龙岗区304薄壁不锈钢管卡压式连接的有限元分析

　　1）概述

　　从2003年，我国室内燃气管道开始使用龙岗区304薄壁不锈钢管作为管材［1］。随后国内燃气公司如重庆燃气、天津燃气、四川燃气、新奥燃气等开始尝试使用薄壁不锈钢管作为中低压入户燃气管道的管材，在重庆、天津、成都、长沙、深圳、佛山等地开始试点使用［2-4］。

　　卡压式连接是一种新型的管道连接技术，卡压式连接采用专用的卡压钳或卡压电动工具对内置密封圈的不锈钢承口管接头与不锈钢管适配后，在管口处用恒定的压力压紧，从而起到密封和紧固作用［5］。

　　卡压式连接的原理：通过设备将管接头和不锈钢管在卡压处卡压成六角形，在六角形的六个顶点处产生抱紧力，使得管接头紧紧固定住不锈钢管，从而实现连接。薄壁不锈钢管道卡压式连接方式见图1。

图1   薄壁不锈钢管道卡压式连接方式

　　　　针对不锈钢管卡压过程的密封性能要求，本文以DN25mm不锈钢管为对象，采用ANSYS有限元分析软件［6-7］，建立三维模型，模拟薄壁不锈钢管的卡压过程，分析管接头与不锈钢管重合卡压的部位（以下统称为接触面）上接触间隙分布状态、管接头与不锈钢管的弹性应变及塑性应变。卡压过程中，卡钳和管接头之间存在边界摩擦，随着管接头与钢管之间的接触间隙逐渐减小，因此，整个有限元模拟过程包含了材料非线性分析、边界非线性分析和几何非线性分析［8］。

　　2）有限元分析过程

　　2.1定义单元类型和属性

　　考虑模型具有塑性、应力强化、大应变等特性，在模拟过程中选取八节点solid45单元建立离散化模型。

　　确定材料属性。不锈钢管和管接头材料均为06Cr19Ni10，该材料的密度为7930kg/m3，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，屈服强度为223MPa，抗拉强度为520MPa。为了进行材料的弹塑性分析，本文采用了双线性等向强化材料模型［9］，该材料模型多用于初始各向相同材料的大应变分析。

　　2.2创建几何模型

　　不锈钢管选用GB/T19228.2—2011《不锈钢卡压式管件组件》中Ⅰ系列DN25mm不锈钢管。在ANSYS建模时，为了简化计算，模型中没有考虑密封圈，卡压作用面近似为圆形而非实际的六角形。取图1b几何模型右半部分的1/2建立有限元模型。管接头长度为32mm，不锈钢管长度为70mm，不锈钢管插入管接头25mm，模型组件参数见表1。模型以不锈钢管左端起始处对应的轴心为坐标轴原点，x为沿轴向方向、朝右为正方向，y、z均为沿径向方向，y轴朝纸内为正方向，z轴朝上为正方向。x=2mm到x=6mm截面之间的管接头外壁

　　为卡压面A，相应的管接头内壁与不锈钢管外壁为接触面A。x=22mm到x=25mm截面之间的管接头外壁为卡压面B，相应的管接头内壁与不锈钢管外壁为接触面B。由于实际卡压过程中A处不锈钢管容易往B处滑动，为了卡紧不锈钢管，A处卡压面宽度和接触面宽度比B处大1mm。具体1/4体模型见图2。

　图21/4体模型

　　2.3网格划分

　　ANSYS软件的网格划分主要有自由网格、映射网格和扫掠划分网格。同时网格划分的质量和数量对有限元的计算结果有重要影响。一般划分网格离散的单元越密集、形状近于正方形，则数值积分精度越高，计算结果越接近真实情况。但随着网格单元越密集，网格数量多到一定程度后，则会使计算机运算的时间太长。本文为了得到更精确的网格划分结果，在网格进行划分前对所选面进行网格划分控制，并设定网格大小，即ESIZE命令。采用扫掠划分网格，SWEEP命令完成体的网格划分，所建立的有限元模型包含17992个单元，26307个节点。管接头和不锈钢管网格划分见图3。

　　图3管接头和不锈钢管网格划分

　　2.4加载与求解

　　在模型轴对称面上施加对称约束，并在管接头和不锈钢管没有接触对的一端施加全约束，在卡压面处加载48MPa的压力载荷，然后分析有限元模型等效应力、管接头和不锈钢管的弹性应变及塑性应变情况，以及分析卡压结束后管接头与不锈钢管的接触间隙。故需施加两步载荷。第一步载荷为压力载荷，第二步压力载荷为零，保存并求解。为了保证收敛性，打开自动时间步长，使用自动时间步长中较小的时间步长，采用线性搜索保证解的收敛性。

