Hastelloy C-276合金與硅鋼間的瞬態接觸換熱實驗研究

朱智，張立文，顧森東

(大連理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連，116023)

Hastelloy C-276合金是一種鎳基高溫合金，具有優良的耐腐蝕性能和高溫力學性能，因此，Hastelloy C-276合金在化工、航空和核電等領域得到了廣泛應用[1-2]。目前，國家正積極引進第3代AP1000核電技術。轉子屏蔽套是AP1000核主泵中的關鍵部件，它是Hastelloy C-276合金板材經剪切、滾彎、焊接、脹形和矯形工序制造而成，再通過熱套裝工藝裝配到轉子上，可以有效防止轉子部件與泵內的冷卻劑接觸，避免其受到冷卻劑侵蝕[3]。在熱套裝過程中，轉子屏蔽套與轉子硅鋼片間的接觸換熱將直接影響其內部的溫度場，進而影響其內部的應力－應變場，并最終影響轉子屏蔽套的裝配質量、使用性能和壽命，接觸換熱系數也是影響轉子屏蔽套熱套裝過程數值模擬結果準確性的重要參數。近年來，國內外學者利用穩態法對不同材料間的接觸換熱進行了研究，獲得了一些有價值的實驗數據[4-9]。然而，實際熱套裝過程中，轉子屏蔽套與轉子硅鋼片間的接觸換熱屬于瞬態接觸，其物理機制與穩態接觸換熱有很大區別，因而，不能采用穩態法對其進行研究。現有研究對瞬態接觸換熱過程的研究甚少，Beck等[10]分析了瞬態接觸過程，給出了界面平均溫度的解析表達式，并采用非穩定表面元(USE)法求解線性瞬態接觸換熱問題。Fieberg等[11]利用紅外測溫儀對不同溫度的鋁合金和鋼接觸后的瞬態溫度場進行測量，通過求解瞬態熱傳導方程得到瞬態接觸換熱系數。邢磊等[12-13]利用自制的瞬態接觸換熱系數測量裝置研究了TP2銅與3Cr2W8V模具鋼、7050變形鋁合金和5CrMnMo模具鋼的瞬態接觸換熱行為。目前為止，Hastelloy C-276合金與硅鋼間的瞬態接觸換熱方面的研究還未有報道。本文作者利用自制的瞬態接觸換熱系數測量裝置[12]對Hastelloy C-276合金與硅鋼間的瞬態接觸換熱行為進行研究，以便為核主泵轉子屏蔽套的熱套裝及其數值模擬研究提供數據參考。

1 實驗方法

圖1所示為瞬態接觸換熱系數測量裝置原理。實驗裝置主要由加熱系統、傳動機構、加載裝置和溫度采集系統4部分組成。加熱系統的最高加熱溫度可以達到1 000 ℃，加載裝置最高載荷可以達到30 MPa。帶自動增益的高速A/D轉換卡通過16通道的前端放大板將測溫熱電偶的電壓信號輸入采集軟件，實現模擬量與數字量的轉換。

實驗前，將Hastelloy C-276合金和硅鋼加工成直徑20 mm、長度50 mm的圓柱試樣，并在試樣的側面沿軸線方向打3個直徑為1 mm、深度10 mm的熱電偶插孔，3個孔距離待接觸面分別為1，6和11 mm，作為近表面測溫點、校核測溫點和內部測溫點。然后用400號砂紙將試樣的待接觸面打磨平整。實驗采用的熱電偶為經校準的鎳鉻-鎳硅裸端式熱電偶，直徑為1 mm，響應時間為0.01 s。

實驗時，試樣外側纏繞絕熱石棉布，盡量減少其與空氣的對流換熱和輻射換熱。將高溫試樣與低溫試樣分別置于加熱爐內，各自升至一定溫度并保溫一段時間，使試樣初始溫度分布均勻。然后，利用傳動機構使兩試樣快速接觸，預先設定的載荷由加載裝置施加到接觸面上。與此同時，溫度采集系統通過測溫熱電偶、前端放大板和A/D轉換卡對試樣內部各測溫點的溫度進行實時采集與顯示。

