氯丁橡膠變徑試壓裝設計及數值模擬分析

張會平，吳成強，郭 威，王在良

（1.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學院，江蘇省先進制造技術重點實驗室，江蘇 淮安 223003）

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

對于浮頭式結構，需要設計專用試壓工裝。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，根據市場試壓裝使用報告分析， O形環密封工裝結構簡單，使用率較其他兩種試壓工裝占比最大[4]。然而對于不同規格的浮頭式換熱器需要不同規格的試壓裝，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。為此設計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，可以添加或減少橡膠試壓分段環，替換率高。

圖1 三種類型試壓工裝國內使用率概況

1 氯丁橡膠變徑試壓裝方案設計

為了解決上述技術問題，提供一種浮頭式換熱器變徑試壓工裝，根據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，組合成變徑試壓工裝，以適應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。筒體密封裝設置在管板一側的筒體端，用于將筒體連接并將伸出的管束和筒體密封成一體，管板密封裝設置在管板側用于管板的密封。如圖3所示，管板試壓分段補償結構將實體橡膠層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中間開有梯形槽，兩端側部，一側開有梯形槽4，一側開有梯形凸臺5，通過梯形槽與梯形凸臺相互配合，形成一個環形試壓裝。

圖2 變徑試壓工裝

圖3 管板試壓分段補償結構

2 氯丁橡膠變徑試壓段數值模擬

現有的浮頭式換熱器試壓裝多為鋼材質，試壓時不考慮試壓裝的變化量，而本設計方案采用氯丁橡膠材質，由于壓力的因素，氯丁橡膠試壓裝必定會產生變形，探討形變的合理區間是該結構模擬的目的，氯丁橡膠的材料性能如圖4所示，該性能數據包括單軸試驗數據、雙軸試驗數據、剪切試驗數據和容積試驗數據，運用有限元中fluent進行模擬，在模擬出結果后作為參照。

圖4 氯丁橡膠應變與壓力關系

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，對管板試壓段的內部及鉤圈內側分別施加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，形變發生極具的變化，形變蔓延至管板試壓段整個內表面，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內變形量呈現兩段式線性上升，1.6 MPa的管板試壓段在0～0.013 s內，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，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內形變量線性關系

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型環密封工裝進行了分析，得出O型環密封工裝試壓范圍廣，在通用性、密閉性、成本和結構上都要比前兩種試壓裝效果好。根據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型環密封工裝類似，具體性能參數如表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化

液壓試驗的應力校核公式如下：

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

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

3.1 壁厚線性優化分析

如圖7所示，linprog（林普格）函數將邊界條件代入計算一般形式，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 壁厚線性優化

4 結論

（1）通過氯丁橡膠代替鋼材料的試壓結構，當在不同直徑的浮頭式換熱器試壓時，可以添加或減少橡膠試壓分段環，替換率高。通過數值模擬分析得出，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型環密封工裝對比分析得出，O型環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、成本和結構上效果更好。并通過linprog（林普格）函數運用計算液壓試驗的應力校核公式，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。