Способ повышения прочности сварного соединения теплообменной трубы с трубной доской теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем
METHOD FOR INCREASING STRENGTH OF WELDED SEAM OF HEAT EXCHANGE PIPE WITH TUBE PLATE OF HEAT EXCHANGE APPARATUS WITH LIQUID METAL HEAT EXCHANGE MEDIUM

Изобретение относится к способам повышения прочности сварных соединений теплообменной техники, а более конкретно к способам повышения прочности сварных соединений теплообменных труб с трубной доской парогенерирующих установок атомных электрических станций с жидкометаллическим теплоносителем.
Известен способ повышения прочности соединений путем нарезки, вокруг рассматриваемого соединения разгружающей проточки (Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. - 3-изд. - М.: Машиностроение, 1979. - 702 с., стр. 105, рис. 8г.) - принят за прототип.
Недостатком данного способа при его применении в сварном соединении теплообменной трубы с трубной доской теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем является недостаточный уровень снижения напряжений в данном сварном соединении и, как следствие, недостаточный уровень повышения прочности данного сварного соединения.
Задачей изобретения является существенное снижения уровня напряжений в сварном соединении теплообменной трубы с трубной доской теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем и повышение прочности данного сварного соединения путем нарезки вокруг рассматриваемого соединения разгружающей проточки со специальными геометрическими размерами.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем путем повышения прочности сварных соединений теплообменных труб с трубной доской.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе повышения прочности соединений рассматриваемого сварного соединения теплообменной трубы с трубной доской теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем за счет нарезки разгружающей проточки согласно предлагаемому изобретению отношение глубины разгружающей проточки Н к внутреннему диаметру D отверстия в трубной доске под теплообменную трубу должно быть не менее 0,5 и не более 2,5.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1.
На фиг. 1 показан фрагмент теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем, на котором вокруг одного сварного соединения теплообменной трубы с трубной доской реализован предложенный способ повышения прочности и нарезана разгружающая проточка со специальными геометрическими размерами.
Способ повышения прочности сварного соединения 1 теплообменной трубы 2 с трубной доской 3 теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем за счет нарезки разгружающей проточки 4, согласно предлагаемому изобретению отношение глубины разгружающей проточки Н к внутреннему диаметру D отверстия в трубной доске под теплообменную трубу не менее 0,5 и не более 2,5.
Способ повышения прочности сварного соединения теплообменной трубы с трубной доской теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем реализуется следующим образом. При работе теплообменного аппарата жидкометаллический теплоноситель поступает в межтрубное пространство теплообменного аппарата, отдавая тепло через стенку теплообменных труб 2 рабочему телу, находящемуся внутри теплообменных труб. В связи с тем, что рабочее тело находится под давлением, происходит нагружение трубной доски 3, ее деформация и изгиб в сторону межтрубного пространства, при этом на внутренней и внешней плоскостях трубной доски возникают значительные напряжения. В связи с тем, что отверстия в трубной доске под теплообменные трубы являются концентраторами напряжений, то еще более высокие напряжения возникают в сварном соединении 1 теплообменной трубы 2 с трубной доской 3. Высокие напряжения в сварном соединении теплообменной трубы с трубной доской могут привести к повреждению данного сварного соединения. При деформации плоских трубных досок, сварные соединения теплообменных труб с трубной доской нагружаются не одинаково, в связи с чем появляется определенное количество сварных соединений теплообменных труб с трубной доской, напряжения в которых максимальны, и возникает необходимость снижения напряжений в этих сварных соединениях. Для снижения напряжений в зоне отверстий в трубной доске под теплообменные трубы может применяться способ выполнения разгрузочной канавки. Нарезанная вокруг отверстия в трубной доске под теплообменную трубу разгрузочная канавка позволяет физически отсоединить сварное соединение теплообменной трубы с трубной доской от плоскости трубной доски, при этом деформации и напряжения, возникающие на плоскости трубной доски, передаются в сварное соединение теплообменной трубы с трубной доской с существенным снижением. Проведенные исследования с применением 3D-моделирования и метода конечных элементов показали, что выполнение разгрузочных канавок с известной геометрией (как в прототипе) не является оптимальным и при увеличении относительной (по отношению к диаметру отверстия в трубной доске) глубины разгрузочной канавки происходит существенное снижение напряжений в сварном соединении теплообменной трубы с трубной доской, что ранее было не известно из уровня техники.
В отличие от прототипа, где глубина разгрузочной канавки равна 0,12⋅d, где d - внутренний диаметр отверстия, т.е. отношение глубины разгрузочной канавки к внутреннему диаметру отверстия равно 0,12, в предлагаемом изобретении отношение глубины разгружающей проточки Н к внутреннему диаметру D отверстия в трубной доске под теплообменную трубу не менее 0,5 и не более 2,5. Проведенные исследования показали, что при увеличении относительной (по отношению к диаметру отверстия) глубины разгрузочной канавки более 0,5 происходит существенное (в 2-3 раза) снижение напряжений в сварном соединении теплообменной трубы с трубной доской. Увеличение снижения напряжений в сварном соединении теплообменной трубы с трубной доской прекращается при отношение глубины разгружающей проточки Н к внутреннему диаметру D отверстия в трубной доске более 2,5.
Предложенный способ позволяет не проводить повышение прочности во всех сварных соединениях теплообменных труб с трубной доской теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем, а выборочно снижать напряжения в наиболее нагруженных сварных соединениях теплообменных труб с трубной доской теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем и соответственно повышать их прочность.
Таким образом, внедрением предлагаемого решения достигается повышение эксплуатационной надежности теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем путем повышения прочности сварных соединений теплообменных труб с трубной доской.
Экономическая эффективность применения предлагаемого технического решения определяется снижением вероятности повреждения теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем, отсутствием затрат на ремонт данных повреждений и увеличением срока службы теплообменного аппарата с жидкометаллическим теплоносителем.