换热器是石油化工行业主要设备之一。换热管的疲劳破坏是引起换热器失效的主要原因,因此迫切需要对换热管的疲劳破坏进行深入研究。为此,需要了解换热管的受力状态和各种力学参数。目前,由于各方面条件有限,现有的理论计算方法算出的有关力学参数值都只是一种近似值。因此非常有必要对换热管在工作状态下的动应力进行测试,作为研究换热管疲劳破坏的依据。本文采用电阻应变法对换热管进行动应力测试,并对比分析了实验结果,验证方法的有效性。
测试原理与方案
测试方法采用电阻应变测量法,将电阻应变片粘贴在换热管的被测部位,用电阻应变仪测出应变片中电阻值的变化量,将其转换为相应的应变值,并记录下来进行分析处理。
在进行测试前,先确定应变片的测点和贴片方向。由于换热管在正常工作时,受管内外的温差、压差,上下温差及结构自重和结构约束等因素的影响,使换热管各点处都处于三向应力状态。根据静应力分析计算得出,换热管上部外壁为危险部位,故应选择该部位为贴片点。考虑到换热管的形状和所受外负荷均是对称的,其上的σ1、σ2、σ0均为主应力,均必须进行测试。但其中σ1可通过测试管侧的蒸汽压力获得,故应变片只需沿管上部外侧的轴向和周向布置即可。图1所示为各测点处的布片情况。每一测点贴一个工作片和一个温度补偿片。该两片间采用半桥连接方式,用三根引出线连接且引线与应变片的接头处采用环氧树脂全密封,以防止腐蚀。应变片的布点数目按两方面的因素确定,即(1)至少要保证在冷凝器升温启动到正常稳定工作的期间内,因蒸气和腐蚀性气体的强烈冲刷仍有一定数量的应变片完好无损;(2)通过密封头的*大引线数。为此,我们采用了10对强耐腐蚀性的应变片分别布置在两根换热管上。每对应变片用三根引线的编号来标示;前一个号为工作片号,中间号为公共引线号,*后一个号表示补偿片号。图中与换热管轴线成45°方向的贴片(10,11,12)用以预防该部位轴向贴片被损坏后仍可测出轴向和径向应变,同时还可起到验证轴向和周向是否为主应力方向的作用。图中标号为(32,33)和(34,35)两点为温度测点。
根据上述可知,应变片所处环境十分恶劣,对应变片种类的选择,粘贴和保护都应有较高的要求。同时还需注意解决应变片引出线的保护、固定和密封等问题。
测量结果及讨论
由于应变片与应变仪的连接线有一定的电阻,该电阻会使应变仪的读数偏小于实际值,故测量时必须对应变仪的显示值进行修正。
试验结果见表1,从表中数据可知;冷凝器启动过程中,换热管的动应力很小,换热管只有微量的振动,其*大动应力只有4.73mpa。在冷凝器正常工作阶段、换热管的周向动应力变化是随机的,而轴向动应力较大,可达17-27mpa。测试结果与换热管的实际动应力的分布是吻合的,说明测试方法及方案是可行的。
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