溫度對擠壓式無擴口導管密封性能的影響

石家莊海山實業發展總公司 河北 石家莊 050208

前言

擠壓式無擴口導管連接件是一種新型導管連接技術。其利用膠套的變形促使導管發生塑性變形,進而將導管與管套連接在一起。無擴口導管連接技術屬于彈性連接,是通過管套、導管和轉接頭在擠壓力、預緊力和液壓載荷的作用下產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[1][2][3][4]。然而在外場維護過程中經常發現滲漏油氣現象。為分析管件密封機制,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制打下基礎。

1 擠壓式無擴口導管溫度變化的數值分析

1.1 有限元模型的建立 導管和管套材料為不銹鋼,導管規格為6mm×0.6mm,為減少分析時間和分析難度,組件模型采用二維軸對稱形式,單元采用實體單元。假設管套、管件及轉接頭的材料各向同性,并采用Von Mises屈服準則。管件彈性模量為206Gpa;泊松比為0.3,屈服強度205Mpa,線膨脹系數17.0e-6.管套彈性模量210Gpa、泊松比0.3,線膨脹系數13.9e-6。各部件之間摩擦系數均為0.1。模擬采用Abaqus6.11/Explicit中的模塊進行成形模擬,再以此模型為基礎使用abaqus6.11/standard模塊來完成溫度載荷的加載。模型組成如圖1。

圖1 數值模擬組成示意圖

圖2 20°時等效應力分布示意圖

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

圖3 135°時等效應力分布示意圖

圖4 溫度恢復到20°時應力分布示意圖

當溫度恢復到20℃時,管件接觸力和等效應力大部分均恢復到未加溫前的狀態,只是在尖點位置有微小的變化,出現了部分塑性變形。由于尖點位置是無擴口導管的密封的關鍵區域[5][6],所以溫度對導管具備密封性能是有一定影響的。

結合圖5可以看出溫度對管件接觸力影響較大,而接觸力的大小反應的是導管與管套間的應力應變狀態。這說明溫度在一定范圍內變化對管件的應力應變狀態有較大影響。

在溫度變化的整個過程中,管件的變形大部分均處在彈性變形范圍內。體現了無擴口導管彈性連接的特點,說明溫度對該類型管件的密封性能沒有太大影響。

圖5 不同溫度接觸力分布示意圖

圖6 脈沖試驗試驗示意圖

2 試驗驗證

選用6mm×0.6mm的1Cr18Ni9Ti作為導管材料,0Cr12Mn5Ni4Mo3Al作為管套材料。制作12根管件進行密封性能檢測[7]。取6根進行脈沖試驗[8],其余6根分兩組,一組在常溫下測量轉動力矩,一組在135℃環境下保溫30min后進行轉動力矩測量,結果見表1、表2。從表1可以看出在高溫下,導管的轉動力矩值高溫下較常溫提升了約17%。對比表1和表2可以看出,經過脈沖試驗后的不銹鋼導管密封性能并未有大的變化,說明其密封可靠性較好。

表1 不同溫度下導管的轉動力矩

4 135 9.5 5 135 9.1 6 135 8.6

表2 脈沖試驗后導管的轉動力矩

從文獻[7]中可以看出在脈沖試驗后,鋁導管出現了轉動力矩值急劇降低的問題,說明該類型導管在溫度和脈沖力的作用下更容易出現滲漏問題。

結論

運用有限元軟件分析溫度載荷對管件密封性能的影響有其無可比擬的優點。可以深入理解擠壓式無擴口導管在使用過程中的工作狀態,為解決擠壓式無擴口導管的泄漏油、氣問題提供了一種可靠的技術方法。從文中可以得出以下結論:

1.當溫度升高時,其內部的應力應變分布發生變化使得導管與管套間的接觸力增大,有利于密封。

2.溫度在一定范圍內的變化對管件的影響有限,沒有改變管件彈性連接的特點。

3.結合模擬和試驗可以看出,高溫脈沖對不銹鋼管件的密封性能沒有降低的影響,對鋁導管影響較大。