3D打印在凝汽器冷卻管方面的應(yīng)用

田 柯 惠坤龍 段旭東 李新民 陳子恒

（西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 710065）

1 研究背景

在現(xiàn)代科技進步的驅(qū)使下，3D打印技術(shù)逐漸興起，該技術(shù)是以數(shù)字模型作為基礎(chǔ)，將一些可粘合的材料，諸如粉末狀的金屬、塑料等，通過逐層打印的方法來塑形或構(gòu)造出物體的技術(shù)，目前該項技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)開始利用，其特點是經(jīng)濟成本較低，加工周期短，還易于修改產(chǎn)品。近年來，3D打印技術(shù)得到了快速發(fā)展，在工業(yè)、機械、軍事、建筑、影視、家電、醫(yī)學(xué)、考古、文化、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，同時吸引了國內(nèi)外工業(yè)界、投資界、學(xué)術(shù)界、新聞媒體和社會公眾的熱切關(guān)注。

德國西門子現(xiàn)已廣泛利用增材制造技術(shù)實現(xiàn)快速原型制作，現(xiàn)已有3D打印汽輪機葉片滿負荷運行試驗成功、西門子重型燃氣輪機的3D打印部件。汽輪機是以蒸汽為工質(zhì)的將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的旋轉(zhuǎn)式原動機，德凝汽器的主要作用有兩點，一是應(yīng)在汽輪機排汽口建立并保持高度真空，二是鍋爐給水是指在汽輪機排汽凝結(jié)的水。所以，凝汽器冷卻管的腐蝕結(jié)垢在很大程度影響了發(fā)電機組的運行效率。

2 原理

2.1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)又稱為增材制造，或增量制造。指基于三維數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)，通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術(shù)。相比傳統(tǒng)的材料加工技術(shù)，3D打印技術(shù)有許多突出的優(yōu)勢。3D打印技術(shù)徹底改變了傳統(tǒng)切削加工方式，有利于提高材料利用率，是一種成長式的加工方式，也是一項顛覆傳統(tǒng)制造方式的革命性制造技術(shù)，國內(nèi)稱之為“增材制造”。

目前，應(yīng)用范圍較廣的3D打印材料為工程塑料，具有工程塑料良好的機械強度，也具有較理想的熱穩(wěn)定性，因此，這些材料打印出的產(chǎn)品可以為大多數(shù)工業(yè)和民用場合所用，丙烯腈－丁二烯－苯乙共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）和聚酰胺（尼龍，PA）[1]等都是典型的3D打印用工程塑料。最早用于熔融沉積成型（FDM）技術(shù)的材料是ABS，目前，該熱塑性耗材也常用于FDM打印工藝領(lǐng)域。ABS打印溫度為210～260℃，玻璃轉(zhuǎn)化溫度為105℃，打印時需要將底板加熱。ABS具有強度較高、耐沖擊、韌性較好、抗腐蝕、絕緣性能好、耐低溫、容易出絲和著色等相當多的優(yōu)點，其打印產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定，同時具有較理想的強度[2]。

2.2 凝汽器冷卻管

在現(xiàn)代化國家中，汽輪機是重要的動力機械設(shè)備之一，汽輪機發(fā)電機組的做功為全世界消耗電能的80%左右提供能量。目前，凝汽器在安全性、可靠運行性方面，凝汽器冷卻管的腐蝕受損仍然是主要受困原因之一。冷卻管的泄露攜帶著凝結(jié)水系統(tǒng)中的污物進入冷卻管，是導(dǎo)致凝汽器冷卻管發(fā)生蒸汽側(cè)腐蝕、凝汽器冷卻管發(fā)生水側(cè)腐蝕主要原因，其中，凝汽器冷卻管水側(cè)的腐蝕不僅與冷卻水質(zhì)、冷卻管的材質(zhì)、水速有關(guān)，附加保護、清洗方式等諸多因素也影響著凝汽器冷卻管水側(cè)的腐蝕[3]。

工程塑料制作而成的高質(zhì)量的塑料冷卻管，它的各個節(jié)使用精密的注塑工藝制成，經(jīng)過精確的計算其各節(jié)點連接接觸曲面后，使用很高的注塑技術(shù)制造而成，是液體及氣體媒質(zhì)的綜合引導(dǎo)系統(tǒng)，壓強可以達到4pa。僅靠自身接觸曲面，無需加任何導(dǎo)管，即可有極好的密封性，其緊密配合的接觸面足以保證在高壓水的沖擊作用下，冷卻水管始終保持在初始位置不變，真正意義上的模塊式結(jié)構(gòu)是萬向塑料冷卻管。

