雙管板換熱器中內(nèi)管板與換熱管脹接實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

周正亮 李建平 陳棟然

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，在石油、化工等行業(yè)中應(yīng)用廣泛，換熱器分很多種， 其中固定管板式換熱器最為常見(jiàn)，而固定管板式換熱器按管板數(shù)量可分為單管板和雙管板兩種形式［1］。

雙管板換熱器多用于管程、殼程中的兩種介質(zhì)不接觸不會(huì)發(fā)生腐蝕，而混合后便會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕；兩種介質(zhì)接觸會(huì)產(chǎn)生燃燒或爆炸；兩種介質(zhì)混合后流體會(huì)形成粘稠的樹(shù)枝狀物或聚合物等工況下。

筆者介紹了通過(guò)管板與換熱管脹接工藝實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬確定管板與換熱管的液壓脹接壓力的兩種方法。

1 雙管板換熱器

雙管板換熱器（屬于二類壓力容器）結(jié)構(gòu)如圖1 所示，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。殼體和管程殼體材料為16MnR，管板材料為16Mn，換熱管材料為10鋼，換熱管尺寸規(guī)格為φ19mm×2mm。

圖1 雙管板換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 雙管板換熱器技術(shù)參數(shù)

（續(xù)表1）

2 雙管板換熱器結(jié)構(gòu)形式與組裝工藝確定

2.1 管板連接結(jié)構(gòu)形式

雙管板換熱器一側(cè)的內(nèi)、外管板結(jié)構(gòu)形式有兩種［2］，如圖2 所示，結(jié)構(gòu)1 中間有一短節(jié)，因?yàn)橛袃?nèi)、外管板空間的間隔距離，在殼程進(jìn)行試壓時(shí)便于觀察內(nèi)管板與換熱管的脹接處是否有泄漏；結(jié)構(gòu)2 內(nèi)、外管板不需要短節(jié)，組裝相比結(jié)構(gòu)1 容易，但內(nèi)管板組裝完畢后，進(jìn)口在試壓時(shí)檢漏比較困難。 因此制造時(shí)管板連接多選用結(jié)構(gòu)1。

圖2 雙管板連接結(jié)構(gòu)形式

2.2 管板與換熱管連接形式

管板與換熱管的連接形式為：外管板焊接加貼脹，內(nèi)管板強(qiáng)度脹接。 要求管板的硬度高于換熱管的硬度［3］（一般高30HB），通過(guò)脹接變形后使管板孔與換熱管的外表面之間貼合更緊密，更容易達(dá)到密封要求。

2.3 組裝工藝選定

組裝工藝分為傳統(tǒng)組裝工藝和改進(jìn)后組裝工藝。

傳統(tǒng)組裝流程為：筒體→組裝管束→組裝內(nèi)管板→強(qiáng)度脹→組裝外管板。 只適合在公稱直徑550mm 以下、換熱管數(shù)量較少時(shí)使用。 原因是換熱管數(shù)量隨著設(shè)備直徑的增大而增加，換熱管在脹接應(yīng)力的作用下，管束呈現(xiàn)分散狀，換熱管不平行，在組對(duì)外管板時(shí)由于換熱管管頭與外管板孔不同心，很難再組裝外管板。

改進(jìn)后組裝流程為：筒體→組裝管束→組裝內(nèi)管板→組裝外管板→強(qiáng)度脹。 該工藝先將內(nèi)管板組裝好，再組裝外管板，調(diào)整好內(nèi)、外管板的距離（圖樣距離）和平行度，最后進(jìn)行內(nèi)管板與換熱管強(qiáng)度脹接，待殼程壓力實(shí)驗(yàn)合格后再組對(duì)積液程空腔殼體。

本次實(shí)驗(yàn)選用改進(jìn)后的組裝工藝進(jìn)行試制。

3 脹接工藝選定實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

3.1 脹接工藝選定實(shí)驗(yàn)

雙管板換熱器內(nèi)管板強(qiáng)度脹接是否合格也是整臺(tái)設(shè)備能否制造成功的關(guān)鍵，為了保證脹接成功， 在產(chǎn)品脹接之前必須進(jìn)行脹接工藝模擬，以選取合適的脹接參數(shù)。 脹接工藝選定實(shí)驗(yàn)要求如下：

a. 圖3 中脹槽的尺寸按GB/T 151—2014［2］選擇槽寬3mm，槽深0.5～0.6mm；

b. 實(shí)驗(yàn)所用換熱管、管板材料、厚度及鉆孔直徑等均與實(shí)際產(chǎn)品一致（圖3）。

脹接實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示， 筒體規(guī)格為φ219mm×6mm，管板厚度與實(shí)際產(chǎn)品一致，外管板厚58mm，內(nèi)管板厚55mm。在內(nèi)、外管板上分別鉆取6 個(gè)換熱管孔，并在內(nèi)、外管板上管孔附近打上標(biāo)記。 先將外管板進(jìn)行焊接并貼脹，再對(duì)內(nèi)管板進(jìn)行強(qiáng)度脹接。 每個(gè)換熱管的液壓脹接壓力如下：

