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超薄管板式换热器的失效分析与改进

点击:828 日期:[ 2014-04-26 22:21:08 ]
                          超薄管板式换热器的失效分析与改进                                      房 黎 东               (营口市锅炉压力容器检验研究所  辽宁营口115000)       摘要:机车、飞机、航天器上使用的换热器通常都是超薄管板换热器,保证换热器的安全可靠运行至关重要.在对这些换热器发生的泄漏和失效情况做了总结的基础上,提出了在设计、制造中应注意的问题和改进的方法.     关键词:超薄;管板;失效;改进     中图分类号:TK4    文献标识码:A    文章编号:1008-5688(2006)03-0086-02     1 问题的提出     超薄管板换热器近年在机车上得到了广泛应用,但如何保证其运行稳定、安全可靠是一个引人注意的问题.东风4C装机后换热器事故频频发生,一时成了机车质量问题的中心之一.青岛机务段从1996年开始到1998年装配的东风4C机车共有40多台.运行一小修期,就发生换热器损坏需更换的问题,每月更换高达15台换热器.上百台失效的换热器堆放在仓库中,损失惊人.因此,换热器设计、制造单位,机车厂都投入了很大的力量进行改进和研制.目前,湖北大冶登峰换热器有限公司、大连通用热动力公司、芜湖GEA机械制冷有限公司等单位都开发出了相应的换热器,解决了换热器泄漏问题.但换热器设计的合理性、经济性和制造工艺稳定性尚需进一步探讨.     2 换热器失效的方式及分析     以东风4C中冷器为例.根据笔者掌握的资料和赵守柱、冯德明等人[1]的调查,换热器的泄漏均在进气面前1~3排管,部位是冷却管与管板的连接处.其结构见图1.     图1中管板材料为T3,厚度为1 5mm;冷却管材料为T3,管壁厚为0 5mm.管板与冷却管采用银磷铜钎焊.这种中冷器用在东方红系列机车和东风4B系列以前的机车上没有出现过质量问题.但随着铁路运输的提速,机车功率提高了,进入中冷器的空气压力和温度也相应升高了,因此,中冷器换热量要提高,尺寸要加大.如果这时的中冷器只在原中冷器的基础上加长或加宽加深,而散热元件没有做改动,结果就会出现前文所述的情况.分析其原因,具体有以下几方面:     2 1 冷却管组自重变形的影响     冷却管组自重与冷却管长度是成正比的,管组的刚度和散热片与冷却管的连接形式及散热片结构又紧密相关.散热片的形式见图2.     管组的自重变形是典型的简支梁问题,见图3(见87页).其最大变形量为:y=(PL3) (48EJ)     式中:P-管组单组重量;E-弹性模量;J-截面极惯性矩.     管组越长重量P越大.y与L是3次方的关系.因此,管组的加长使弯曲变形更显著.同时,冷却管与散热片的连接是否牢固,对截面极惯性矩有很大影响.现行的方法是在真空炉内进行钎焊,如出现漏焊或虚焊就会极大地降低J的数值.     2 2 空气压力的影响     管板与冷却管连接处,由空气压力(0 3MPa)引起的拉脱应力大约为:                   σL=96/(46×1 5)=1 4MPa     这个数值虽然没超出标准许用拉脱力的值,但已经是很大了,接近许用拉脱力.     2 3 冷却管组自重引起的剪力和挤压应力     管板与冷却管连接处由芯组自重引起的剪切应力和挤压应力为:                        τ=Q Fj     式中:τ-剪切应力.Q-C截面的剪力,其值为P 2,P为单根冷却管及所承载的散热片的重量(散热片的总重 冷却管的根数).在上述图例中每米长度的重量约为2 3kg.冷却管长度一般在2m以上.因此,τ=23/(20×3-19×2)=1 045MPa, σjy=Pjy Fjy=Q Fjy,式中σjy-挤压应力,Fjy-挤压截面,其值为:Fjy=1 5×3=4 5mm2,σjy=23 4 5=5 1MPa.     这样的计算值在工程上是很大的.