解德甲，馬一鳴，于 嘯，馮栩遲，邢 玲

(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518；2.上海石油化工換熱設(shè)備工程技術(shù)研究中心，上海 201518)

板式熱交換器是一種高效緊湊型熱交換器[1-4]。近年來(lái)，其應(yīng)用場(chǎng)合日益擴(kuò)大，參數(shù)、規(guī)格快速發(fā)展[5-11]。國(guó)內(nèi)外對(duì)板式熱交換器傳熱元件板片的研究主要集中在傳熱與流阻性能方面[12-14]，有關(guān)板片承載能力的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。文獻(xiàn)[15-16]研究了波紋板片的剛度，給出了定量的解析計(jì)算方法，但并未涉及壓力載荷作用的試驗(yàn)研究。ASME BPVC Ⅷ.1—2015《Rules for Construction of Pressure Vessels》[17]首次給出了確定連接式波紋板片承載能力的工程辦法，但未給出接觸非連接波紋板片的承載能力確定辦法。隨著板式熱交換器高參數(shù)、輕量化以及高可靠性的發(fā)展，波紋板片承載能力的研究越發(fā)受到重視。文中以應(yīng)用最為廣泛的人字形波紋板片為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)施加法向機(jī)械載荷，初步研究其失效模式及承載能力，以期為后續(xù)壓力載荷試驗(yàn)研究提供借鑒。

1 人字形波紋板片承載能力試驗(yàn)原理

人字形波紋板片的波紋相互網(wǎng)狀接觸支撐[18]，在初始加載階段，板片結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)態(tài)，變形量隨載荷增加呈線性變化。當(dāng)載荷增加到一定程度時(shí)，存在以下失效可能：①支撐截面應(yīng)力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致板片結(jié)構(gòu)塑性垮塌。②波紋發(fā)生橫向滑移，導(dǎo)致板片結(jié)構(gòu)彈性垮塌。③板片間接觸點(diǎn)壓潰，即板片接觸部位發(fā)生屈服。

試驗(yàn)時(shí)采用萬(wàn)能油壓機(jī)，采用法向壓縮方式對(duì)板片施加法向載荷，觀察、采集板片在法向載荷作用下的失效模式、承載-變形數(shù)據(jù)，獲取板片法向承載臨界載荷及變形量。

人字形波紋板片的承載能力決定于板片的材料性能、結(jié)構(gòu)形狀、幾何參數(shù)及成型工藝。板式熱交換器用波紋板片的材料主要是耐蝕性能良好的奧氏體不銹鋼，板片厚度一般為0.5～1.0 mm[19]。波紋板片的成型工藝包括模壓成型[20]、爆炸成型等，其中模壓成型占大多數(shù)。本試驗(yàn)的試樣取自同一張波紋板片，故不考慮材料、形狀參數(shù)及成型工藝因素對(duì)波紋板片承載能力的影響[21]。因試樣尺寸遠(yuǎn)大于波紋板片的截面尺寸，故可忽略試樣周邊的拘束影響。

2 人字形波紋板片承載能力試驗(yàn)方案及試樣

采用萬(wàn)能油壓機(jī)進(jìn)行人字形波紋板片法向承載試驗(yàn)，其中單板、雙板和三板試驗(yàn)各3組，每組試驗(yàn)各進(jìn)行3次。通過(guò)試驗(yàn)獲得波紋板片在不同支撐條件下的失效模式，并得到失效臨界載荷及相應(yīng)位移。單板試驗(yàn)的目的是評(píng)估加載速度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度和試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)的影響。雙板試驗(yàn)的目的是評(píng)估進(jìn)口力和終止位移設(shè)置對(duì)試驗(yàn)的影響。三板試驗(yàn)中未設(shè)置油壓機(jī)進(jìn)口力，僅設(shè)置終止位移為8 mm，主要目的是測(cè)試中間板片在上、下板片點(diǎn)狀支撐條件下的失效模式。人字形波紋板片承載能力試驗(yàn)方案示意見(jiàn)圖1。