換熱管1 140MPa

換熱管2 150MPa

換熱管3 160MPa

換熱管4 170MPa

換熱管5 180MPa

換熱管6 190MPa

圖3 換熱管與內(nèi)、外管板連接

圖4 脹接實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置以1.25MPa 水壓試壓，發(fā)現(xiàn)換熱管1、2 脹接間隙處有少量泄漏，換熱管3 有微量的滲漏，而換熱管4～6 無(wú)泄漏。

液壓脹接完成后，對(duì)換熱管1～6 的脹度進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，脹度k 的計(jì)算公式為：

式中 b——換熱管與管板管孔的徑向間隙 （管孔直徑減換熱管的外徑），mm；

d2——換熱管脹后內(nèi)徑，mm；

di——換熱管脹前內(nèi)徑，mm；

δ——換熱管壁厚，mm。

表2 換熱管脹度

由脹接工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，強(qiáng)度脹脹接的脹度k 取8%～9%為宜，液壓脹接壓力為180MPa 較為合適。 殼程壓力試壓一次合格，說(shuō)明脹接工藝參數(shù)選取是合適的。

3.2 數(shù)值模擬

利用ANSYS Workbench 模擬軟件對(duì)換熱管與管板的脹接進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，設(shè)置材料屬性，內(nèi)、外管板材料均為16MnⅢ鍛件，換熱管材料為10 鋼， 其中換熱管在設(shè)計(jì)溫度下的屈服強(qiáng)度為181MPa。

3.2.1 幾何模型建立

由于雙管板換熱器中換熱管數(shù)量比較多，每根換熱管的脹接工藝都相同， 且在脹接過(guò)程中，內(nèi)、外管板上的受力區(qū)域主要集中在距離換熱管附件很小的范圍內(nèi)，因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算，只截取一根換熱管穿入管板建立幾何模型（圖5）。 模型幾何尺寸為換熱管外徑19mm、換熱管壁厚2mm、管孔間隙0.125mm、內(nèi)管板厚度55mm、外管板厚度58mm。

圖5 有限元模型

3.2.2 約束條件及載荷

針對(duì)文中的模型，對(duì)內(nèi)、外管板表面進(jìn)行固定約束。 對(duì)換熱管進(jìn)行脹接要對(duì)之施加內(nèi)壓載荷， 本次數(shù)值模擬為了更好地反映實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，換熱管內(nèi)表面分別施加均勻液壓脹接壓力140、150、160、170、180、190MPa。

一般脹接工藝分為3 個(gè)階段，第1 階段為加載階段， 也是脹管器使換熱管內(nèi)壁擴(kuò)脹的過(guò)程，第2 階段為保壓階段， 第3 階段為卸載階段，即脹管器卸壓之后， 換熱管與管板的回彈階段，兩者之間由于內(nèi)壓載荷消失而產(chǎn)生殘余變形的過(guò)程。 因此，第1 階段的本構(gòu)模型選擇理想彈塑性模型，第3 階段選擇理想線彈性模型［4］。在圖3 所示的脹接區(qū)域施加非線性壓力載荷進(jìn)行雙管板與換熱管脹接的數(shù)值模擬計(jì)算，具體內(nèi)壓載荷曲線如圖6 所示。

圖6 內(nèi)壓載荷曲線

3.2.3 結(jié)果分析

液壓脹管的本質(zhì)是換熱管與管板之間存在足夠的殘余接觸應(yīng)力來(lái)保證兩者能夠緊密連接在一起，且能夠達(dá)到密封效果，所以換熱管與管板之間的殘余接觸應(yīng)力及其分布是液壓脹管是否完好的重要參考指標(biāo)。

液壓成型的目標(biāo)是為了獲得更大的殘余接觸應(yīng)力，但是殘余接觸應(yīng)力在宏觀上是無(wú)法測(cè)量的，只能依靠脹度、換熱管壁厚減薄量等參數(shù)來(lái)考量［5］。通過(guò)有限元模擬，不僅能夠直觀地看出殘余接觸應(yīng)力的大小， 也能夠觀察其整體分布情況。 在不同液壓脹接壓力下，殘余接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 液壓脹接壓力與殘余接觸應(yīng)力曲線

由圖7 可知，其他參數(shù)不變，液壓脹接壓力增加時(shí)，殘余接觸應(yīng)力越大管板與換熱管之間的密封性能越好。 液壓脹接壓力與殘余接觸應(yīng)力之間基本呈現(xiàn)線性增大的趨勢(shì)，但液壓脹接壓力增加的同時(shí)，換熱管壁厚減薄率也增大。 在實(shí)際生產(chǎn)中，換熱管壁厚過(guò)薄也不合理，故應(yīng)綜合考慮換熱管壁厚減薄率來(lái)選擇合適的液壓脹接壓力。如果只考慮殘余接觸應(yīng)力值，則必須要提高液壓脹接壓力，否則會(huì)造成換熱管、管板內(nèi)應(yīng)力過(guò)高的現(xiàn)象［6］。

