板式热交换器密封垫结构设计分析

板式热交换器密封垫结构设计分析

税涛

中国核工业二三建设有限公司  四川乐山  614000

摘要：板式热交换器是一种通用的工业设备，广泛适用于城市集中供热、石油化工、食品、制药、电力、船舶、冶金、核电等多个工业领域，是一种可以提高能源利用率、节约能源的关键设备。可拆卸板式热交换器以其换热效率高、结构紧凑、适应性强、热损失小、拆装维修方便等优点，广泛应用在供暖行业，但随着集中供热的扩大需求，供暖行业对热交换器承压能力及运行可靠性的要求越来越高，常规的可拆卸板式热交换器已不能满足供暖行业的扩大需求。

关键词：板式热交换器; 密封垫结构; 失效分析

引言

板式换热器是一种便捷快速、节能环保的热交换设备，广泛应用于航天、石油、军工、制药、机械、船舶、供电供暖等行业和领域，具有很强的社会竞争力。板式换热器起初于19世纪80年代由德国发明家AlbretchDracke提出并获得专利，并在1923年在英国、APV国际得到商业实施；大约1930年，瑞典的AlfaLaval公司推出了一款类似商用板式换热器，从此打开了现代板式换热器的发展的大门。工业板式换热器在20世纪50年代被引进，最初它们是被用来转换成乳制品的模型，全焊接和半焊接（激光焊接）板式换热器在90年代早期才发展起来，壳式和板式换热器是最近在市场上引进的，可以承受相对较高的压力和温度。

1.封垫片的工作原理

密封垫片安装于板片密封槽内，受到板片的挤压才能实现密封的目的。这种类型的密封工作原理就是通过对密封件挤压使其发生弹性变形，根据橡胶材料特性，当密封垫片受到外力作用时，由于自身需要恢复变形而产生弹性反力，即密封垫片与密封槽接触的密封面上形成接触应力，而且垫片变形程度越大，接触应力也越大。随着换热介质压力的增大，密封垫片受到介质压力的作用，使得其本身在预压缩的基础上继续挤压变形，从而密封垫片所受接触应力也会进一步增大。接触应力始终大于密封介质的工作压力，那么就能保证密封垫片不会发生泄漏，反之则会发生泄漏失效。因此，要保证密封接触应力尽可能达到最高而且尽可能长久是板式换热器密封的关键所在。

2.板式换热器的密封设计现状

密封设计在板式换热器的研究过程是举足轻重的，其主要包括密封槽、密封垫片结构和材料的设计。其中，目前板式换热器密封垫片有矩形、梯形、五边形、六边形等结构形状，板式换热器橡胶密封垫片的材料组成、结构形式、制造工艺以及密封垫片的密封工作原理，并对垫片结构的应力松弛问题在板式换热器的使用寿命进行探讨。对板式换热器密封垫片的材料、结构形式以及压缩比进行介绍，设计一种与具有与凸起密封槽底相吻合的密封垫片，具有良好的装配能力和承压性。在换热器密封胶垫材料选择的基础上对其结构进行设计，根据密封介质的流动形式设计密封垫片在板片上的整体结构；根据密封垫片在密封槽的安装形式可以设计出粘贴式、镶嵌式以及卡扣式等密封垫片；根据垫片剖面结构形式可设计对称形式和非对称形式，主密封面可以设计成平面、曲面和斜面等形式。王彦龙等人对板式换热器橡胶密封结构的设计进行仿真分析，包括板片密封槽形状设计、密封垫片截面形状及垫片厚度、预紧压力和介质压力载荷的设定、摩擦系数等方面对密封性能的影响。对板式换热器密封垫片的质量进行分析，其中包括生产制品中的含胶量，密封垫片产生气泡的原因及发生断裂缺陷等解决方案。因此，为提高板式换热器的耐压性、密封性，其关键在于密封垫片材料和密封结构。

