熱能發(fā)生器制造材料的優(yōu)選

楊琪 楊凱 王剛 曾云 劉洪材 劉詩(shī)凡 吳春林

摘要：為確定熱能發(fā)生器的制造材料，采用實(shí)驗(yàn)和多物理場(chǎng)耦合的方法對(duì)熱能發(fā)生器4種待選制造材料進(jìn)行了綜合分析。用汽蝕實(shí)驗(yàn)測(cè)定了4種材料的汽蝕速率，預(yù)估了熱能發(fā)生器的制造成本。然后采用熱流固耦合分析的方法，研究了4種材質(zhì)的安全裕度。通過兩種方法的結(jié)合，優(yōu)選出安全、經(jīng)濟(jì)的制造材料為：0Crl3不銹鋼。

關(guān)鍵詞：熱能發(fā)生器;汽蝕實(shí)驗(yàn);熱流固耦合分析;材料優(yōu)選

中圖分類號(hào)：TK730文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-5383（2019）03-0036-06

熱能發(fā)生器是石油礦場(chǎng)油氣開采中熱回收式液氮泵車上的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能的好壞直接影響熱回收式液氮泵車的使用。汽蝕是引起熱能發(fā)生器失效的一個(gè)主要原因。汽蝕的產(chǎn)生會(huì)造成材料的脫落，脫落嚴(yán)重會(huì)使機(jī)器工作失效，縮短過流部件使用壽命，甚至引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此，為提高熱能發(fā)生器工作效能，延長(zhǎng)其使用壽命，同時(shí)節(jié)約成本，采用實(shí)驗(yàn)失重法研究4種材料的汽蝕狀況，從而選擇出一種經(jīng)濟(jì)可靠的熱能發(fā)生器制造材料。由于熱能發(fā)生器在工作過程中，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對(duì)流體進(jìn)行加熱，存在熱的交換，因此采用熱流固耦合的方法來探討各材料的安全裕度，為熱能發(fā)生器的制造和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1理論基礎(chǔ)

1.1熱能發(fā)生器失效分析

熱能發(fā)生器原型制造材料為ZGlCrl8Ni9，使用這種材料會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的失效（如圖1所示）：在進(jìn)口環(huán)形流道上出現(xiàn)槽形及大小不等的球形凹坑;葉片輪轂在反復(fù)沖擊作用下形成數(shù)目眾多的凹坑，長(zhǎng)時(shí)間作用會(huì)加深這些凹坑，最終使相鄰坑的凸邊出現(xiàn)擠壓性的斷裂，造成材料脫落，導(dǎo)致失效。這與汽蝕在理論上產(chǎn)生的形貌相似，則汽蝕是引起熱能發(fā)生器失效的一個(gè)原因。

1.3熱流固耦合理論

熱能發(fā)生器內(nèi)部水流的流動(dòng)和傳熱過程可以分解為3個(gè)物理過程：1）黏性不可壓縮流體在熱能發(fā)生器內(nèi)部的湍流流動(dòng)過程;2）黏性不可壓縮流體與熱能發(fā)生器壁面之間的對(duì)流換熱過程;3）熱能發(fā)生器固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程。這樣在熱能發(fā)生器上存在流體流動(dòng)、流體與固體之間的對(duì)流傳熱及固體內(nèi)部熱傳導(dǎo)等多物理場(chǎng)的耦合過程，可采用如下數(shù)學(xué)模型對(duì)該3個(gè)物理場(chǎng)過程進(jìn)行描述：

2實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)方法

2.1.1實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)采用高溫高壓流動(dòng)腐蝕試驗(yàn)裝置（如圖2所示）進(jìn)行，主要由電動(dòng)機(jī)、釜蓋、釜壁、釜腔、轉(zhuǎn)輪、通氣管道等組成。試件懸掛在轉(zhuǎn)輪上，上下兩個(gè)轉(zhuǎn)輪成90°交叉安裝，轉(zhuǎn)輪之間安裝一個(gè)打滿通孔的孔板，實(shí)驗(yàn)過程中，釜腔裝滿清水，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)促使試件和孔板旋轉(zhuǎn)，利用孔板在旋轉(zhuǎn)過程中造成水流的不連續(xù)性而形成空穴流場(chǎng)，能最大限度模擬熱能發(fā)生器在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受汽蝕的狀況。為加速整個(gè)汽蝕過程，同時(shí)控制有效工作壓力，實(shí)驗(yàn)過程中往清水中通人氮?dú)猓獨(dú)庠谒行纬蓺馀萆晕⒓觿×似g程度。裝置工作時(shí)，由孔板和通入的氮?dú)猱a(chǎn)生氣泡，當(dāng)氣泡在流體的高壓作用下，受壓縮而潰滅，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波打擊試件表面，同時(shí)在高溫高壓的作用下造成試件表面材料的脫落，出現(xiàn)失重。