當(dāng)液壓脹接壓力為180MPa 時(shí)， 殘余接觸應(yīng)力為107.6MPa， 換熱管外表面最大等效應(yīng)力為176MPa，小于其材料的屈服應(yīng)力181MPa，換熱管外表面等效應(yīng)力云圖如圖8 所示；當(dāng)液壓脹接壓力大于180MPa 時(shí)，換熱管外表面發(fā)生屈服；當(dāng)液壓脹接壓力小于180MPa 時(shí)，殘余接觸應(yīng)力減小，脹接效果不好。 因此綜合考慮取液壓脹接壓力為180MPa。

圖8 換熱管外表面等效應(yīng)力云圖

研究液壓脹接壓力為180MPa 時(shí)整個(gè)脹接換熱管的變形過(guò)程，換熱管變形量隨內(nèi)壓載荷變化曲線如圖9 所示。

圖9 換熱管內(nèi)壓-變形量曲線

由圖9 可知當(dāng)時(shí)間步為10s， 也就是內(nèi)壓載荷增加到100MPa 時(shí)，換熱管為線彈性變形階段，在均勻液壓作用下?lián)Q熱管發(fā)生彈性擴(kuò)張，同時(shí)管板也發(fā)生彈性擴(kuò)張；當(dāng)內(nèi)壓載荷大于100MPa 時(shí)，換熱管發(fā)生塑性變形； 直到內(nèi)壓載荷為180MPa時(shí)，為保壓階段；而后卸載壓力之后，換熱管由于內(nèi)壓引起的彈性變形部分發(fā)生彈性回彈，當(dāng)內(nèi)壓卸載完成后，剩余變形為換熱管脹接部分塑性變形，也同時(shí)反映換熱管壁厚的減薄，最終使換熱管與管板之間的間隙為零， 從而保證其密封性，此時(shí)換熱管的變形狀態(tài)如圖10 所示。 管板的材料性能屬于理想線彈性變形，由于管板的回彈量大于換熱管回彈量，因此換熱管與管板之間產(chǎn)生殘余接觸應(yīng)力。 換熱管外表面的殘余接觸應(yīng)力分布如圖11 所示。

圖10 換熱管脹接后變形狀態(tài)

圖11 殘余接觸應(yīng)力分布

由圖11 可以看出， 接觸面上的兩個(gè)槽邊緣處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，明顯形成4 條高應(yīng)力環(huán)帶，該應(yīng)力環(huán)帶的存在使換熱管與管板的貼合程度相對(duì)于其他區(qū)域更加緊密，起到了密封的作用，也稱為密封環(huán)，密封環(huán)的最小值稱為密封環(huán)應(yīng)力， 該應(yīng)力的大小決定了密封強(qiáng)度的大小；另外還可以看出，在脹接長(zhǎng)度范圍內(nèi)的前后表面附近都存在一小段脹不緊 （圖中藍(lán)色應(yīng)力部分區(qū)域）的區(qū)域。 原因是由于脹接區(qū)域位置有限，而此區(qū)域的換熱管不僅不受液壓脹接壓力的作用，還會(huì)阻礙換熱管的變形，并在液壓脹接壓力卸除以后幫助脹接部分的回彈，使相鄰被脹管段的殘余接觸應(yīng)力降低，容易引發(fā)縫隙腐蝕；在軸向中間區(qū)域，殘余接觸應(yīng)力波動(dòng)比較小，為較穩(wěn)定的壓應(yīng)力， 這一應(yīng)力值與脹接接頭的拉脫力密切相關(guān)，決定著脹接接頭拉脫強(qiáng)度的大?。?］。

上述模擬脹接工藝過(guò)程的有限元分析結(jié)果與脹接工藝選定實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致，說(shuō)明使用有限元模擬方法選定的脹接工藝是合理的。

4 結(jié)論

4.1 對(duì)管板材料為16Mn、 換熱管材料為10 鋼，換熱管規(guī)格φ19mm×2mm 的換熱器，筆者所選取的脹接間隙和脹槽尺寸是合適的，采用液壓脹接壓力為180MPa 左右，適合的脹度k 取8%～9%。

4.2 通過(guò)有限元軟件模擬管板和換熱管的脹接工藝來(lái)確定液壓脹接壓力是可行的，以后可以采用數(shù)值模擬方法代替產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)方法，以提高工作效率和經(jīng)濟(jì)性，也為類似結(jié)構(gòu)的制造提供參考。

4.3 采用文中所選脹接工藝參數(shù)完成脹接的雙管板換熱器，已成功投入使用，運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)泄漏的情況。