法向機械載荷作用下人字形波紋板片承載能力試驗

解德甲，馬一鳴，于 嘯，馮栩遲，邢 玲

(1.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518；2.上海石油化工換熱設備工程技術研究中心，上海 201518)

板式熱交換器是一種高效緊湊型熱交換器[1-4]。近年來，其應用場合日益擴大，參數(shù)、規(guī)格快速發(fā)展[5-11]。國內(nèi)外對板式熱交換器傳熱元件板片的研究主要集中在傳熱與流阻性能方面[12-14]，有關板片承載能力的研究鮮見報道。文獻[15-16]研究了波紋板片的剛度，給出了定量的解析計算方法，但并未涉及壓力載荷作用的試驗研究。ASME BPVC Ⅷ.1—2015《Rules for Construction of Pressure Vessels》[17]首次給出了確定連接式波紋板片承載能力的工程辦法，但未給出接觸非連接波紋板片的承載能力確定辦法。隨著板式熱交換器高參數(shù)、輕量化以及高可靠性的發(fā)展，波紋板片承載能力的研究越發(fā)受到重視。文中以應用最為廣泛的人字形波紋板片為試驗對象，通過施加法向機械載荷，初步研究其失效模式及承載能力，以期為后續(xù)壓力載荷試驗研究提供借鑒。

1 人字形波紋板片承載能力試驗原理

人字形波紋板片的波紋相互網(wǎng)狀接觸支撐[18]，在初始加載階段，板片結(jié)構處于穩(wěn)態(tài)，變形量隨載荷增加呈線性變化。當載荷增加到一定程度時，存在以下失效可能：①支撐截面應力超過材料屈服強度，導致板片結(jié)構塑性垮塌。②波紋發(fā)生橫向滑移，導致板片結(jié)構彈性垮塌。③板片間接觸點壓潰，即板片接觸部位發(fā)生屈服。

試驗時采用萬能油壓機，采用法向壓縮方式對板片施加法向載荷，觀察、采集板片在法向載荷作用下的失效模式、承載-變形數(shù)據(jù)，獲取板片法向承載臨界載荷及變形量。

人字形波紋板片的承載能力決定于板片的材料性能、結(jié)構形狀、幾何參數(shù)及成型工藝。板式熱交換器用波紋板片的材料主要是耐蝕性能良好的奧氏體不銹鋼，板片厚度一般為0.5～1.0 mm[19]。波紋板片的成型工藝包括模壓成型[20]、爆炸成型等，其中模壓成型占大多數(shù)。本試驗的試樣取自同一張波紋板片，故不考慮材料、形狀參數(shù)及成型工藝因素對波紋板片承載能力的影響[21]。因試樣尺寸遠大于波紋板片的截面尺寸，故可忽略試樣周邊的拘束影響。

2 人字形波紋板片承載能力試驗方案及試樣

采用萬能油壓機進行人字形波紋板片法向承載試驗，其中單板、雙板和三板試驗各3組，每組試驗各進行3次。通過試驗獲得波紋板片在不同支撐條件下的失效模式，并得到失效臨界載荷及相應位移。單板試驗的目的是評估加載速度對試驗數(shù)據(jù)精度和試驗時長的影響。雙板試驗的目的是評估進口力和終止位移設置對試驗的影響。三板試驗中未設置油壓機進口力，僅設置終止位移為8 mm，主要目的是測試中間板片在上、下板片點狀支撐條件下的失效模式。人字形波紋板片承載能力試驗方案示意見圖1。

圖1 人字形波紋板片承載能力試驗方案示圖

所有試樣均取自同一張人字形波紋板片，材料為316L。試樣共18件，分別編號為1#～18#。試樣規(guī)格均為150 mm×150 mm，名義厚度0.7 mm，波紋深度3.7 mm，展開系數(shù)1.22。為減少試樣翹曲，采用激光切割，得到的試樣見圖2。

3 人字形波紋板片承載能力試驗條件

3.1 加載方式

試驗采用等速力加載方式，加載力線性變化，可有效反映試樣在整個承載過程中的受力狀態(tài)，且加載力與試樣的位移變化相互對應，可了解試樣剛度變化規(guī)律。

圖2 人字形波紋板片切割試樣示圖

3.2 加載速度

為評估加載速度對試驗數(shù)據(jù)精度的影響，對1#試樣設置較小加載速度60 N/s，對4#、5#試樣設置的加載速度為300 N/s，對3#試樣設置的加載速度為600 N/s。通過對不同加載速度試驗結(jié)果的分析對比，最終選取試驗加載速度為600 N/s。