彎曲的金屬管構(gòu)成了冷卻管，其安裝在液體中，是動力設(shè)備的重要部分。通過冷卻管，動力系統(tǒng)工作產(chǎn)生的廢氣可以降低溫度。它分為一般金屬和塑料兩種，適用于機床、數(shù)控機床作油、水冷卻系統(tǒng)、液壓機械等場所。

3 3D打印冷卻管

3.1 打印技術(shù)及原理

根據(jù)冷卻管形狀、規(guī)格等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立三維數(shù)學(xué)模型，通過連續(xù)的二維度物理層打印的疊加，實現(xiàn)對冷卻管曲面的打印，然后再由逐漸增加的層級材料來生成三維實體技術(shù)。此種基于3D打印技術(shù)的冷卻管是一種增材過程，因為是從零開始構(gòu)建物體的，不需利用鉆孔、切割、銑削等方式進行加工。

3.2 打印材料

傳統(tǒng)冷卻管基本可分為金屬和塑料兩種。傳統(tǒng)的金屬冷卻管主要以銅材質(zhì)為主。僅以3D打印技術(shù)就金屬結(jié)構(gòu)而言，鈦合金技術(shù)在技術(shù)上的實現(xiàn)程度較完好，而其他Al、Fe、Cu、Mg、Ni等金屬材料，大部分在技術(shù)上無法實現(xiàn)，或打印出的物體性能和經(jīng)濟方面不現(xiàn)實。因此，我們可利用鈦合金自身的特性以及技術(shù)上的完善，制作3D打印鈦合金金屬管。

3D打印冷卻管的選材可依據(jù)傳統(tǒng)制作的塑料材質(zhì)，傳統(tǒng)塑料冷卻常用型號3/4、1/2、3/8、1/4。同時，也可采用ABS塑料材質(zhì)，其具有強度較高、韌性較好、耐沖擊、抗腐蝕等特點，能夠延長ABS材質(zhì)的冷卻管壽命。

3.3 可行性

選擇3D打印制造冷卻管具有以下優(yōu)點。

一是由于凝汽器冷卻管易發(fā)生腐蝕受損，在一定時間內(nèi)需要被更換，傳統(tǒng)冷卻管制作工藝復(fù)雜，且金屬（銅）冷卻管造價較高，工廠需要多年連續(xù)運行，銅管等腐蝕程度過大時，選擇更換冷卻管。但3D打印冷卻管，只需建立數(shù)學(xué)模型后便能進行大批量生產(chǎn)，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床或任何模具，可在腐蝕程度過輕時更換，縮短有效的產(chǎn)品研發(fā)周期及更換時間，以保證機組效率。同時，還能提高冷卻管的硬度、強度、耐腐蝕、減輕自身重量等。

二可節(jié)省材料（尤其是金屬材料），不用除掉邊角廢料，可提高打印材料的利用效率，進一步降低生產(chǎn)成本。

三是能提高保護冷卻管的精度，減少其細小縫隙存在，保證使用時長。

四是可遠程打印冷卻管，由于網(wǎng)絡(luò)可傳遞數(shù)字化的文件，從而可以實現(xiàn)異地之間分散化的制造生產(chǎn)，節(jié)省了路程運輸這一成本，避免運輸中出現(xiàn)損壞等現(xiàn)象，在一定程度上保證了冷卻管的安全性。

4 結(jié)語

近年來，3D打印技術(shù)飛速發(fā)展。德國西門子3D打印汽輪機葉片滿負荷運行試驗成功，實現(xiàn)了技術(shù)上的突破，表明3D打印技術(shù)在汽輪機等方面的應(yīng)用前景良好。3D打印的凝汽器冷卻管具有易制作、更換時間短、省材料、精度高等特點，盡管我國3D技術(shù)在汽輪機方面的應(yīng)用較少，但隨著技術(shù)的不斷成熟，3D技術(shù)將會更好地應(yīng)用在汽輪機等國家重要的動力機械設(shè)備中。