氯丁橡膠變徑試壓裝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析

張會平，吳成強(qiáng)，郭 威，王在良

（1.江蘇科圣化工機(jī)械有限公司，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學(xué)院，江蘇省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223003）

壓力容器的耐壓試驗(yàn)是容器驗(yàn)收的重要依[1]。浮頭式換熱器屬多腔容器，其耐壓試驗(yàn)符合多腔容器試驗(yàn)規(guī)范。其核心是對換熱器管頭進(jìn)行試壓檢查，（不考慮溫度影響因素，液壓試驗(yàn)壓力通常超過設(shè)計(jì)壓力25%），確保通過殼程試壓（或泄漏檢驗(yàn)）檢查出管頭存在的缺陷。判斷出換熱器管束中的泄露點(diǎn)并加以防漏處理，可以有效地避免交換器在使用過程中介質(zhì)外泄或者管束與外殼之間的介質(zhì)互通[2]。

對于浮頭式結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)專用試壓工裝。浮頭式換熱器試壓工裝主要包括填料函式試壓工裝、自緊密封式試壓工裝、O形環(huán)密封工裝。試壓工裝的常用壓力為 1.6 MPa、2.5 MPa 和 4.0 MPa[3]。如圖1所示，根據(jù)市場試壓裝使用報(bào)告分析， O形環(huán)密封工裝結(jié)構(gòu)簡單，使用率較其他兩種試壓工裝占比最大[4]。然而對于不同規(guī)格的浮頭式換熱器需要不同規(guī)格的試壓裝，試壓裝通常為鋼制材料，因此造成試壓裝替換率低，制造成本高等問題。為此設(shè)計(jì)了一款氯丁橡膠變徑試壓裝，以解決在不同直徑的浮頭式換熱器試壓時(shí)，可以添加或減少橡膠試壓分段環(huán)，替換率高。

圖1 三種類型試壓工裝國內(nèi)使用率概況

1 氯丁橡膠變徑試壓裝方案設(shè)計(jì)

為了解決上述技術(shù)問題，提供一種浮頭式換熱器變徑試壓工裝，根據(jù)氯丁橡膠的可彎曲和回彈特性，制作出同等的氯丁橡膠試壓分段環(huán)，組合成變徑試壓工裝，以適應(yīng)不同直徑的浮頭式換熱器，提高試壓工裝的利用率，避免浪費(fèi)材料，減少制造成本。

如圖2所示，變徑試壓工裝包括筒體密封裝1、管板密封裝2、試壓分段防松脫帶3以及管板管束4組成。筒體密封裝設(shè)置在管板一側(cè)的筒體端，用于將筒體連接并將伸出的管束和筒體密封成一體，管板密封裝設(shè)置在管板側(cè)用于管板的密封。如圖3所示，管板試壓分段補(bǔ)償結(jié)構(gòu)將實(shí)體橡膠層2嵌入兩段空心鐵皮層1中，空隙層通過填入填料（沙子）防止鐵皮變形。端部按形狀不同切割貼皮封皮3，通過螺釘6封住法蘭端部。每塊氯丁橡膠試壓分段環(huán)中間開有梯形槽，兩端側(cè)部，一側(cè)開有梯形槽4，一側(cè)開有梯形凸臺5，通過梯形槽與梯形凸臺相互配合，形成一個(gè)環(huán)形試壓裝。

圖2 變徑試壓工裝

圖3 管板試壓分段補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

2 氯丁橡膠變徑試壓段數(shù)值模擬

現(xiàn)有的浮頭式換熱器試壓裝多為鋼材質(zhì)，試壓時(shí)不考慮試壓裝的變化量，而本設(shè)計(jì)方案采用氯丁橡膠材質(zhì)，由于壓力的因素，氯丁橡膠試壓裝必定會產(chǎn)生變形，探討形變的合理區(qū)間是該結(jié)構(gòu)模擬的目的，氯丁橡膠的材料性能如圖4所示，該性能數(shù)據(jù)包括單軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)、雙軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)、剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)和容積試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用有限元中fluent進(jìn)行模擬，在模擬出結(jié)果后作為參照。

圖4 氯丁橡膠應(yīng)變與壓力關(guān)系

選取筒體試壓段和管板試壓段，對其定義為氯丁橡膠，劃分0.5 mm的網(wǎng)格，對筒體試壓段和管板試壓段的法蘭兩端、滑槽處和外部試壓固定約束，對管板試壓段的內(nèi)部及鉤圈內(nèi)側(cè)分別施加1.6 MPa、2.5 MPa 和 4.0 MPa的壓力，求解出總變形情況。

