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鈦合金材料與目前廣泛應用的B30冷卻管材相比具有重量輕、強度大、耐海水腐蝕能力強等許多優(yōu)良特性。我國秦山核電站、上海金山熱電廠及浙江鎮(zhèn)海電廠等沿海電站的冷凝器采用鈦冷卻管后均取得了預期效果。近期開發(fā)出一種TA2材料制作的雙側(cè)強化換熱管-波槽管。實驗結(jié)果表明，其強化換熱效果顯著。然而由于波槽管是滾軋成型，故存在應力集中的影響。本研究在鈦波槽管力學參數(shù)測試的基礎上，對其疲勞強度和靜載強度進行了有限元分析計算。
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。對鈦光滑管和鈦波槽管進行了拉伸和疲勞對比試驗，結(jié)果如表所示。表中，ab為強度極限，對稱疲勞極限。
圖是冷凝器冷卻管的簡圖。為簡化計算，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支梁。所以，其計算模型可簡化為受橫向均布載荷的兩段橫梁。許用跨距可由文獻提供的經(jīng)驗公式計算。式中，L為冷卻管許用跨距。為音速條件下與蒸汽壓力有關的基本跨距，管徑、壁厚及冷凝器壓力有關的修正系數(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，假設孔橋b=10mm、冷凝器壓力P=15kPa。由文獻的有關表格可得：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。假設鈦波槽管的端跨距與中間跨距的取值與光滑管相同，則應取許用跨距L=0.541，mo=3.1.2。國內(nèi)常用經(jīng)驗公式目前，在國內(nèi)冷凝器設計中，經(jīng)常用來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。
由上述兩種計算方法，一共求出了4個最大許用跨距，在強度分析時考慮到安全，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)生在彎曲應力的最大點。圖所示是一典型的超靜定問題，它的最大彎矩分布在端部A處，其大小為圖所示是一個簡支梁問題，很顯然最大彎矩分布在EF段的中間處，其值與式相同。通過上面的分析得出，危險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。通過簡單計算有：g1=1.587N/m，g2=1.658N/m，由下式計算管的投影面積(即為外徑)。由于兩個危險截面上的彎矩相等，所以冷卻管受應力循環(huán)時兩個危險截面上的最大工作彎曲應力amax、和最小工作彎曲應力amin。由于測定持久極限的疲勞試驗是對具體構(gòu)件進行的，應力集中、表面光潔度、尺寸等因素的影響已在測得中體現(xiàn)，可見冷凝器正常運行時鈦波槽管能滿足疲勞強度條件。
上一節(jié)計算得到的鈦波槽管危險截面上的最大彎曲應力并不是真實的應力值，只是把波槽管當量成光滑管處理。這樣做顯然忽略了波紋槽處的應力集中，尤其是最大應力要比真實情況小得多，所以需要對其進行數(shù)值計算。對鈦波槽管進行靜載強度分析時，除了考慮上述的非對稱循環(huán)載荷外，還有一個不可忽視的因素：冷凝器在正常運行時，在殼側(cè)與管側(cè)存在一定的溫度差，可導致波槽管內(nèi)產(chǎn)生很大的熱應力。冷卻管受橫向載荷作用下在管子橫截面上的應力線性分布，最大彎曲應力amax為11.85MPa，最小彎曲應力為零。由于管板與管子的接口處管段為光滑管，沒有應力集中，不必進行數(shù)值計算。
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