不同材質(zhì)換熱管與凝汽器管板的脹接方式及比較

晁紅偉，樓 滉

(杭州汽輪輔機(jī)有限公司，浙江 杭州 310022)

0 概 述

凝汽器是發(fā)電機(jī)組中的大型換熱器設(shè)備。凝汽器管板與換熱管的連接廣泛地采用了脹接形式，脹管是此類設(shè)備制造中重要的工藝流程。為此，對凝汽器與換熱管脹接的可靠性進(jìn)行研究，是十分必要的。凝汽器換熱管的泄漏點(diǎn)，常位于換熱管與管板的連接部位，所以，換熱管與管板的脹接質(zhì)量，直接影響了凝汽器設(shè)備運(yùn)行的可靠性。解析不同材質(zhì)換熱管的脹管參數(shù)，為制訂相應(yīng)的工藝流程提供參考和依據(jù)，具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

1 不同材料換熱管與管板的組合

1.1 常見組合

通常，凝汽器將在各種水質(zhì)條件下運(yùn)行，因此，管板與換熱管的選材也是多樣的。管板與換熱管的典型搭配，有碳鋼-碳鋼、碳鋼-不銹鋼、碳鋼-鈦、銅-銅等組合。為了真實(shí)地模擬各種組合下的脹管過程，按ASME[1]中提供的計(jì)算方法，計(jì)算材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。典型的材料組合曲線，如圖1～圖4所示(縱軸為應(yīng)力MPa，橫軸為應(yīng)變)。各種組合的材料曲線， 較為直觀地反映了換熱管與管板的脹接特性，同時(shí)，還可分析出各種材料組合下脹管工藝的難易程度。

圖1 碳鋼管與碳鋼管板的脹接

圖2 不銹鋼管與碳鋼管板的脹接

圖3 銅管與碳鋼管板的脹接

圖4 鈦管與碳鋼管板的脹接

2 建立有限元計(jì)算模型

換熱器中換熱管的布管排列方式，通常有4種，分別是正三角形布管、方形布管、轉(zhuǎn)角三角型和轉(zhuǎn)角正方形的布置方式。正三角形是最為常用的布置形式，可在單位面積內(nèi)容納更多的換熱管，提供更多的換熱面積。在凝汽器設(shè)備中，換熱管的布管也采用了正三角形的布管形式。

2.1 三維有限元模型及簡化

由于正三角形的布管位置，是60°周期性對稱的，所以，只需建立30°的接頭模型即可。建立的模型，如圖5中粗線的顯示部分。計(jì)算時(shí)，管板外徑采用Krips和Podhorsky提出的等效套筒[2]方法。

為了研究各種材料組合下的脹管狀態(tài)，分別建立了有限元模型，如圖6、圖7所示。在模型中，換熱管內(nèi)徑為23 mm，換熱管外徑為25 mm，換熱管長度為121 mm，換熱管伸出管板長度為1 mm，管板厚度取40 mm，開孔直徑為25.3 mm，孔的間距為32 mm。

材料采用各向同性Von Mise硬化模型[3]，利用abaqus 6.14-5軟件進(jìn)行計(jì)算，采用C3D8R單元建立有限元模型。計(jì)算時(shí)，考慮接觸非線性及材料非線性行為[1]。

圖5 換熱管的脹接計(jì)算

圖6 有限元模型(一)

圖7 有限元模型(二)

3 計(jì)算條件

計(jì)算過程涉及接觸非線性及材料非線性，比較復(fù)雜，所加載荷經(jīng)過反復(fù)試算，才能最終確定。根據(jù)不同管材及管板是否開槽進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算分多步進(jìn)行，第一步，在管內(nèi)施加一定壓力迫使管子變形并與管板接觸，同時(shí)約束管板外端和管子另一端。第二步，放開管子上的約束，并增加管內(nèi)表面上的壓力，使得管板也發(fā)生較大變形，然后卸載管內(nèi)的表面壓力。最后，在管子的另一端增加拉力，檢測管子所能承受的拉脫力。計(jì)算時(shí)取接觸面摩擦系數(shù)為0.4[4-5]。在管板及管子的對稱面上施加的對稱約束力，以及施加在脹管位置處的壓力值，如表1所示。

