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超薄管板式換熱器的失效分析與改進點擊：1958 日期：[ 2014-04-26 22:21:08 ] |
| 超薄管板式換熱器的失效分析與改進 房 黎 東 (營口市鍋爐壓力容器檢驗研究所 遼寧營口115000) 摘要:機車、飛機、航天器上使用的換熱器通常都是超薄管板換熱器,保證換熱器的安全可靠運行至關重要.在對這些換熱器發生的泄漏和失效情況做了總結的基礎上,提出了在設計、制造中應注意的問題和改進的方法. 關鍵詞:超薄;管板;失效;改進 中圖分類號:ＴＫ4 文獻標識碼:Ａ 文章編號:1008-5688(2006)03-0086-02 1 問題的提出 超薄管板換熱器近年在機車上得到了廣泛應用,但如何保證其運行穩定、安全可靠是一個引人注意的問題.東風4Ｃ裝機后換熱器事故頻頻發生,一時成了機車質量問題的中心之一.青島機務段從1996年開始到1998年裝配的東風4Ｃ機車共有40多臺.運行一小修期,就發生換熱器損壞需更換的問題,每月更換高達15臺換熱器.上百臺失效的換熱器堆放在倉庫中,損失驚人.因此,換熱器設計、制造單位,機車廠都投入了很大的力量進行改進和研制.目前,湖北大冶登峰換熱器有限公司、大連通用熱動力公司、蕪湖ＧＥＡ機械制冷有限公司等單位都開發出了相應的換熱器,解決了換熱器泄漏問題.但換熱器設計的合理性、經濟性和制造工藝穩定性尚需進一步探討. 2 換熱器失效的方式及分析 以東風4Ｃ中冷器為例.根據筆者掌握的資料和趙守柱、馮德明等人[1]的調查,換熱器的泄漏均在進氣面前1～3排管,部位是冷卻管與管板的連接處.其結構見圖1. 圖1中管板材料為Ｔ3,厚度為1 5ｍｍ;冷卻管材料為Ｔ3,管壁厚為0 5ｍｍ.管板與冷卻管采用銀磷銅釬焊.這種中冷器用在東方紅系列機車和東風4Ｂ系列以前的機車上沒有出現過質量問題.但隨著鐵路運輸的提速,機車功率提高了,進入中冷器的空氣壓力和溫度也相應升高了,因此,中冷器換熱量要提高,尺寸要加大.如果這時的中冷器只在原中冷器的基礎上加長或加寬加深,而散熱元件沒有做改動,結果就會出現前文所述的情況.分析其原因,具體有以下幾方面: 2 1 冷卻管組自重變形的影響 冷卻管組自重與冷卻管長度是成正比的,管組的剛度和散熱片與冷卻管的連接形式及散熱片結構又緊密相關.散熱片的形式見圖2. 管組的自重變形是典型的簡支梁問題,見圖3(見87頁).其最大變形量為:ｙ=(ＰＬ3) (48ＥＪ) 式中:Ｐ-管組單組重量;Ｅ-彈性模量;Ｊ-截面極慣性矩. 管組越長重量Ｐ越大.ｙ與Ｌ是3次方的關系.因此,管組的加長使彎曲變形更顯著.同時,冷卻管與散熱片的連接是否牢固,對截面極慣性矩有很大影響.現行的方法是在真空爐內進行釬焊,如出現漏焊或虛焊就會極大地降低Ｊ的數值. 2 2 空氣壓力的影響 管板與冷卻管連接處,由空氣壓力(0 3ＭＰａ)引起的拉脫應力大約為: σＬ=96/(46×1 5)=1 4ＭＰａ 這個數值雖然沒超出標準許用拉脫力的值,但已經是很大了,接近許用拉脫力. 2 3 冷卻管組自重引起的剪力和擠壓應力 管板與冷卻管連接處由芯組自重引起的剪切應力和擠壓應力為: τ=Ｑ Ｆｊ 式中:τ-剪切應力.Ｑ-Ｃ截面的剪力,其值為Ｐ 2,Ｐ為單根冷卻管及所承載的散熱片的重量(散熱片的總重 冷卻管的根數).在上述圖例中每米長度的重量約為2 3ｋｇ.冷卻管長度一般在2ｍ以上.因此,τ=23/(20×3-19×2)=1 045ＭＰａ, σｊｙ=Ｐｊｙ Ｆｊｙ=Ｑ Ｆｊｙ,式中σｊｙ-擠壓應力,Ｆｊｙ-擠壓截面,其值為:Ｆｊｙ=1 5×3=4 5ｍｍ2,σｊｙ=23 4 5=5 1ＭＰａ. 這樣的計算值在工程上是很大的.而在實際當中這兩個應力還要遠遠大于計算值,實際上很有可能出現芯組的重量僅僅由幾根冷卻管來承擔的情況.