所需的最小胀接压力可根据以下公式计算:
GB 13296-2013《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》给出了尺寸精度较高的常用冷拔不锈钢换热管外直径和壁厚允许偏差范围,GB/T 151-2014《热交换器》给出了与换热管对应的管板孔直径及其允许偏差范围,换热管和管板孔直径的尺寸及其允许偏差范围如表4-1所示。
为讨论尺寸偏差的影响,以do=25mm、k=1.19的冷拔不锈钢管为例,考虑换热管外直径偏差єd、管壁厚偏差єs以及管板管孔直径偏差єD,代入式(4-1)计算最小胀接压力。分析时,假设换热管在管板上以等边三角形分布,管板管孔中心距32mm,管板孔直径为25.25mm,胀管区长度 =268mm,换热管和管板材料以及力学性能见表4-2。
根据以上数据,不考虑尺寸公差时,根据式(4-1)计算可得最小胀接力为202MPa。从表4-1可得,与φ25mm不锈钢换热管相配合的低合金钢管板管孔直0,+0.15mm。对于公称尺寸为φ25mm×2mm冷拔不锈钢管,其外径尺寸允许偏差是士0.1mm,壁厚尺寸允许偏差为±0.2mm。根据上述规定可以得到:єD=0~0.15mm、εd=-0.1~0.1mm、εδ=-0.2~0.2mm,管子外壁和管板孔之间的初始间隙c在0.075~0.25mm之间。为便于分析,现取壁厚偏差εδ=0.2mm、0.1mm、0.0mm、-0.1mm、-0.2mm,间隙c=0.075mm、0.100mm、0.125mm、0.150mm、0.175mm、0.200mm、0.225mm、0.250mm。对式(4-1)~式(4-4)分析可以发现,当胀接件基本尺寸、间隙c和壁厚偏差єd值确定后,Pmin仅是єD的函数,且在0~0.15mm范围内是单调减函数,此时,pmin存在两个边界值。表4-3列出了壁厚和间隙一定时,p,min取边界值时对应的єD和єd值。
为保证计算结果的精确,求出每一种壁厚和间隙组合下pmin的上下边界值,取两者的平均值作为pmin计算值,所有的计算结果绘于图4-6。
计算结果表明,在间隙相同的情况下,最小胀接压力受不锈钢换热管壁厚偏差的影响较大,并且随壁厚偏差的增大而增大;而在同一壁厚偏差下,初始径向间隙对最小胀接压力几乎没有影响,如图4-6所示。为了研究存在公差时式(4-1)计算结果的准确性以及公差对pmin的实际影响,在4.3节中采用有限元模拟管板和换热管的胀接过程。
为了节省时间,有些企业根据式(4-1)制定了《胀管压力计算值速查表》,可供加工人员快速确定胀接压力值,部分内容如图4-7所示。
po -- 管子外径刚发生塑性变形的胀管压力,MPa
Pmin -- 管子与管板开始产生残余应力的最小胀管压力,MPa
pmax -- 管板内壁开始塑性变形的胀管压力,MPa
管板材料屈服应力σsp=210MPa