圖1 人字形波紋板片承載能力試驗(yàn)方案示圖

所有試樣均取自同一張人字形波紋板片，材料為316L。試樣共18件，分別編號(hào)為1#～18#。試樣規(guī)格均為150 mm×150 mm，名義厚度0.7 mm，波紋深度3.7 mm，展開系數(shù)1.22。為減少試樣翹曲，采用激光切割，得到的試樣見(jiàn)圖2。

3 人字形波紋板片承載能力試驗(yàn)條件

3.1 加載方式

試驗(yàn)采用等速力加載方式，加載力線性變化，可有效反映試樣在整個(gè)承載過(guò)程中的受力狀態(tài)，且加載力與試樣的位移變化相互對(duì)應(yīng)，可了解試樣剛度變化規(guī)律。

圖2 人字形波紋板片切割試樣示圖

3.2 加載速度

為評(píng)估加載速度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度的影響，對(duì)1#試樣設(shè)置較小加載速度60 N/s，對(duì)4#、5#試樣設(shè)置的加載速度為300 N/s，對(duì)3#試樣設(shè)置的加載速度為600 N/s。通過(guò)對(duì)不同加載速度試驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比，最終選取試驗(yàn)加載速度為600 N/s。

3.3 進(jìn)口力

板片壓制波紋及試樣切割過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定的翹曲，使試樣與上、下壓板及各板片間存在間隙。為消除間隙，得到有效加載力及相應(yīng)位移，在組號(hào)1-1、1-2、1-3、2-1的試驗(yàn)中，對(duì)油壓機(jī)設(shè)置了1 000 N進(jìn)口力，當(dāng)油壓機(jī)輸出壓力達(dá)到1 000 N后開始記錄壓頭位移，目的為消除部分虛假位移，此時(shí)認(rèn)為板片間隙已閉合。通過(guò)這4組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)置1 000 N進(jìn)口力不能精確得到板片承載極值對(duì)應(yīng)的位移，故對(duì)其余試驗(yàn)組未設(shè)置進(jìn)口力，通過(guò)預(yù)設(shè)壓頭高度，油壓機(jī)啟動(dòng)即開始記錄位置，后續(xù)根據(jù)加載初期板片位移-時(shí)間曲線線性化趨勢(shì)獲取非穩(wěn)態(tài)位移，確定加載力極值對(duì)應(yīng)的有效位移。

3.4 終止位移

為防止板片失效后過(guò)度加載導(dǎo)致油壓機(jī)壓頭與底板直接接觸，試驗(yàn)中需設(shè)置壓頭終止位移量。若壓頭終止位移取值過(guò)小，板片仍處于彈性階段，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)不完整。試驗(yàn)中終止位移按板片總高度的70%進(jìn)行設(shè)定，即認(rèn)為終止位移達(dá)到板片總高度70%時(shí)板片已發(fā)生嚴(yán)重變形失效。未設(shè)定進(jìn)口力時(shí)，需對(duì)壓頭起始高度、壓頭與試樣接觸時(shí)的高度進(jìn)行測(cè)量，據(jù)此設(shè)定終止位移量。

各組波紋板片試驗(yàn)時(shí)的加載參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 波紋板片承載能力試驗(yàn)加載參數(shù)

4 人字形波紋板片承載能力試驗(yàn)結(jié)果

4.1 單板試驗(yàn)

4.1.1加載力極值與對(duì)應(yīng)位移

3組人字形波紋板片單板試驗(yàn)的加載力極值和對(duì)應(yīng)位移見(jiàn)表2。

表2 人字形波紋板片單板試驗(yàn)加載力極值與對(duì)應(yīng)位移

對(duì)1#試樣進(jìn)行試驗(yàn)的目的是確定合適的加載速度。根據(jù)加載速度相同的2#、3#試樣的數(shù)據(jù)繪制得到加載力與時(shí)間及位移的關(guān)系曲線，分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 人字形波紋板片單板試驗(yàn)加載力與時(shí)間關(guān)系曲線

圖4 人字形波紋板片單板試驗(yàn)加載力與位移關(guān)系曲線

人字形波紋板片單板試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，600 N/s加載速度可滿足試驗(yàn)精度要求，圖4所示加載力-位移曲線加載初期仍為非線性，說(shuō)明設(shè)置1 000 N進(jìn)口力不能精確得到板片承載極值對(duì)應(yīng)的板片變形量。