考慮到試樣外測的絕熱效果，近似認為熱量沿試樣軸線方向傳遞。根據 Beck提出的非線性估算方法[14-16]，建立1維瞬態熱傳導的反傳熱模型，并編制Fortran隱式差分計算程序，利用θ11、θ13、θ與θ23這4組溫度數據推算兩試樣接觸面溫度θH和θL及界面熱流密度。這2試樣在某一時刻τ的接觸換熱系數可由式(1)計算得到：

其中：hc(τ)為τ時刻的瞬態接觸換熱系數(kW/m2·℃)；q(τ)為τ時刻的界面平均熱流密度(kW/m2)；Δθ(τ)為τ時刻的界面溫差(℃)。

圖1 實驗裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 實驗結果與分析

利用上述實驗方法對Hastelloy C-276合金與硅鋼試樣間的接觸換熱進行測試。由于在熱套裝過程中，轉子屏蔽套需加熱到高溫，而轉子硅鋼片保持在室溫，所以，實驗中，Hastelloy C-276合金為高溫試樣，硅鋼為低溫試樣。

2.1 瞬態溫度場

根據傳熱學理論，這2個不同初始溫度的試樣接觸后，界面處將發生劇烈的熱量交換，試樣內部溫度場將重新分布。圖2為Hastelloy C-276合金與硅鋼接觸后試樣內部溫度隨時間的變化情況。圖 2中：θ11和 θ13分別表示高溫試樣內部測溫點和近表面測溫點的實測溫度；θ21和θ23分別表示低溫試樣內部測溫點和近表面測溫點的實測溫度；θH和θL分別表示高溫試樣與低溫試樣的接觸表面溫度的計算值；Δθ表示試樣間的接觸界面溫差。從圖中可以看出，接觸發生后，界面處溫度變化劇烈，短時間內升溫降溫幅度達到了100～200 ℃，在10 s時，試樣間的接觸界面溫差為68℃；隨著時間的延長，高溫試樣的溫度進一步降低，低溫試樣的溫度進一步升高，界面溫差逐漸減小，在60 s時，界面溫差為30 ℃；在100 s時，界面溫差為22 ℃，并且逐漸趨于穩定。

圖2 Hastelloy C-276合金與硅鋼接觸后試樣內部溫度隨時間的變化Fig.2 Variation of inner temperature with time for Hastelloy C-276 and silicon steel

圖3 所示為校核測溫點溫度的實測值與計算值的比較。圖中，θ12和θ22分別表示高溫試樣與低溫試樣的校核測溫點的溫度，其中，實線代表校核測溫點溫度的實測值，虛線代表計算值，對比發現，不論是Hastelloy C-276合金試樣還是硅鋼試樣，校核測溫點處的實測溫度與計算溫度都能夠吻合的很好，驗證了測量裝置和方法的可靠性。

圖3 校核測溫點溫度的實測值與計算值的比較Fig.3 Comparison of measured and calculated temperature at verification position

考慮到界面溫差隨時間的延長逐漸減小，而不斷減小的界面溫差將使后續計算產生較大偏差，因此，本文僅考慮試樣接觸后60 s內的接觸換熱。

2.2 瞬態接觸換熱系數

由式(1)可知，界面熱流密度與界面溫差決定了接觸換熱系數的大小。圖4所示為Hastelloy C-276合金與硅鋼接觸后熱流密度和接觸換熱系數隨時間的變化情況。從圖 4(a)可見：試樣接觸后，界面熱流密度在1.5 s便達到了峰值(648.69 kW/m2)，然后迅速下降。5 s后，熱流密度的下降開始變得緩慢，接觸換熱系數在這段時間內快速增大，達到峰值(4.50 kW/(m2·℃))，如圖4(b)所示。這是由于在接觸載荷的作用下，接觸界面上的微小接觸體將發生彈性或塑性變形，使實際接觸面積增大，界面換熱能力提高。

