高壓蛇管式水冷卻器的設計改進探討

摘要：以典型的高壓蛇管式水冷卻器芯破壞現象案例分析，結合壓縮機實際工況，對蛇管式水冷卻器芯的防振采取相應的改善設計，優化蛇管式水冷卻器芯的裝配結構，規范蛇管式水冷卻器芯的材質和加工制造工藝等，有效提高蛇管式水冷卻器芯的剛性和防振能力，以延長冷卻器的使用壽命。通過分析漏水原因，解決冷卻器的日常維護問題。

關鍵詞：高壓 蛇形 水冷卻器芯 振動

1、前言：換熱器是一種被廣泛應用到化工、石油化工、動力、航空航天、醫藥、冶金、制冷及輕工等行業的通用設備。其種類繁多，如按其傳熱面的形狀和結構進行分類，可分為管型、板型、板翅型等換熱器，本文中探討的是蛇管式換熱器屬于其中的管型換熱器。該類型的換熱器在中小型高壓空氣壓縮機領域中，應用非常廣泛。它具有結構緊湊，承壓能力強，制造成本低，便于維護和清洗等特點，是許多壓縮機制造廠家對于排氣壓力為300Bar以上的中小型壓縮機末級冷卻器的首選。但當設計、制造和裝配過程中考慮不周時，冷卻器容易出現故障，尤以冷卻器芯的破裂的失效形式較為常見。一旦冷卻器芯出現破裂，重則引發嚴重的安全事故，輕則導致整個壓縮機組無法正常運行。下面針對一種高壓水冷卻器芯斷裂的案例進行分析，提出有效的設計改進措施，以保證壓縮機安全可靠地運行，通過改變密封結構和裝配制造工藝解決冷卻器漏水的問題。

2、案例分析：

某公司高壓水冷卻器原結構圖1：

該冷卻器臥式放置在往復式壓縮機的冷卻器支架上，在實際的使用過程中，常見的失效方式是冷卻器芯斷裂，日常維護的重點是進排氣的密封處經常會漏水。本文主要對以上兩種缺陷的原因進行分析，并提出相應的解決方案。

2.1斷裂問題

往復式壓縮機的輸氣流程：低壓的氣體從進氣閥進入氣缸，活塞將低壓氣體壓縮后再經過排氣閥輸出，氣體的壓力是在活塞的不斷往復運動中得到提高，因此氣體的輸出是周期的脈動的過程。對于蛇形管而言，氣體的軸向力是隨著氣體的流動而不斷變化的，因此換算到冷卻器芯上的徑向力也是變化的。所以在壓縮機的運行過程中，蛇形管受氣體力的影響是不斷在振動的。通常這類機器運行到額定排氣壓力后會停止運行，此時會將壓縮機內所有氣體進行放空，以便壓縮機的下一次啟動。從整個壓縮機的使用規律而言，通過蛇形管的氣體壓力是一個從低壓到高壓的周期上升過程，因此蛇形管本身的受力是一個脈動的過程，因此必然會發生振動。當然除了氣體力的影響外，冷卻器還受壓縮機本身機械振動的影響，當兩邊的振動頻率一致時引起的共振會直接影響冷卻器的使用壽命。

容易斷裂的地方時接近排氣端的彎管處。

通過對該斷裂截面的宏觀形貌分析發現：

1）斷裂面光滑，附近沒有明顯的塑性變形。

2）斷裂處的最大壁厚為4.3mm，最小壁厚為3.7mm

現根據壓縮機的運行工況，對冷卻器芯建立一個簡單的力學模型

這是兩端簡支梁的模型，按照壓強均勻分布的原則，剪切應力為該模型的最大值出現在上圖中的變截面處，也就是兩端的雙點畫線處。而排氣端處是氣體輸出端，經過震蕩后，此處的斷裂概率就是此冷卻器的最大的地方。把模型和冷卻器實物對比，斷面的位置比較重合，因此冷卻器芯的斷裂原因之一就是結構設計不合理，剛性不足。原冷卻器芯在螺旋部分用一根支撐棒增加其螺旋部分的剛度。因此螺旋部分在振動的情況下不容易破裂，而在沒有支撐的位置相當于上圖的虛線位置，此處的剪切應力為最大，長期運行時容易產生疲勞斷裂。

加工制作過程：

從斷裂處的截面來看，蛇形管在彎曲的過程中，其彎曲外半徑處壁厚大大減薄，使管路本身的承壓能力降低。在交變載荷的影響下呈現疲勞斷裂。

由于該管制造過程中使用的冷彎工藝，材料的塑性以及材料的致密度必須滿足要求，否則成品管本身就可能出現裂紋、砂眼等缺陷。

裝配工藝：

該冷卻器的裝配過程是：先分別焊接好冷卻器芯部件和殼體部件，然后將冷卻器芯裝配到殼體部件內。由于焊接件的尺寸偏差很大，當部件長度方向的兩個尺寸偏差過大時，組裝時就有可能使蛇形管產生裝配應力，在長期運行時影響蛇形管的壽命。

2.2漏水問題

通過對該冷卻器的結構和裝配工藝分析，影響冷卻器的漏水的主要原因是，焊接部件的尺寸不容易控制導致裝配后容易在振動的作用下使密封處泄漏。

3、解決方案

綜合以上，要從根本上解決以上問題，需要從冷卻器結構、材質、加工和裝配工藝進行優化。

3.1關于冷卻器芯斷裂的解決方案

結構：增加冷卻器芯的剛性，將薄弱的地方進行加固處理。如圖，較原結構增加了三根支撐管和兩個支撐板。改型后的冷卻器將作用于薄弱處的交變載荷通過支撐板和支撐管傳給殼體，有效的改善了該處的受力的同時，也增加了螺旋部分的剛性。

變更后的結構如下圖：

材料：選用退火后的精密不銹鋼管，保證其冷彎時的韌性，不會出現彎曲裂紋、砂眼等缺陷。

加工制造工藝：在冷卻器芯冷成型后進行定型熱處理，消除冷彎應力。

裝配工藝：如上圖將冷卻器殼體上與冷卻器芯裝配的配對法蘭，進行配焊，可以解決在裝配冷卻器芯和冷卻器殼體部件時可以不產生裝配應力。

3.2關于冷卻器漏水的解決方案

改進冷卻器芯與殼體部件的密封結構，修改前和修改后的結構圖如下：

此結構上的密封主要是靠盤根和環墊進行配合密封，當在裝配的過程中法蘭蓋和帶方頭的接頭如果中間間隙過大，會導致裝配時將裝配力直接作用在蛇形管上引起裝配應力。在振動的作用下，水就會從F點泄漏。對于修改后的結構圖，將密封面修改到法蘭蓋內側，加上法蘭蓋與殼體部件上的法蘭采用配焊。密封墊和法蘭蓋和方頭接頭可以配合的很好，在蛇形管上不會產生裝配應力，密封問題也可以得到很好的控制。

4、結論

通過上述分析可見，斷裂面本身存在較高的冷加工殘余應力，加上在原裝配的過程中容易產生不可避免的裝配應力，所以會在操作條件下產生了較高的應力，在橫向流誘振和縱向流誘振的綜合作用下，導致冷卻器薄弱點迅速開裂。改進后的冷卻器芯提高了其剛性和自身的承載能力，改善了加工工藝消除了冷彎應力，改善了裝配工藝有效避免了裝配應力的產生，從而延長了冷卻器芯的壽命。

另外，通過改變密封面的結構和裝配工藝，漏水問題可以從根本上得到解決，有效減少在運行過程中的日常維護成本。

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