鈦及其合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐高溫、透聲、無磁性、成形性和焊接性好等優(yōu)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(shí)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(qiáng)、高韌、耐蝕和可焊等特點(diǎn)。與全α型TA5鈦合金相比，在強(qiáng)度提高50MPa的前提下，沖擊性能高20%，抗應(yīng)力腐蝕性能高50%，并具有一定的熱處理強(qiáng)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(shè)備概況

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)備按照表1設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行展開設(shè)計(jì)。

1.2 設(shè)備外形尺寸及結(jié)構(gòu)

1.2.1 設(shè)備外形圖見圖1。

由于筒體頂部管口和側(cè)面大管口的存在，在管板的上部和側(cè)面大管口對應(yīng)區(qū)域內(nèi)未排列換熱管，管板換熱管存在布管不均勻現(xiàn)象。

1.2.2 管板連接圖

2、 樣機(jī)疲勞試驗(yàn)

設(shè)備樣機(jī)制造完成、各項(xiàng)檢測及試驗(yàn)合格后，進(jìn)行管程的疲勞試驗(yàn)，主要考核管箱、管板及換熱管的強(qiáng)度。對封頭、管板及換熱管貼應(yīng)變片，連接導(dǎo)線，循環(huán)水接口封堵，壓力表安裝以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)調(diào)試后，通過注水管將冷凝器管程注滿水，首先進(jìn)行1MPa、2MPa、2.6MPa、3.2MPa、4MPa五個(gè)壓力等級的靜態(tài)試驗(yàn)，記錄應(yīng)力分布，再進(jìn)行0-3.2MPa-0壓力下的循環(huán)加載疲勞試驗(yàn)。進(jìn)展情況如下：在疲勞試驗(yàn)進(jìn)行到1000次時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)外管板之間的空腔內(nèi)充滿水，空腔的上端放氣口出現(xiàn)漏水；繼續(xù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)至約2800次時(shí)，泄漏量增大，升壓時(shí)壓力無法達(dá)到要求的3.2MPa，試驗(yàn)暫停進(jìn)行拆解檢查。

2.1 裂管檢查分析

首先對出現(xiàn)裂紋的換熱管進(jìn)行定位：對雙管板的管腔進(jìn)行水壓試驗(yàn)，低于0.5MPa時(shí)發(fā)現(xiàn)有水從換熱管內(nèi)壁流出，發(fā)現(xiàn)有十根換熱管出現(xiàn)裂紋，十根換熱管均分布于布管區(qū)與非布管區(qū)交界處。通過內(nèi)窺鏡對換熱管裂紋進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)換熱管裂紋均為環(huán)向裂紋，裂紋朝向?yàn)槊嫦蚬馨逋膺吘壏较?，出現(xiàn)裂紋軸向位置距離外管板表面約67mm。

后對出現(xiàn)裂紋的換熱管進(jìn)行堵管，在疲勞試驗(yàn)一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，對冷凝器殼體法蘭及支座端面的位移進(jìn)行測量。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，整個(gè)升壓過程中冷凝器呈被拉長的趨勢，壓力下降、長度恢復(fù)，且拉長長度在周向方向不一致，帶有膨脹節(jié)側(cè)、上部和大開孔側(cè)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(jìn)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(yàn)，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(kuò)展明顯，斷口比較粗糙，為大應(yīng)力疲勞開裂。

2.2 根據(jù)以上檢查數(shù)據(jù)及試驗(yàn)情況得出以下結(jié)論

由于冷凝器換熱管布管區(qū)外輪廓不具有任何規(guī)律，分布不均勻，其應(yīng)力分布狀況比較復(fù)雜，最大應(yīng)力發(fā)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(tǒng)和管板管束系統(tǒng)變形協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了邊界力，此橫剪力和彎矩使管板產(chǎn)生了整體彎曲應(yīng)力，外管板先發(fā)生變形。設(shè)備法蘭、內(nèi)外管板、管箱法蘭連接在一起，由于外管板變形，使內(nèi)外管板產(chǎn)生錯(cuò)位，而內(nèi)外管板之間無筒節(jié)，直接通過墊片連接，剛性較大，管板的變形由內(nèi)外管板空腔之間25mm長換熱管進(jìn)行補(bǔ)償，內(nèi)外管板間換熱管受力較大；同時(shí)，內(nèi)管板與換熱管進(jìn)行強(qiáng)度脹接后，在強(qiáng)度脹接與非脹接區(qū)域存在應(yīng)力集中及應(yīng)變，換熱管強(qiáng)度脹后存在塑性變形，換熱管脹接區(qū)與非脹接區(qū)成為受力的薄弱區(qū)域。

3、 改進(jìn)措施

3.1 針對樣機(jī)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

(1)調(diào)整換熱管與內(nèi)管板脹接尺寸，將內(nèi)管板靠近管箱側(cè)不脹接區(qū)增大，減小非脹接區(qū)誤脹對換熱管的影響。此措施有助于預(yù)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(cuò)位，見圖5。

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

(4)在換熱管非對稱布管區(qū)域外設(shè)置假管，增大了布管面積，減小應(yīng)力集中，以對薄弱區(qū)進(jìn)行加強(qiáng)與保護(hù)。

(5)對膨脹節(jié)采取限位措施，防止試驗(yàn)過程中拉長過多，見圖7。

(6)對樣機(jī)給出的5000次疲勞試驗(yàn)較為苛刻，且缺乏依據(jù)。考慮到樣機(jī)受整個(gè)使用壽命期間0MPa~3.2MPa~0MPa的應(yīng)力交變循環(huán)次數(shù)1000次，并考慮一次安全裕度，參照J(rèn)B4732-1995規(guī)定的安全系數(shù)選取2.4，即換熱管試驗(yàn)考核疲勞次數(shù)重新確定為2400次。

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

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

(2)進(jìn)一步提高換熱管訂貨要求，要求換熱管逐根進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)和水壓試驗(yàn)。

(3)對脹接人員進(jìn)行上崗前再培訓(xùn)。為保證脹接的一致性，每個(gè)管板上的所有換熱管由同一個(gè)工人進(jìn)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(yàn)及拉脫力測試，選擇合理脹度，防止脹度過大。因?yàn)槊浂忍螅炔荒芴岣呃搹?qiáng)度，又會(huì)造成管子脹接部位及其過渡區(qū)過大的殘余應(yīng)力。

(5)采取合理的脹接順序進(jìn)行脹接。

(6)為避免漏脹、重脹，須對已脹的換熱管進(jìn)行明顯標(biāo)識(shí)。

設(shè)備按照以上改進(jìn)方案進(jìn)行補(bǔ)充樣件制作，其后進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)共計(jì)2820次，整個(gè)疲勞周期中換熱管無液體泄漏。試驗(yàn)結(jié)束后，重新對設(shè)備進(jìn)行水壓試驗(yàn)合格，換熱管管頭經(jīng)滲透檢測合格。

4、 結(jié)論

通過完成第二臺(tái)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)備的功能和結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)指標(biāo)要求；同時(shí)，也證明之前對鈦換熱管產(chǎn)生裂紋原因的分析是正確的，優(yōu)化方案是合理的，其成果可用于指導(dǎo)后期產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造工作。

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