王振興，沈建成

（1.甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學院，甘肅 蘭州 730050）

鈦管換熱器作為石油化工領域的重要設備，應用越來越多。鈦換熱管與碳鋼管相比，具有較高的屈強比，塑性差，易脆裂，使得鈦管與碳鋼管板脹接相容性有一定限制[1]。傳統(tǒng)的機械滾脹，實際操作中技術人員和操作人員往往根據(jù)經驗確定脹度，各管子間的脹度不一，連接強度和緊密度不均，脹管接口的內表面產生硬化現(xiàn)象，加上鈦材質的特殊性，極易造成過脹使鈦管破裂或脹度不足而失去作用，很難保證脹接質量的穩(wěn)定。

液壓脹接是一種柔性脹接技術，在脹接過程中，脹接壓力是可控的，整個脹接長度均可獲得均勻的脹接壓力，脹接區(qū)和未脹接區(qū)的交界不明顯，過渡光滑，殘余應力小。液壓脹接需要理論數(shù)據(jù)和大量經驗參數(shù)做支撐，本研究通過理論與試驗相結合的方式，驗證該技術可獲得較高的脹接質量，從而有效解決了這一技術難題，對指導生產實踐具有重要意義。

1 液壓脹接參數(shù)計算

液壓脹接是一種對換熱管內壁施加均勻壓力的柔性脹接技術。與機械滾脹相比，液壓脹接的主要特點是脹接的主要參數(shù)——液脹壓力可直接計算，易實現(xiàn)精確調節(jié)和控制，從而保證所有的管子與管板接頭在同一條件下脹接，換熱管不易產生過脹，脹接接頭質量穩(wěn)定，在管孔內的脹接位置可以精確定位，脹后管子內壁沒有損傷。液壓脹接后殘余應力低，在整個脹接長度上的應力分布均勻，脹后管內表面無加工硬化現(xiàn)象，勞動強度低，生產效率高。液壓脹接的介質是水，即使脹袋破損，對管口也無污染，這樣減少了以往機械脹接后對管口除油清潔等工作，節(jié)約了工時[2]。

液壓脹接時，脹接區(qū)的管子在高液壓內壓的作用下產生彈性變形，然后產生塑性變形而被擠壓到管孔壁上，隨著壓力的增加，在管子與管板之間的接觸壓力作用下，管板首先產生彈性變形，然后產生塑性變形，壓力撤消后，如果管板的自由彈性恢復量比管子的大，就會在管子與管板之間產生殘余接觸壓力，實現(xiàn)脹接連接。

分析過程可將脹管過程中換熱管變形理想化的劃分為3 個階段[3]：當脹管壓力為第一階段最終壓力值時，換熱管在壓力的作用下產生塑性變形，直徑向外擴張，當壓力卸除后換熱管不能恢復原狀。當脹管壓力為第二階段最終壓力值時，換熱管與管板孔內壁間產生最大的彈性極限接觸壓力，當壓力卸除后，由于換熱管的材料已經達到全屈服而管板的變形在彈性階段可以恢復，這樣管板孔將換熱管抱緊，達到脹緊的目的。當脹管壓力為第三階段最終壓力值時，換熱管與管板孔的材料都處于全屈服狀態(tài)，管板孔也產生塑性變形，當壓力卸除后，由于換熱管與管板的變形都不能完全彈性恢復，以致失去脹緊效果，此時的壓力值過高，產生了過脹現(xiàn)象。

可見，理想的脹接壓力值為上述第二階段最終壓力值，第二階段最終壓力值的計算公式為：

第三階段最終壓力值的計算公式為：

式中：δs1——換熱管材料的屈服極限，MPa；

δs2——管板材料的屈服極限，MPa；

K1——換熱管內外徑比；

K2——管板孔內外徑比。

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上述計算公式存在一定局限性，推導過程中未考慮管孔四周管橋對管孔的加強及支撐作用，所以計算值偏于保守，當脹接壓力為P2時，管板孔內壁材料并未達到彈性極限，當脹接壓力為P3時，距離管板孔內壁一個管橋距離范圍內的管板材料嚴格來講并未達到彈性極限。

2 鈦管脹接工藝實驗

2.1 實驗方案

試驗按照以下步驟進行：

（1）制備解剖用管板試塊、準備換熱管試件；

（2）測量脹接前試塊、試件相關尺寸；

（3）根據(jù)相關公式計算脹接壓力，確定脹接壓力范圍；

（4）按確定脹接壓力脹接；

（5）測量脹后換熱管內徑，進行脹度的計算，對比參考值進行分析；

（7）綜合以上所有分析結果，確定對某種換熱管需要的最合適的脹接壓力。

2.2 脹接壓力及脹度計算

換熱管與管板的連接形式為強度焊+貼張，試件的主要作用是考察脹接性能，不考慮鈦管與管板的焊接。試件材料為16Mn，管孔尺寸Φ25.25+0.15 mm，管孔為轉角正方形排列，管橋間距為32 mm（見圖1）[4]。換熱管材料為TA1，規(guī)格為Φ25 mm×2 mm。

