扁管承受极限内压能力的研究

　　研究表明,扁管是一种高效传热元件。以扁管代替圆管,可制成较为高效的扁管管壳式换热器[1]。然而换热器在耐压试验时,其换热管要承受较高的单侧压力,就是在操作运行中也有短时单侧受压的情况存在。对于扁管所承受内压时的强度问题已有部分研究结果,但对其所能承受极限内压能力的研究尚显不足。为此,文中对相同周长(外周)、不同壁厚的扁管能承受极限内压能力的关系作了进一步探讨,同时还对相同周长、相同壁厚的扁管在直边段和外圆弧半径的不同比值条件下与所能承受最大内压力的关系进行了分析。扁管结构示意图见图1,图中,w为直边段长度,R为圆弧段外半径,r为圆弧段内半径,δ为扁管壁厚,并设X为扁管的直边段和圆弧半径比值,X=w/R。

　　1　计算模型的建立

　　以下研究分析的结果都是在只受内压的情况下得到的。

　　1.1　模型选取

　　选取扁管横截面建立几何模型并进行求解。由于扁管的对称性,取其1/4的截面建立几何模型(图2)进行分析。扁管承受均布液体内压,设计压力为0.11 MPa,设计温度为100℃,扁管材料为20钢,[σ]t=130 MPa,弹性模量E=200 GPa,泊松比μ=0.3。

　　1.2　几何模型尺寸

　　为便于对相同周长、不同壁厚的扁管与所能承受最大内压力的关系和对相同周长、相同壁厚的扁管在直边段和圆弧外半径的不同比值条件下所能承受最大内压力的关系分别进行分析研究,选择了3组分析模型。

　　分析模型1:在相同外周长(59.96 mm)、不同壁厚且X=4条件下,选取11种扁管模型,其数值见表1。

　　分析模型2:在相同外周长(59.96 mm)、不同壁厚且X=2条件下,选取6种扁管模型,其数值见表2。

　　分析模型3:在相同外周长(59.96 mm)、不同壁厚且X=0.5条件下,选取6种扁管模型,其数值见表3。

　　1.3　计算处理及条件约束

　　有限元计算中,所有的计算模型均采用Quad8node 82单元划分网格[2]。

　　位移约束:在直边端和圆弧端施加允许有轴向位移的简支约束。

　　载荷约束:在模型内壁施加均布压力。

　　2　计算结果及讨论

　　通过ANSYS分析表1、表2、表3中的计算模型后[3],得到相应的扁管所能承受的最大内压值pmax,见表4~表6。

　　由表4~表6可知,当X一定时,在相同外周长条件下,随着扁管厚度的增加,其所能承受的极限压力增大。同时,随着X的减小,相同外周长同壁厚的扁管能承受的极限内压力增大。X减小,而扁管厚度增加时,其所能承受的极限内压力显著增大。

　　当X=4,且扁管厚度分别为1 mm、1.25 mm以及1.5 mm时,其所能承受的极限内压值分别是0.57 MPa、0.86 MPa和1.20 MPa,其等效应力等值线图见图3。当X=2,且扁管厚度为1 mm、1.5 mm和2 mm时,其所能承受的极限内压分别是0.89 MPa、1.89 MPa和3.20 MPa,扁管等效应力等值线图见图4。当X=0.5,且扁管厚度为1 mm和2 mm时,其所能承受极限内压分别是2.09 MPa和8.26 MPa,其等效应力等值线图见图5。