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鈦合金材料與目前廣泛應(yīng)用的B30冷卻管材相比具有重量輕、強(qiáng)度大、耐海水腐蝕能力強(qiáng)等許多優(yōu)良特性。我國(guó)秦山核電站、上海金山熱電廠(chǎng)及浙江鎮(zhèn)海電廠(chǎng)等沿海電站的冷凝器采用鈦冷卻管后均取得了預(yù)期效果。近期開(kāi)發(fā)出一種TA2材料制作的雙側(cè)強(qiáng)化換熱管-波槽管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其強(qiáng)化換熱效果顯著。然而由于波槽管是滾軋成型，故存在應(yīng)力集中的影響。本研究在鈦波槽管力學(xué)參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)其疲勞強(qiáng)度和靜載強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析計(jì)算。
波槽管結(jié)構(gòu)如圖所示，外徑D為16mm，組合結(jié)構(gòu)參數(shù)為波槽管的槽深，P為節(jié)距，d為管子內(nèi)徑。對(duì)鈦光滑管和鈦波槽管進(jìn)行了拉伸和疲勞對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表所示。表中，ab為強(qiáng)度極限，對(duì)稱(chēng)疲勞極限。
圖是冷凝器冷卻管的簡(jiǎn)圖。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取管板與第一支承板之間的AB管段和兩塊支承板之間的EF管段作為研究對(duì)象。通常，把管板和支承板之間的管子近似地看成一端固定、一端簡(jiǎn)支的單跨梁。把兩塊支承板之間的管子近似地看成單跨的簡(jiǎn)支梁。所以，其計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為受橫向均布載荷的兩段橫梁。許用跨距可由文獻(xiàn)提供的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。式中，L為冷卻管許用跨距。為音速條件下與蒸汽壓力有關(guān)的基本跨距，管徑、壁厚及冷凝器壓力有關(guān)的修正系數(shù);k2為孔橋修正系數(shù)；L1為冷卻管的端跨距，Lm為冷卻管的中間跨距，M0鈦光滑管的外徑為16mm、壁厚0.75mm，假設(shè)孔橋b=10mm、冷凝器壓力P=15kPa。由文獻(xiàn)的有關(guān)表格可得：k1=0.815，k2=1.203，k3=0.987。將這些數(shù)據(jù)代入式，可求得：L=0.541m，L1=0.638m，Lm=0.568m。假設(shè)鈦波槽管的端跨距與中間跨距的取值與光滑管相同，則應(yīng)取許用跨距L=0.541，mo=3.1.2。國(guó)內(nèi)常用經(jīng)驗(yàn)公式目前，在國(guó)內(nèi)冷凝器設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用來(lái)確定冷卻管最大許用跨距的公式有J.F.Sebald公式、R.L.Coit公式和C.C.Peake修正公式。
由上述兩種計(jì)算方法，一共求出了4個(gè)最大許用跨距，在強(qiáng)度分析時(shí)考慮到安全，取最大值0.959m。工程上冷卻管的失效大多是由疲勞破壞引起的，且疲勞破壞發(fā)生在彎曲應(yīng)力的最大點(diǎn)。圖所示是一典型的超靜定問(wèn)題，它的最大彎矩分布在端部A處，其大小為圖所示是一個(gè)簡(jiǎn)支梁?jiǎn)栴}，很顯然最大彎矩分布在EF段的中間處，其值與式相同。通過(guò)上面的分析得出，危險(xiǎn)截面在管板與管子的接口處和兩塊支承板間管段的中間處。鈦波槽管上作用的均布載荷g由3部分構(gòu)成。它們分別是管子的自重集度g1、管內(nèi)水重集度g2和橫向汽流載荷集度gs。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算有：g1=1.587N/m，g2=1.658N/m，由下式計(jì)算管的投影面積(即為外徑)。由于兩個(gè)危險(xiǎn)截面上的彎矩相等，所以冷卻管受應(yīng)力循環(huán)時(shí)兩個(gè)危險(xiǎn)截面上的最大工作彎曲應(yīng)力amax、和最小工作彎曲應(yīng)力amin。由于測(cè)定持久極限的疲勞試驗(yàn)是對(duì)具體構(gòu)件進(jìn)行的，應(yīng)力集中、表面光潔度、尺寸等因素的影響已在測(cè)得中體現(xiàn)，可見(jiàn)冷凝器正常運(yùn)行時(shí)鈦波槽管能滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度條件。
上一節(jié)計(jì)算得到的鈦波槽管危險(xiǎn)截面上的最大彎曲應(yīng)力并不是真實(shí)的應(yīng)力值，只是把波槽管當(dāng)量成光滑管處理。這樣做顯然忽略了波紋槽處的應(yīng)力集中，尤其是最大應(yīng)力要比真實(shí)情況小得多，所以需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。對(duì)鈦波槽管進(jìn)行靜載強(qiáng)度分析時(shí)，除了考慮上述的非對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷外，還有一個(gè)不可忽視的因素：冷凝器在正常運(yùn)行時(shí)，在殼側(cè)與管側(cè)存在一定的溫度差，可導(dǎo)致波槽管內(nèi)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。冷卻管受橫向載荷作用下在管子橫截面上的應(yīng)力線(xiàn)性分布，最大彎曲應(yīng)力amax為11.85MPa，最小彎曲應(yīng)力為零。由于管板與管子的接口處管段為光滑管，沒(méi)有應(yīng)力集中，不必進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
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