分析多孔管子管板液壓脹接性能

引言

核電蒸汽發(fā)生器管子管板接頭普遍采用脹接和焊接結(jié)合的連接方法。管子管板的脹接，能夠消除換熱器管子和管板管孔間的初始間隙，提高管子管板接頭耐壓、耐高溫和抵御載荷波動的能力，降低應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞的風(fēng)險。液壓脹接原理

1 多孔管板脹接理論計算

1.1 計算參數(shù)

表1 計算參數(shù)選值

多孔管子管板的脹接，難以獲得準(zhǔn)確的解析解，工程應(yīng)用中采用簡化的兩端開口的套筒模型，模型中將每個換熱管簡化為內(nèi)層圓筒，管板周圍區(qū)域（至孔橋邊界或當(dāng)量套筒外徑處）簡化為外層圓筒，套筒模型見圖1。其影響參數(shù)主要包括管內(nèi)外徑、管板孔內(nèi)徑、當(dāng)量外徑、孔間隙、材料的應(yīng)變強化等，計算參數(shù)選用表1中數(shù)值。

1.2 材料性能

管子和管板均有可能會發(fā)生塑性變形，因此在有限元分析過程中采用SA508和SB163 N066 90的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線作為非線性強化數(shù)據(jù)。為了提高分析結(jié)果的精度，采用多線性強化，即采用圖2中真應(yīng)力—應(yīng)變曲線作為分析使用的強化準(zhǔn)則。

1.3 計算結(jié)果對比

周圍孔未脹接時，采用Krips，Yokell，顏惠庚及王海峰等給出的公式進行雙套筒脹接模型計算，液壓脹接壓力計算結(jié)果見表 3。

表3 脹接壓力計算對比

對脹后殘余接觸壓力采用考慮材料應(yīng)變強化后計算對比，采用王海峰的計算公式及傅智勇等給出的周圍孔脹后的當(dāng)量厚度確定方法進行計算，結(jié)果表明，在220～28 0Mpa的脹接壓力范圍內(nèi)，當(dāng)周圍孔已全部脹接時，殘余接觸壓力結(jié)果小于周圍孔未脹接的值，差值小于2%，如圖3所示。因此，對于AP1000蒸汽發(fā)生器孔數(shù)大于20000的多孔管板，脹后的殘余應(yīng)力分布均勻，則可以忽略此影響。

2 數(shù)值模擬

考慮不同的布孔方式及脹管位置，采用ANSYS建立二維管子管板模型，應(yīng)用表1中的規(guī)格參數(shù)及圖2的材料性能參數(shù)。管孔和脹管位置采用圖4所示的兩種方式。

2.1 有限元分析模型

在進行脹接分析時，接頭結(jié)構(gòu)選擇產(chǎn)品的布孔方式，考慮計算效率，對分析模型進行簡化，包括套筒模型和中心軸對稱3 0°角度模型，截面如圖5所示。

因為AP1000蒸汽發(fā)生器布孔為正三角形，兩種模型均可作為分析模型，在進行全長度脹接分析時，本課題因為管板厚度較厚，同時正三角布孔方式中心對稱，因此為了節(jié)省計算資源，1/12的30°模型。采用Inventor進行繪制，導(dǎo)入至ANSYS軟件進行網(wǎng)格劃分。30°模型見圖6。

對30°范圍的對稱性幾何結(jié)構(gòu)建立有限元模型，管子管板接頭的脹接及拉脫過程的計算模擬包含了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性，屬于高度非線性問題，所以選用8節(jié)點非協(xié)調(diào)單元C3D81，網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格。由于脹接后，在近管板近表面的接觸面上將出現(xiàn)兩個高應(yīng)力環(huán)帶，所以該區(qū)域網(wǎng)格劃分較密。有限元網(wǎng)格如圖7所示。

2.2 載荷和邊界條件

2.2.1 載荷

脹接壓力加載將根據(jù)產(chǎn)品實際脹接過程，在管板一次側(cè)起始端至二次側(cè)全程加壓。實際產(chǎn)品脹接時，需要嚴格控制壓力升壓、保壓和降壓過程，因此設(shè)定了升壓速度 、保壓時間和降壓速度。分析加載如圖8所示。

2.2.2 邊界條件

邊界條件如圖9所示，定義如下：

(1)對稱邊界條件：面1，3，5為管板0°和30°截面，面6，7為換熱管0°和30°截面；

(2)自由邊界：面2為管板相鄰孔表面，面12為換熱管二次側(cè)開口端面；

(3)軸向約束邊界：面10為換熱管一次側(cè)端面，面9和面11為管板一、二次側(cè)端面；

(4)徑向約束邊界：面4；

(5)壓力戴荷：面8為換熱管內(nèi)表面。

拉脫模擬過程中對面12施加位移載荷。

3 結(jié)語

為了準(zhǔn)確評價脹接性能，在進行脹接試驗或評定時，應(yīng)根據(jù)孔橋及孔中心距的尺寸，確定合適的需要脹接的管間距，一般以間隔1層（1周）孔為宜。

對于多孔管板，不同位置管子管板脹接性能會分布不均，可以通過對不同位置、采用不同的脹接壓力的方式來抵消脹接順序和孔位置的影響，這還需要進行更為深入地研究。

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