因此,要超過計算值幾十倍. 2 4 銀磷銅釬焊對連接強度的影響 銀磷銅釬焊對連接強度的影響是很大的.銀磷銅釬焊溫度在800℃左右,而管板的厚度僅有1 5ｍｍ,管的壁厚只有0 5ｍｍ,焊接時火焰溫度在1000℃以上,極易產生過燒.銀磷銅釬焊強度大于450ＭＰａ,高于Ｔ3近一倍,這就更加大了連接處的內應力.如果將2 1～2 4影響綜合考慮,在連接處有同時承受來自自重和壓力的拉力、剪力、擠壓力和難以確定和測量的焊接應力.使得這個小受力體受力十分復雜,由于管板厚度是1 5ｍｍ,使得受力體接近受力平面.各種應力的迭加和影響更突出. 2 5 振動的影響 由于主機的振動頻率和強度提高,中冷器也會產生高頻率的微小顫抖.連接處本來就處于復雜、高應力狀態,再加上這樣的振動影響,冷卻管的疲勞是在所難免的.管板尤如一把切刀,不停的在切割冷卻管.這同散熱片在冷卻管上沒有焊牢,空氣使其在管上振動而將管割斷很相似.這些就是造成超薄管板換熱器破損的主要原因. 3 改進的方法和措施 (1)管板的設計除了考慮拉脫強度、剪力、擠壓力、焊接應力外,還要考慮振動的因素,這一點是很重要的.要有足夠的管與管板的連接長度.增加管板厚度是最簡單的方法,目前國內制造廠均把管板厚度提高到20ｍｍ以上.冷卻管壁厚也增加到0 7ｍｍ以上.材料也有所變化,改為鎳白銅(ＢＦｅ10-1-1).但這樣一來換熱器的重量提高了,使得制造成本也隨之提高.同時,運行費用的提高也是相當驚人的.新的中冷器要比原中冷器最少重30～40ｋｇ.若機車運行300ｋｍ則要額外消耗1 2×105ｋＷ的功率,將額外耗油大約500ｋｇ.如果是在飛機、宇航器上,這種浪費是不允許的.因此,超薄管板的應用還應予以重視.建議將原厚度1 5ｍｍ改為2 5ｍｍ.同時,將管板孔的形式改為如圖4所示.其余保持原結構不變,只將管板孔做成翻邊孔,翻邊高度為5ｍｍ.這種改進已經在海軍潛艇主機滑油、淡水冷卻器上得到很好的應用. (2)管板與冷卻管的連接改為錫釬焊,錫釬焊溫度低(200℃),釬料強度一般在50ＭＰａ.因此,不易產生焊接變形和焊接熱應力.且錫釬焊工藝穩定、容易控制,連接強度也與焊接母材Ｔ3相匹配.海軍艦艇051Ｇ上的滑油、淡水冷卻器改用錫釬焊效果相當令人滿意,已通過海軍鑒定. (3)管組要加支撐,減少自重引起的變形和減小振動頻率及振幅以防產生共振.支撐板間距應在1000ｍｍ左右. (4)散熱片與冷卻管的連接要牢靠堅固,要嚴格執行焊接工藝的控制.如有條件應改為脹接.脹接比焊接工藝簡單,生產過程更容易控制,散熱片與冷卻管連接實際接觸面積更大,芯組整體剛性更高.這種技術隨著制冷技術的發展更臻于成熟和先進.因此,機械連接固定工藝將會被更廣泛地應用. (5)超薄管板的厚度計算是一個相當復雜的問題,目前,國內尚沒有規范和標準規定.因此,只能根據具體情況和條件進行設計和計算,一般都應進行相應的模擬試驗.建議參考下列要求: (ａ)δ=3ｔ,ｔ-冷卻管壁厚; (ｂ)δ=0 85ｄ,ｄ-冷卻管外徑; (ｃ)最小極限厚度應大于4ｍｍ,取其中較大值. 4 結束語 超薄管板換熱器在我國有很大的開發市場和發展前景,目前有很多技術和工藝問題需要去研究解決.不能單靠加厚管板和冷卻管壁厚的簡單方法去解決問題.要采用新技術、新工藝、新材料等先進的科學方法,加強超薄管板應力的理論研究、分析.建立自己的可靠實用的設計和制造體系.相信超薄管板換熱器會得到更加廣泛的應用和推廣. 參考文獻: [1]馮德明.脹管連接的機車柴油機中冷器[Ｊ].內燃機車,1998,(8):12-16. [2]孫訓方.材料力學[Ｍ].北京:高等教育出版社,2002. [3]俞尚知.焊接工藝人員手冊[Ｍ].上海:上?？茖W技術出版社出版,1991.(責任編輯 胡坤,王巍) |
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