雙管板換熱器中內管板與換熱管脹接實驗與數值模擬

周正亮 李建平 陳棟然

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，在石油、化工等行業中應用廣泛，換熱器分很多種， 其中固定管板式換熱器最為常見，而固定管板式換熱器按管板數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、殼程中的兩種介質不接觸不會發生腐蝕，而混合后便會產生嚴重腐蝕；兩種介質接觸會產生燃燒或爆炸；兩種介質混合后流體會形成粘稠的樹枝狀物或聚合物等工況下。

筆者介紹了通過管板與換熱管脹接工藝實驗和有限元數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）結構如圖1 所示，技術參數見表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，換熱管尺寸規格為φ19mm×2mm。

圖1 雙管板換熱器結構示意圖

表1 雙管板換熱器技術參數

（續表1）

2 雙管板換熱器結構形式與組裝工藝確定

2.1 管板連接結構形式

雙管板換熱器一側的內、外管板結構形式有兩種［2］，如圖2 所示，結構1 中間有一短節，因為有內、外管板空間的間隔距離，在殼程進行試壓時便于觀察內管板與換熱管的脹接處是否有泄漏；結構2 內、外管板不需要短節，組裝相比結構1 容易，但內管板組裝完畢后，進口在試壓時檢漏比較困難。 因此制造時管板連接多選用結構1。

圖2 雙管板連接結構形式

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，內管板強度脹接。 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，更容易達到密封要求。

2.3 組裝工藝選定

組裝工藝分為傳統組裝工藝和改進后組裝工藝。

傳統組裝流程為：筒體→組裝管束→組裝內管板→強度脹→組裝外管板。 只適合在公稱直徑550mm 以下、換熱管數量較少時使用。 原因是換熱管數量隨著設備直徑的增大而增加，換熱管在脹接應力的作用下，管束呈現分散狀，換熱管不平行，在組對外管板時由于換熱管管頭與外管板孔不同心，很難再組裝外管板。

改進后組裝流程為：筒體→組裝管束→組裝內管板→組裝外管板→強度脹。 該工藝先將內管板組裝好，再組裝外管板，調整好內、外管板的距離（圖樣距離）和平行度，最后進行內管板與換熱管強度脹接，待殼程壓力實驗合格后再組對積液程空腔殼體。

本次實驗選用改進后的組裝工藝進行試制。

3 脹接工藝選定實驗與數值模擬

3.1 脹接工藝選定實驗

雙管板換熱器內管板強度脹接是否合格也是整臺設備能否制造成功的關鍵，為了保證脹接成功， 在產品脹接之前必須進行脹接工藝模擬，以選取合適的脹接參數。 脹接工藝選定實驗要求如下：

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. 實驗所用換熱管、管板材料、厚度及鉆孔直徑等均與實際產品一致（圖3）。

脹接實驗裝置如圖4 所示， 筒體規格為φ219mm×6mm，管板厚度與實際產品一致，外管板厚58mm，內管板厚55mm。在內、外管板上分別鉆取6 個換熱管孔，并在內、外管板上管孔附近打上標記。 先將外管板進行焊接并貼脹，再對內管板進行強度脹接。 每個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、外管板連接

圖4 脹接實驗裝置示意圖

對實驗裝置以1.25MPa 水壓試壓，發現換熱管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 無泄漏。

液壓脹接完成后，對換熱管1～6 的脹度進行了計算，計算結果見表2，脹度k 的計算公式為：

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——換熱管脹后內徑，mm；

di——換熱管脹前內徑，mm；

δ——換熱管壁厚，mm。

表2 換熱管脹度

由脹接工藝實驗結果可知，強度脹脹接的脹度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，說明脹接工藝參數選取是合適的。

3.2 數值模擬

利用ANSYS Workbench 模擬軟件對換熱管與管板的脹接進行了數值模擬分析，設置材料屬性，內、外管板材料均為16MnⅢ鍛件，換熱管材料為10 鋼， 其中換熱管在設計溫度下的屈服強度為181MPa。

3.2.1 幾何模型建立

由于雙管板換熱器中換熱管數量比較多，每根換熱管的脹接工藝都相同， 且在脹接過程中，內、外管板上的受力區域主要集中在距離換熱管附件很小的范圍內，因此為了簡化計算，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