2.1.2實(shí)驗(yàn)條件

1）在釜腔中加入清水4500mL;

2）電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為650r/rain，工作壓力控制在1Mpa，溫度控制在70℃;

3）實(shí)驗(yàn)總時(shí)間72h，每間隔24h進(jìn)行稱質(zhì)量、觀察和拍照：

4）選用鑄鐵、碳素鋼、OCrl3不銹鋼、鈦合金4種材料，這些材料為目前常用加工大型葉片材料。

2.1.3實(shí)驗(yàn)步驟

首先對(duì)各材料進(jìn)行標(biāo)號(hào)區(qū)別，實(shí)驗(yàn)中循環(huán)3次重復(fù)以下步驟：

1）酸洗清洗試件表面汽蝕產(chǎn)物，然后用石油醚、酒精進(jìn)行清洗，用吹風(fēng)機(jī)吹干后放人干燥器中烘干3h，稱質(zhì)量并記錄;

2）按照編號(hào)順序掛片;

3）放入試驗(yàn)機(jī)，設(shè)置環(huán)境條件：溫度70℃，轉(zhuǎn)速設(shè)置650r/rain，充入氮?dú)饪刂聘粌?nèi)壓力為1MPa;

4）24h后取出試件進(jìn)行稱質(zhì)量、觀察和拍照。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1表面形貌對(duì)比

為觀察汽蝕對(duì)材料表面造成的破壞情況，這里采用顯微鏡對(duì)試件表面進(jìn)行放大觀察，并與汽蝕實(shí)驗(yàn)前的表面形貌進(jìn)行對(duì)比。

由圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)后鑄鐵表面形成很多大小不等的球形凹坑，甚至凹坑與凹坑之間的材料脫落形成溝槽。這是由于在實(shí)驗(yàn)中為了清楚觀察到汽蝕產(chǎn)生的破壞情況，人為地產(chǎn)生了過多的氣泡，造成了材料的嚴(yán)重汽蝕。汽蝕起初是在金屬表面出現(xiàn)麻點(diǎn)，繼而表面呈現(xiàn)溝槽狀、蜂窩狀、魚鱗狀的裂痕。在氣泡和液滴的反復(fù)沖擊作用下形成數(shù)目眾多的球形凹坑。長(zhǎng)時(shí)間的作用會(huì)加深這些凹坑，最終使兩相鄰坑的凸邊出現(xiàn)擠壓性斷裂，有的甚至?xí)霈F(xiàn)穿孔現(xiàn)象。

碳素鋼汽蝕后的表面形貌出現(xiàn)大量球形凹坑，這些凹坑的直徑大小不等，呈蜂窩形點(diǎn)坑，這是汽蝕破壞開始出現(xiàn)的特征。

OCr13不銹鋼汽蝕后的材料表面只出現(xiàn)了少量的淺坑狀的破壞。汽蝕后的鈦合金表面與汽蝕前的表面相差不大，基本上沒有什么細(xì)小變化。

綜合以上4種材料汽蝕后的表面形貌對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鑄鐵的表面受汽蝕的破壞最嚴(yán)重，碳素鋼次之，OCrl3不銹鋼較輕，而鈦合金基本沒有變化。因?yàn)殍T鐵的硬度和韌性在4種材料中是最差的，而鈦合金的力學(xué)性能最好，這說明汽蝕破壞的嚴(yán)重程度與材料的力學(xué)性能相關(guān)，力學(xué)性能較好的材料汽蝕破壞較輕。

