【摘 要】為了達(dá)到軸向壓入式管接頭的連接強(qiáng)度和密封效果，計算管接頭與管套的過盈量尤為重要。本文通過ANSYS軟件對2英寸管徑各厚度的管接頭壓接過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出最佳過盈量，并得知隨著管道厚度增加最佳過盈量隨之降低。

【關(guān)鍵詞】軸向壓入式管接頭；密封效果；過盈量；有限元；厚度

Magnitude of interference calculation of axial press-in- type pipe fitting

LUO Hui jun YAN Chao hua

Abstract： In order to reach the connection strength and seal ability，it is important which magnitude of interference calculation of pipe fitting. The finite element method of ANSYS has been used in this paper to simulate the interference fit process of 2 inches of thickness pipe fitting，then we can obtain the magnitude of interference. As the pipeline thickness increases the magnitude of interference decreases.

Keywords： axial press-in-type pipe fitting；seal ability； magnitude of interference；the finite element；thickness

1.引言

軸向壓入式管接頭是一種新型管道機(jī)械接頭連接技術(shù)，是指金屬在低于再結(jié)晶溫度下，同種或者多種材料之間，基于材料在過盈配合作用下產(chǎn)生彈塑性變形的基本原理實(shí)現(xiàn)相互連接或密封的技術(shù)[1]。該連接接頭技術(shù)具有耐壓能力高、耐腐蝕、節(jié)能、安全、安裝快捷等優(yōu)點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的管道連接方式在連接密封性，自動化程度和安全隱患上都存在一定的缺陷[2]，因此軸向壓入式連接方式在石油管道連接領(lǐng)域，尤其是海洋石油管道出現(xiàn)泄漏快速維修上有著很大的應(yīng)用價值[3]。

影響管接頭密封性能的因素有很多，比如溫度，材料，管接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計[3]，而過盈量的大小對管接頭的密封效果有著至關(guān)重要的影響，這也是管接頭尺寸設(shè)計的重要依據(jù)。為達(dá)到管接頭的密封效果，我們必須得到管接頭過盈量大小。本文將通過ANSYS有限元軟件對軸向壓入式管接頭壓接過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出對應(yīng)不同厚度管道下管接頭的最優(yōu)過盈量。

2.軸向壓入式管接頭的連接機(jī)理

管道軸向壓入式連接技術(shù)是利用管箍和管套過盈配合實(shí)現(xiàn)對管道的連接。管箍的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)表面兩側(cè)有凸起的筋條，形成擠壓環(huán)，研究表明，擠壓環(huán)截面設(shè)計為等腰梯形最佳，第一道擠壓環(huán)主要起密封作用，第二道擠壓環(huán)主要防止外介質(zhì)對主密封環(huán)的腐蝕；內(nèi)表面中間還有一條半圓形凸起的筋條，是用來定位被連接的管道，稱為定位環(huán)。管道連接的過程中擠壓環(huán)產(chǎn)生徑向彈塑性變形，牢固箍緊于被連接的管道上[4]。外表面是凸起圓弧。管箍兩端套有兩個管套，管套帶有內(nèi)錐度，當(dāng)兩管套受軸向外力擠壓向中間相向運(yùn)動時，隨著管套的壓入，管箍和管道之間的間隙逐步消除，最終產(chǎn)生過盈配合，使管箍和管道共同發(fā)生彈塑性變形，產(chǎn)生足夠大的徑向壓應(yīng)力，同時在軸向也獲得一定的抗拉能力，達(dá)到密封連接的效果[5]。

3.過盈量的計算

3.1 管接頭材料的選擇

管接頭過盈量的大小是管接頭密封性能的關(guān)鍵指標(biāo)，也是管接頭尺寸設(shè)計的重要指標(biāo)。擠壓環(huán)的平均接觸應(yīng)力是反應(yīng)管接頭連接強(qiáng)度的重要指標(biāo)。因此我們主要把第一道擠壓環(huán)平均接觸應(yīng)力最大時的過盈量作為管接頭的最優(yōu)過盈量。

軸向壓入式管接頭的連接需要管箍、管套和管道三個部件。在實(shí)際連接過程中，如果管箍的屈服強(qiáng)度小于管道的屈服強(qiáng)度，那么管箍易產(chǎn)生很大的變形，而管道產(chǎn)生較小的變形，不易于管箍在管道上壓出一個凹槽來，由于管道表面是粗糙不平的，會影響連接的密封性能，而且對管接頭的抗拉能力有影響。所以管箍的屈服強(qiáng)度一般高于或接近管道材料的屈服強(qiáng)度，才能形成較好的密封性。對于相溶性較大的金屬，因相互間容易發(fā)生粘著，因而摩擦系數(shù)大，易于在接觸區(qū)域發(fā)生牢固粘著[6]。

本課題我們使用2英寸管接頭，其中管道壁厚分別為4、5、6、8、9mm，對應(yīng)的管道外徑為60.3mm，管道與管接頭的間隙為0.25mm。各部件均采用Q345材料，其彈性模量為210Gpa，屈服強(qiáng)度為345MPa，泊松比為0.3，材料密度為7.85g·cm-3，取各管件之間的摩擦系數(shù)為0.2。

3.2 ANSYS數(shù)值模擬

由于管接頭為軸對稱結(jié)構(gòu)，為求解過程更加簡便，取其截面建立2D模型，圖2即管接頭的2D截面圖，擠壓環(huán)的上底長度為1mm，下底為2.4mm，第一道擠壓環(huán)與第二道擠壓環(huán)的距離為12.8mm，圓弧面的半徑為4.5mm。在此數(shù)值模擬過程中我們把此材料看成是理想彈塑性變形。

本文ANSYS數(shù)值模擬采用8節(jié)點(diǎn)的PLANE82單元，由于是軸對稱情況，因此采用TARGET69，CONTA172接觸單元，定義好材料屬性后劃分網(wǎng)格，固定管箍左端軸向位移，管套右端施加一個軸向剛性位移[6-7]。

由圖1可知，8mm厚度的管道最優(yōu)的過盈量為0.94mm。我們可以看出過盈量并非越大越好，當(dāng)過盈量達(dá)到一定值時，繼續(xù)增大過盈量，平均接觸應(yīng)力反而會減小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能是，當(dāng)過盈量達(dá)到某個特定值時，由于塑性變形繼續(xù)增大過盈量，擠壓環(huán)與管道接觸面積增加的趨勢比過盈量引起的平均接觸應(yīng)力增大的趨勢要更加明顯，從而使平均接觸應(yīng)力降低。因此我們把平均接觸應(yīng)力最大時的過盈量作為管接頭過盈配合最優(yōu)的過盈量。

在此基礎(chǔ)上，我們對不同厚度的2英寸管道的管接頭壓接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

由圖4可知，對于2英寸的管道，隨著管道厚度的增加，所需的過盈量越來越小。這是由于管道壓接完成后，管道厚度的增加，管道的彎曲變形變小，管道厚度增大到一定程度時，曲線趨向于水平。

4.結(jié)論

軸向壓入式管接頭的過盈量是我們設(shè)計管接頭尺寸的重要指標(biāo)，過盈量的大小對管接頭密封性能有著重要的影響，過盈量并非越大越好，當(dāng)過盈量達(dá)到某個值時，平均接觸應(yīng)力反而減小，而且過大的過盈量會使裝配時所需的軸向壓力增加。因此選擇最優(yōu)過盈量是極其重要的。在管徑一定的時候，隨著管道厚度的增加，最優(yōu)過盈量逐漸降低。