楼 滉，晁红伟

(杭州汽轮辅机有限公司，浙江，杭州 310022)

0 概 述

钛材的抗腐蚀性能较好，同时又具有较好的强度。当机组的冷却水为海水时，常选择钛管与碳钢复合钛管板组合的凝汽器。由于钛材的弹性模量约为钢材的一半，而屈服限又与碳钢接近，这就导致钛管难以被胀接。因此，对于钛管与碳钢为基材的复合管板的胀接问题，有必要着重进行研究。为了加固钛管与钢材的胀管连接，常需在碳钢管板孔内开槽。现重点讨论胀接钛管时在管板孔内开槽的方式和位置，通过有限元分析，可发现管孔开槽的利弊。同时，也可为钛管的胀接，制订较佳的工艺方案。

1 开槽的位置与结构

1.1 常见的材料组合

钛管凝汽器通常应用于海水为冷却水的机组中。钛管与碳钢管板的胀管工艺较难制订，有关碳钢管板开槽后再与钛管胀接的研究较少。现根据对此类材料胀接组合的研究，分别制订了3种开槽后胀接的方案。根据开槽的位置，可分为接近管侧、接近壳侧、中间位置的单槽等形式。碳钢管板的开槽位置及结构，如图1所示。钛管与碳钢管板应力应变曲线，如图2所示。

图1 碳钢管板的开槽位置与结构

图2 钛管与碳钢管板应力应变曲线

2 有限元模型

在管壳式换热器中，换热管的排列有4种方法，分别是正三角形布管、方形布管、转角三角型、转角正方形。正三角形的排列方式是最常用的，这种布管方式能在相同面积内布置更多的换热管，具有更大的换热面积。在电站凝汽器中，较常见的也是正三角形的布管方式。

2.1 有限元模型的建立及简化

正三角形布管时，换热管是以60°周期性对称布置的，因此，只需建立360°/12°的接头模型即可。建立的模型，如图3中着重显示的部分。

计算时，在管板的外径设置上，采用了Krips和Podhorsky等提出的等效套筒[2]方法。为了研究各种材料组合下的胀管状态，在凝汽器前参考截面上，建立了具有流速分布状态的有限元模型，如图4所示。

图4 模型在凝汽器前参考截面上的流速分布

建模时，换热管的内径为23 mm；换热管外径为25 mm；换热管长度为121 mm；换热管伸出管板的长度为1 mm；管板厚度为40 mm；管板的开孔直径为25.3 mm；孔距为32 mm。

材料的硬化形式，采用了各向同性Von Mise硬化模型[3]。选用Marc 2017软件进行计算，调用软件的Hex7单元，建立有限元模型。计算时，考虑接触及材料非线性行为[1]。

3 计算条件

在计算过程中，涉及了接触非线性及材料非线性等状态，计算比较复杂，所加载的负荷也是经过反复试算后，才能最终确定。计算需分步进行。首先在管内施加一定压力，迫使管子变形并与管板接触，同时约束管板外端和管子的另一端。第二步计算时，放开管子上的约束，并增加管子内表面上的压力，使管板也发生较大的变形。随后，再卸载管子内表面的压力。最终在管子的另一端施加拉力，测试管子接头所能承受的拉脱力。计算时，在管板及管子的对称面上，施加对称约束力，选取的接触面摩擦系数，为0.4[4-5]。在胀管处施加的压力，如图5所示。

图5 在胀管处施加的压力

4 分析与讨论

通过计算和试验，针对各种开槽形式，分别对胀接后残余应力的分布状态进行了比较。胀管后的应力分布状态和位移，如图6～图9所示。从应力分布可知，开槽部位的局部残余应力比无槽部位的应力高了很多。较高的残余应力，有利于提高接头承受轴向拉力的能力，但过高的残余应力，将产生多种不良的后果[6-8]。在管孔中间开槽后的管子胀紧率，明显要大很多。虽然，在管孔中间开槽，可提高管子接头的拉脱力，但还不能达到标准中拉脱力的要求值。因此，按同等的胀接压力进行比较，在管孔的中间位置开槽并无优势。若仅为获取足够的拉脱力，讨论的结果可能会不一样，需进一步进行研究。对于开槽位置分别在近管侧或近壳侧的胀管状态进行比较，发现当开槽位置近壳侧时，接头的拉脱力大于开槽近管侧的接头拉脱力。

图6 无槽时的应力分布和位移(垂直对称面)

图7 近管侧开槽后的应力分布和位移(水平对称面)

图8 近壳侧开槽后的应力分布和位移(水平对称面上)

图9 单槽的应力分布和位移(垂直对称面上)

通过不同的胀管试验，列出了开槽与不开槽的胀接数据，还根据开槽位置的不同，测试了管子的胀紧率、管子减薄率、卸载后的回弹百分比等数据。胀管试验后所测数据，如表1所示。胀管是材料复杂的形变过程，不是仅用某个参数就能衡量胀管的效果，需要综合考虑各种参数的影响，方可制订出较佳的胀管工艺。

表1 胀管试验后所测数据

4 结 语

通过试验，分析了在管板孔内开槽的各种形式，并对胀管的各项参数进行计算和比较，寻求更佳的开槽形式和开槽位置。计算结果显示，当开槽位置接近壳侧时，管子的胀紧率低而拉脱力较高。若在管孔中间位置开单槽，并不能提高管子的拉脱力。对于开槽后拉脱力的提升，主要应增加开槽边缘与管子接触，当有2个槽时，对管子的接触边缘要更多一些，因而拉脱力也就更大。同时，对于胀接接头的评定，也应制订全面的评定标准，不应仅对拉脱力进行评定。目前，针对胀接的标准多着重于此，忽视了对接头寿命的评定。为了建全胀接评定标准，还需对胀管时的变形进行针对性的研究工作。