3D打印在凝汽器冷却管方面的应用

田 柯 惠坤龙 段旭东 李新民 陈子恒

（西安石油大学 机械工程学院，西安 710065）

1 研究背景

在现代科技进步的驱使下，3D打印技术逐渐兴起，该技术是以数字模型作为基础，将一些可粘合的材料，诸如粉末状的金属、塑料等，通过逐层打印的方法来塑形或构造出物体的技术，目前该项技术已经在国内开始利用，其特点是经济成本较低，加工周期短，还易于修改产品。近年来，3D打印技术得到了快速发展，在工业、机械、军事、建筑、影视、家电、医学、考古、文化、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用，同时吸引了国内外工业界、投资界、学术界、新闻媒体和社会公众的热切关注。

德国西门子现已广泛利用增材制造技术实现快速原型制作，现已有3D打印汽轮机叶片满负荷运行试验成功、西门子重型燃气轮机的3D打印部件。汽轮机是以蒸汽为工质的将热能转变为机械能的旋转式原动机，德凝汽器的主要作用有两点，一是应在汽轮机排汽口建立并保持高度真空，二是锅炉给水是指在汽轮机排汽凝结的水。所以，凝汽器冷却管的腐蚀结垢在很大程度影响了发电机组的运行效率。

2 原理

2.1 3D打印技术的原理

3D打印技术又称为增材制造，或增量制造。指基于三维数学模型数据，通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术。相比传统的材料加工技术，3D打印技术有许多突出的优势。3D打印技术彻底改变了传统切削加工方式，有利于提高材料利用率，是一种成长式的加工方式，也是一项颠覆传统制造方式的革命性制造技术，国内称之为“增材制造”。

目前，应用范围较广的3D打印材料为工程塑料，具有工程塑料良好的机械强度，也具有较理想的热稳定性，因此，这些材料打印出的产品可以为大多数工业和民用场合所用，丙烯腈－丁二烯－苯乙共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）和聚酰胺（尼龙，PA）[1]等都是典型的3D打印用工程塑料。最早用于熔融沉积成型（FDM）技术的材料是ABS，目前，该热塑性耗材也常用于FDM打印工艺领域。ABS打印温度为210～260℃，玻璃转化温度为105℃，打印时需要将底板加热。ABS具有强度较高、耐冲击、韧性较好、抗腐蚀、绝缘性能好、耐低温、容易出丝和着色等相当多的优点，其打印产品质量比较稳定，同时具有较理想的强度[2]。

2.2 凝汽器冷却管

在现代化国家中，汽轮机是重要的动力机械设备之一，汽轮机发电机组的做功为全世界消耗电能的80%左右提供能量。目前，凝汽器在安全性、可靠运行性方面，凝汽器冷却管的腐蚀受损仍然是主要受困原因之一。冷却管的泄露携带着凝结水系统中的污物进入冷却管，是导致凝汽器冷却管发生蒸汽侧腐蚀、凝汽器冷却管发生水侧腐蚀主要原因，其中，凝汽器冷却管水侧的腐蚀不仅与冷却水质、冷却管的材质、水速有关，附加保护、清洗方式等诸多因素也影响着凝汽器冷却管水侧的腐蚀[3]。

工程塑料制作而成的高质量的塑料冷却管，它的各个节使用精密的注塑工艺制成，经过精确的计算其各节点连接接触曲面后，使用很高的注塑技术制造而成，是液体及气体媒质的综合引导系统，压强可以达到4pa。仅靠自身接触曲面，无需加任何导管，即可有极好的密封性，其紧密配合的接触面足以保证在高压水的冲击作用下，冷却水管始终保持在初始位置不变，真正意义上的模块式结构是万向塑料冷却管。

弯曲的金属管构成了冷却管，其安装在液体中，是动力设备的重要部分。通过冷却管，动力系统工作产生的废气可以降低温度。它分为一般金属和塑料两种，适用于机床、数控机床作油、水冷却系统、液压机械等场所。

3 3D打印冷却管

3.1 打印技术及原理

根据冷却管形状、规格等基础数据建立三维数学模型，通过连续的二维度物理层打印的叠加，实现对冷却管曲面的打印，然后再由逐渐增加的层级材料来生成三维实体技术。此种基于3D打印技术的冷却管是一种增材过程，因为是从零开始构建物体的，不需利用钻孔、切割、铣削等方式进行加工。

3.2 打印材料

传统冷却管基本可分为金属和塑料两种。传统的金属冷却管主要以铜材质为主。仅以3D打印技术就金属结构而言，钛合金技术在技术上的实现程度较完好，而其他Al、Fe、Cu、Mg、Ni等金属材料，大部分在技术上无法实现，或打印出的物体性能和经济方面不现实。因此，我们可利用钛合金自身的特性以及技术上的完善，制作3D打印钛合金金属管。

3D打印冷却管的选材可依据传统制作的塑料材质，传统塑料冷却常用型号3/4、1/2、3/8、1/4。同时，也可采用ABS塑料材质，其具有强度较高、韧性较好、耐冲击、抗腐蚀等特点，能够延长ABS材质的冷却管寿命。

3.3 可行性

选择3D打印制造冷却管具有以下优点。

一是由于凝汽器冷却管易发生腐蚀受损，在一定时间内需要被更换，传统冷却管制作工艺复杂，且金属（铜）冷却管造价较高，工厂需要多年连续运行，铜管等腐蚀程度过大时，选择更换冷却管。但3D打印冷却管，只需建立数学模型后便能进行大批量生产，不再需要传统的刀具、夹具和机床或任何模具，可在腐蚀程度过轻时更换，缩短有效的产品研发周期及更换时间，以保证机组效率。同时，还能提高冷却管的硬度、强度、耐腐蚀、减轻自身重量等。

二可节省材料（尤其是金属材料），不用除掉边角废料，可提高打印材料的利用效率，进一步降低生产成本。

三是能提高保护冷却管的精度，减少其细小缝隙存在，保证使用时长。

四是可远程打印冷却管，由于网络可传递数字化的文件，从而可以实现异地之间分散化的制造生产，节省了路程运输这一成本，避免运输中出现损坏等现象，在一定程度上保证了冷却管的安全性。

4 结语

近年来，3D打印技术飞速发展。德国西门子3D打印汽轮机叶片满负荷运行试验成功，实现了技术上的突破，表明3D打印技术在汽轮机等方面的应用前景良好。3D打印的凝汽器冷却管具有易制作、更换时间短、省材料、精度高等特点，尽管我国3D技术在汽轮机方面的应用较少，但随着技术的不断成熟，3D技术将会更好地应用在汽轮机等国家重要的动力机械设备中。