龍崗區304薄壁不銹鋼管卡壓式連接的有限元分析

　　1）概述

　　從2003年，我國室內燃氣管道開始使用龍崗區304薄壁不銹鋼管作為管材［1］。隨后國內燃氣公司如重慶燃氣、天津燃氣、四川燃氣、新奧燃氣等開始嘗試使用薄壁不銹鋼管作為中低壓入戶燃氣管道的管材，在重慶、天津、成都、長沙、深圳、佛山等地開始試點使用［2-4］。

　　卡壓式連接是一種新型的管道連接技術，卡壓式連接采用專用的卡壓鉗或卡壓電動工具對內置密封圈的不銹鋼承口管接頭與不銹鋼管適配后，在管口處用恒定的壓力壓緊，從而起到密封和緊固作用［5］。

　　卡壓式連接的原理：通過設備將管接頭和不銹鋼管在卡壓處卡壓成六角形，在六角形的六個頂點處產生抱緊力，使得管接頭緊緊固定住不銹鋼管，從而實現連接。薄壁不銹鋼管道卡壓式連接方式見圖1。

圖1   薄壁不銹鋼管道卡壓式連接方式

　　　　針對不銹鋼管卡壓過程的密封性能要求，本文以DN25mm不銹鋼管為對象，采用ANSYS有限元分析軟件［6-7］，建立三維模型，模擬薄壁不銹鋼管的卡壓過程，分析管接頭與不銹鋼管重合卡壓的部位（以下統稱為接觸面）上接觸間隙分布狀態、管接頭與不銹鋼管的彈性應變及塑性應變。卡壓過程中，卡鉗和管接頭之間存在邊界摩擦，隨著管接頭與鋼管之間的接觸間隙逐漸減小，因此，整個有限元模擬過程包含了材料非線性分析、邊界非線性分析和幾何非線性分析［8］。

　　2）有限元分析過程

　　2.1定義單元類型和屬性

　　考慮模型具有塑性、應力強化、大應變等特性，在模擬過程中選取八節點solid45單元建立離散化模型。

　　確定材料屬性。不銹鋼管和管接頭材料均為06Cr19Ni10，該材料的密度為7930kg/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強度為223MPa，抗拉強度為520MPa。為了進行材料的彈塑性分析，本文采用了雙線性等向強化材料模型［9］，該材料模型多用于初始各向相同材料的大應變分析。

　　2.2創建幾何模型

　　不銹鋼管選用GB/T19228.2—2011《不銹鋼卡壓式管件組件》中Ⅰ系列DN25mm不銹鋼管。在ANSYS建模時，為了簡化計算，模型中沒有考慮密封圈，卡壓作用面近似為圓形而非實際的六角形。取圖1b幾何模型右半部分的1/2建立有限元模型。管接頭長度為32mm，不銹鋼管長度為70mm，不銹鋼管插入管接頭25mm，模型組件參數見表1。模型以不銹鋼管左端起始處對應的軸心為坐標軸原點，x為沿軸向方向、朝右為正方向，y、z均為沿徑向方向，y軸朝紙內為正方向，z軸朝上為正方向。x=2mm到x=6mm截面之間的管接頭外壁

　　為卡壓面A，相應的管接頭內壁與不銹鋼管外壁為接觸面A。x=22mm到x=25mm截面之間的管接頭外壁為卡壓面B，相應的管接頭內壁與不銹鋼管外壁為接觸面B。由于實際卡壓過程中A處不銹鋼管容易往B處滑動，為了卡緊不銹鋼管，A處卡壓面寬度和接觸面寬度比B處大1mm。具體1/4體模型見圖2。

　圖21/4體模型

　　2.3網格劃分

　　ANSYS軟件的網格劃分主要有自由網格、映射網格和掃掠劃分網格。同時網格劃分的質量和數量對有限元的計算結果有重要影響。一般劃分網格離散的單元越密集、形狀近于正方形，則數值積分精度越高，計算結果越接近真實情況。但隨著網格單元越密集，網格數量多到一定程度后，則會使計算機運算的時間太長。本文為了得到更精確的網格劃分結果，在網格進行劃分前對所選面進行網格劃分控制，并設定網格大小，即ESIZE命令。采用掃掠劃分網格，SWEEP命令完成體的網格劃分，所建立的有限元模型包含17992個單元，26307個節點。管接頭和不銹鋼管網格劃分見圖3。

　　圖3管接頭和不銹鋼管網格劃分

　　2.4加載與求解

　　在模型軸對稱面上施加對稱約束，并在管接頭和不銹鋼管沒有接觸對的一端施加全約束，在卡壓面處加載48MPa的壓力載荷，然后分析有限元模型等效應力、管接頭和不銹鋼管的彈性應變及塑性應變情況，以及分析卡壓結束后管接頭與不銹鋼管的接觸間隙。故需施加兩步載荷。第一步載荷為壓力載荷，第二步壓力載荷為零，保存并求解。為了保證收斂性，打開自動時間步長，使用自動時間步長中較小的時間步長，采用線性搜索保證解的收斂性。

