高压蛇管式水冷却器的设计改进探讨

高压蛇管式水冷却器的设计改进探讨
摘要：以典型的高压蛇管式水冷却器芯破坏现象案例分析，结合压缩机实际工况，对蛇管式水冷却器芯的防振采取相应的改善设计，优化蛇管式水冷却器芯的装配结构，规范蛇管式水冷却器芯的材质和加工制造工艺等，有效提高蛇管式水冷却器芯的刚性和防振能力，以延长冷却器的使用寿命。

通过分析漏水原因，解决冷却器的日常维护问题。

关键词：高压蛇形水冷却器芯振动
1、前言：换热器是一种被广泛应用到化工、石油化工、动力、航空航天、医药、冶金、制冷及轻工等行业的通用设备。

其种类繁多，如按其传热面的形状和结构进行分类，可分为管型、板型、板翅型等换热器，本文中探讨的是蛇管式换热器属于其中的管型换热器。

该类型的换热器在中小型高压空气压缩机领域中，应用非常广泛。

它具有结构紧凑，承压能力强，制造成本低，便于维护和清洗等特点，是许多压缩机制造厂家对于排气压力为300bar以上的中小型压缩机末级冷却器的首选。

但当设计、制造和装配过程中考虑不周时，冷却器容易出现故障，尤以冷却器芯的破裂的失效形式较为常见。

一旦冷却器芯出现破裂，重则引发严重的安全事故，轻则导致整个压缩机组无法正常运行。

下面针对一种高压水冷却器芯断裂的案例进行分析，提出有效的设计改进措施，以保证压缩机安全可靠地运行，通过改变密封结构和装配制造工艺解决冷却器漏水的问题。

2、案例分析：
某公司高压水冷却器原结构图1：
该冷却器卧式放置在往复式压缩机的冷却器支架上，在实际的使用过程中，常见的失效方式是冷却器芯断裂，日常维护的重点是进排气的密封处经常会漏水。

本文主要对以上两种缺陷的原因进行分析，并提出相应的解决方案。

2.1断裂问题
往复式压缩机的输气流程：低压的气体从进气阀进入气缸，活塞将低压气体压缩后再经过排气阀输出，气体的压力是在活塞的不断往复运动中得到提高，因此气体的输出是周期的脉动的过程。

对于蛇形管而言，气体的轴向力是随着气体的流动而不断变化的，因此换算到冷却器芯上的径向力也是变化的。

所以在压缩机的运行过程中，蛇形管受气体力的影响是不断在振动的。

通常这类机器运行到额定排气压力后会停止运行，此时会将压缩机内所有气体进行放空，以便压缩机的下一次启动。

从整个压缩机的使用规律而言，通过蛇形管的气体压力是一个从低压到高压的周期上升过程，因此蛇形管本身的受力是一个脉动的过程，因此必然会发生振动。

当然除了气体力的影响外，冷却器还受压缩机本身机械振动的影响，当两边的振动频率一致时引起的共振会直接影响冷却器的使用寿命。

容易断裂的地方时接近排气端的弯管处。

通过对该断裂截面的宏观形貌分析发现：
1）断裂面光滑，附近没有明显的塑性变形。

2）断裂处的最大壁厚为4.3mm，最小壁厚为3.7mm
现根据压缩机的运行工况，对冷却器芯建立一个简单的力学模型这是两端简支梁的模型，按照压强均匀分布的原则，剪切应力为该模型的最大值出现在上图中的变截面处，也就是两端的双点画线处。

而排气端处是气体输出端，经过震荡后，此处的断裂概率就是此冷却器的最大的地方。

把模型和冷却器实物对比，断面的位置比较重合，因此冷却器芯的断裂原因之一就是结构设计不合理，刚性不足。

原冷却器芯在螺旋部分用一根支撑棒增加其螺旋部分的刚度。

因此螺旋部分在振动的情况下不容易破裂，而在没有支撑的位置相当于上图的虚线位置，此处的剪切应力为最大，长期运行时容易产生疲劳断裂。

加工制作过程：
从断裂处的截面来看，蛇形管在弯曲的过程中，其弯曲外半径处壁厚大大减薄，使管路本身的承压能力降低。

在交变载荷的影响下呈现疲劳断裂。

由于该管制造过程中使用的冷弯工艺，材料的塑性以及材料的致密度必须满足要求，否则成品管本身就可能出现裂纹、砂眼等缺陷。

装配工艺：
该冷却器的装配过程是：先分别焊接好冷却器芯部件和壳体部件，然后将冷却器芯装配到壳体部件内。

由于焊接件的尺寸偏差很大，当部件长度方向的两个尺寸偏差过大时，组装时就有可能使蛇形管产生装配应力，在长期运行时影响蛇形管的寿命。

2.2漏水问题
通过对该冷却器的结构和装配工艺分析，影响冷却器的漏水的主要原因是，焊接部件的尺寸不容易控制导致装配后容易在振动的作用下使密封处泄漏。

3、解决方案
综合以上，要从根本上解决以上问题，需要从冷却器结构、材质、加工和装配工艺进行优化。

3.1关于冷却器芯断裂的解决方案
结构：增加冷却器芯的刚性，将薄弱的地方进行加固处理。

如图，较原结构增加了三根支撑管和两个支撑板。

改型后的冷却器将作用于薄弱处的交变载荷通过支撑板和支撑管传给壳体，有效的改善了该处的受力的同时，也增加了螺旋部分的刚性。

变更后的结构如下图：
材料：选用退火后的精密不锈钢管，保证其冷弯时的韧性，不会出现弯曲裂纹、砂眼等缺陷。

加工制造工艺：在冷却器芯冷成型后进行定型热处理，消除冷弯应力。

装配工艺：如上图将冷却器壳体上与冷却器芯装配的配对法兰，进行配焊，可以解决在装配冷却器芯和冷却器壳体部件时可以不产生装配应力。

3.2关于冷却器漏水的解决方案
改进冷却器芯与壳体部件的密封结构，修改前和修改后的结构图
如下：
此结构上的密封主要是靠盘根和环垫进行配合密封，当在装配的过程中法兰盖和带方头的接头如果中间间隙过大，会导致装配时将装配力直接作用在蛇形管上引起装配应力。

在振动的作用下，水就会从f点泄漏。

对于修改后的结构图，将密封面修改到法兰盖内侧，加上法兰盖与壳体部件上的法兰采用配焊。

密封垫和法兰盖和方头接头可以配合的很好，在蛇形管上不会产生装配应力，密封问题也可以得到很好的控制。

4、结论
通过上述分析可见，断裂面本身存在较高的冷加工残余应力，加上在原装配的过程中容易产生不可避免的装配应力，所以会在操作条件下产生了较高的应力，在横向流诱振和纵向流诱振的综合作用下，导致冷却器薄弱点迅速开裂。

改进后的冷却器芯提高了其刚性和自身的承载能力，改善了加工工艺消除了冷弯应力，改善了装配工艺有效避免了装配应力的产生，从而延长了冷却器芯的寿命。

另外，通过改变密封面的结构和装配工艺，漏水问题可以从根本上得到解决，有效减少在运行过程中的日常维护成本。

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