分析多孔管子管板液壓脹接性能

引言

核電蒸汽發生器管子管板接頭普遍采用脹接和焊接結合的連接方法。管子管板的脹接，能夠消除換熱器管子和管板管孔間的初始間隙，提高管子管板接頭耐壓、耐高溫和抵御載荷波動的能力，降低應力腐蝕和疲勞破壞的風險。液壓脹接原理

1 多孔管板脹接理論計算

1.1 計算參數

表1 計算參數選值

多孔管子管板的脹接，難以獲得準確的解析解，工程應用中采用簡化的兩端開口的套筒模型，模型中將每個換熱管簡化為內層圓筒，管板周圍區域（至孔橋邊界或當量套筒外徑處）簡化為外層圓筒，套筒模型見圖1。其影響參數主要包括管內外徑、管板孔內徑、當量外徑、孔間隙、材料的應變強化等，計算參數選用表1中數值。

1.2 材料性能

管子和管板均有可能會發生塑性變形，因此在有限元分析過程中采用SA508和SB163 N066 90的真應力—應變曲線作為非線性強化數據。為了提高分析結果的精度，采用多線性強化，即采用圖2中真應力—應變曲線作為分析使用的強化準則。

1.3 計算結果對比

周圍孔未脹接時，采用Krips，Yokell，顏惠庚及王海峰等給出的公式進行雙套筒脹接模型計算，液壓脹接壓力計算結果見表 3。

表3 脹接壓力計算對比

對脹后殘余接觸壓力采用考慮材料應變強化后計算對比，采用王海峰的計算公式及傅智勇等給出的周圍孔脹后的當量厚度確定方法進行計算，結果表明，在220～28 0Mpa的脹接壓力范圍內，當周圍孔已全部脹接時，殘余接觸壓力結果小于周圍孔未脹接的值，差值小于2%，如圖3所示。因此，對于AP1000蒸汽發生器孔數大于20000的多孔管板，脹后的殘余應力分布均勻，則可以忽略此影響。

2 數值模擬

考慮不同的布孔方式及脹管位置，采用ANSYS建立二維管子管板模型，應用表1中的規格參數及圖2的材料性能參數。管孔和脹管位置采用圖4所示的兩種方式。

2.1 有限元分析模型

在進行脹接分析時，接頭結構選擇產品的布孔方式，考慮計算效率，對分析模型進行簡化，包括套筒模型和中心軸對稱3 0°角度模型，截面如圖5所示。

因為AP1000蒸汽發生器布孔為正三角形，兩種模型均可作為分析模型，在進行全長度脹接分析時，本課題因為管板厚度較厚，同時正三角布孔方式中心對稱，因此為了節省計算資源，1/12的30°模型。采用Inventor進行繪制，導入至ANSYS軟件進行網格劃分。30°模型見圖6。

對30°范圍的對稱性幾何結構建立有限元模型，管子管板接頭的脹接及拉脫過程的計算模擬包含了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性，屬于高度非線性問題，所以選用8節點非協調單元C3D81，網格采用六面體網格。由于脹接后，在近管板近表面的接觸面上將出現兩個高應力環帶，所以該區域網格劃分較密。有限元網格如圖7所示。

2.2 載荷和邊界條件

2.2.1 載荷

脹接壓力加載將根據產品實際脹接過程，在管板一次側起始端至二次側全程加壓。實際產品脹接時，需要嚴格控制壓力升壓、保壓和降壓過程，因此設定了升壓速度 、保壓時間和降壓速度。分析加載如圖8所示。

2.2.2 邊界條件

邊界條件如圖9所示，定義如下：

(1)對稱邊界條件：面1，3，5為管板0°和30°截面，面6，7為換熱管0°和30°截面；

(2)自由邊界：面2為管板相鄰孔表面，面12為換熱管二次側開口端面；

(3)軸向約束邊界：面10為換熱管一次側端面，面9和面11為管板一、二次側端面；

(4)徑向約束邊界：面4；

(5)壓力戴荷：面8為換熱管內表面。

拉脫模擬過程中對面12施加位移載荷。

3 結語

為了準確評價脹接性能，在進行脹接試驗或評定時，應根據孔橋及孔中心距的尺寸，確定合適的需要脹接的管間距，一般以間隔1層（1周）孔為宜。

對于多孔管板，不同位置管子管板脹接性能會分布不均，可以通過對不同位置、采用不同的脹接壓力的方式來抵消脹接順序和孔位置的影響，這還需要進行更為深入地研究。

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