2.1 氯丁橡膠變徑試壓段數(shù)值模擬分析

如圖5（a）所示，在1.6 MPa下，形變主要集中在管板試壓段法蘭附近區(qū)域及鉤圈處，最大形變量為0.63 mm，平均形變量為0.022 mm。在2.5 MPa下，形變主要集中在管板試壓段法蘭附近區(qū)域及鉤圈處，最大形變量為0.67 mm，平均形變量為0.024 mm。在4 MPa下，形變發(fā)生極具的變化，形變蔓延至管板試壓段整個(gè)內(nèi)表面，變形量呈陡坡趨勢上升，最大變形量為6.13 mm，平均形變量為0.3 mm。2.5 MPa的管板試壓段比1.6 MPa的管板試壓段最大變形量提高了6%，平均變形量提高了8.3%。4 MPa的管板試壓段比1.6 MPa和2.5 MPa的管板試壓段最大變形量分別提高了90%和89%，平均變形量提高了93%和92%。

圖5 1.6MPa、2.5MPa、4MPa下管板試壓段變形量分布

如圖6（a）、（b）所示，1.6 MPa和2.5 MPa的管板試壓段在1 s內(nèi)變形量呈現(xiàn)兩段式線性上升，1.6 MPa的管板試壓段在0～0.013 s內(nèi)，變形量呈陡崖趨勢上升，變形至量至0.4 mm，斜率k為30.8。2.5 MPa的管板試壓段在0～0.009 s內(nèi)，變形量呈陡崖趨勢上升，變形至量至0.43 mm，斜率k為47.8，可以得出在2.5 MPa的試壓下，管板試壓段形變速度更快。

圖6 1.6 MPa和2.5 MPa的管板試壓段在1s內(nèi)形變量線性關(guān)系

2.2 氯丁橡膠試壓裝與三種類型試壓裝對比分析

王等人對填料試壓裝、自緊密封試壓裝、O型環(huán)密封工裝進(jìn)行了分析，得出O型環(huán)密封工裝試壓范圍廣，在通用性、密閉性、成本和結(jié)構(gòu)上都要比前兩種試壓裝效果好。根據(jù)上述有限元分析得出，在4 MPa下氯丁橡膠試壓裝變形量較大，只適合在1.6 MPa和2.5 MPa的壓力下試壓，其余性能都與O型環(huán)密封工裝類似，具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 四種試壓裝性能對比表

3 變徑試壓壁厚線性優(yōu)化

液壓試驗(yàn)的應(yīng)力校核公式如下：

式中：σT為圓筒壁在試驗(yàn)壓力下的計(jì)算應(yīng)力，MPa；Di為圓筒直徑，mm；pT為試驗(yàn)壓力，MPa；Se為有效壁厚，mm；σS（σ0.2）為圓筒材料在試驗(yàn)溫度下的屈服點(diǎn)（或0.2%屈服強(qiáng)度），MPa；φ為圓筒的焊接接頭系數(shù)。

改 變 應(yīng) 力 校 核 公 式σT2Se=pT（Di+Se），設(shè) 定試驗(yàn)壓力pT分別為1.6 MPa、2.5 MPa，圓筒直徑在200～1 000 mm范 圍內(nèi)，Se有效壁厚在2～200 mm范圍內(nèi)。令Di為x1，Se為x2，則一般形式如下：

3.1 壁厚線性優(yōu)化分析

如圖7所示，linprog（林普格）函數(shù)將邊界條件代入計(jì)算一般形式，得出在1.6 MPa下，x1=0，x2=200，Y=320。在2.5 MPa下，x1=0，x2=200，Y=500。從而可以得知，在1.6 MPa和2.5 MPa下的氯丁橡膠試壓裝Se最小有效壁厚為200 mm。

圖7 壁厚線性優(yōu)化

4 結(jié)論

（1）通過氯丁橡膠代替鋼材料的試壓結(jié)構(gòu)，當(dāng)在不同直徑的浮頭式換熱器試壓時(shí)，可以添加或減少橡膠試壓分段環(huán)，替換率高。通過數(shù)值模擬分析得出，在4 MPa試壓下，氯丁橡膠試壓裝平均變形量達(dá)到0.3 mm，1.6 MPa和2.5 MPa下，氯丁橡膠試壓裝平均變形量達(dá)到0.022 mm和0.024 mm，基于密封性能的考慮，氯丁橡膠試壓裝在1.6 MPa和2.5 MPa下合適。

（2）將氯丁橡膠試壓裝與O型環(huán)密封工裝對比分析得出，O型環(huán)密封工裝比氯丁橡膠試壓裝試壓范圍廣，而氯丁橡膠試壓裝在通用性、密閉性、成本和結(jié)構(gòu)上效果更好。并通過linprog（林普格）函數(shù)運(yùn)用計(jì)算液壓試驗(yàn)的應(yīng)力校核公式，得出在1.6 MPa和2.5 MPa下的氯丁橡膠試壓裝Se最小有效壁厚為200 mm。