2.2.2汽蝕速率測(cè)定

實(shí)驗(yàn)中每間隔24h取出試件稱質(zhì)量，每個(gè)試件稱3次，去除其中相差較大的不合理的數(shù)據(jù)，再取其余數(shù)據(jù)的平均值，并計(jì)算出實(shí)驗(yàn)前后的失重量。經(jīng)過72h的汽蝕實(shí)驗(yàn)，鑄鐵最高累積失重達(dá)到194.8mg，碳素鋼最高失重達(dá)到189.3mg，這兩種材料快速失重，表明抗汽蝕性能較差。OCrl3不銹鋼最高失重13.8mg，鈦合金最高失重1.8mg，相對(duì)失重較少，具有良好的抗汽蝕性能。4種材質(zhì)的試件失重都隨時(shí)間逐漸增多，但是碳素鋼的失重在達(dá)到一定時(shí)間后有所減小：鑄鐵和碳素鋼的失重量明顯高于不銹鋼和鈦合金;72h的汽蝕結(jié)束后鑄鐵的失重量最大，碳素鋼次之，不銹鋼和鈦合金失重均很小，而鈦合金最小。

圖4為各材料失重速率與時(shí)間的關(guān)系，可以看出，4種材料的汽蝕速率均隨著時(shí)間的累積而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，只有碳素鋼汽蝕50h后，失重速率開始下降，最后鑄鐵的失重速率為2.71m/h高于碳素鋼2.63m/h，而不銹鋼和鈦合金的失重速率明顯低于鑄鐵和碳素鋼，不銹鋼最高失重速率為0.19m/h，而鈦合金的最高失重速率只有0.025m/h。

根據(jù)熱能發(fā)生器參數(shù)，通過失重法計(jì)算得到分別采用4種材料制造熱能發(fā)生器的使用壽命以及在相同的20a使用年限內(nèi)的總費(fèi)用，綜合考慮4種材料的經(jīng)濟(jì)性和抗汽蝕性能，得到熱能發(fā)生器最佳的制造材料。由于熱能發(fā)生器進(jìn)口環(huán)形流道和葉片輪轂上最容易產(chǎn)生汽蝕，而這2個(gè)部位在葉片上的厚度最薄，因此采用葉片厚度方向上的汽蝕破壞量作為熱能發(fā)生器使用壽命的計(jì)算基礎(chǔ)。通過計(jì)算得到各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表1所示。

從表2可知，雖然鈦合金的失重速度最低，但在同樣20a的使用年限內(nèi)，其費(fèi)用高于不銹鋼，且由于鈦合金力學(xué)性能很好，加工相對(duì)麻煩。不銹鋼也可以使用24a，且失重速度明顯低于鑄鐵和碳素鋼。因此，從汽蝕性能和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，選擇OCrl3不銹鋼加工制造熱能發(fā)生器相對(duì)較好。

3數(shù)值計(jì)算

3.1有限元模型

3.1.1建模及網(wǎng)格劃分

由于熱能發(fā)生器模型左右對(duì)稱，因此取模型的一半進(jìn)行分析。模型中包括流域部分和軸承外殼、定子及轉(zhuǎn)子3個(gè)主要過流部件。分別對(duì)各部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)采用適應(yīng)性較強(qiáng)的自動(dòng)劃分方法，控制全局網(wǎng)格大小，劃分結(jié)果得到流域的665559個(gè)網(wǎng)格，軸承外殼348163個(gè)網(wǎng)格，定子100860個(gè)網(wǎng)格，轉(zhuǎn)子27711個(gè)網(wǎng)格。

3.1.2載荷及邊界條件

熱能發(fā)生器內(nèi)部過流部件幾何形狀復(fù)雜，所承受的主要載荷有離心力載荷、熱載荷及水流的壓力載荷等。下面分別討論這些載荷的特點(diǎn)及應(yīng)力分析時(shí)的處理原則。

1）離心力

熱能發(fā)生器轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以分布體積力的形式作用于轉(zhuǎn)子上，計(jì)算時(shí)將以集中力的形式施加在模型各個(gè)單元的質(zhì)心上，力的方向向外。

2）熱載荷

由于熱能發(fā)生器工作時(shí)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)對(duì)水流加熱，水流的熱傳遞到過流部件上發(fā)生變形相互制約，因而產(chǎn)生熱載荷。本文采取順序耦合方法進(jìn)行熱一結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算，將計(jì)算出的溫度場(chǎng)分布作為溫度邊界條件，同時(shí)考慮實(shí)際情況及邊界條件，計(jì)算出熱應(yīng)力。