4.1.2失效模式

單板試驗(yàn)試樣失效后均發(fā)生橫向滑移，結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生變化，最終波片結(jié)構(gòu)彈性垮塌。板片沿與波紋垂直的對(duì)角方向滑移，平均對(duì)角線展開長(zhǎng)度約165 mm。

人字形波紋板片單板試驗(yàn)3#試樣失效前后形態(tài)對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 人字形波紋板片單板試驗(yàn)3#試樣失效前后形態(tài)對(duì)比

4.2 雙板試驗(yàn)

4.2.1加載力極值與對(duì)應(yīng)位移

3組人字形波紋板片雙板試驗(yàn)的加載力極值和對(duì)應(yīng)位移見(jiàn)表3。

表3 人字形波紋板片雙板試驗(yàn)加載力極值與對(duì)應(yīng)位移

根據(jù)人字形波紋板片雙板試驗(yàn)各試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制得到加載力與位移和時(shí)間的關(guān)系曲線，分別見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 人字形波紋板片雙板試驗(yàn)加載力與時(shí)間關(guān)系曲線

人字形波紋板片雙板試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，進(jìn)口力設(shè)置對(duì)加載力極值無(wú)影響，由于板片間支撐條件變化，雙板支撐條件下板片平均承載能力約為單板板片承載能力的68%。

圖7 人字形波紋板片雙板試驗(yàn)加載力與位移關(guān)系曲線

4.2.2失效模式

雙板試驗(yàn)試樣失效后板片間接觸點(diǎn)壓潰，板片中心支撐區(qū)出現(xiàn)點(diǎn)狀局部塑性變形，即板片接觸部位發(fā)生屈服。板片沿與波紋垂直的對(duì)角方向滑移，平均對(duì)角線展開長(zhǎng)度約156 mm，變形量均小于單板試驗(yàn)試樣的數(shù)值。

人字形波紋板片雙板試驗(yàn)7#試樣失效前后形態(tài)對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖8 人字形波紋板片雙板試驗(yàn)7#試樣失效前后形態(tài)對(duì)比

4.3 三板試驗(yàn)

4.3.1加載力極值與對(duì)應(yīng)位移

3組人字形波紋板片三板試驗(yàn)的加載力極值和對(duì)應(yīng)位移見(jiàn)表4。

表4 人字形波紋板片三板試驗(yàn)加載力極值與對(duì)應(yīng)位移

根據(jù)人字形波紋板片三板試驗(yàn)試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制得到加載力與位移和時(shí)間的關(guān)系曲線，分別見(jiàn)圖9和圖10。由三板試驗(yàn)獲取人字形波紋板片的承載臨界載荷。

圖9 人字形波紋板片三板試驗(yàn)加載力與時(shí)間關(guān)系曲線

圖10 人字形波紋板片三板試驗(yàn)加載力與位移關(guān)系曲線

4.3.2失效模式

三板試驗(yàn)板片間接觸點(diǎn)壓潰，即板片接觸部位發(fā)生屈服，隨加載力增加，最終導(dǎo)致板片結(jié)構(gòu)失穩(wěn)垮塌。板片沿與波紋垂直的對(duì)角方向滑移，平均對(duì)角線展開長(zhǎng)度約165 mm。三板試驗(yàn)試樣失效前后中間板片(11#試樣)形態(tài)對(duì)比見(jiàn)圖11。

圖11 人字形波紋板片三板試驗(yàn)試樣失效前后中間板片(11#試樣)形態(tài)對(duì)比

5 人字形波紋板片承載能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

三板試驗(yàn)板片支撐條件與板式熱交換器板片實(shí)際承載狀態(tài)相同，故三板試驗(yàn)的失效模式與實(shí)物產(chǎn)品接近，文中對(duì)3-1組(10#～12#試樣)三板試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5.1 有效位移

初始接觸時(shí)板片處于非穩(wěn)態(tài)，位移屬于虛假值。因此在確定板片失效的總體位移時(shí)需扣除相應(yīng)部分，以獲取較為準(zhǔn)確的結(jié)果。根據(jù)圖12所示的三板試驗(yàn)加載初期板片位移-時(shí)間曲線確定非穩(wěn)態(tài)位移。