3.3 進口力

板片壓制波紋及試樣切割過程中會發(fā)生一定的翹曲，使試樣與上、下壓板及各板片間存在間隙。為消除間隙，得到有效加載力及相應位移，在組號1-1、1-2、1-3、2-1的試驗中，對油壓機設置了1 000 N進口力，當油壓機輸出壓力達到1 000 N后開始記錄壓頭位移，目的為消除部分虛假位移，此時認為板片間隙已閉合。通過這4組試驗發(fā)現(xiàn)設置1 000 N進口力不能精確得到板片承載極值對應的位移，故對其余試驗組未設置進口力，通過預設壓頭高度，油壓機啟動即開始記錄位置，后續(xù)根據(jù)加載初期板片位移-時間曲線線性化趨勢獲取非穩(wěn)態(tài)位移，確定加載力極值對應的有效位移。

3.4 終止位移

為防止板片失效后過度加載導致油壓機壓頭與底板直接接觸，試驗中需設置壓頭終止位移量。若壓頭終止位移取值過小，板片仍處于彈性階段，會導致試驗不完整。試驗中終止位移按板片總高度的70%進行設定，即認為終止位移達到板片總高度70%時板片已發(fā)生嚴重變形失效。未設定進口力時，需對壓頭起始高度、壓頭與試樣接觸時的高度進行測量，據(jù)此設定終止位移量。

各組波紋板片試驗時的加載參數(shù)設置見表1。

表1 波紋板片承載能力試驗加載參數(shù)

4 人字形波紋板片承載能力試驗結(jié)果

4.1 單板試驗

4.1.1加載力極值與對應位移

3組人字形波紋板片單板試驗的加載力極值和對應位移見表2。

表2 人字形波紋板片單板試驗加載力極值與對應位移

對1#試樣進行試驗的目的是確定合適的加載速度。根據(jù)加載速度相同的2#、3#試樣的數(shù)據(jù)繪制得到加載力與時間及位移的關系曲線，分別見圖3和圖4。

圖3 人字形波紋板片單板試驗加載力與時間關系曲線

圖4 人字形波紋板片單板試驗加載力與位移關系曲線

人字形波紋板片單板試驗的試驗數(shù)據(jù)表明，600 N/s加載速度可滿足試驗精度要求，圖4所示加載力-位移曲線加載初期仍為非線性，說明設置1 000 N進口力不能精確得到板片承載極值對應的板片變形量。

4.1.2失效模式

單板試驗試樣失效后均發(fā)生橫向滑移，結(jié)構剛度產(chǎn)生變化，最終波片結(jié)構彈性垮塌。板片沿與波紋垂直的對角方向滑移，平均對角線展開長度約165 mm。

人字形波紋板片單板試驗3#試樣失效前后形態(tài)對比見圖5。

圖5 人字形波紋板片單板試驗3#試樣失效前后形態(tài)對比

4.2 雙板試驗

4.2.1加載力極值與對應位移

3組人字形波紋板片雙板試驗的加載力極值和對應位移見表3。

表3 人字形波紋板片雙板試驗加載力極值與對應位移

根據(jù)人字形波紋板片雙板試驗各試樣的試驗數(shù)據(jù)繪制得到加載力與位移和時間的關系曲線，分別見圖6和圖7。

圖6 人字形波紋板片雙板試驗加載力與時間關系曲線

人字形波紋板片雙板試驗數(shù)據(jù)表明，進口力設置對加載力極值無影響，由于板片間支撐條件變化，雙板支撐條件下板片平均承載能力約為單板板片承載能力的68%。

圖7 人字形波紋板片雙板試驗加載力與位移關系曲線

4.2.2失效模式

雙板試驗試樣失效后板片間接觸點壓潰，板片中心支撐區(qū)出現(xiàn)點狀局部塑性變形，即板片接觸部位發(fā)生屈服。板片沿與波紋垂直的對角方向滑移，平均對角線展開長度約156 mm，變形量均小于單板試驗試樣的數(shù)值。

人字形波紋板片雙板試驗7#試樣失效前后形態(tài)對比見圖8。

圖8 人字形波紋板片雙板試驗7#試樣失效前后形態(tài)對比

4.3 三板試驗

4.3.1加載力極值與對應位移

3組人字形波紋板片三板試驗的加載力極值和對應位移見表4。

表4 人字形波紋板片三板試驗加載力極值與對應位移

根據(jù)人字形波紋板片三板試驗試樣的試驗數(shù)據(jù)繪制得到加載力與位移和時間的關系曲線，分別見圖9和圖10。由三板試驗獲取人字形波紋板片的承載臨界載荷。