而在实际当中这两个应力还要远远大于计算值,实际上很有可能出现芯组的重量仅仅由几根冷却管来承担的情况.因此,要超过计算值几十倍.     2 4 银磷铜钎焊对连接强度的影响     银磷铜钎焊对连接强度的影响是很大的.银磷铜钎焊温度在800℃左右,而管板的厚度仅有1 5mm,管的壁厚只有0 5mm,焊接时火焰温度在1000℃以上,极易产生过烧.银磷铜钎焊强度大于450MPa,高于T3近一倍,这就更加大了连接处的内应力.如果将2 1~2 4影响综合考虑,在连接处有同时承受来自自重和压力的拉力、剪力、挤压力和难以确定和测量的焊接应力.使得这个小受力体受力十分复杂,由于管板厚度是1 5mm,使得受力体接近受力平面.各种应力的迭加和影响更突出.     2 5 振动的影响     由于主机的振动频率和强度提高,中冷器也会产生高频率的微小颤抖.连接处本来就处于复杂、高应力状态,再加上这样的振动影响,冷却管的疲劳是在所难免的.管板尤如一把切刀,不停的在切割冷却管.这同散热片在冷却管上没有焊牢,空气使其在管上振动而将管割断很相似.这些就是造成超薄管板换热器破损的主要原因.     3 改进的方法和措施     (1)管板的设计除了考虑拉脱强度、剪力、挤压力、焊接应力外,还要考虑振动的因素,这一点是很重要的.要有足够的管与管板的连接长度.增加管板厚度是最简单的方法,目前国内制造厂均把管板厚度提高到20mm以上.冷却管壁厚也增加到0 7mm以上.材料也有所变化,改为镍白铜(BFe10-1-1).但这样一来换热器的重量提高了,使得制造成本也随之提高.同时,运行费用的提高也是相当惊人的.新的中冷器要比原中冷器最少重30~40kg.若机车运行300km则要额外消耗1 2×105kW的功率,将额外耗油大约500kg.如果是在飞机、宇航器上,这种浪费是不允许的.因此,超薄管板的应用还应予以重视.建议将原厚度1 5mm改为2 5mm.同时,将管板孔的形式改为如图4所示.其余保持原结构不变,只将管板孔做成翻边孔,翻边高度为5mm.这种改进已经在海军潜艇主机滑油、淡水冷却器上得到很好的应用.     (2)管板与冷却管的连接改为锡钎焊,锡钎焊温度低(200℃),钎料强度一般在50MPa.因此,不易产生焊接变形和焊接热应力.且锡钎焊工艺稳定、容易控制,连接强度也与焊接母材T3相匹配.海军舰艇051G上的滑油、淡水冷却器改用锡钎焊效果相当令人满意,已通过海军鉴定.     (3)管组要加支撑,减少自重引起的变形和减小振动频率及振幅以防产生共振.支撑板间距应在1000mm左右.     (4)散热片与冷却管的连接要牢靠坚固,要严格执行焊接工艺的控制.如有条件应改为胀接.胀接比焊接工艺简单,生产过程更容易控制,散热片与冷却管连接实际接触面积更大,芯组整体刚性更高.这种技术随着制冷技术的发展更臻于成熟和先进.因此,机械连接固定工艺将会被更广泛地应用.     (5)超薄管板的厚度计算是一个相当复杂的问题,目前,国内尚没有规范和标准规定.因此,只能根据具体情况和条件进行设计和计算,一般都应进行相应的模拟试验.建议参考下列要求:     (a)δ=3t,t-冷却管壁厚;     (b)δ=0 85d,d-冷却管外径;     (c)最小极限厚度应大于4mm,取其中较大值.     4 结束语     超薄管板换热器在我国有很大的开发市场和发展前景,目前有很多技术和工艺问题需要去研究解决.不能单靠加厚管板和冷却管壁厚的简单方法去解决问题.要采用新技术、新工艺、新材料等先进的科学方法,加强超薄管板应力的理论研究、分析.建立自己的可靠实用的设计和制造体系.相信超薄管板换热器会得到更加广泛的应用和推广.     参考文献:     [1]冯德明.胀管连接的机车柴油机中冷器[J].内燃机车,1998,(8):12-16.     [2]孙训方.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2002.     [3]俞尚知.焊接工艺人员手册[M].上海:上海科学技术出版社出版,1991.(责任编辑 胡坤,王巍)
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