劉佳

摘 要：由于中間熱交換器尺寸大，且工作溫度高等特點(diǎn)，將導(dǎo)致其內(nèi)部換熱管上下端溫差大，因此換熱管的熱應(yīng)力是換熱管應(yīng)力的主要組成。在中間熱交換器中換熱管的熱補(bǔ)償方式非常重要，該文針對(duì)不同換熱管熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算和分析，得到不同的熱補(bǔ)償方式對(duì)換熱管應(yīng)力的影響趨勢(shì)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)換熱管應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)，為后續(xù)開展的管接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與中間熱交換器管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的匹配提供輸入。

關(guān)鍵詞：中間熱交換器 換熱管 熱補(bǔ)償 熱應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TL425 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（b）-0053-02

快堆中一回路液態(tài)鈉流入中間熱交換器的殼程，由于管束對(duì)一回路鈉流動(dòng)的阻力作用，殼程液態(tài)鈉存在不均勻流量分布，影響到各層換熱管表面不同溫度變化，從而導(dǎo)致每層換熱管在軸向存在不同的熱膨脹。各層管束受到管板的約束后，有的表現(xiàn)為軸向拉力，有的表現(xiàn)為軸向推力，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱管和管板連接接頭的損壞或者換熱管自身的破裂。大型中間熱交換器管束數(shù)量和布管層數(shù)也大大增加，由此管束之間熱膨脹差導(dǎo)致過高應(yīng)力將更為典型，因此示范快堆中間熱交換器管束合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1 中間熱交換器及管束結(jié)構(gòu)

由方案設(shè)計(jì)可知，對(duì)于中間熱交換器換熱管采用空間螺旋彎管，同時(shí)采用外浮動(dòng)管板式用以補(bǔ)償殼體和管束之間的熱應(yīng)力膨脹差。每一層、每一根管束軸向彎曲弧度相同，彎曲段以環(huán)排方式進(jìn)行管束的安裝、彎曲方式與該層布管圓周重合，所有層管束平面展平結(jié)構(gòu)尺寸相同。

2 中間熱交換器管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

某中間熱交換器空間螺旋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括換熱管規(guī)格、換熱管軸向總長(zhǎng)、彎曲段展平高度、彎曲段與直管段夾角、彎曲半徑、正反螺旋段直管段長(zhǎng)度等。

根據(jù)目前已知中間熱交換器管束設(shè)計(jì)方案中彎管段長(zhǎng)度及其占各自管束軸向總長(zhǎng)度的比例，中間熱交換器總體設(shè)計(jì)階段固定管束彎管段展平后與直管管的夾角為25°，彎管段總長(zhǎng)考慮標(biāo)準(zhǔn)中的最大無支承跨距取值。

按標(biāo)準(zhǔn)的推薦，對(duì)于外徑為16 mm的最大無支承跨距為1 300 mm。按此原則，對(duì)中間熱交換器彎管總長(zhǎng)設(shè)計(jì)了3種設(shè)計(jì)方案以作為后續(xù)應(yīng)力分析評(píng)定的對(duì)象，各方案及其對(duì)應(yīng)的支承布置方案如圖1所示，L5+L6分別為1 000 mm、1 300 m及1 500 mm。

示范快堆中間熱交換器管束支承方案如圖1所示。整個(gè)換熱管為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，L1=L1、L2=L3=L4=L7=L8=L9、L5=L6。直管段的支承結(jié)構(gòu)由環(huán)板、波紋鋼帶和拉桿3個(gè)部分組成。環(huán)板為具有一定厚度和寬度的圓環(huán)，波紋鋼帶為梯形結(jié)構(gòu)的鋼帶構(gòu)成，換熱管被夾持在環(huán)板與波紋鋼帶之間形成對(duì)換熱管的約束和支承。對(duì)于相鄰的兩層管束，環(huán)板與內(nèi)層的波紋鋼帶在整個(gè)圓周方向上取若干處點(diǎn)焊連接用于約束波紋鋼帶，與外層管束直接非固定接觸僅限制徑向位移。拉桿是與換熱管規(guī)格相同的實(shí)心鋼棒，彎曲方式與換熱管相同，拉桿與波紋鋼帶焊接連接用以固定波紋鋼帶，最終實(shí)現(xiàn)拉桿-波紋鋼帶-環(huán)板的固定。

3 中間熱交換器管束結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

3.1 材料性能

示范快堆中間熱交換器管束材料為奧氏體不銹鋼，其性能參數(shù)主要有彈性模量，熱膨脹系數(shù)以及抗拉強(qiáng)度等，可以通過ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅲ卷查到。

3.2 載荷工況

示范快堆中間熱交換器管束承受的載荷工況主要有6種類型。參照核電站設(shè)計(jì)分析經(jīng)驗(yàn)，工況（6）全場(chǎng)斷電，事故余熱排出系統(tǒng)投入工況最為惡劣。取此為換熱管應(yīng)力計(jì)算的基準(zhǔn)工況。

