可拆卸板式热交换器橡胶密封垫设计
李效波1 王彦龙1 朱海舟1
（1.兰州兰石换热设备有限责任公司 甘肃 兰州 730314）
Rubber gasket design for plate-and-frame plate heat exchanger
Li Xiaobo1 Wang Yanlong1 Zhu Haizhou1
（1.Lanzhou LS Heat Exchange Equipment CO., LTD. Gansu Lanzhou 730314）
摘要：本文主要介绍可拆卸板式热交换器橡胶密封垫片的设计过程。密封截面设计主要在于选择合理的截面形式、科学计算密封垫厚度压缩比；挂扣的各种形式以及不同挂扣的使用场景；以及拉筋和泄漏信号槽的设计方法及注意事项。并介绍使用非线性有限元分析软件进行数值模拟分析，通过橡胶垫片的Mises等效应力和接触应力的大小及分布情况，综合评价不同截面设计的优劣，从而优化橡胶密封垫片设计。
关键词：可拆卸板式热交换器、橡胶密封垫片、截面形式、挂扣、非线性有限元分析；
Abstract: This article focuses on the design process of rubber gaskets for plate-and-frame heat exchangers. The sealing section design mainly consists in selecting a reasonable cross-sectional form and scientifically calculating the thickness compression ratio of the sealing gasket; Various forms of hookers and different use scenarios of hookers; As well as the design method and precautions of tension ribs and leakage signal slots. The nonlinear finite element analysis software was used for numerical simulation analysis, and the Mises equivalent stress and contact stress of rubber gaskets were used to comprehensively evaluate the merits of different section designs, so as to optimize the rubber sealing gaskets design.
Keywords:Plate-and-frame heat exchanger、Rubber gasket、Cross-sectional form、Hook buckle、Nonlinear finite element analysis
1引言
作为一种高效节能的热交换设备，可拆卸板式热交换器被广泛应用于各种热交换领域，是间壁式换热器。可拆卸板式热交换器主要由换热板片、橡胶密封垫片和框架等组成。橡胶密封垫片是可拆卸板式热交换器的关键部件，同时也是整台设备中最易损坏的零部件。橡胶密封垫片截面与换热板片密封沟槽截面相匹配以实现密封效果[1]。橡胶密封垫片结构设计合理性能够避免密封系统发生泄漏，减小停机维修的次数和延长橡胶垫片使用寿命[2]。本文结合笔者橡胶密封垫片设计经验，归纳总结可拆卸板式热交换器的橡胶密封垫片设计要点。
2橡胶密封垫片介绍
橡胶密封垫片是可拆卸板式热交换器的重要组成部分，主要使用的材质有三元乙丙橡胶、丁腈橡胶和氟橡胶。橡胶密封垫片是高温硫化制造而成，具有高弹性。按照橡胶密封垫片和换热板片的结合形式，可分为粘接式和镶嵌式两类。其典型结构如图1所示：
1：一道密封， 2：二道密封，3：拉筋，4：泄漏信号槽，5：挂扣
图1 典型橡胶密封垫片
3橡胶密封垫片设计
橡胶密封垫结构设计的优劣，直接关系到可拆卸板式热交换器的承压性能、检修周期和使用寿命。设计时需要着重考虑橡胶密封垫片和换热板片密封沟槽的匹配性、使用时的密封稳定性以及制造时的良品率。
3.1 密封截面设计
