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換熱器是石油化工行業(yè)主要設(shè)備之一。換熱管的疲勞破壞是引起換熱器失效的主要原因，因此迫切需要對(duì)換熱管的疲勞破壞進(jìn)行深入研究。為此，需要了解換熱管的受力狀態(tài)和各種力學(xué)參數(shù)。目前，由于各方面條件有限，現(xiàn)有的理論計(jì)算方法算出的有關(guān)力學(xué)參數(shù)值都只是一種近似值。因此非常有必要對(duì)換熱管在工作狀態(tài)下的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，作為研究換熱管疲勞破壞的依據(jù)。本文采用電阻應(yīng)變法對(duì)換熱管進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，并對(duì)比分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證方法的有效性。

測(cè)試原理與方案

測(cè)試方法采用電阻應(yīng)變測(cè)量法，將電阻應(yīng)變片粘貼在換熱管的被測(cè)部位，用電阻應(yīng)變儀測(cè)出應(yīng)變片中電阻值的變化量，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的應(yīng)變值，并記錄下來進(jìn)行分析處理。

在進(jìn)行測(cè)試前，先確定應(yīng)變片的測(cè)點(diǎn)和貼片方向。由于換熱管在正常工作時(shí)，受管內(nèi)外的溫差、壓差，上下溫差及結(jié)構(gòu)自重和結(jié)構(gòu)約束等因素的影響，使換熱管各點(diǎn)處都處于三向應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)靜應(yīng)力分析計(jì)算得出，換熱管上部外壁為危險(xiǎn)部位，故應(yīng)選擇該部位為貼片點(diǎn)。考慮到換熱管的形狀和所受外負(fù)荷均是對(duì)稱的，其上的σ₁、σ₂、σ₀均為主應(yīng)力，均必須進(jìn)行測(cè)試。但其中σ₁可通過測(cè)試管側(cè)的蒸汽壓力獲得，故應(yīng)變片只需沿管上部外側(cè)的軸向和周向布置即可。圖1所示為各測(cè)點(diǎn)處的布片情況。每一測(cè)點(diǎn)貼一個(gè)工作片和一個(gè)溫度補(bǔ)償片。該兩片間采用半橋連接方式，用三根引出線連接且引線與應(yīng)變片的接頭處采用環(huán)氧樹脂全密封，以防止腐蝕。應(yīng)變片的布點(diǎn)數(shù)目按兩方面的因素確定，即（1）至少要保證在冷凝器升溫啟動(dòng)到正常穩(wěn)定工作的期間內(nèi)，因蒸氣和腐蝕性氣體的強(qiáng)烈沖刷仍有一定數(shù)量的應(yīng)變片完好無損；（2）通過密封頭的*大引線數(shù)。為此，我們采用了10對(duì)強(qiáng)耐腐蝕性的應(yīng)變片分別布置在兩根換熱管上。每對(duì)應(yīng)變片用三根引線的編號(hào)來標(biāo)示；前一個(gè)號(hào)為工作片號(hào)，中間號(hào)為公共引線號(hào)，*后一個(gè)號(hào)表示補(bǔ)償片號(hào)。圖中與換熱管軸線成45°方向的貼片（10，11，12）用以預(yù)防該部位軸向貼片被損壞后仍可測(cè)出軸向和徑向應(yīng)變，同時(shí)還可起到驗(yàn)證軸向和周向是否為主應(yīng)力方向的作用。圖中標(biāo)號(hào)為（32，33）和（34，35）兩點(diǎn)為溫度測(cè)點(diǎn)。

根據(jù)上述可知，應(yīng)變片所處環(huán)境十分惡劣，對(duì)應(yīng)變片種類的選擇，粘貼和保護(hù)都應(yīng)有較高的要求。同時(shí)還需注意解決應(yīng)變片引出線的保護(hù)、固定和密封等問題。

測(cè)量結(jié)果及討論

由于應(yīng)變片與應(yīng)變儀的連接線有一定的電阻，該電阻會(huì)使應(yīng)變儀的讀數(shù)偏小于實(shí)際值，故測(cè)量時(shí)必須對(duì)應(yīng)變儀的顯示值進(jìn)行修正。

試驗(yàn)結(jié)果見表1，從表中數(shù)據(jù)可知；冷凝器啟動(dòng)過程中，換熱管的動(dòng)應(yīng)力很小，換熱管只有微量的振動(dòng)，其*大動(dòng)應(yīng)力只有4.73MPa。在冷凝器正常工作階段、換熱管的周向動(dòng)應(yīng)力變化是隨機(jī)的，而軸向動(dòng)應(yīng)力較大，可達(dá)17-27MPa。測(cè)試結(jié)果與換熱管的實(shí)際動(dòng)應(yīng)力的分布是吻合的，說明測(cè)試方法及方案是可行的。