朱智，張立文，顧森東

(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連，116023)

Hastelloy C-276合金是一種鎳基高溫合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和高溫力學(xué)性能，因此，Hastelloy C-276合金在化工、航空和核電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。目前，國(guó)家正積極引進(jìn)第3代AP1000核電技術(shù)。轉(zhuǎn)子屏蔽套是AP1000核主泵中的關(guān)鍵部件，它是Hastelloy C-276合金板材經(jīng)剪切、滾彎、焊接、脹形和矯形工序制造而成，再通過(guò)熱套裝工藝裝配到轉(zhuǎn)子上，可以有效防止轉(zhuǎn)子部件與泵內(nèi)的冷卻劑接觸，避免其受到冷卻劑侵蝕[3]。在熱套裝過(guò)程中，轉(zhuǎn)子屏蔽套與轉(zhuǎn)子硅鋼片間的接觸換熱將直接影響其內(nèi)部的溫度場(chǎng)，進(jìn)而影響其內(nèi)部的應(yīng)力－應(yīng)變場(chǎng)，并最終影響轉(zhuǎn)子屏蔽套的裝配質(zhì)量、使用性能和壽命，接觸換熱系數(shù)也是影響轉(zhuǎn)子屏蔽套熱套裝過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的重要參數(shù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用穩(wěn)態(tài)法對(duì)不同材料間的接觸換熱進(jìn)行了研究，獲得了一些有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4-9]。然而，實(shí)際熱套裝過(guò)程中，轉(zhuǎn)子屏蔽套與轉(zhuǎn)子硅鋼片間的接觸換熱屬于瞬態(tài)接觸，其物理機(jī)制與穩(wěn)態(tài)接觸換熱有很大區(qū)別，因而，不能采用穩(wěn)態(tài)法對(duì)其進(jìn)行研究。現(xiàn)有研究對(duì)瞬態(tài)接觸換熱過(guò)程的研究甚少，Beck等[10]分析了瞬態(tài)接觸過(guò)程，給出了界面平均溫度的解析表達(dá)式，并采用非穩(wěn)定表面元(USE)法求解線(xiàn)性瞬態(tài)接觸換熱問(wèn)題。Fieberg等[11]利用紅外測(cè)溫儀對(duì)不同溫度的鋁合金和鋼接觸后的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)求解瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程得到瞬態(tài)接觸換熱系數(shù)。邢磊等[12-13]利用自制的瞬態(tài)接觸換熱系數(shù)測(cè)量裝置研究了TP2銅與3Cr2W8V模具鋼、7050變形鋁合金和5CrMnMo模具鋼的瞬態(tài)接觸換熱行為。目前為止，Hastelloy C-276合金與硅鋼間的瞬態(tài)接觸換熱方面的研究還未有報(bào)道。本文作者利用自制的瞬態(tài)接觸換熱系數(shù)測(cè)量裝置[12]對(duì)Hastelloy C-276合金與硅鋼間的瞬態(tài)接觸換熱行為進(jìn)行研究，以便為核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝及其數(shù)值模擬研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

圖1所示為瞬態(tài)接觸換熱系數(shù)測(cè)量裝置原理。實(shí)驗(yàn)裝置主要由加熱系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、加載裝置和溫度采集系統(tǒng)4部分組成。加熱系統(tǒng)的最高加熱溫度可以達(dá)到1 000 ℃，加載裝置最高載荷可以達(dá)到30 MPa。帶自動(dòng)增益的高速A/D轉(zhuǎn)換卡通過(guò)16通道的前端放大板將測(cè)溫?zé)犭娕嫉碾妷盒盘?hào)輸入采集軟件，實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

實(shí)驗(yàn)前，將Hastelloy C-276合金和硅鋼加工成直徑20 mm、長(zhǎng)度50 mm的圓柱試樣，并在試樣的側(cè)面沿軸線(xiàn)方向打3個(gè)直徑為1 mm、深度10 mm的熱電偶插孔，3個(gè)孔距離待接觸面分別為1，6和11 mm，作為近表面測(cè)溫點(diǎn)、校核測(cè)溫點(diǎn)和內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)。然后用400號(hào)砂紙將試樣的待接觸面打磨平整。實(shí)驗(yàn)采用的熱電偶為經(jīng)校準(zhǔn)的鎳鉻-鎳硅裸端式熱電偶，直徑為1 mm，響應(yīng)時(shí)間為0.01 s。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣外側(cè)纏繞絕熱石棉布，盡量減少其與空氣的對(duì)流換熱和輻射換熱。將高溫試樣與低溫試樣分別置于加熱爐內(nèi)，各自升至一定溫度并保溫一段時(shí)間，使試樣初始溫度分布均勻。然后，利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使兩試樣快速接觸，預(yù)先設(shè)定的載荷由加載裝置施加到接觸面上。與此同時(shí)，溫度采集系統(tǒng)通過(guò)測(cè)溫?zé)犭娕?、前端放大板和A/D轉(zhuǎn)換卡對(duì)試樣內(nèi)部各測(cè)溫點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與顯示。