换热板片和橡胶密封垫片共同决定可拆卸板式热交换器的承压能力，而换热板片的刚性远大于橡胶密封垫片，因此橡胶密封垫的主密封截面设计，直接决定了可拆卸板式热交换器的承压能力。橡胶密封垫片截面设计，需选择合理的橡胶密封垫厚度压缩比和面积压缩比。橡胶密封垫片的厚度压缩比偏小，容易密封失效；反之偏大，容易使垫片压裂，或垫片使用寿命减小。橡胶密封垫片的面积压缩比，是指橡胶密封垫片截面面积和换热板片密封沟槽截面面积的匹配性。过小的面积压缩比，存在橡胶密封垫片和换热板片密封沟槽定位不稳或密封接触面宽度不够容易密封失效的问题；反之过大的面积压缩比，容易在产品组装过程产生波浪，或使换热板片密封沟槽塌边变形影响产品使用寿命。橡胶密封垫片厚度压缩比和面积压缩比计算方式如下：
高度压缩比= ×100%
面积压缩比= ×100%
橡胶密封垫厚度压缩比建议在20%~30%之间，面积压缩比在5%~10%之间，具体来说与橡胶密封垫片的截面形式和换热板片的密封沟槽形式有关。图1中双点划线所示为二道密封区域，在换热板片中二道密封所在为板片刚性最薄弱区域，因此在密封垫片设计时一般会将一道截面和二道截面分开设计，二道截面的厚度压缩比和面积压缩比略大于一道截面。
图2 常见的橡胶密封垫片截面形式
常见的橡胶密封垫片截面形式如图2所示，在国内外的板换厂家都有用到，各有优缺点。笔者认为，截面形式设计主要取决于橡胶密封垫片与换热板片密封沟槽的匹配性。当换热板片的密封沟槽位于板片波纹最低面如图3中a所示时，建议选择图2中的a、b或c截面；当换热板片的密封沟槽位于板片波纹中面如图3中b所示时，建议选择图2中的d、e或f截面。
（a） （b）
图3 换热板片密封沟槽形式
以图2中的a截面为例，橡胶密封垫片截面和换热板片密封沟槽尺寸如图4所示，一般地A≤a，B≤b，H1≤h，β的取值与A/B有关，可大于α，也可小于α。一般R＞r，取值1~2mm，其他未注尖角一般取圆角0.5mm，便于模具加工和橡胶密封垫片制造。
图4 板片密封槽和密封垫尺寸
3.2挂扣设计
粘接式橡胶密封垫片和换热板片装配时使用胶粘固定在密封沟槽内，无挂扣。镶嵌式橡胶密封垫片需要设计挂扣，扣的数量多少以能将橡胶密封垫片固定在换热板片上不滑脱为宜，间隔均匀美观，常见的挂扣形式如图5所示。
图5中a和b形式的挂扣，换热板片周边不需要冲孔，在设计时需确定换热板片成型后的长宽，使扣的内侧刚好扣在板片的边缘为宜，一般扣的长度比换热板片边缘约大1mm即可。挂扣设计太短会拉扯橡胶密封垫片不能很好的覆在换热板片的密封沟槽内，太长则起不到固定作用。如果换热板片和橡胶密封垫片是同步设计开发，软板和硬板成型后的宽度差异较大，扣的长度设计时需要对换热板片长宽有一个合理的预估。可以借鉴以往相近大小换热板片的收料情况或者使用CAE软件计算换热板片的收料情况，为橡胶密封垫片扣的长度设计提供依据。
图5中c和d形式的挂扣，换热板片周边需要冲孔，在设计时扣的宽窄与换热板片的冲孔大小要合理匹配，一般扣的宽度比冲孔尺寸大0.5mm即可。扣设计过宽造成装配困难，过窄则卡不紧。换热板片的冲裁毛刺、冲孔精度和橡胶密封垫片扣的制造精度等都会影响装配过程，需合理安排孔和扣的尺寸公差。
图5中a和b形式的挂扣，s取值最小3mm，便于模具加工溢胶槽。c和d形式的挂扣，模具需要增加镶块，生产时不易脱模，近年来一些主机厂家创新出其他结构形式的镶嵌扣，便于制造。
（a） （b）
（c） （d）
图5 橡胶密封垫片挂扣形式
3.3拉筋设计
拉筋可辅助实现橡胶密封垫片与板片密封沟槽的定位，同时可增强橡胶密封垫片的强度，在垫片制造时便于从模具型腔脱模，提高良品率。拉筋设计时需注意拉筋形状与板片波纹沟槽相匹配，不能存在干涉现象影响橡胶密封垫片服帖的装配在换热板片上。
3.4泄漏信号槽设计
泄漏信号槽布置在橡胶密封垫片的防护区，主要作用是引导泄漏介质优先排向设备外部，避免发生内漏。一般在图1中橡胶密封垫片的两端设置最少4处。需要注意是，泄漏信号槽的尺寸设计，以产品在工作状态橡胶压缩变形后，泄漏信号槽不被堵塞为宜。
4橡胶密封垫片优化设计
传统的橡胶密封垫片设计依赖技术人员的经验和开发后压力试验验证，开发难度大，试错成本高。随着计算机模拟分析精度的提高和有限元技术的发展，通过数值模拟研究橡胶垫片的基本结构特征对其密封性能的影响，为橡胶垫片的设计优化提供了新的方案。通过非线性仿真软件分析橡胶密封垫片，可评估橡胶密封垫片在压缩前、装配压缩后、载荷条件下的应力应变状态结果和对板片的接触应力结果[3]。
在橡胶小变形时,可认为它的应力与应变呈线性关系, 用常规的弹性分析来计算相应的应力,能获得较好的吻合。在橡胶大变形时，橡胶材料按照超弹性非线性材料能获得较好的吻合。对于橡胶垫片压缩类问题可采用ANSYS软件中的Mooney-Rivlin模型来模拟分析能得到相对准确的分析结果[4]。
4.1橡胶密封垫片的材料特性