2.失效密封垫受力分析

利用ansysworkbench软件对板片及失效密封垫进行建模，将两张板片均视为刚性体:一张板片提供支撑作用，另一张板片提供夹紧位移(给定其夹紧位移量0．3mm);将胶垫夹紧到给定尺寸后，在胶垫内侧施加液体内压力3．2MPa。在夹紧力作用下，密封垫内部承受较大的内应力且最大值达到了6．9536MPa;在夹紧力、内压力共同作用下，密封垫内部承受较大的内应力且最大值达到了6．9841MPa。可看出，失效密封垫在夹紧力作用下内应力接近密封垫的拉伸强度，与断口分析结果相符，且最大内应力区域与失效密封垫断口发生区域接近，而内压力对密封垫的内应力影响较小。

3.网格间求解技术

在数值模拟弹性密封垫压缩大变形时，易导致密封垫的网格大畸变，此时结果难以收敛。因此大部分学者通过ABAQUS显式动力模拟弹性密封垫，但是因为在显式模块中缺少杂交单元族，难以模拟密封垫的不可压缩性，因此在整个压缩过程中，密封垫会显得异常柔软，得到的结果也缺失一定精度。因此本文基于ABAQUS隐式模块提供的一种“网格间的求解变换”技术—网格映射技术，兼顾模拟了弹性密封垫的不可压缩性，并解决密封垫压缩过程带来的结果不收敛问题。在张开量较大的条件下，密封垫平均接触应力略大于另一个密封垫，但是在张开量进一步缩小后（张开量小于8mm），密封垫平均接触接触压力呈现不增反减的现象，从原先的0.934MPa减小为0.736MPa，相比于该压缩阶段的密封垫的平均接触应力，减小值可达25.2%，呈现出负增长。这种现象可以用类似于“压杆稳定”的现象来解释。通过观察密封垫断面特征图，可以发现密封垫闭合孔数量为奇数个，闭合孔排列的中间部位，是较为完整橡胶实心区域，与腿部敞开孔附近的腿部橡胶组成两根“橡胶柱”。因此在压缩初期（张开量不大），“橡胶柱”稳定性好，产生的接触应力也较大，随着压缩量逐渐增加，当张开量为6mm时，“橡胶压杆”发生失稳问题，腿部的橡胶柱发生明显倾斜，上部“橡胶柱”也有向内侧倾斜的趋势，若沟槽边界条件不对称，还会出现严重的不对称变形，此时接触应力会产生无增加甚至减小现象，这大大削弱了密封垫的防水能力。而5号密封垫，闭合孔呈错孔排列，橡胶实心区域可以看做“三角桁架”，在压缩过程受力稳定，变形均匀，因此不会出现上述接触应力减小的现象。

4.双道密封垫的应用

双道密封垫是在单道密封垫的内侧增加一道密封垫，相对于管片单道密封垫其主要优点：①盾构管片设防水压力可由０．９ＭＰａ提高至２．０ＭＰａ，工程应用范围广。②若外道密封垫因施工质量等原因造成防水局部失效，内道密封垫即可发挥主防水作用，提高盾构管片接缝防水效果和防水可靠性。③取消管片嵌缝，可避免嵌缝材料掉落至接触网上的运营隐患。但双道密封垫防水设计也有未完善之处，其缺点是设置两道密封垫时，必须计算每道密封垫的闭合压缩力，否则管片拼装成环时，会因环向螺栓紧裹不足而使纵缝不易闭合，造成封顶块插入很困难，所以双道密封垫应用于工程实际中还需要很多工作要做。

结束语

密封垫作为板式热交换器的密封元件，其结构设计至关重要。本文基于失效分析，同时结合ansysworkbench软件进行受力分析，分析密封元件的失效原因，随后通过优化密封垫硫化工艺同时对密封垫进行结构优化，切实提高板式热交换器的承压能力，确保设备可靠稳定运行。

参考文献

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