考慮到試樣外測(cè)的絕熱效果，近似認(rèn)為熱量沿試樣軸線(xiàn)方向傳遞。根據(jù) Beck提出的非線(xiàn)性估算方法[14-16]，建立1維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的反傳熱模型，并編制Fortran隱式差分計(jì)算程序，利用θ11、θ13、θ與θ23這4組溫度數(shù)據(jù)推算兩試樣接觸面溫度θH和θL及界面熱流密度。這2試樣在某一時(shí)刻τ的接觸換熱系數(shù)可由式(1)計(jì)算得到：

其中：hc(τ)為τ時(shí)刻的瞬態(tài)接觸換熱系數(shù)(kW/m2·℃)；q(τ)為τ時(shí)刻的界面平均熱流密度(kW/m2)；Δθ(τ)為τ時(shí)刻的界面溫差(℃)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用上述實(shí)驗(yàn)方法對(duì)Hastelloy C-276合金與硅鋼試樣間的接觸換熱進(jìn)行測(cè)試。由于在熱套裝過(guò)程中，轉(zhuǎn)子屏蔽套需加熱到高溫，而轉(zhuǎn)子硅鋼片保持在室溫，所以，實(shí)驗(yàn)中，Hastelloy C-276合金為高溫試樣，硅鋼為低溫試樣。

2.1 瞬態(tài)溫度場(chǎng)

根據(jù)傳熱學(xué)理論，這2個(gè)不同初始溫度的試樣接觸后，界面處將發(fā)生劇烈的熱量交換，試樣內(nèi)部溫度場(chǎng)將重新分布。圖2為Hastelloy C-276合金與硅鋼接觸后試樣內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化情況。圖 2中：θ11和 θ13分別表示高溫試樣內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)和近表面測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度；θ21和θ23分別表示低溫試樣內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)和近表面測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度；θH和θL分別表示高溫試樣與低溫試樣的接觸表面溫度的計(jì)算值；Δθ表示試樣間的接觸界面溫差。從圖中可以看出，接觸發(fā)生后，界面處溫度變化劇烈，短時(shí)間內(nèi)升溫降溫幅度達(dá)到了100～200 ℃，在10 s時(shí)，試樣間的接觸界面溫差為68℃；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫試樣的溫度進(jìn)一步降低，低溫試樣的溫度進(jìn)一步升高，界面溫差逐漸減小，在60 s時(shí)，界面溫差為30 ℃；在100 s時(shí)，界面溫差為22 ℃，并且逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 Hastelloy C-276合金與硅鋼接觸后試樣內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation of inner temperature with time for Hastelloy C-276 and silicon steel

圖3 所示為校核測(cè)溫點(diǎn)溫度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較。圖中，θ12和θ22分別表示高溫試樣與低溫試樣的校核測(cè)溫點(diǎn)的溫度，其中，實(shí)線(xiàn)代表校核測(cè)溫點(diǎn)溫度的實(shí)測(cè)值，虛線(xiàn)代表計(jì)算值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不論是Hastelloy C-276合金試樣還是硅鋼試樣，校核測(cè)溫點(diǎn)處的實(shí)測(cè)溫度與計(jì)算溫度都能夠吻合的很好，驗(yàn)證了測(cè)量裝置和方法的可靠性。

圖3 校核測(cè)溫點(diǎn)溫度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較Fig.3 Comparison of measured and calculated temperature at verification position

考慮到界面溫差隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，而不斷減小的界面溫差將使后續(xù)計(jì)算產(chǎn)生較大偏差，因此，本文僅考慮試樣接觸后60 s內(nèi)的接觸換熱。

2.2 瞬態(tài)接觸換熱系數(shù)

由式(1)可知，界面熱流密度與界面溫差決定了接觸換熱系數(shù)的大小。圖4所示為Hastelloy C-276合金與硅鋼接觸后熱流密度和接觸換熱系數(shù)隨時(shí)間的變化情況。從圖 4(a)可見(jiàn)：試樣接觸后，界面熱流密度在1.5 s便達(dá)到了峰值(648.69 kW/m2)，然后迅速下降。5 s后，熱流密度的下降開(kāi)始變得緩慢，接觸換熱系數(shù)在這段時(shí)間內(nèi)快速增大，達(dá)到峰值(4.50 kW/(m2·℃))，如圖4(b)所示。這是由于在接觸載荷的作用下，接觸界面上的微小接觸體將發(fā)生彈性或塑性變形，使實(shí)際接觸面積增大，界面換熱能力提高。