　　3）有限元分析結果分析

　　圖4為管接頭等效應力云圖，圖5為不銹鋼管等效應力局部放大云圖，圖中數值為等效應力，相應的單位為MPa。

　　圖4管接頭等效應力云圖

圖5不銹鋼管等效應力局部放大云圖

　　圖6為管接頭沿徑向Mises彈性應變云圖，圖中數值為科學計數法形式，例如3.07E-5表示3.07×10-5，相應的單位為MPa，圖7、8中的數值含義與此相同。由圖6可以看出，管接頭彈性應變沿徑向逐漸增大，在接觸面（管接頭內壁）處彈性應變達到最大值，為0.00121，遠離接觸面的左右兩側彈性應變逐漸減小。

　　圖6管接頭沿徑向Mises彈性應變云圖

　　圖7不銹鋼管沿徑向Mises彈性應變局部放大云圖

　　圖8不銹鋼管沿徑向Mises塑性應變局部放大云圖

　　圖7為不銹鋼管沿徑向Mises彈性應變局部放大云圖。由圖7可以看出，不銹鋼管在卡壓處從接觸面（不銹鋼管外壁）到內壁處的彈性應變逐漸增大，在接觸面對應的鋼管內壁處彈性應變達到最大值，為0.0014。沿接觸面左右兩側彈性應變逐漸減小，遠離接觸面部位的不銹鋼管右端彈性應變非常小甚至無變化。

　　圖8為不銹鋼管沿徑向Mises塑性應變局部放大云圖。由圖8可以看出，不銹鋼管在卡壓處從接觸面（不銹鋼管外壁）到內壁處的塑性應變逐漸增大，在接觸面對應的不銹鋼管內壁處塑性應變達到最大值，為0.0274。沿接觸面左右兩側塑性應變逐漸減小，遠離接觸面部位的不銹鋼管右端塑性應變非常小甚至無變化。

　　圖9為接觸面（不銹鋼管外壁）的接觸間隙云圖，圖中數值為接觸間隙，相應的單位為mm。由圖9可知，接觸面最大間隙為1.44×10-3mm，最小間隙為0mm。接觸面B中的接觸間隙非常小，且間隙大的部位的面積占接觸面B的面積的比例也非常小，因此，接觸面B處已形成有效密封。接觸面A中的間隙較大，但是最大間隙是在接觸面A中間部位，而接觸面兩端間隙非常小，趨近于0，因此，接觸面A處已形成有效密封。

　　圖9接觸面的接觸間隙云圖

　　4）結論

　　以DN25mm薄壁不銹鋼管為模型對象，采用ANSYS有限元軟件，建立三維模型，分析薄壁不銹鋼管卡壓后模型的應力、應變及接觸面接觸間隙，得出以下結論：

　　①在48MPa的卡壓壓力下，管接頭等效應力最大處在接觸面（管接頭內壁）處，最大值為223MPa。不銹鋼管等效應力最大處為接觸面對應的不銹鋼管內壁處，最大值為287MPa。

　　②在48MPa的卡壓壓力下，管接頭達到要發生塑性變形的臨界值，但并未發生塑性變形，只發生彈性變形。不銹鋼管在接觸面處從外壁到內壁整體都發生了彈塑性變形，塑性應變大于彈性應變。

　　③卡壓結束后，接觸間隙最大值為1.44×10-3mm，最大接觸間隙均出現在接觸面的中間部位且所占的比例較小，接觸面左右兩端接觸間隙趨近于0，故接觸面形成良好密封。

　　參考文獻：

　　［1］趙庭敏.燃氣薄壁304不銹鋼管在高層表出戶中的應用探討［J］.科技創新與應用，2013（15）:63.

　　［2］池愛君.薄壁不銹鋼管在室內燃氣工程的應用［J］.煤氣與熱力，2009，29（8）:B25-B27.

　　［3］席冰.薄壁不銹鋼管在城鎮天然氣管道中的應用［J］.化工管理，2014（30）:142.

　　［4］唐文勝.薄壁不銹鋼管材及連接［J］.重慶建筑,2009（3）:24-26.

　　［5］范永輝.薄壁不銹鋼管在燃氣管道中的應用（碩士學位論文）［D］.廣州:華南理工大學，2013:15-16.

　　［6］候艷惠，房進勝.薄壁不銹鋼管道卡壓式連接在工程中的應用［J］.建筑，2011（7）:70-72.

　　［7］劉相新，孟憲頤.ANSYS基礎與應用教程［M］.北京:科學出版社，2006：86-87.

　　［8］朱浩川，姚諫.不銹鋼薄板縱向受壓的有限元模擬及受力性能［J］.土木建筑與環境工程，2012,34（3）:84-88.

　　［9］常列珍,潘玉田,李魁武,等.理想彈塑性線性強化模型的身管殘余應力分析［J］.兵工學報,2013,34（4）:385-391.

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