液袋式液壓脹接技術(shù)在制造換熱器實(shí)踐中的應(yīng)用

　                                         吉永

                                  瀘天化弘旭公司設(shè)備制造處

摘要：介紹了近幾年來發(fā)展較快的換熱器管子與管板連接的液壓脹接技術(shù),重點(diǎn)說明了影響脹接 接頭連接性能的幾個(gè)相關(guān)因素及脹接壓力的計(jì)算。

關(guān)鍵詞：液壓脹接　YZJ-350D液袋式液壓脹管機(jī)　脹接壓力計(jì)算　脹接接頭　連接性能 脹接壓力　連接強(qiáng)度　泄漏壓力　密封能力　運(yùn)行溫度

換熱器是石油化工裝置中最為常見的設(shè)備, 每臺(tái)換熱器都有數(shù)百乃至數(shù)千個(gè)換熱管與管板的 連接接頭。目前換熱管與管板的連接方法主要 有:脹接、焊接、脹焊并用等幾種情況,機(jī)械脹接是 國、內(nèi)外目前最為常用的方法。該方法除了具有 勞動(dòng)強(qiáng)度高和工作效率低等缺點(diǎn)外,還難以對(duì)管 板厚度超過100mm以上的換熱器實(shí)行全厚度脹 接。而現(xiàn)代化工裝置都在高參數(shù)下運(yùn)行,換熱器 的管板厚度越來越厚,管板厚度超過300mm的換 熱器已不鮮見,用傳統(tǒng)的機(jī)械脹接技術(shù)已無法對(duì) 這種厚管板換熱器進(jìn)行全厚度脹接,使得換熱管 和管板之間的間隙難以消除,留下間隙腐蝕的隱患。

液壓脹接是近幾年來發(fā)展較快的換熱器管子 與管板的連接方法,該方法利用液體壓力作用于 換熱管內(nèi)表面,使之產(chǎn)生大的塑性變形并與管板 孔接觸,依靠卸除壓力后的殘余應(yīng)力使管子與管 板達(dá)到緊密連接,其連接質(zhì)量的好壞直接影響到 生產(chǎn)的安全可靠。它包括兩種方法:一種是“O” 形環(huán)法,這種方法以“O”形環(huán)作為密封元件,對(duì)管 子內(nèi)壁的尺寸精度和粗糙度要求較高;另一種即 為液袋式液壓脹接技術(shù),應(yīng)用該技術(shù),可對(duì)各種規(guī) 格、各種材料的換熱管進(jìn)行可靠的全程脹接,特別 適用于對(duì)厚管板換熱器、大口徑管的脹接。

我公司使用的YZJ-350D液袋式液壓脹管 機(jī),是換熱器及鍋爐制造、維修過程中連接管子與 管板的專用脹接設(shè)備,其最高脹管壓力為 350MPa,已成功應(yīng)用于多臺(tái)熱交換設(shè)備換熱管與 管板脹接的生產(chǎn)實(shí)踐中。

1　液袋式液壓脹管機(jī)特點(diǎn)及工作原理

1.1　液袋式液壓脹管技術(shù)特點(diǎn)

①勞動(dòng)強(qiáng)度低,生產(chǎn)效率高;

②脹接質(zhì)量均勻可靠;

③脹管介質(zhì)對(duì)接頭無污染;

④脹后管子殘余應(yīng)力低;

⑤對(duì)換熱管的尺寸精度要求低;

⑥可對(duì)任意管板厚度的換熱器進(jìn)行全程脹 接;

⑦不易形成過脹;

⑧換熱管機(jī)械損傷小,不產(chǎn)生軸向伸長。 該技術(shù)與“O”形環(huán)脹接技術(shù)的最大差別在 于:液袋式液壓脹接技術(shù)對(duì)換熱管的尺寸精度要 求不高,脹接過程對(duì)換熱管內(nèi)表面無污染,是一種 符合我國國情的新型脹接技術(shù)。

1.2　液袋式液壓脹管機(jī)的工作原理

液袋式液壓脹管技術(shù)利用增壓原理,產(chǎn)生足 以使換熱管產(chǎn)生塑性變形的超高壓脹管壓力,該 壓力通過彈性液袋作用于換熱管內(nèi)壁,使換熱管 發(fā)生塑性變形,與管板產(chǎn)生過盈而脹接于管板孔 內(nèi)。