圖1 換熱管脹件示意圖

取換熱管TA1 的屈服強度δS1=250 MPa,管板16 Mn 的屈服強度δS2=305 MPa。將上述數(shù)值代入公式（1）確定試驗起始脹接壓力值：

P2=130.484 MPa。

將上述數(shù)值代入公式（2）脹接壓力值上限值：

P3=172.227 MPa。

2.3 實驗結果

試件共12 個管孔分為6 組，以130 MPa 為起始脹接壓力值、10 MPa 為進階值依次脹接。測量試樣脹接前后的尺寸數(shù)據(jù)并記錄，計算出每根鈦管的脹度，見表1。

表1 TA1 換熱管脹接試驗數(shù)據(jù)記錄及脹度計算結果

表1 中脹度為以壁厚減薄率為基準的脹緊度表示方法，參考中國石化工程建設公司所編制的“管殼式換熱器換熱管與管板連接技術條件（強度焊+貼脹）”及本研究人員單位制造經驗，針對貼脹，脹度ρ（%）根據(jù)不同換熱管材質及規(guī)格應控制在1.7%～3.0%范圍內，計算得知，編號1 管孔脹度小于1.5%，編號5、6 管孔脹度超過3.0%幅度較大，其余管孔脹度基本都在控制范圍以內。

3 實驗結果分析

3.1 脹口分析

脹接數(shù)據(jù)采集完畢后沿解剖面采用線切割將試塊切開進行觀察。鈦管內壁外形美觀，無皺紋、起皮等缺陷，脹接過渡部分無突變，脹口根部與管孔壁結合狀態(tài)良好，管子內壁經無損檢測（PT）未發(fā)現(xiàn)表面存在缺陷（見圖2—圖6）[5]。

圖2 脹接壓力P=130/140 MPa 對比圖

圖3 脹接壓力P=140/150 MPa 對比

圖4 脹接壓力P=150/160 MPa 對比圖

圖5 脹接壓力P=160/170 MPa 對比圖

圖6 脹接壓力P=170/180 MPa 對比圖

試樣沿管中心切開后，共24 件半管均與管板相貼，沒有脫落情況發(fā)生，由此可以判定，6 組管孔均已達到貼脹消除間隙的目的，無脹接不牢的情況。第一組脹接壓力采用130 MPa，由于壓力較低，換熱管沒有完全緊貼管孔內壁，加工過程中產生微觀凹槽。脹接壓力大于等于140 MPa，換熱管完全緊貼管孔內壁，均可滿足貼脹消除間隙的要求。

3.2 脹接壓力確定及脹接質量檢驗

考慮到管孔加工及鈦管幾何尺寸存在偏差，在保證脹接質量的前提下，綜合脹接工藝試驗結果，取脹接壓力為150 MPa。脹前按10%的比例，不同區(qū)間對換熱管及對應的管孔進行測量，脹后對換熱管的內徑變化量進行測量，計算得知，脹度在1.7%～3.0%，滿足貼脹要求，經水壓試驗未發(fā)現(xiàn)管頭有滲漏現(xiàn)象，一次性合格。

4 結論

通過理論計算和試驗分析，驗證了鈦管換熱器液壓脹接工藝方案和貼脹壓力范圍，為液壓脹接的應用積累經驗。（1）分析液壓脹接的原理和工藝優(yōu)點特點，通過理論計算，得到脹接壓力的取值范圍，為液壓脹接的應用提供理論依據(jù)。（2）將理論分析運用至實際生產，采用6 種脹接壓力，分別對六組鈦管進行脹接實驗，從脹度計算、鈦管解剖檢驗、水壓試驗3個方面對實驗數(shù)據(jù)進行分析，確定脹接壓力。（3）液壓脹接技術彌補了機械滾脹的不足，解決了機械滾脹造成加工硬化現(xiàn)象，使高屈強比，塑性差的特殊管材獲得均勻變形和穩(wěn)定的脹接質量。（4）鈦管換熱器脹接工藝的應用，使制造的鈦管換熱器質量大大提高，帶來巨大的經濟效益，并為其他特殊材質的換熱管與管板的脹接積累了寶貴的經驗。