氯丁橡胶变径试压装设计及数值模拟分析

张会平，吴成强，郭 威，王在良

（1.江苏科圣化工机械有限公司，江苏 淮安 223003；2.淮阴工学院，江苏省先进制造技术重点实验室，江苏 淮安 223003）

压力容器的耐压试验是容器验收的重要依[1]。浮头式换热器属多腔容器，其耐压试验符合多腔容器试验规范。其核心是对换热器管头进行试压检查，（不考虑温度影响因素，液压试验压力通常超过设计压力25%），确保通过壳程试压（或泄漏检验）检查出管头存在的缺陷。判断出换热器管束中的泄露点并加以防漏处理，可以有效地避免交换器在使用过程中介质外泄或者管束与外壳之间的介质互通[2]。

对于浮头式结构，需要设计专用试压工装。浮头式换热器试压工装主要包括填料函式试压工装、自紧密封式试压工装、O形环密封工装。试压工装的常用压力为 1.6 MPa、2.5 MPa 和 4.0 MPa[3]。如图1所示，根据市场试压装使用报告分析， O形环密封工装结构简单，使用率较其他两种试压工装占比最大[4]。然而对于不同规格的浮头式换热器需要不同规格的试压装，试压装通常为钢制材料，因此造成试压装替换率低，制造成本高等问题。为此设计了一款氯丁橡胶变径试压装，以解决在不同直径的浮头式换热器试压时，可以添加或减少橡胶试压分段环，替换率高。

图1 三种类型试压工装国内使用率概况

1 氯丁橡胶变径试压装方案设计

为了解决上述技术问题，提供一种浮头式换热器变径试压工装，根据氯丁橡胶的可弯曲和回弹特性，制作出同等的氯丁橡胶试压分段环，组合成变径试压工装，以适应不同直径的浮头式换热器，提高试压工装的利用率，避免浪费材料，减少制造成本。

如图2所示，变径试压工装包括筒体密封装1、管板密封装2、试压分段防松脱带3以及管板管束4组成。筒体密封装设置在管板一侧的筒体端，用于将筒体连接并将伸出的管束和筒体密封成一体，管板密封装设置在管板侧用于管板的密封。如图3所示，管板试压分段补偿结构将实体橡胶层2嵌入两段空心铁皮层1中，空隙层通过填入填料（沙子）防止铁皮变形。端部按形状不同切割贴皮封皮3，通过螺钉6封住法兰端部。每块氯丁橡胶试压分段环中间开有梯形槽，两端侧部，一侧开有梯形槽4，一侧开有梯形凸台5，通过梯形槽与梯形凸台相互配合，形成一个环形试压装。

图2 变径试压工装

图3 管板试压分段补偿结构

2 氯丁橡胶变径试压段数值模拟

现有的浮头式换热器试压装多为钢材质，试压时不考虑试压装的变化量，而本设计方案采用氯丁橡胶材质，由于压力的因素，氯丁橡胶试压装必定会产生变形，探讨形变的合理区间是该结构模拟的目的，氯丁橡胶的材料性能如图4所示，该性能数据包括单轴试验数据、双轴试验数据、剪切试验数据和容积试验数据，运用有限元中fluent进行模拟，在模拟出结果后作为参照。

图4 氯丁橡胶应变与压力关系

选取筒体试压段和管板试压段，对其定义为氯丁橡胶，划分0.5 mm的网格，对筒体试压段和管板试压段的法兰两端、滑槽处和外部试压固定约束，对管板试压段的内部及钩圈内侧分别施加1.6 MPa、2.5 MPa 和 4.0 MPa的压力，求解出总变形情况。

