温度对挤压式无扩口导管密封性能的影响

石家庄海山实业发展总公司 河北 石家庄 050208

前言

挤压式无扩口导管连接件是一种新型导管连接技术。其利用胶套的变形促使导管发生塑性变形,进而将导管与管套连接在一起。无扩口导管连接技术属于弹性连接,是通过管套、导管和转接头在挤压力、预紧力和液压载荷的作用下产生的弹性变形起到密封及连接作用。连接件具有自锁抗震性,尺寸小,密封性好,疲劳寿命高等特点[1][2][3][4]。然而在外场维护过程中经常发现渗漏油气现象。为分析管件密封机制,本文分析不同温度下连接件接触部分的受力情况,为深入掌握其工作机制打下基础。

1 挤压式无扩口导管温度变化的数值分析

1.1 有限元模型的建立 导管和管套材料为不锈钢,导管规格为6mm×0.6mm,为减少分析时间和分析难度,组件模型采用二维轴对称形式,单元采用实体单元。假设管套、管件及转接头的材料各向同性,并采用Von Mises屈服准则。管件弹性模量为206Gpa;泊松比为0.3,屈服强度205Mpa,线膨胀系数17.0e-6.管套弹性模量210Gpa、泊松比0.3,线膨胀系数13.9e-6。各部件之间摩擦系数均为0.1。模拟采用Abaqus6.11/Explicit中的模块进行成形模拟,再以此模型为基础使用abaqus6.11/standard模块来完成温度载荷的加载。模型组成如图1。

图1 数值模拟组成示意图

图2 20°时等效应力分布示意图

1.2 挤压式无扩口导管的温度变化模拟 从图2及图3可以看出20℃时管件内部存在大量残余接触力和弹性应变,这保证了管套与导管间的紧密接触。当温度升高至135℃时,导管与管套间的接触力与等效应力等发生变化,管套凹槽尖点部分的接触力和等效应力迅速增大,使得管件更紧密的连接在一起。这是由于管套的膨胀系数较导管的膨胀系数要小,当温度升高时,管套内孔直径在变小,而导管外径在变大;同时,由于管套的膨胀系数比导管膨胀系数要小;升高同样温度时,管套的变形量比导管的变形量要小;两方面的因素造成了接触力的增加,进而造成管套与导管的等效应力的增大,如图4、图5所示。

图3 135°时等效应力分布示意图

图4 温度恢复到20°时应力分布示意图

当温度恢复到20℃时,管件接触力和等效应力大部分均恢复到未加温前的状态,只是在尖点位置有微小的变化,出现了部分塑性变形。由于尖点位置是无扩口导管的密封的关键区域[5][6],所以温度对导管具备密封性能是有一定影响的。

结合图5可以看出温度对管件接触力影响较大,而接触力的大小反应的是导管与管套间的应力应变状态。这说明温度在一定范围内变化对管件的应力应变状态有较大影响。

在温度变化的整个过程中,管件的变形大部分均处在弹性变形范围内。体现了无扩口导管弹性连接的特点,说明温度对该类型管件的密封性能没有太大影响。

图5 不同温度接触力分布示意图

图6 脉冲试验试验示意图

2 试验验证

选用6mm×0.6mm的1Cr18Ni9Ti作为导管材料,0Cr12Mn5Ni4Mo3Al作为管套材料。制作12根管件进行密封性能检测[7]。取6根进行脉冲试验[8],其余6根分两组,一组在常温下测量转动力矩,一组在135℃环境下保温30min后进行转动力矩测量,结果见表1、表2。从表1可以看出在高温下,导管的转动力矩值高温下较常温提升了约17%。对比表1和表2可以看出,经过脉冲试验后的不锈钢导管密封性能并未有大的变化,说明其密封可靠性较好。

表1 不同温度下导管的转动力矩

4 135 9.5 5 135 9.1 6 135 8.6

表2 脉冲试验后导管的转动力矩

从文献[7]中可以看出在脉冲试验后,铝导管出现了转动力矩值急剧降低的问题,说明该类型导管在温度和脉冲力的作用下更容易出现渗漏问题。

结论

运用有限元软件分析温度载荷对管件密封性能的影响有其无可比拟的优点。可以深入理解挤压式无扩口导管在使用过程中的工作状态,为解决挤压式无扩口导管的泄漏油、气问题提供了一种可靠的技术方法。从文中可以得出以下结论:

1.当温度升高时,其内部的应力应变分布发生变化使得导管与管套间的接触力增大,有利于密封。

2.温度在一定范围内的变化对管件的影响有限,没有改变管件弹性连接的特点。

3.结合模拟和试验可以看出,高温脉冲对不锈钢管件的密封性能没有降低的影响,对铝导管影响较大。