表1脹接壓力

管材管板內(nèi)孔施加壓力/MPa第一步第二步碳鋼(10號)不開槽70327開槽70200不銹鋼(SA316)不開槽70170開槽70150銅管不開槽2090開槽2070鈦管不開槽170340開槽70220

4 計(jì)算結(jié)果及討論

分別對各管材組合下管孔內(nèi)開槽和不開槽時(shí)脹接后的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行了比較，應(yīng)力的分布狀態(tài)，如圖8～圖11所示。分析各圖中應(yīng)力的分布狀態(tài)可知，在開槽部位的局部殘余應(yīng)力較無槽部位的應(yīng)力高出很多。較高的殘余應(yīng)力，有利于提高脹接部位承受軸向拉力的能力，但過高的殘余應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生多種不良的后果[6-8]。計(jì)算所需的脹接壓力，是經(jīng)過反復(fù)試算后確定的。確定脹接壓力的原則， 是讓脹管接頭的承受力與管子承受的軸應(yīng)力處于相當(dāng)?shù)乃健?/p>

圖8 碳鋼管與碳鋼管板脹接后的殘余應(yīng)力(開槽與不開槽)

圖9不銹鋼管與碳鋼管板脹接后的殘余應(yīng)力(開槽與不開槽)

圖10銅管與碳鋼管板脹接后的殘余應(yīng)力(開槽與不開槽)

圖11鈦管與碳鋼管板脹接后的殘余應(yīng)力(開槽與不開槽)

管子脹接前后表現(xiàn)的各項(xiàng)參數(shù)，如表2所示。脹管是比較復(fù)雜的形變過程，無法僅用某個(gè)變量衡量脹管的連接效果，通過比較脹管率、管子減薄率、卸載后的回彈百分比等各項(xiàng)參數(shù)，綜合考慮各個(gè)方面的影響因素后，方可制訂出最佳的脹管工藝。

表2 脹接前后的各項(xiàng)參數(shù)

換熱管材質(zhì)是否開槽壓力/MPa開或不開/%位移回彈后位移內(nèi)表面外表面內(nèi)表面外表面接觸力/kN減薄率/%脹管率/%拉脫力/kNASME許用拉脫力/kN拉應(yīng)力/MPa塑性限/MPa許用應(yīng)力管子與管板屈服極限百分比/%彈性模量碳鋼(10號)不開槽327開槽20061.161.971.841.921.7842.3614.00177.0014.644.3194.20.330.30.30.2725.63.0015.0017.076.45226.419595.784.232.00E+05不銹鋼(SA316)不開槽170開槽15088.240.20.190.1960.1842.51.604.6012.965.2171.90.220.20.20.1943.331.005.0013.57.8179.0172.711574.602.00E+05銅管不開槽90開槽7077.780.170.160.160.1521.51.001.006.542.586.70.170.160.160.15161.001.005.443.7572.282.755.135.721.20E+05鈦管不開槽340開槽22064.712.762.592.72.5332.517.00255.0014.094.5186.90.360.320.320.295.563.0017.0020.846.75276.4275.898.5119.141.07E+05

4 結(jié) 語

從大量仿真計(jì)算數(shù)據(jù)中，尋求脹管形變時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)。通過各種管子與管板材料的組合試驗(yàn)，分析和比較各項(xiàng)脹管參數(shù)，力求制訂出最佳的脹管工藝。需特別指出的是，在涉及的各種材料組合中，鈦管與碳鋼管板是最難脹接的，主要是因?yàn)殁伒膹椥阅Ａ績H為碳鋼彈性模量的一半，而屈服限卻是比較接近的。因此，當(dāng)達(dá)到最大脹接位移時(shí)，鈦的回彈余地較碳鋼大，當(dāng)脹接壓力卸載后，鈦管有較大的回彈量，而碳鋼的回彈量較小，不易產(chǎn)生接觸壓力。對于鈦管-碳鋼管板組合的脹接，需要進(jìn)一步計(jì)算和研究。銅管-碳鋼管板組合的脹接是最容易的，主要是因?yàn)殂~的屈服限遠(yuǎn)低于碳鋼，易于形成接觸壓力。