　　3）有限元分析结果分析

　　图4为管接头等效应力云图，图5为不锈钢管等效应力局部放大云图，图中数值为等效应力，相应的单位为MPa。

　　图4管接头等效应力云图

图5不锈钢管等效应力局部放大云图

　　图6为管接头沿径向Mises弹性应变云图，图中数值为科学计数法形式，例如3.07E-5表示3.07×10-5，相应的单位为MPa，图7、8中的数值含义与此相同。由图6可以看出，管接头弹性应变沿径向逐渐增大，在接触面（管接头内壁）处弹性应变达到最大值，为0.00121，远离接触面的左右两侧弹性应变逐渐减小。

　　图6管接头沿径向Mises弹性应变云图

　　图7不锈钢管沿径向Mises弹性应变局部放大云图

　　图8不锈钢管沿径向Mises塑性应变局部放大云图

　　图7为不锈钢管沿径向Mises弹性应变局部放大云图。由图7可以看出，不锈钢管在卡压处从接触面（不锈钢管外壁）到内壁处的弹性应变逐渐增大，在接触面对应的钢管内壁处弹性应变达到最大值，为0.0014。沿接触面左右两侧弹性应变逐渐减小，远离接触面部位的不锈钢管右端弹性应变非常小甚至无变化。

　　图8为不锈钢管沿径向Mises塑性应变局部放大云图。由图8可以看出，不锈钢管在卡压处从接触面（不锈钢管外壁）到内壁处的塑性应变逐渐增大，在接触面对应的不锈钢管内壁处塑性应变达到最大值，为0.0274。沿接触面左右两侧塑性应变逐渐减小，远离接触面部位的不锈钢管右端塑性应变非常小甚至无变化。

　　图9为接触面（不锈钢管外壁）的接触间隙云图，图中数值为接触间隙，相应的单位为mm。由图9可知，接触面最大间隙为1.44×10-3mm，最小间隙为0mm。接触面B中的接触间隙非常小，且间隙大的部位的面积占接触面B的面积的比例也非常小，因此，接触面B处已形成有效密封。接触面A中的间隙较大，但是最大间隙是在接触面A中间部位，而接触面两端间隙非常小，趋近于0，因此，接触面A处已形成有效密封。

　　图9接触面的接触间隙云图

　　4）结论

　　以DN25mm薄壁不锈钢管为模型对象，采用ANSYS有限元软件，建立三维模型，分析薄壁不锈钢管卡压后模型的应力、应变及接触面接触间隙，得出以下结论：

　　①在48MPa的卡压压力下，管接头等效应力最大处在接触面（管接头内壁）处，最大值为223MPa。不锈钢管等效应力最大处为接触面对应的不锈钢管内壁处，最大值为287MPa。

　　②在48MPa的卡压压力下，管接头达到要发生塑性变形的临界值，但并未发生塑性变形，只发生弹性变形。不锈钢管在接触面处从外壁到内壁整体都发生了弹塑性变形，塑性应变大于弹性应变。

　　③卡压结束后，接触间隙最大值为1.44×10-3mm，最大接触间隙均出现在接触面的中间部位且所占的比例较小，接触面左右两端接触间隙趋近于0，故接触面形成良好密封。

　　参考文献：

　　［1］赵庭敏.燃气薄壁304不锈钢管在高层表出户中的应用探讨［J］.科技创新与应用，2013（15）:63.

　　［2］池爱君.薄壁不锈钢管在室内燃气工程的应用［J］.煤气与热力，2009，29（8）:B25-B27.

　　［3］席冰.薄壁不锈钢管在城镇天然气管道中的应用［J］.化工管理，2014（30）:142.

　　［4］唐文胜.薄壁不锈钢管材及连接［J］.重庆建筑,2009（3）:24-26.

　　［5］范永辉.薄壁不锈钢管在燃气管道中的应用（硕士学位论文）［D］.广州:华南理工大学，2013:15-16.

　　［6］候艳惠，房进胜.薄壁不锈钢管道卡压式连接在工程中的应用［J］.建筑，2011（7）:70-72.

　　［7］刘相新，孟宪颐.ANSYS基础与应用教程［M］.北京:科学出版社，2006：86-87.

　　［8］朱浩川，姚谏.不锈钢薄板纵向受压的有限元模拟及受力性能［J］.土木建筑与环境工程，2012,34（3）:84-88.

　　［9］常列珍,潘玉田,李魁武,等.理想弹塑性线性强化模型的身管残余应力分析［J］.兵工学报,2013,34（4）:385-391.

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