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(dòng)的能力，降低應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。液壓脹接原理

1 多孔管板脹接理論計(jì)算

1.1 計(jì)算參數(shù)

表1 計(jì)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(jiǎn)化的兩端開(kāi)口的套筒模型，模型中將每個(gè)換熱管簡(jiǎn)化為內(nèi)層圓筒，管板周?chē)鷧^(qū)域（至孔橋邊界或當(dāng)量套筒外徑處）簡(jiǎn)化為外層圓筒，套筒模型見(jiàn)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(qiáng)化等，計(jì)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(huì)發(fā)生塑性變形，因此在有限元分析過(guò)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(qiáng)化數(shù)據(jù)。為了提高分析結(jié)果的精度，采用多線性強(qiáng)化，即采用圖2中真應(yīng)力—應(yīng)變曲線作為分析使用的強(qiáng)化準(zhǔn)則。

1.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

周?chē)孜疵浗訒r(shí)，采用Krips，Yokell，顏惠庚及王海峰等給出的公式進(jìn)行雙套筒脹接模型計(jì)算，液壓脹接壓力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 3。

表3 脹接壓力計(jì)算對(duì)比

對(duì)脹后殘余接觸壓力采用考慮材料應(yīng)變強(qiáng)化后計(jì)算對(duì)比，采用王海峰的計(jì)算公式及傅智勇等給出的周?chē)酌浐蟮漠?dāng)量厚度確定方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，在220～28 0Mpa的脹接壓力范圍內(nèi)，當(dāng)周?chē)滓讶棵浗訒r(shí)，殘余接觸壓力結(jié)果小于周?chē)孜疵浗拥闹?，差值小?%，如圖3所示。因此，對(duì)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(jìn)行脹接分析時(shí)，接頭結(jié)構(gòu)選擇產(chǎn)品的布孔方式，考慮計(jì)算效率，對(duì)分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，包括套筒模型和中心軸對(duì)稱(chēng)3 0°角度模型，截面如圖5所示。

因?yàn)锳P1000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(jìn)行全長(zhǎng)度脹接分析時(shí)，本課題因?yàn)楣馨搴穸容^厚，同時(shí)正三角布孔方式中心對(duì)稱(chēng)，因此為了節(jié)省計(jì)算資源，1/12的30°模型。采用Inventor進(jìn)行繪制，導(dǎo)入至ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。30°模型見(jiàn)圖6。

對(duì)30°范圍的對(duì)稱(chēng)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(guò)程的計(jì)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(wèn)題，所以選用8節(jié)點(diǎn)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(gè)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(shí)際脹接過(guò)程，在管板一次側(cè)起始端至二次側(cè)全程加壓。實(shí)際產(chǎn)品脹接時(shí)，需要嚴(yán)格控制壓力升壓、保壓和降壓過(guò)程，因此設(shè)定了升壓速度 、保壓時(shí)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(duì)稱(chēng)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(kāi)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(guò)程中對(duì)面12施加位移載荷。

3 結(jié)語(yǔ)

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)脹接性能，在進(jìn)行脹接試驗(yàn)或評(píng)定時(shí)，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(duì)于多孔管板，不同位置管子管板脹接性能會(huì)分布不均，可以通過(guò)對(duì)不同位置、采用不同的脹接壓力的方式來(lái)抵消脹接順序和孔位置的影響，這還需要進(jìn)行更為深入地研究。

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