溫度對(duì)擠壓式無(wú)擴(kuò)口導(dǎo)管密封性能的影響

石家莊海山實(shí)業(yè)發(fā)展總公司 河北 石家莊 050208

前言

擠壓式無(wú)擴(kuò)口導(dǎo)管連接件是一種新型導(dǎo)管連接技術(shù)。其利用膠套的變形促使導(dǎo)管發(fā)生塑性變形,進(jìn)而將導(dǎo)管與管套連接在一起。無(wú)擴(kuò)口導(dǎo)管連接技術(shù)屬于彈性連接,是通過(guò)管套、導(dǎo)管和轉(zhuǎn)接頭在擠壓力、預(yù)緊力和液壓載荷的作用下產(chǎn)生的彈性變形起到密封及連接作用。連接件具有自鎖抗震性,尺寸小,密封性好,疲勞壽命高等特點(diǎn)[1][2][3][4]。然而在外場(chǎng)維護(hù)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)滲漏油氣現(xiàn)象。為分析管件密封機(jī)制,本文分析不同溫度下連接件接觸部分的受力情況,為深入掌握其工作機(jī)制打下基礎(chǔ)。

1 擠壓式無(wú)擴(kuò)口導(dǎo)管溫度變化的數(shù)值分析

1.1 有限元模型的建立 導(dǎo)管和管套材料為不銹鋼,導(dǎo)管規(guī)格為6mm×0.6mm,為減少分析時(shí)間和分析難度,組件模型采用二維軸對(duì)稱(chēng)形式,單元采用實(shí)體單元。假設(shè)管套、管件及轉(zhuǎn)接頭的材料各向同性,并采用Von Mises屈服準(zhǔn)則。管件彈性模量為206Gpa;泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度205Mpa,線(xiàn)膨脹系數(shù)17.0e-6.管套彈性模量210Gpa、泊松比0.3,線(xiàn)膨脹系數(shù)13.9e-6。各部件之間摩擦系數(shù)均為0.1。模擬采用Abaqus6.11/Explicit中的模塊進(jìn)行成形模擬,再以此模型為基礎(chǔ)使用abaqus6.11/standard模塊來(lái)完成溫度載荷的加載。模型組成如圖1。

圖1 數(shù)值模擬組成示意圖

圖2 20°時(shí)等效應(yīng)力分布示意圖

1.2 擠壓式無(wú)擴(kuò)口導(dǎo)管的溫度變化模擬 從圖2及圖3可以看出20℃時(shí)管件內(nèi)部存在大量殘余接觸力和彈性應(yīng)變,這保證了管套與導(dǎo)管間的緊密接觸。當(dāng)溫度升高至135℃時(shí),導(dǎo)管與管套間的接觸力與等效應(yīng)力等發(fā)生變化,管套凹槽尖點(diǎn)部分的接觸力和等效應(yīng)力迅速增大,使得管件更緊密的連接在一起。這是由于管套的膨脹系數(shù)較導(dǎo)管的膨脹系數(shù)要小,當(dāng)溫度升高時(shí),管套內(nèi)孔直徑在變小,而導(dǎo)管外徑在變大;同時(shí),由于管套的膨脹系數(shù)比導(dǎo)管膨脹系數(shù)要小;升高同樣溫度時(shí),管套的變形量比導(dǎo)管的變形量要小;兩方面的因素造成了接觸力的增加,進(jìn)而造成管套與導(dǎo)管的等效應(yīng)力的增大,如圖4、圖5所示。

圖3 135°時(shí)等效應(yīng)力分布示意圖

圖4 溫度恢復(fù)到20°時(shí)應(yīng)力分布示意圖

當(dāng)溫度恢復(fù)到20℃時(shí),管件接觸力和等效應(yīng)力大部分均恢復(fù)到未加溫前的狀態(tài),只是在尖點(diǎn)位置有微小的變化,出現(xiàn)了部分塑性變形。由于尖點(diǎn)位置是無(wú)擴(kuò)口導(dǎo)管的密封的關(guān)鍵區(qū)域[5][6],所以溫度對(duì)導(dǎo)管具備密封性能是有一定影響的。

結(jié)合圖5可以看出溫度對(duì)管件接觸力影響較大,而接觸力的大小反應(yīng)的是導(dǎo)管與管套間的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。這說(shuō)明溫度在一定范圍內(nèi)變化對(duì)管件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)有較大影響。

在溫度變化的整個(gè)過(guò)程中,管件的變形大部分均處在彈性變形范圍內(nèi)。體現(xiàn)了無(wú)擴(kuò)口導(dǎo)管彈性連接的特點(diǎn),說(shuō)明溫度對(duì)該類(lèi)型管件的密封性能沒(méi)有太大影響。

圖5 不同溫度接觸力分布示意圖

圖6 脈沖試驗(yàn)試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

選用6mm×0.6mm的1Cr18Ni9Ti作為導(dǎo)管材料,0Cr12Mn5Ni4Mo3Al作為管套材料。制作12根管件進(jìn)行密封性能檢測(cè)[7]。取6根進(jìn)行脈沖試驗(yàn)[8],其余6根分兩組,一組在常溫下測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,一組在135℃環(huán)境下保溫30min后進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)力矩測(cè)量,結(jié)果見(jiàn)表1、表2。從表1可以看出在高溫下,導(dǎo)管的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩值高溫下較常溫提升了約17%。對(duì)比表1和表2可以看出,經(jīng)過(guò)脈沖試驗(yàn)后的不銹鋼導(dǎo)管密封性能并未有大的變化,說(shuō)明其密封可靠性較好。

表1 不同溫度下導(dǎo)管的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩

4 135 9.5 5 135 9.1 6 135 8.6

表2 脈沖試驗(yàn)后導(dǎo)管的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩

從文獻(xiàn)[7]中可以看出在脈沖試驗(yàn)后,鋁導(dǎo)管出現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)力矩值急劇降低的問(wèn)題,說(shuō)明該類(lèi)型導(dǎo)管在溫度和脈沖力的作用下更容易出現(xiàn)滲漏問(wèn)題。

結(jié)論

運(yùn)用有限元軟件分析溫度載荷對(duì)管件密封性能的影響有其無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。可以深入理解擠壓式無(wú)擴(kuò)口導(dǎo)管在使用過(guò)程中的工作狀態(tài),為解決擠壓式無(wú)擴(kuò)口導(dǎo)管的泄漏油、氣問(wèn)題提供了一種可靠的技術(shù)方法。從文中可以得出以下結(jié)論:

1.當(dāng)溫度升高時(shí),其內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布發(fā)生變化使得導(dǎo)管與管套間的接觸力增大,有利于密封。

2.溫度在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)管件的影響有限,沒(méi)有改變管件彈性連接的特點(diǎn)。

3.結(jié)合模擬和試驗(yàn)可以看出,高溫脈沖對(duì)不銹鋼管件的密封性能沒(méi)有降低的影響,對(duì)鋁導(dǎo)管影響較大。