此外，從圖4(b)也可以看出：曲線存在一定程度的波動，且隨著時間的增加，波動幅度有增大的趨勢，原因主要有2個方面：第一，溫度信號采集速度較快，相鄰時刻的溫度測量值會產生波動，外界干擾對溫度數據也會產生一定影響；第二，隨著時間增加，界面溫差及熱流密度逐漸減小，計算誤差增大。經平滑濾波后發現，接觸換熱系數在達到峰值后，隨著時間得延長，略有下降，并逐漸趨于穩定，多組測試結果也驗證了這一變化規律。

圖4 熱流密度和接觸換熱系數隨時間的變化Fig.4 Variation of heat flux and thermal contact conductance with time

2.3 試樣初始溫度對接觸換熱系數的影響

在瞬態接觸換熱過程中，試樣的初始溫度是影響接觸換熱系數的關鍵因素之一。考慮到在核主泵轉子屏蔽套的熱套裝過程中，轉子的初始溫度為室溫，而轉子屏蔽套的初始溫度是可以變化的，Hastelloy C-276合金試樣初始溫度對Hastelloy C-276合金與硅鋼間接觸換熱的影響如圖5所示。具體的實驗條件是：Hastelloy C-276合金試樣的初始溫度分別為400，600和800 ℃，硅鋼試樣的初始溫度為30 ℃，接觸載荷為7.8 MPa。

從圖5可以看出：對于不同的實驗條件，實驗得到的接觸換熱系數隨時間變化的規律基本一致。此外，接觸換熱系數隨著溫度的升高而增大，且高溫時，接觸換熱系數隨溫度增大的趨勢更大。這是因為隨著溫度的升高，材料的屈服強度和彈性模量降低，導致在加載時，試樣接觸表面上的微小接觸體將發生更大的變形，使實際接觸面積增大，界面換熱能力提高。

圖5 Hastelloy C-276合金試樣的初始溫度對接觸換熱系數的影響Fig.5 Effect of initial temperature of Hastelloy C-276 specimen on thermal contact conductance

2.4 接觸載荷對接觸換熱系數的影響

接觸載荷是影響界面間瞬態接觸換熱的另一重要因素。接觸載荷對Hastelloy C-276合金與硅鋼間接觸換熱的影響如圖6所示。具體的實驗條件是：Hastelloy C-276合金試樣的初始溫度為400 ℃，硅鋼試樣的初始溫度為30 ℃，接觸載荷分別為3.12，5.46，7.8和9.36 MPa。

圖6(a)所示為不同接觸載荷條件下接觸換熱系數隨時間的變化。從圖 6(a)可以看出：接觸換熱系數隨接觸載荷的增大而增大。這是由于當接觸載荷增大時，試樣表面微小接觸體的變形程度增大，實際接觸面積增加，換熱能力增強，熱流密度增大。

圖6(b)為接觸換熱穩定時(20 s)，接觸換熱系數與接觸載荷之間的關系。對實驗值擬合后發現，接觸換熱系數與接觸載荷近似呈e指數關系，關系式為：

圖6 接觸載荷對接觸換熱系數的影響Fig.6 Effect of contact pressure on thermal contact conductance

其中：hc為接觸換熱系數(kW/(m2·℃))；p為接觸載荷(MPa)；A 和B為常數，A為 0.418 kW/(m2·℃)，B 為0.291 MPa-1。

3 結論

(1) 試樣校核測溫點溫度的實測值與計算值基本吻合，表明測量裝置和方法可靠。

(2) 接觸發生后，接觸換熱系數在很短的時間內快速增大，隨著時間的延長，逐漸趨于穩定。

(3) 保持接觸載荷不變，接觸換熱系數隨著Hastelloy C-276合金試樣初始溫度的升高而增大；保持Hastelloy C-276合金試樣的初始溫度不變，接觸換熱系數隨接觸載荷的增大而增大，且當接觸換熱達到穩定時，接觸換熱系數與接觸載荷近似呈指數關系。

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