换热器传热管磨损寿命的可靠性研究

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传热管作为蒸汽发生器一、二回路中关键的交界面,承受着应力集中、振动、腐蚀等挑战,在传热管众多失效形式中,传热管与抗振条间的磨损占有较大的比重,对发生磨损的传热管难以进行更换,只能采取堵管的方式。传热管的磨损受到载荷,温度等因素的影响,而这些因素具有很多的不确定性。因此,开展传热管磨损寿命的可靠性研究对于核电设备的完整性具有重要的理论价值和工程指导意义。本论文利用自行设计的试验装置,开展了传热管振动特性试验,采用弹簧模拟传热管与抗振条间的摩擦约束,建立了基于夹紧力与弹簧刚度K函数关系的载荷边界简化的磨损计算方法,提出了一种预测传热管磨损寿命的可靠性分析方法,指出了影响传热管寿命的关键因素,并通过改进已搭建装置,对传热管进行了冲击磨损试验研究,主要的研究内容和结论如下:(1)通过试验讨论了抗振条对传热管振动特性的影响。夹紧力越大,传热管受到的约束越强,则刚度越大,传热管固有频率也越大。当传热管与抗振条间存在间隙时,随着间隙的增加,振动的频率会逐渐减小。抗振条的数量也会影响传热管振动的频率。当传热管上抗振条的数量增加到3倍时,在同样夹紧力情况下传热管的频率会增加到原来的4倍。传热管在夹紧力为20N时的固有频率为27.1 Hz,与理论计算值25.53 Hz比较符合。(2)采用弹簧模拟传热管与抗振条间摩擦约束,建立了基于夹紧力与弹簧刚度K函数关系的载荷边界简化的磨损计算方法,在抗振条夹紧力为40 N及特定的流体流速条件下,得到传热管与抗振条的接触位置磨损量为0.3972 mm3,磨损深度为0.006 mm,未达到壁厚的10%,该状态下的失效概率为8.064×10-6。(3)考虑传热管与抗振条间的间隙、传热管直径等参数的随机性,利用可靠性的分析方法,建立了磨损失效的预测方法,得到了可靠性指标对于传热管与抗振条间的间隙、传热管直径等参数的敏感性。结果表明,传热管与抗振条间的间隙Ce以及流体弹性稳定常数α对传热管寿命的影响比较大,在工程实际运用中,提高加工的工艺水平,来控制孔径差尺寸的标准差。(4)随着夹紧力的不断减小至0,传热管的振动的幅度越来越大,传热管剥落坑的边缘轮廓也渐渐模糊,出现整体剥落的现象,磨损愈加严重。可靠性分析中认为传热管与支承件间隙为影响磨损寿命的关键因素,当增加传热管与抗振条的间隙时,磨痕面积也呈现逐渐増加的趋势。间隙为0μm和1μm,磨损表面呈现典型的部分滑移区光镜形貌,即较深颜色的边缘滑动区环绕较浅颜色的区域。当间隙为2μm时,磨痕面积逐渐増加,磨损愈加严重。
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