2.1 氯丁橡胶变径试压段数值模拟分析

如图5（a）所示，在1.6 MPa下，形变主要集中在管板试压段法兰附近区域及钩圈处，最大形变量为0.63 mm，平均形变量为0.022 mm。在2.5 MPa下，形变主要集中在管板试压段法兰附近区域及钩圈处，最大形变量为0.67 mm，平均形变量为0.024 mm。在4 MPa下，形变发生极具的变化，形变蔓延至管板试压段整个内表面，变形量呈陡坡趋势上升，最大变形量为6.13 mm，平均形变量为0.3 mm。2.5 MPa的管板试压段比1.6 MPa的管板试压段最大变形量提高了6%，平均变形量提高了8.3%。4 MPa的管板试压段比1.6 MPa和2.5 MPa的管板试压段最大变形量分别提高了90%和89%，平均变形量提高了93%和92%。

图5 1.6MPa、2.5MPa、4MPa下管板试压段变形量分布

如图6（a）、（b）所示，1.6 MPa和2.5 MPa的管板试压段在1 s内变形量呈现两段式线性上升，1.6 MPa的管板试压段在0～0.013 s内，变形量呈陡崖趋势上升，变形至量至0.4 mm，斜率k为30.8。2.5 MPa的管板试压段在0～0.009 s内，变形量呈陡崖趋势上升，变形至量至0.43 mm，斜率k为47.8，可以得出在2.5 MPa的试压下，管板试压段形变速度更快。

图6 1.6 MPa和2.5 MPa的管板试压段在1s内形变量线性关系

2.2 氯丁橡胶试压装与三种类型试压装对比分析

王等人对填料试压装、自紧密封试压装、O型环密封工装进行了分析，得出O型环密封工装试压范围广，在通用性、密闭性、成本和结构上都要比前两种试压装效果好。根据上述有限元分析得出，在4 MPa下氯丁橡胶试压装变形量较大，只适合在1.6 MPa和2.5 MPa的压力下试压，其余性能都与O型环密封工装类似，具体性能参数如表1所示。

表1 四种试压装性能对比表

3 变径试压壁厚线性优化

液压试验的应力校核公式如下：

式中：σT为圆筒壁在试验压力下的计算应力，MPa；Di为圆筒直径，mm；pT为试验压力，MPa；Se为有效壁厚，mm；σS（σ0.2）为圆筒材料在试验温度下的屈服点（或0.2%屈服强度），MPa；φ为圆筒的焊接接头系数。

改 变 应 力 校 核 公 式σT2Se=pT（Di+Se），设 定试验压力pT分别为1.6 MPa、2.5 MPa，圆筒直径在200～1 000 mm范 围内，Se有效壁厚在2～200 mm范围内。令Di为x1，Se为x2，则一般形式如下：

3.1 壁厚线性优化分析

如图7所示，linprog（林普格）函数将边界条件代入计算一般形式，得出在1.6 MPa下，x1=0，x2=200，Y=320。在2.5 MPa下，x1=0，x2=200，Y=500。从而可以得知，在1.6 MPa和2.5 MPa下的氯丁橡胶试压装Se最小有效壁厚为200 mm。

图7 壁厚线性优化

4 结论

（1）通过氯丁橡胶代替钢材料的试压结构，当在不同直径的浮头式换热器试压时，可以添加或减少橡胶试压分段环，替换率高。通过数值模拟分析得出，在4 MPa试压下，氯丁橡胶试压装平均变形量达到0.3 mm，1.6 MPa和2.5 MPa下，氯丁橡胶试压装平均变形量达到0.022 mm和0.024 mm，基于密封性能的考虑，氯丁橡胶试压装在1.6 MPa和2.5 MPa下合适。

（2）将氯丁橡胶试压装与O型环密封工装对比分析得出，O型环密封工装比氯丁橡胶试压装试压范围广，而氯丁橡胶试压装在通用性、密闭性、成本和结构上效果更好。并通过linprog（林普格）函数运用计算液压试验的应力校核公式，得出在1.6 MPa和2.5 MPa下的氯丁橡胶试压装Se最小有效壁厚为200 mm。