不同材質換熱管與凝汽器管板的脹接方式及比較

晁紅偉，樓 滉

(杭州汽輪輔機有限公司，浙江 杭州 310022)

0 概 述

凝汽器是發電機組中的大型換熱器設備。凝汽器管板與換熱管的連接廣泛地采用了脹接形式，脹管是此類設備制造中重要的工藝流程。為此，對凝汽器與換熱管脹接的可靠性進行研究，是十分必要的。凝汽器換熱管的泄漏點，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量，直接影響了凝汽器設備運行的可靠性。解析不同材質換熱管的脹管參數，為制訂相應的工藝流程提供參考和依據，具有重要的工程意義和學術價值。

1 不同材料換熱管與管板的組合

1.1 常見組合

通常，凝汽器將在各種水質條件下運行，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。為了真實地模擬各種組合下的脹管過程，按ASME[1]中提供的計算方法，計算材料的應力-應變曲線。典型的材料組合曲線，如圖1～圖4所示(縱軸為應力MPa，橫軸為應變)。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，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、轉角三角型和轉角正方形的布置方式。正三角形是最為常用的布置形式，可在單位面積內容納更多的換熱管，提供更多的換熱面積。在凝汽器設備中，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化

由于正三角形的布管位置，是60°周期性對稱的，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。計算時，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，分別建立了有限元模型，如圖6、圖7所示。在模型中，換熱管內徑為23 mm，換熱管外徑為25 mm，換熱管長度為121 mm，換熱管伸出管板長度為1 mm，管板厚度取40 mm，開孔直徑為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軟件進行計算，采用C3D8R單元建立有限元模型。計算時，考慮接觸非線性及材料非線性行為[1]。

圖5 換熱管的脹接計算

圖6 有限元模型(一)

圖7 有限元模型(二)

3 計算條件

計算過程涉及接觸非線性及材料非線性，比較復雜，所加載荷經過反復試算，才能最終確定。根據不同管材及管板是否開槽進行計算，計算分多步進行，第一步，在管內施加一定壓力迫使管子變形并與管板接觸，同時約束管板外端和管子另一端。第二步，放開管子上的約束，并增加管內表面上的壓力，使得管板也發生較大變形，然后卸載管內的表面壓力。最后，在管子的另一端增加拉力，檢測管子所能承受的拉脫力。計算時取接觸面摩擦系數為0.4[4-5]。在管板及管子的對稱面上施加的對稱約束力，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

管材管板內孔施加壓力/MPa第一步第二步碳鋼(10號)不開槽70327開槽70200不銹鋼(SA316)不開槽70170開槽70150銅管不開槽2090開槽2070鈦管不開槽170340開槽70220

4 計算結果及討論

分別對各管材組合下管孔內開槽和不開槽時脹接后的殘余應力分布狀態進行了比較，應力的分布狀態，如圖8～圖11所示。分析各圖中應力的分布狀態可知，在開槽部位的局部殘余應力較無槽部位的應力高出很多。較高的殘余應力，有利于提高脹接部位承受軸向拉力的能力，但過高的殘余應力會產生多種不良的后果[6-8]。計算所需的脹接壓力，是經過反復試算后確定的。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力處于相當的水平。

圖8 碳鋼管與碳鋼管板脹接后的殘余應力(開槽與不開槽)

圖9不銹鋼管與碳鋼管板脹接后的殘余應力(開槽與不開槽)

圖10銅管與碳鋼管板脹接后的殘余應力(開槽與不開槽)

圖11鈦管與碳鋼管板脹接后的殘余應力(開槽與不開槽)

管子脹接前后表現的各項參數，如表2所示。脹管是比較復雜的形變過程，無法僅用某個變量衡量脹管的連接效果，通過比較脹管率、管子減薄率、卸載后的回彈百分比等各項參數，綜合考慮各個方面的影響因素后，方可制訂出最佳的脹管工藝。

表2 脹接前后的各項參數

換熱管材質是否開槽壓力/MPa開或不開/%位移回彈后位移內表面外表面內表面外表面接觸力/kN減薄率/%脹管率/%拉脫力/kNASME許用拉脫力/kN拉應力/MPa塑性限/MPa許用應力管子與管板屈服極限百分比/%彈性模量碳鋼(10號)不開槽327開槽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)不開槽170開槽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銅管不開槽90開槽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鈦管不開槽340開槽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 語

從大量仿真計算數據中，尋求脹管形變時的關鍵參數。通過各種管子與管板材料的組合試驗，分析和比較各項脹管參數，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，主要是因為鈦的彈性模量僅為碳鋼彈性模量的一半，而屈服限卻是比較接近的。因此，當達到最大脹接位移時，鈦的回彈余地較碳鋼大，當脹接壓力卸載后，鈦管有較大的回彈量，而碳鋼的回彈量較小，不易產生接觸壓力。對于鈦管-碳鋼管板組合的脹接，需要進一步計算和研究。銅管-碳鋼管板組合的脹接是最容易的，主要是因為銅的屈服限遠低于碳鋼，易于形成接觸壓力。