钛制冷凝器换热管裂纹分析及改进措施

钛及其合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好、耐高温、透声、无磁性、成形性和焊接性好等优异性能，本文中冷凝器的管板用材为钛合金，属于近α型钛合金（Kβ=0.18～0.19），材料到厂后，实测材料的性能如下：Rm：759MPa，Rp0.2：701MPa，A：16.0%，Z：41%，KV2：63J，该材料具有中强、高韧、耐蚀和可焊等特点。与全α型TA5钛合金相比，在强度提高50MPa的前提下，冲击性能高20%，抗应力腐蚀性能高50%，并具有一定的热处理强化作用，材料的加工性能明显提高，因此管板选用此钛合金材料。

1 、设备概况

1.1 设计参数

设备按照表1设计参数进行展开设计。

1.2 设备外形尺寸及结构

1.2.1 设备外形图见图1。

由于筒体顶部管口和侧面大管口的存在，在管板的上部和侧面大管口对应区域内未排列换热管，管板换热管存在布管不均匀现象。

1.2.2 管板连接图

2、 样机疲劳试验

设备样机制造完成、各项检测及试验合格后，进行管程的疲劳试验，主要考核管箱、管板及换热管的强度。对封头、管板及换热管贴应变片，连接导线，循环水接口封堵，压力表安装以及试验数据采集系统和加压系统调试后，通过注水管将冷凝器管程注满水，首先进行1MPa、2MPa、2.6MPa、3.2MPa、4MPa五个压力等级的静态试验，记录应力分布，再进行0-3.2MPa-0压力下的循环加载疲劳试验。进展情况如下：在疲劳试验进行到1000次时发现内外管板之间的空腔内充满水，空腔的上端放气口出现漏水；继续进行疲劳试验，试验至约2800次时，泄漏量增大，升压时压力无法达到要求的3.2MPa，试验暂停进行拆解检查。

2.1 裂管检查分析

首先对出现裂纹的换热管进行定位：对双管板的管腔进行水压试验，低于0.5MPa时发现有水从换热管内壁流出，发现有十根换热管出现裂纹，十根换热管均分布于布管区与非布管区交界处。通过内窥镜对换热管裂纹进行检查，发现换热管裂纹均为环向裂纹，裂纹朝向为面向管板外边缘方向，出现裂纹轴向位置距离外管板表面约67mm。

后对出现裂纹的换热管进行堵管，在疲劳试验一个循环周期内，对冷凝器壳体法兰及支座端面的位移进行测量。经测量发现，整个升压过程中冷凝器呈被拉长的趋势，压力下降、长度恢复，且拉长长度在周向方向不一致，带有膨胀节侧、上部和大开孔侧面换热管伸长量约为8mm，其余部位换热管伸长量不大于4mm。

抽取不同阶段断裂的换热管样段进行外观检查、断口宏观观察、断口扫面电镜观察及金相观察等检验，由断裂换热管宏观和微观断口观察表明，所有断口形貌基本相似，呈线源，疲劳裂纹第一阶段和第二阶段扩展明显，断口比较粗糙，为大应力疲劳开裂。

2.2 根据以上检查数据及试验情况得出以下结论

由于冷凝器换热管布管区外轮廓不具有任何规律，分布不均匀，其应力分布状况比较复杂，最大应力发生在布管与非布管交界处。管程在频繁升压、降压过程中，壳体系统和管板管束系统变形协调的结构产生了边界力，此横剪力和弯矩使管板产生了整体弯曲应力，外管板先发生变形。设备法兰、内外管板、管箱法兰连接在一起，由于外管板变形，使内外管板产生错位，而内外管板之间无筒节，直接通过垫片连接，刚性较大，管板的变形由内外管板空腔之间25mm长换热管进行补偿，内外管板间换热管受力较大；同时，内管板与换热管进行强度胀接后，在强度胀接与非胀接区域存在应力集中及应变，换热管强度胀后存在塑性变形，换热管胀接区与非胀接区成为受力的薄弱区域。

3、 改进措施

3.1 针对样机结构的薄弱环节进行图纸设计结构改进

(1)调整换热管与内管板胀接尺寸，将内管板靠近管箱侧不胀接区增大，减小非胀接区误胀对换热管的影响。此措施有助于预防加工中误胀对换热管的损伤，见图4。

(2)在双管板间增加拉杆，防止双管板变形后管孔的错位，见图5。

(3)内外管板之间增加定位销措施，将内外管板连为一起，防止双管板变形后管孔的错位，见图6。

(4)在换热管非对称布管区域外设置假管，增大了布管面积，减小应力集中，以对薄弱区进行加强与保护。

(5)对膨胀节采取限位措施，防止试验过程中拉长过多，见图7。

(6)对样机给出的5000次疲劳试验较为苛刻，且缺乏依据。考虑到样机受整个使用寿命期间0MPa~3.2MPa~0MPa的应力交变循环次数1000次，并考虑一次安全裕度，参照JB4732-1995规定的安全系数选取2.4，即换热管试验考核疲劳次数重新确定为2400次。

上述方案制定后，对设备进行了压力为3.2MPa的有限元分析，对最早失效的换热管进行结构改进前后的应力核算，分析结果是采取上述措施后，其应力水平有了大幅下降。针对制造方面采取以下改进措施：

(1)实测管板管孔直径和各换热管内外径，穿管时管板孔与换热管一一对应（大孔配大管，小孔配小管）。

(2)进一步提高换热管订货要求，要求换热管逐根进行超声波检验和水压试验。

(3)对胀接人员进行上岗前再培训。为保证胀接的一致性，每个管板上的所有换热管由同一个工人进行胀接。

(4)通过再制造多组模拟样件，给出不同的胀度，通过液压试验及拉脱力测试，选择合理胀度，防止胀度过大。因为胀度太大，既不能提高拉脱强度，又会造成管子胀接部位及其过渡区过大的残余应力。

(5)采取合理的胀接顺序进行胀接。

(6)为避免漏胀、重胀，须对已胀的换热管进行明显标识。

设备按照以上改进方案进行补充样件制作，其后进行低周疲劳试验共计2820次，整个疲劳周期中换热管无液体泄漏。试验结束后，重新对设备进行水压试验合格，换热管管头经渗透检测合格。

4、 结论

通过完成第二台样机的结构优化及验证试验，试验结果表明设备的功能和结构满足技术指标要求；同时，也证明之前对钛换热管产生裂纹原因的分析是正确的，优化方案是合理的，其成果可用于指导后期产品的设计、制造工作。

参考文献

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