圖12 人字形波紋板片三板試驗(yàn)加載初期板片位移-時(shí)間曲線

由圖12看出，加載初期板片位移快速升高，達(dá)到2.75 mm后位移趨于穩(wěn)定，此段呈線性變化趨勢(shì)，故判定板片非穩(wěn)態(tài)位移為2.75 mm。根據(jù)表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)，加載力極值對(duì)應(yīng)位移為5.34 mm，因此板片承受臨界載荷時(shí)對(duì)應(yīng)的板片實(shí)際變形位移量為5.34-2.75=2.59(mm)。

5.2 承載狀態(tài)

人字形波紋板片三板試驗(yàn)的承載狀態(tài)曲線見(jiàn)圖13。

圖13 人字形波紋板片三板試驗(yàn)承載狀態(tài)曲線

從圖13看出，加載過(guò)程中試樣經(jīng)歷3個(gè)階段：①接觸段。油壓機(jī)壓頭與試樣初始接觸，間隙閉合。載荷增量波動(dòng)與試樣平整度有關(guān)。 ②承載段。油壓機(jī)壓頭與試樣穩(wěn)定接觸，載荷增量穩(wěn)定。截取該段數(shù)據(jù)可計(jì)算載荷的實(shí)際增量。如實(shí)際增量與加載速度趨于一致，根據(jù)彈性力學(xué)線彈性假設(shè)[22]，說(shuō)明板片結(jié)構(gòu)處于彈性階段。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在該階段末期板片接觸點(diǎn)已發(fā)生局部屈服變形。③垮塌段(非彈性承載)。加載力到達(dá)峰值后，加載力數(shù)值迅速衰減，板片承載能力下降。結(jié)構(gòu)由穩(wěn)定彈性結(jié)構(gòu)變?yōu)閹缀慰勺兘Y(jié)構(gòu)(塑性階段)，結(jié)構(gòu)垮塌。

為獲取承載段的實(shí)際載荷增量，取多點(diǎn)分段繪制載荷增量曲線，分別見(jiàn)圖14和圖15。

圖14 人字形波紋板片三板試驗(yàn)承載段Ⅰ載荷增量曲線

圖15 人字形波紋板片三板試驗(yàn)承載段Ⅱ載荷增量曲線

由圖14可以看出，時(shí)長(zhǎng)200 s之前，承載段Ⅰ的載荷增量穩(wěn)定在595～600 N/s，與實(shí)際加載速度基本吻合，可以認(rèn)為在此階段板片結(jié)構(gòu)處于彈性壓縮階段。

由圖15可見(jiàn)，時(shí)長(zhǎng)200～227 s，承載段Ⅱ載荷增量持續(xù)下降至554 N/s，板片結(jié)構(gòu)處于非彈性壓縮階段，出現(xiàn)側(cè)向滑移。時(shí)長(zhǎng)227 s時(shí)加載力到達(dá)峰值125 510.6 N，然后快速下降，結(jié)構(gòu)垮塌。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)人字形波紋板片進(jìn)行法向承載能力試驗(yàn)，初步了解了板片在不同支撐條件下的失效特征，得到了板片失效臨界載荷及對(duì)應(yīng)位移數(shù)據(jù)。從初始承載到結(jié)構(gòu)垮塌，試樣經(jīng)歷了接觸段、彈性承載段及結(jié)構(gòu)垮塌段3個(gè)階段。觀察了人字形波紋板片的失效模式，單板試樣發(fā)生橫向滑移，結(jié)構(gòu)剛度變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彈性垮塌。雙板和三板試驗(yàn)板片間接觸點(diǎn)壓潰，即板片接觸部位先發(fā)生屈服，隨加載力增加，結(jié)構(gòu)最終失穩(wěn)垮塌。評(píng)估了加載速度對(duì)板片承載能力試驗(yàn)的影響，當(dāng)加載速度在60～600 N/s時(shí)，加載速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響，但過(guò)小的加載速度會(huì)延長(zhǎng)試驗(yàn)周期。