針對文中的模型，對內、外管板表面進行固定約束。 對換熱管進行脹接要對之施加內壓載荷， 本次數值模擬為了更好地反映實驗數據，換熱管內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 個階段，第1 階段為加載階段， 也是脹管器使換熱管內壁擴脹的過程，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，兩者之間由于內壓載荷消失而產生殘余變形的過程。 因此，第1 階段的本構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 所示的脹接區域施加非線性壓力載荷進行雙管板與換熱管脹接的數值模擬計算，具體內壓載荷曲線如圖6 所示。

圖6 內壓載荷曲線

3.2.3 結果分析

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

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

圖7 液壓脹接壓力與殘余接觸應力曲線

由圖7 可知，其他參數不變，液壓脹接壓力增加時，殘余接觸應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力之間基本呈現線性增大的趨勢，但液壓脹接壓力增加的同時，換熱管壁厚減薄率也增大。 在實際生產中，換熱管壁厚過薄也不合理，故應綜合考慮換熱管壁厚減薄率來選擇合適的液壓脹接壓力。如果只考慮殘余接觸應力值，則必須要提高液壓脹接壓力，否則會造成換熱管、管板內應力過高的現象［6］。

當液壓脹接壓力為180MPa 時， 殘余接觸應力為107.6MPa， 換熱管外表面最大等效應力為176MPa，小于其材料的屈服應力181MPa，換熱管外表面等效應力云圖如圖8 所示；當液壓脹接壓力大于180MPa 時，換熱管外表面發生屈服；當液壓脹接壓力小于180MPa 時，殘余接觸應力減小，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力云圖

研究液壓脹接壓力為180MPa 時整個脹接換熱管的變形過程，換熱管變形量隨內壓載荷變化曲線如圖9 所示。

圖9 換熱管內壓-變形量曲線

由圖9 可知當時間步為10s， 也就是內壓載荷增加到100MPa 時，換熱管為線彈性變形階段，在均勻液壓作用下換熱管發生彈性擴張，同時管板也發生彈性擴張；當內壓載荷大于100MPa 時，換熱管發生塑性變形； 直到內壓載荷為180MPa時，為保壓階段；而后卸載壓力之后，換熱管由于內壓引起的彈性變形部分發生彈性回彈，當內壓卸載完成后，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，此時換熱管的變形狀態如圖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生殘余接觸應力。 換熱管外表面的殘余接觸應力分布如圖11 所示。

圖10 換熱管脹接后變形狀態

圖11 殘余接觸應力分布

由圖11 可以看出， 接觸面上的兩個槽邊緣處產生了應力集中現象，明顯形成4 條高應力環帶，該應力環帶的存在使換熱管與管板的貼合程度相對于其他區域更加緊密，起到了密封的作用，也稱為密封環，密封環的最小值稱為密封環應力， 該應力的大小決定了密封強度的大小；另外還可以看出，在脹接長度范圍內的前后表面附近都存在一小段脹不緊 （圖中藍色應力部分區域）的區域。 原因是由于脹接區域位置有限，而此區域的換熱管不僅不受液壓脹接壓力的作用，還會阻礙換熱管的變形，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力降低，容易引發縫隙腐蝕；在軸向中間區域，殘余接觸應力波動比較小，為較穩定的壓應力， 這一應力值與脹接接頭的拉脫力密切相關，決定著脹接接頭拉脫強度的大小［7］。

上述模擬脹接工藝過程的有限元分析結果與脹接工藝選定實驗的結果一致，說明使用有限元模擬方法選定的脹接工藝是合理的。

4 結論

4.1 對管板材料為16Mn、 換熱管材料為10 鋼，換熱管規格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 通過有限元軟件模擬管板和換熱管的脹接工藝來確定液壓脹接壓力是可行的，以后可以采用數值模擬方法代替產品實驗方法，以提高工作效率和經濟性，也為類似結構的制造提供參考。

4.3 采用文中所選脹接工藝參數完成脹接的雙管板換熱器，已成功投入使用，運行過程中未出現泄漏的情況。