鈦及其合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好、耐高溫、透聲、無磁性、成形性和焊接性好等優異性能，本文中冷凝器的管板用材為鈦合金，屬于近α型鈦合金（Kβ=0.18～0.19），材料到廠后，實測材料的性能如下：Rm：759MPa，Rp0.2：701MPa，A：16.0%，Z：41%，KV2：63J，該材料具有中強、高韌、耐蝕和可焊等特點。與全α型TA5鈦合金相比，在強度提高50MPa的前提下，沖擊性能高20%，抗應力腐蝕性能高50%，并具有一定的熱處理強化作用，材料的加工性能明顯提高，因此管板選用此鈦合金材料。

1 、設備概況

1.1 設計參數

設備按照表1設計參數進行展開設計。

1.2 設備外形尺寸及結構

1.2.1 設備外形圖見圖1。

由于筒體頂部管口和側面大管口的存在，在管板的上部和側面大管口對應區域內未排列換熱管，管板換熱管存在布管不均勻現象。

1.2.2 管板連接圖

2、 樣機疲勞試驗

設備樣機制造完成、各項檢測及試驗合格后，進行管程的疲勞試驗，主要考核管箱、管板及換熱管的強度。對封頭、管板及換熱管貼應變片，連接導線，循環水接口封堵，壓力表安裝以及試驗數據采集系統和加壓系統調試后，通過注水管將冷凝器管程注滿水，首先進行1MPa、2MPa、2.6MPa、3.2MPa、4MPa五個壓力等級的靜態試驗，記錄應力分布，再進行0-3.2MPa-0壓力下的循環加載疲勞試驗。進展情況如下：在疲勞試驗進行到1000次時發現內外管板之間的空腔內充滿水，空腔的上端放氣口出現漏水；繼續進行疲勞試驗，試驗至約2800次時，泄漏量增大，升壓時壓力無法達到要求的3.2MPa，試驗暫停進行拆解檢查。

2.1 裂管檢查分析

首先對出現裂紋的換熱管進行定位：對雙管板的管腔進行水壓試驗，低于0.5MPa時發現有水從換熱管內壁流出，發現有十根換熱管出現裂紋，十根換熱管均分布于布管區與非布管區交界處。通過內窺鏡對換熱管裂紋進行檢查，發現換熱管裂紋均為環向裂紋，裂紋朝向為面向管板外邊緣方向，出現裂紋軸向位置距離外管板表面約67mm。

后對出現裂紋的換熱管進行堵管，在疲勞試驗一個循環周期內，對冷凝器殼體法蘭及支座端面的位移進行測量。經測量發現，整個升壓過程中冷凝器呈被拉長的趨勢，壓力下降、長度恢復，且拉長長度在周向方向不一致，帶有膨脹節側、上部和大開孔側面換熱管伸長量約為8mm，其余部位換熱管伸長量不大于4mm。

抽取不同階段斷裂的換熱管樣段進行外觀檢查、斷口宏觀觀察、斷口掃面電鏡觀察及金相觀察等檢驗，由斷裂換熱管宏觀和微觀斷口觀察表明，所有斷口形貌基本相似，呈線源，疲勞裂紋第一階段和第二階段擴展明顯，斷口比較粗糙，為大應力疲勞開裂。

2.2 根據以上檢查數據及試驗情況得出以下結論

由于冷凝器換熱管布管區外輪廓不具有任何規律，分布不均勻，其應力分布狀況比較復雜，最大應力發生在布管與非布管交界處。管程在頻繁升壓、降壓過程中，殼體系統和管板管束系統變形協調的結構產生了邊界力，此橫剪力和彎矩使管板產生了整體彎曲應力，外管板先發生變形。設備法蘭、內外管板、管箱法蘭連接在一起，由于外管板變形，使內外管板產生錯位，而內外管板之間無筒節，直接通過墊片連接，剛性較大，管板的變形由內外管板空腔之間25mm長換熱管進行補償，內外管板間換熱管受力較大；同時，內管板與換熱管進行強度脹接后，在強度脹接與非脹接區域存在應力集中及應變，換熱管強度脹后存在塑性變形，換熱管脹接區與非脹接區成為受力的薄弱區域。

3、 改進措施

3.1 針對樣機結構的薄弱環節進行圖紙設計結構改進

(1)調整換熱管與內管板脹接尺寸，將內管板靠近管箱側不脹接區增大，減小非脹接區誤脹對換熱管的影響。此措施有助于預防加工中誤脹對換熱管的損傷，見圖4。

(2)在雙管板間增加拉桿，防止雙管板變形后管孔的錯位，見圖5。

(3)內外管板之間增加定位銷措施，將內外管板連為一起，防止雙管板變形后管孔的錯位，見圖6。

(4)在換熱管非對稱布管區域外設置假管，增大了布管面積，減小應力集中，以對薄弱區進行加強與保護。

(5)對膨脹節采取限位措施，防止試驗過程中拉長過多，見圖7。

(6)對樣機給出的5000次疲勞試驗較為苛刻，且缺乏依據?？紤]到樣機受整個使用壽命期間0MPa~3.2MPa~0MPa的應力交變循環次數1000次，并考慮一次安全裕度，參照JB4732-1995規定的安全系數選取2.4，即換熱管試驗考核疲勞次數重新確定為2400次。

上述方案制定后，對設備進行了壓力為3.2MPa的有限元分析，對最早失效的換熱管進行結構改進前后的應力核算，分析結果是采取上述措施后，其應力水平有了大幅下降。針對制造方面采取以下改進措施：

(1)實測管板管孔直徑和各換熱管內外徑，穿管時管板孔與換熱管一一對應（大孔配大管，小孔配小管）。

(2)進一步提高換熱管訂貨要求，要求換熱管逐根進行超聲波檢驗和水壓試驗。

(3)對脹接人員進行上崗前再培訓。為保證脹接的一致性，每個管板上的所有換熱管由同一個工人進行脹接。

(4)通過再制造多組模擬樣件，給出不同的脹度，通過液壓試驗及拉脫力測試，選擇合理脹度，防止脹度過大。因為脹度太大，既不能提高拉脫強度，又會造成管子脹接部位及其過渡區過大的殘余應力。

(5)采取合理的脹接順序進行脹接。

(6)為避免漏脹、重脹，須對已脹的換熱管進行明顯標識。

設備按照以上改進方案進行補充樣件制作，其后進行低周疲勞試驗共計2820次，整個疲勞周期中換熱管無液體泄漏。試驗結束后，重新對設備進行水壓試驗合格，換熱管管頭經滲透檢測合格。

4、 結論

通過完成第二臺樣機的結構優化及驗證試驗，試驗結果表明設備的功能和結構滿足技術指標要求；同時，也證明之前對鈦換熱管產生裂紋原因的分析是正確的，優化方案是合理的，其成果可用于指導后期產品的設計、制造工作。

參考文獻

[1] GB/T 151-2014，熱交換器[S].

[2] 黃伯云，李成功，石力開，等主編. 中國材料工程大典（第4卷 有色金屬材料工程（上））[M].北京：化學工業出版社，2006.

[3] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會編. 壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京：新華出版社，2005.

[4] 桑如苞. 壓力容器強度設計技術分析（六）[J].石油化工設計，2000，17(4)：50-55.

[5] 桑芝富，朱躍釗. 熱交換器管子—管板的脹接性能[J].南京化工學院學報，1994，16(3)：1-7.

相關鏈接