3）壓力載荷

壓力載荷是一種表面分布?jí)毫?，它作用在各個(gè)表面，但它不是均布力，它沿葉高方向或葉寬方向的分布是不均勻的。壓力場(chǎng)可通過三維流場(chǎng)計(jì)算得到。

通過上述分析，對(duì)熱能發(fā)生器過流部件強(qiáng)度的分析研究主要從離心力、熱應(yīng)力及壓力載荷考慮其承受的靜載情況。軸承外殼和定子工作時(shí)靜止，在軸孔處和螺栓孔處施加固定約束即可。轉(zhuǎn)子以額定轉(zhuǎn)速4000r/rain高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)其施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)速度，并在軸孔與軸肩相接觸的地方施加軸向約束。

3.2不同材質(zhì)安全裕度分析

上文采用實(shí)驗(yàn)的手段，模擬實(shí)際工況條件，得出了4種材料的汽蝕狀況，優(yōu)選出了最佳的材料。本節(jié)將在其基礎(chǔ)上，采用熱流固耦合的方法，對(duì)4種材質(zhì)的安全裕度進(jìn)行分析，從而對(duì)以上優(yōu)選材料的使用安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

如表3所示，不同材料下各部件上的最高溫度值不變，表明材料對(duì)部件上溫度的影響不大。熱通量大小順序?yàn)樘妓劁換235A>鑄鐵HT250>鈦合金TC4>不銹鋼0Crl3，表明不銹鋼的溫度變化最小，碳素鋼的溫度變化最大，鑄鐵次之，其次為鈦合金。因?yàn)樘妓劁摰臒釋?dǎo)率最大，傳熱效果好，因此溫度變化也越大，熱通量較大;不銹鋼的熱導(dǎo)率最小，傳熱差，因此溫度變化越小，熱通量越小。為保證熱能發(fā)生器工作的穩(wěn)定性，提高工作效率，選擇溫度變化較小的材料，因此不銹鋼0Crl3是最佳的選擇。

在額定工況下，不同材料的熱應(yīng)力值均在材料的極限強(qiáng)度以內(nèi)，表明此時(shí)各材料的強(qiáng)度均滿足要求。不同材料的熱應(yīng)力也不同，不銹鋼0Crl3>碳素鋼Q235A>鑄鐵HT250>鈦合金TC4，這與材料密度和硬度呈正比關(guān)系。即使不銹鋼的熱應(yīng)力最大，但是也在材料的極限強(qiáng)度以內(nèi)，所以4種材料均滿足要求。

根據(jù)第三強(qiáng)度理論得到熱能發(fā)生器上相當(dāng)應(yīng)力的極值點(diǎn)，進(jìn)而得到4種材質(zhì)的安全系數(shù)，取最小安全系數(shù)Smin=1.5。

由以上表3計(jì)算得到4種材質(zhì)的安全系數(shù)，與最小安全系數(shù)做對(duì)比可以看出：鑄鐵和碳素鋼的安全系數(shù)均小于最小安全系數(shù)，安全裕度達(dá)不到要求;不銹鋼和鈦合金安全系數(shù)大于最小安全系數(shù)，滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)，考慮實(shí)驗(yàn)方法得到不銹鋼0Crl3材料更經(jīng)濟(jì)可靠，因此熱能發(fā)生器制造材料選擇不銹鋼0Crl3。

4結(jié)論

1）熱能發(fā)生器現(xiàn)場(chǎng)失效情況與汽蝕在理論上產(chǎn)生的形貌相似，則汽蝕是引起熱能發(fā)生器失效的一個(gè)原因。

2）鑄鐵的表面受汽蝕的破壞最嚴(yán)重，碳素鋼次之，0Crl3不銹鋼較輕，而鈦合金基本沒有變化。從汽蝕性能和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，選擇0Crl3不銹鋼加工制造熱能發(fā)生器相對(duì)較好。

3）鑄鐵和碳素鋼的安全裕度達(dá)不到要求;不銹鋼和鈦合金滿足強(qiáng)度要求。綜合汽蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果和熱流固耦合分析結(jié)果，選擇熱能發(fā)生器制造材料為不銹鋼0Crl3。