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        不同材質(zhì)換熱管與凝汽器管板的脹接方式及比較

        2018-08-18 08:27:56晁紅偉
        電站輔機(jī) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:管板碳鋼凝汽器

        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(duì)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(jiàn)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(guò)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(jiǎn)化

        由于正三角形的布管位置,是60°周期性對(duì)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(zhǎng)度為121 mm,換熱管伸出管板長(zhǎng)度為1 mm,管板厚度取40 mm,開(kāi)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(guò)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(guò)反復(fù)試算,才能最終確定。根據(jù)不同管材及管板是否開(kāi)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(kāi)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(cè)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(duì)稱面上施加的對(duì)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(hào))不開(kāi)槽70327開(kāi)槽70200不銹鋼(SA316)不開(kāi)槽70170開(kāi)槽70150銅管不開(kāi)槽2090開(kāi)槽2070鈦管不開(kāi)槽170340開(kāi)槽70220

        4 計(jì)算結(jié)果及討論

        分別對(duì)各管材組合下管孔內(nèi)開(kāi)槽和不開(kāi)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(kāi)槽部位的局部殘余應(yīng)力較無(wú)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(guò)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(guò)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(kāi)槽與不開(kāi)槽)

        圖9不銹鋼管與碳鋼管板脹接后的殘余應(yīng)力(開(kāi)槽與不開(kāi)槽)

        圖10銅管與碳鋼管板脹接后的殘余應(yīng)力(開(kāi)槽與不開(kāi)槽)

        圖11鈦管與碳鋼管板脹接后的殘余應(yīng)力(開(kāi)槽與不開(kāi)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(guò)程,無(wú)法僅用某個(gè)變量衡量脹管的連接效果,通過(guò)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(kāi)槽壓力/MPa開(kāi)或不開(kāi)/%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(hào))不開(kāi)槽327開(kāi)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(kāi)槽170開(kāi)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(kāi)槽90開(kāi)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(kāi)槽340開(kāi)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(yǔ)

        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(guò)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(jī)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(duì)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。

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