换热管工作状态下动应力测试

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）通过密封头的最大引线数。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，最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，其最大动应力只有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