3.3 基本假定

（1）由于換熱管束與殼體之間的平均溫度溫差，以及由于平均溫度的徑向溫度梯度的作用，使得最外層的換熱管處于最大負(fù)荷的作用之下。因此，中間熱交換器管束應(yīng)力評(píng)定以最外層管束為計(jì)算對(duì)象。（2）對(duì)于示范快堆的管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以120 ℃為設(shè)計(jì)限值，即最外層管束平均溫度取400 ℃，最內(nèi)層管束及連接套筒平均溫度取500 ℃。（3）幾何模型的簡(jiǎn)化。

上管板和筒體通過焊接連接，下管板與上管板通過中心管連接。換熱管為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圖1中的6點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)，并且6點(diǎn)處為垂直紙面約束，2～5和7～10點(diǎn)為換熱管的導(dǎo)向約束。

由于只關(guān)心換熱管的應(yīng)力分布，因此模型中只建立換熱管模型，參考俄羅斯計(jì)算中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆中間熱交換器換熱管計(jì)算模型，該文中的計(jì)算模型采用空間螺旋管展平結(jié)構(gòu)。對(duì)圖1中，2、3、4、5、7、8、9、10處施加Y和Z向約束，6處施加Z向約束。換熱管上端施加全約束，將中心管軸向伸長(zhǎng)量D作為約束條件施加在換熱管下端軸向方向，下端徑向方向全部約束。

根據(jù)設(shè)計(jì)者提供換熱管內(nèi)壓為2 MPa；模型溫度：上管板為510 ℃，下管板為420 ℃，中心管為500 ℃，最外層換熱管溫度為400 ℃。由于換熱管束與殼體之間的平均溫度溫差使得最外層換熱管應(yīng)力最大，該報(bào)告只考慮最外層換熱管。根據(jù)上面溫度，可以計(jì)算出中心管伸長(zhǎng)量作為位移D施加在換熱管下端。

D=α×ΔT×L=（1.82×E-5）×（500-20）×6400=55.91mm

3.4 應(yīng)力分析

針對(duì)第二節(jié)的3種換熱管結(jié)構(gòu)方案，分別計(jì)算溫度載荷，以及自重、內(nèi)壓和溫度載荷全施加情況下，換熱管的應(yīng)力分布。

（1）彎管段跨距1 000 mm方案的應(yīng)力計(jì)算。從結(jié)果的分布中可以得到，換熱管在彎管區(qū)應(yīng)力最大為307.14 MPa，熱應(yīng)力也是在彎管區(qū)最大為304.57 MPa。在彎管區(qū)處進(jìn)行線性化，可以得到薄膜加彎曲應(yīng)力為225.27 MPa，換熱管與管板連接處的軸向應(yīng)力為14 MPa，軸向力為725.95 N。

（2）彎管段跨距1 300 mm方案的應(yīng)力計(jì)算。從結(jié)果的分布中可以得到，換熱管在彎管區(qū)應(yīng)力最大為183.09 MPa，熱應(yīng)力也是在彎管區(qū)最大為179.33 MPa。在彎管區(qū)處進(jìn)行線性化，可以得到薄膜加彎曲應(yīng)力為133.93 MPa。換熱管與管板連接處的軸向應(yīng)力為9.35 MPa，軸向力為487.16 N。

（3）彎管段跨距1 500 mm方案的應(yīng)力計(jì)算。從結(jié)果的分布中可以得到，換熱管在彎管區(qū)應(yīng)力最大為139.62 MPa，熱應(yīng)力也是在彎管區(qū)最大為135.37 MPa。在彎管區(qū)處進(jìn)行線性化，可以得到薄膜加彎曲應(yīng)力為101.79 MPa。換熱管與管板連接處的軸向應(yīng)力為8.06 MPa，軸向力為422.33 N。

4 結(jié)語(yǔ)

該文根據(jù)方案設(shè)計(jì)階段確定的管束熱應(yīng)力補(bǔ)償方式，制定管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，并在此基礎(chǔ)上給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的待選方案，彎管段跨距分別為1 000 mm、1 300 mm和1 500 mm；通過合理假定開展換熱管待選結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力計(jì)算，得到換熱管與管板連接處軸向應(yīng)力和軸向力?？梢缘玫较旅娼Y(jié)論：換熱管應(yīng)力主要是由于溫度載荷造成。隨著彎管長(zhǎng)度增加，換熱管應(yīng)力值逐漸減小。彎管區(qū)從1 000 ～1 300 mm時(shí)，應(yīng)力減小明顯從307.14 MPa降到183.09 MPa。

該文根據(jù)方案設(shè)計(jì)階段確定的管束熱應(yīng)力補(bǔ)償方式，制定管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，并在此基礎(chǔ)上給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的待選方案；根據(jù)工況輸入開展管束待選結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力分析和計(jì)算，為后續(xù)開展的管接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與中間熱交換器管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的匹配提供輸入。

參考文獻(xiàn)

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