利用液袋封閉脹管介質(zhì),可防止脹接過程中 脹管介質(zhì)對(duì)接頭的污染,有利于避免焊接缺陷。 由于國產(chǎn)換熱管的內(nèi)徑尺寸偏差較大,脹頭的外 徑尺寸可以在工作現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)管子的孔徑通過磨削 加工進(jìn)行調(diào)整。

脹接加工過程極其簡(jiǎn)單,管子與管板進(jìn)行組 裝完畢后,將脹頭插入管孔中,按下脹接按鈕,脹管機(jī)即可自動(dòng)根據(jù)設(shè)定的脹接壓力完成脹接的加 壓、保壓、卸壓等工作過程。由于這種脹接過程對(duì) 脹接接頭無污染,一般脹后對(duì)管口不必進(jìn)行清洗 就可直接焊接。

2　液壓脹管脹接壓力的計(jì)算公式

經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐和查閱相關(guān)資料,液壓脹管脹接 壓力的計(jì)算公式如下:



3　液壓脹管在應(yīng)用中的幾個(gè)問題

3.1　液壓脹接接頭脹后連接性能的考核指標(biāo) 脹接接頭脹后連接性能可分為連接強(qiáng)度和泄 漏壓力2個(gè)指標(biāo)。

接頭的連接強(qiáng)度通常用拉脫應(yīng)力q來定量表 征,含義為單位脹接接觸面積上接頭所能提供的 軸向力,可表達(dá)為:



經(jīng)過多次的拉脫力試驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn):管板孔內(nèi) 壁粗糙度、管板孔與換熱管之間硬度差、管板孔與 換熱管之間的間隙、脹接壓力等因素對(duì)接頭的連 接強(qiáng)度均有影響,其中脹接壓力的大小對(duì)接頭的 連接強(qiáng)度影響顯著,接頭的拉脫力q隨脹接壓力 P的變化見圖1。



3.3　脹接接頭泄漏壓力與脹接壓力的關(guān)系 經(jīng)滲透試驗(yàn)可以看出,接頭的殘余接觸壓力 沿管子軸線方向是不均勻的,接頭連接的兩端接觸壓力比較高,形成重要的密封帶。接頭泄漏壓 力PL與脹接壓力P之間的關(guān)系見圖2,從圖2說 明:液壓脹接壓力能顯著提高接頭的密封能力。



3.4　運(yùn)行溫度對(duì)脹接接頭連接性能的影響 經(jīng)查閱相關(guān)資料表明(以10#換熱管,16Mn 鍛件管板為例):

接頭的連接強(qiáng)度q隨溫度升高先增加后減 小,400℃時(shí)的連接強(qiáng)度比室溫時(shí)的連接強(qiáng)度降低 約15%。接頭的泄漏壓力PL有相同的變化規(guī) 律,400℃時(shí)的泄漏壓力比室溫時(shí)降低約20%。 其原因是:管子(10#鋼)比管板材料(16Mn鍛件) 的熱膨脹系數(shù)高,在室溫時(shí)二者差2.97× 10-6/℃;隨著溫度升高,差別逐漸減小,到400℃ 時(shí)降為0.22×10-6/℃。但與此同時(shí)材料的屈服 強(qiáng)度降低,因此接頭連接強(qiáng)度和密封能力有上述 規(guī)律。若經(jīng)過第1個(gè)升溫、降溫循環(huán)回復(fù)到室溫 后,接頭連接強(qiáng)度和密封能力比脹接結(jié)束后都有 所降低;接頭經(jīng)過第2個(gè)、第3個(gè)循環(huán)后連接性能 基本不變。

運(yùn)行溫度對(duì)接頭連接性能的影響見圖3、圖 4。





4　結(jié)束語

在GB151—1999《管殼式換熱器》中規(guī)定,管 殼式換熱器強(qiáng)度脹接連接只適用于設(shè)計(jì)壓力小于 或等于4MPa,設(shè)計(jì)溫度小于或等于300℃的場(chǎng) 合。但經(jīng)計(jì)算表明只要注意管子與管板材料的匹 配和選擇合適的脹接壓力,接頭的連接性能仍然 能夠得到保證,相關(guān)資料介紹也有脹接用于高于 300℃運(yùn)行環(huán)境的情況。

液壓脹接壓力能夠顯著提高接頭的連接性 能,同機(jī)械脹接相比,液壓脹接的成型規(guī)律有所不 同,其不易形成過脹,因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增 加液壓脹接壓力。