此外，從圖4(b)也可以看出：曲線(xiàn)存在一定程度的波動(dòng)，且隨著時(shí)間的增加，波動(dòng)幅度有增大的趨勢(shì)，原因主要有2個(gè)方面：第一，溫度信號(hào)采集速度較快，相鄰時(shí)刻的溫度測(cè)量值會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，外界干擾對(duì)溫度數(shù)據(jù)也會(huì)產(chǎn)生一定影響；第二，隨著時(shí)間增加，界面溫差及熱流密度逐漸減小，計(jì)算誤差增大。經(jīng)平滑濾波后發(fā)現(xiàn)，接觸換熱系數(shù)在達(dá)到峰值后，隨著時(shí)間得延長(zhǎng)，略有下降，并逐漸趨于穩(wěn)定，多組測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了這一變化規(guī)律。

圖4 熱流密度和接觸換熱系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of heat flux and thermal contact conductance with time

2.3 試樣初始溫度對(duì)接觸換熱系數(shù)的影響

在瞬態(tài)接觸換熱過(guò)程中，試樣的初始溫度是影響接觸換熱系數(shù)的關(guān)鍵因素之一。考慮到在核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱套裝過(guò)程中，轉(zhuǎn)子的初始溫度為室溫，而轉(zhuǎn)子屏蔽套的初始溫度是可以變化的，Hastelloy C-276合金試樣初始溫度對(duì)Hastelloy C-276合金與硅鋼間接觸換熱的影響如圖5所示。具體的實(shí)驗(yàn)條件是：Hastelloy C-276合金試樣的初始溫度分別為400，600和800 ℃，硅鋼試樣的初始溫度為30 ℃，接觸載荷為7.8 MPa。

從圖5可以看出：對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)得到的接觸換熱系數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律基本一致。此外，接觸換熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大，且高溫時(shí)，接觸換熱系數(shù)隨溫度增大的趨勢(shì)更大。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度和彈性模量降低，導(dǎo)致在加載時(shí)，試樣接觸表面上的微小接觸體將發(fā)生更大的變形，使實(shí)際接觸面積增大，界面換熱能力提高。

圖5 Hastelloy C-276合金試樣的初始溫度對(duì)接觸換熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of initial temperature of Hastelloy C-276 specimen on thermal contact conductance

2.4 接觸載荷對(duì)接觸換熱系數(shù)的影響

接觸載荷是影響界面間瞬態(tài)接觸換熱的另一重要因素。接觸載荷對(duì)Hastelloy C-276合金與硅鋼間接觸換熱的影響如圖6所示。具體的實(shí)驗(yàn)條件是：Hastelloy C-276合金試樣的初始溫度為400 ℃，硅鋼試樣的初始溫度為30 ℃，接觸載荷分別為3.12，5.46，7.8和9.36 MPa。

圖6(a)所示為不同接觸載荷條件下接觸換熱系數(shù)隨時(shí)間的變化。從圖 6(a)可以看出：接觸換熱系數(shù)隨接觸載荷的增大而增大。這是由于當(dāng)接觸載荷增大時(shí)，試樣表面微小接觸體的變形程度增大，實(shí)際接觸面積增加，換熱能力增強(qiáng)，熱流密度增大。

圖6(b)為接觸換熱穩(wěn)定時(shí)(20 s)，接觸換熱系數(shù)與接觸載荷之間的關(guān)系。對(duì)實(shí)驗(yàn)值擬合后發(fā)現(xiàn)，接觸換熱系數(shù)與接觸載荷近似呈e指數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為：

圖6 接觸載荷對(duì)接觸換熱系數(shù)的影響Fig.6 Effect of contact pressure on thermal contact conductance

其中：hc為接觸換熱系數(shù)(kW/(m2·℃))；p為接觸載荷(MPa)；A 和B為常數(shù)，A為 0.418 kW/(m2·℃)，B 為0.291 MPa-1。

3 結(jié)論

(1) 試樣校核測(cè)溫點(diǎn)溫度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本吻合，表明測(cè)量裝置和方法可靠。

(2) 接觸發(fā)生后，接觸換熱系數(shù)在很短的時(shí)間內(nèi)快速增大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸趨于穩(wěn)定。

(3) 保持接觸載荷不變，接觸換熱系數(shù)隨著Hastelloy C-276合金試樣初始溫度的升高而增大；保持Hastelloy C-276合金試樣的初始溫度不變，接觸換熱系數(shù)隨接觸載荷的增大而增大，且當(dāng)接觸換熱達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，接觸換熱系數(shù)與接觸載荷近似呈指數(shù)關(guān)系。

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