圖9 人字形波紋板片三板試驗加載力與時間關系曲線

圖10 人字形波紋板片三板試驗加載力與位移關系曲線

4.3.2失效模式

三板試驗板片間接觸點壓潰，即板片接觸部位發(fā)生屈服，隨加載力增加，最終導致板片結(jié)構失穩(wěn)垮塌。板片沿與波紋垂直的對角方向滑移，平均對角線展開長度約165 mm。三板試驗試樣失效前后中間板片(11#試樣)形態(tài)對比見圖11。

圖11 人字形波紋板片三板試驗試樣失效前后中間板片(11#試樣)形態(tài)對比

5 人字形波紋板片承載能力試驗數(shù)據(jù)分析

三板試驗板片支撐條件與板式熱交換器板片實際承載狀態(tài)相同，故三板試驗的失效模式與實物產(chǎn)品接近，文中對3-1組(10#～12#試樣)三板試驗數(shù)據(jù)進行分析。

5.1 有效位移

初始接觸時板片處于非穩(wěn)態(tài)，位移屬于虛假值。因此在確定板片失效的總體位移時需扣除相應部分，以獲取較為準確的結(jié)果。根據(jù)圖12所示的三板試驗加載初期板片位移-時間曲線確定非穩(wěn)態(tài)位移。

圖12 人字形波紋板片三板試驗加載初期板片位移-時間曲線

由圖12看出，加載初期板片位移快速升高，達到2.75 mm后位移趨于穩(wěn)定，此段呈線性變化趨勢，故判定板片非穩(wěn)態(tài)位移為2.75 mm。根據(jù)表4試驗數(shù)據(jù)，加載力極值對應位移為5.34 mm，因此板片承受臨界載荷時對應的板片實際變形位移量為5.34-2.75=2.59(mm)。

5.2 承載狀態(tài)

人字形波紋板片三板試驗的承載狀態(tài)曲線見圖13。

圖13 人字形波紋板片三板試驗承載狀態(tài)曲線

從圖13看出，加載過程中試樣經(jīng)歷3個階段：①接觸段。油壓機壓頭與試樣初始接觸，間隙閉合。載荷增量波動與試樣平整度有關。 ②承載段。油壓機壓頭與試樣穩(wěn)定接觸，載荷增量穩(wěn)定。截取該段數(shù)據(jù)可計算載荷的實際增量。如實際增量與加載速度趨于一致，根據(jù)彈性力學線彈性假設[22]，說明板片結(jié)構處于彈性階段。通過試驗發(fā)現(xiàn)，在該階段末期板片接觸點已發(fā)生局部屈服變形。③垮塌段(非彈性承載)。加載力到達峰值后，加載力數(shù)值迅速衰減，板片承載能力下降。結(jié)構由穩(wěn)定彈性結(jié)構變?yōu)閹缀慰勺兘Y(jié)構(塑性階段)，結(jié)構垮塌。

為獲取承載段的實際載荷增量，取多點分段繪制載荷增量曲線，分別見圖14和圖15。

圖14 人字形波紋板片三板試驗承載段Ⅰ載荷增量曲線

圖15 人字形波紋板片三板試驗承載段Ⅱ載荷增量曲線

由圖14可以看出，時長200 s之前，承載段Ⅰ的載荷增量穩(wěn)定在595～600 N/s，與實際加載速度基本吻合，可以認為在此階段板片結(jié)構處于彈性壓縮階段。

由圖15可見，時長200～227 s，承載段Ⅱ載荷增量持續(xù)下降至554 N/s，板片結(jié)構處于非彈性壓縮階段，出現(xiàn)側(cè)向滑移。時長227 s時加載力到達峰值125 510.6 N，然后快速下降，結(jié)構垮塌。

6 結(jié)語

通過對人字形波紋板片進行法向承載能力試驗，初步了解了板片在不同支撐條件下的失效特征，得到了板片失效臨界載荷及對應位移數(shù)據(jù)。從初始承載到結(jié)構垮塌，試樣經(jīng)歷了接觸段、彈性承載段及結(jié)構垮塌段3個階段。觀察了人字形波紋板片的失效模式，單板試樣發(fā)生橫向滑移，結(jié)構剛度變化，導致結(jié)構彈性垮塌。雙板和三板試驗板片間接觸點壓潰，即板片接觸部位先發(fā)生屈服，隨加載力增加，結(jié)構最終失穩(wěn)垮塌。評估了加載速度對板片承載能力試驗的影響，當加載速度在60～600 N/s時，加載速度對試驗結(jié)果無影響，但過小的加載速度會延長試驗周期。