劉英東，郭 飛，姜殿軍，范英俊

(大連日立機械設備有限公司，遼寧大連 116032)

0 引言

換熱器廣泛應用于化工、煉油、制藥和核電等領域，主要作用是將熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝過程規(guī)定的指標要求，以滿足工藝過程上的需要［1］。換熱器結構類型有很多，其中管殼式換熱器是最普遍使用的，有數(shù)百乃至數(shù)千根傳熱管［2－4］。換熱管與管板連接是管殼式換熱器設計、制造最關鍵的技術之一，也是換熱器事故發(fā)生率最多的部位。所以換熱管與管板連接質量的好壞直接影響到換熱器的使用壽命。因此選擇適當?shù)倪B接方式，使每一個管子與管板連接接頭都能滿足質量要求是換熱器制造過程中的關鍵問題［5］。文中對某公司承攬沙特某項目雙相不銹鋼管和管板換熱器進行液壓脹管工藝試驗，最終確定產品的最佳脹接壓力和脹接時間等工藝參數(shù)。

1 換熱管、管板材質及規(guī)格

換熱管材料為SA－789M，UNS S31803，規(guī)格為 φ25.4 mm ×2.11 mm，管板材料為 SA －182M，F(xiàn)51.，厚度95 mm。兩種材料均為雙相不銹鋼，這種材料具有耐腐蝕、高強度和易于制造加工等諸多優(yōu)點，物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，但更接近于鐵素體不銹鋼和碳鋼，其力學性能見表1。

表1 換熱管、管板力學性能

2 脹管設備選用及參數(shù)

換熱管與管板的管端連接圖如圖1所示。由于脹接長度較長，根據脹接經驗［6－8］，選用 YZJ－500F型超高液壓脹管機。液袋式液壓脹管結構形式如圖2所示。

圖1 管端連接示意

圖2 脹接示意

3 脹管試驗

試驗用的管板材料、厚度均與產品相同，尺寸為200 mm×200 mm，管孔呈矩形排布，孔距32 mm，管板孔分布如圖3所示。采用數(shù)控鉆孔一次加工成品，編號1～10為脹管試驗用，即只脹不焊接;11～25為焊接試驗用，先焊后脹。換熱管規(guī)格與產品規(guī)格相同，尺寸為φ25.4 mm×2.11 mm。

圖3 管板孔分布示意

3.1 脹接前準備

(1)穿管前，對換熱管端部以及管板孔用清洗劑進行清洗;

(2)脹接前必須清除換熱管端部的銳口或毛刺，以免損壞液袋;

(3)脹管前測量管內、外徑、管板內徑，并做好記錄，其數(shù)據見表2。

3.2 脹管

先用編號為1#的管子進行脹接試驗，根據以往不銹鋼產品的脹接經驗［9－10］，先用200 MPa壓力進行脹接，脹接時間為4 s，脹完后發(fā)現(xiàn)未脹上，再依次用 210，220，230，240，250 MPa，脹接時間也是4 s，進行脹接試驗，管子與管板之間的間隙越來越小，貼緊程度越來越高;提高脹管時間為6 s，脹接壓力也提高到260 MPa，脹完后管子無松動，使用錘子輕輕敲擊管的伸出端管子也沒有發(fā)生位移;然后再依次脹接每根管子，并測量脹管后各管內徑;最后剩余編號的管均采用300 MPa壓力進行脹接。尺寸記錄如表2所示。

表2 脹管試驗實際尺寸

4 脹管檢查

4.1 間隙值檢查

通過脹管前、后尺寸測量和計算，發(fā)現(xiàn)管板孔與管外徑之間的間隙在壓力達到260 MPa時就消除了(表2中計算的負值即可表現(xiàn)出間隙的變化)。從表2還可以看出，隨著脹接壓力的增大，脹管后測量管內徑，發(fā)現(xiàn)尺寸變化不大，但9#，10#管脹管后內徑明顯增大，稍微有點過脹。

4.2 目視檢查

對管子內側進行目視檢查，換熱管內表面沒有出現(xiàn)損傷等缺陷。

4.3 滲透檢查

脹管后對管端與換熱管外徑之間進行液體滲透檢查，發(fā)現(xiàn)均無脹接缺陷。

4.4 剖視檢查

對換熱管和管板進行環(huán)向、縱向切割剖開檢查。環(huán)向切割，即將管板按厚度均分三等分切割，利用光學顯微鏡檢查換熱管與管板孔間隙。縱向切割，即將換熱管沿長度方向切割成兩半，也是利用光學顯微鏡檢查換熱管與管板孔間隙。通過10倍放大鏡觀察，間隙全部消除，如圖4，5所示。

圖4 管板環(huán)向剖視圖

圖5 管板長度方向剖視圖

4.5 脹管率計算

計算公式:

式中 ρ——脹管率，%

d1——換熱管脹管后實測內徑值，mm

d——換熱管脹管前實測內徑值，mm

D2——管板孔脹管前實測內徑值，mm

D1——換熱管脹管前實測外徑值，mm

通過計算可知，當脹接壓力在260～280 MPa時，脹管率為0.24% ～0.72%;當脹接壓力在290～300 MPa時，脹管率為 1.44% ～2.14%;當脹接壓力在 310～320 MPa時，脹管率為 4.04% ～4.49%。根據以往經驗，貼脹的脹管率ρ一般控制在1% ～3%。

4.6 拉脫力試驗

根據《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》［6］和《管殼式換熱器》［12］規(guī)定，貼脹一是要求消除換熱管與管板孔之間的間隙;二是有一定的殘余應力。對于貼脹拉應力值應大于1 MPa，根據已知的脹接長度77 mm，可計算拉脫力最小值為6.144 kN。各管的實際拉脫力見表3，管拉脫后位移發(fā)生改變，見圖6。

通過以上實際的拉脫力值可知，在表2中有些編號管孔雖然計算管板孔與換熱管外徑之間的間隙值已消除，但實際的拉脫力卻不滿足，造成這種結果有很多原因，如:測量讀數(shù)誤差、管板孔粗糙度、管是否橢圓、測量管位置等。對于9#，10#管，拉脫力明顯比其他管大，可能是過脹的原因，在貼脹中過脹是不允許的，因為過脹會使管板孔橋尺寸發(fā)生變化，進而導致整個管板變形，最終影響密封效果。綜合考慮，最后脹接壓力選定為300 MPa，脹接時間選定6 s。

表3 拉脫力值

圖6 換熱管脫離管板

5 結語

通過脹管試驗可知，雙相不銹鋼換熱管、管板強度一般都比較大，脹接前需多次試驗，脹管完成需做相關檢查和試驗才能確定適當?shù)拿浗庸に噮?shù)。當換熱管與管板之間的間隙消除后，即使再增加脹接壓力，脹完后測量管內徑基本沒有多大變化［13］。有時間隙值消除了但拉脫力不一定滿足，有時拉脫力合格了但間隙值不一定消除，因此可以得知脹管間隙值僅是參考的，具體還得以拉脫力和各項檢查為準。文中研究可以作為類似雙相不銹鋼換熱管和管板脹管作業(yè)的參考。

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