橡胶材料具有很大的弹性变形能力, 有以下特性：材料非线性；几何非线性；体积不可压缩，泊松比一般取0.5左右。另外，橡胶密封垫片在压缩过程中与换热板片的密封沟槽的接触状态是在不断变化，从而表面接触应力和内部应力也是不断变化的，因此接触状态非线性[5]。如果分析过程橡胶材料采用丁腈橡胶,可以取橡胶硬度73，C1=1.87，C2=0.47，密度1.2g/cm3，泊松比μ=0.499。
4.2橡胶密封垫片模型简化
用非线性有限元分析软件对橡胶密封垫片结构特征建模分析。橡胶垫片结构特征的分析采用二维平面结构。定义上下换热板片密封沟槽为刚体，固定下板片槽，橡胶密封垫片装入下换热板片密封沟槽并和下换热板片密封沟槽边线接触，运动过程为上换热板片密封沟槽向下移动与橡胶垫片顶端发生接触，橡胶垫片开始发生压缩变形；上板片槽继续向下移动至橡胶垫片工作的压缩率时的位移量，即为橡胶垫片压缩后状态，如图6所示。
橡胶密封垫片结构特征侧面部分在工作中承受液体或气体介质的压力，压力不高于橡胶垫片设计压力时能起到有效密封，因此模拟分析对橡胶垫片结构侧面与液体或气体介质接触的边线施加液压力载荷。
图6 二维平面模型
4.3橡胶密封垫片分析网格划分
网格划分时为提高计算精度及并保证计算可收敛，橡胶密封垫片网格使用低阶网格，网格尺寸按照0.2mm控制，换热板片网格使用高阶网格，网格尺寸按照0.4mm控制，进行网格划分。如图7所示为传热板片主换热区流道模型局部网格示意图。
图7 传热板片主换热区流道模型局部网格示意图
4.4橡胶密封垫片分析材质及分析边界条件
采用Mooney-Rivlin模型，橡胶密封垫片与上换热板片密封沟槽和下换热板片密封沟槽接触采用线-线接触，设置橡胶密封垫片接触壁为接触线，换热板片接触壁为目标线，设置接触摩擦系数为0.6。接触算法采用增强的拉格朗日算法，法向刚度系数设置为2，法向刚度更新为每个子步。设置下换热板片密封沟槽位置为固定约束，设置上换热板片密封沟槽位置边线为-Y向位移，设置初始子步为10,并设置最大子步100，最小子步5。其中对带压力载荷条件分析时，要进行施加内部介质工作压力作用，如图8中c所示。
（a） （b）
（c）
图8 边界设置，（a）接触设置，（b）边界条件，（c）介质工作压力
4.5橡胶密封垫片分析结果评价
通过数值模拟，可以获得橡胶密封垫片接触应力和Mises应力的数值大小和应力分布状态，以及主密封面的有效接触宽度。橡胶密封垫片的密封性能主要取决于橡胶垫片因压缩而产生的瞬时密封接触应力，根据橡胶密封垫片的密封原理，密封面上的最大接触应力必须大于热交换器工作状态介质的压力。橡胶密封垫片与上换热板片密封沟槽接触的主密封面上大于密封介质压力的单元节点数量越多，宽度越大，密封效果越好。
Mises应力值反应了橡胶密封垫片材料内部的等效应力分布，通过分析等效应力值的变化，可以进一步评价垫片材料的疲劳破坏等问题。一般Mises应力值越大的位置密封垫片越容易发生断裂破坏；同时Mises应力值越大，会加速密封垫片出现应力松弛等情况，从而增大泄漏风险。
因此，通过不断迭代优化橡胶密封垫片截面设计，在提高接触应力满足设计工况要求的前提下，尽可能降低Mises等效应力，可以有效延长橡胶密封垫片使用寿命。
5总结
橡胶密封垫片的设计合理性，关乎可拆卸板式热交换器的工作压力，运行稳定性和使用寿命。橡胶密封垫片设计，主要是主密封截面的设计，包括截面形式、厚度及其他尺寸的选择。挂扣、拉筋的设计，主要是要与换热板片相匹配，不能存在干涉现象，使密封垫片服帖的固定在换热板片的密封沟槽内。通过数值模拟研究，分析橡胶密封垫片的接触应力、Mises等效应力和有效接触宽度等，还可对设计的橡胶密封垫片进行进一步的优化设计。
参考文献:
【1】宋兆煌，周文学，党战伟. 用于板式换热器的橡胶密封垫片【J】. 石油化工设备,2003, (3)：43-44.
【2】朱海舟.板式换热器传热板片的波纹结构设计分析【J】. 机械研究与应用,2014,(3):130-132.
【3】王彦龙.板式热交换器橡胶垫片非线性接触密封性能有限元分析【J】. 机械研究与应用,2019,32(05):42-46.
【4】郝鹏飞. 密封垫结构和材质对板式换热器密封性能影响的仿真分析【D】. 长春工业大学,2022.
【5】徐同江. 基于ANSYS的O形密封圈的有限元分析[D].山东大学,2012.
第一作者简介：李效波（1987.06.22－），性别：男，籍贯：甘肃省庆阳市人，职称：中级工程师，学历：本科，研究方向：板式热交换器板片与胶垫设计及优化。
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