V形密封槽在薄壁換熱管與管板脹接連接接頭中的應用

劉 敏

(大連冷凍機股份有限公司，遼寧大連 116033)

0 引言

依據(jù)TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》［1］3.7 節(jié)能要求中“(1)充分考慮壓力容器的經(jīng)濟性，合理選材，合理確定結構尺寸;(2)對換熱器進行優(yōu)化設計，提高換熱效率，滿足能效要求”的原則，將銅及銅合金材料的換熱管由原規(guī)格為 φ19 mm ×2 mm，φ19 mm ×1.5 mm 及 φ16 mm ×2 mm，φ16 mm ×1.5 mm 重新設計為現(xiàn)規(guī)格的φ19 mm×1.07 mm及φ15.88 mm×1.22 mm。要達到該要求，加工工藝更顯其重要性。

1 管板管孔密封槽的確定

1.1 技術參數(shù)

管殼式換熱器采用薄壁換熱管的技術參數(shù)如表1所示。

技術參數(shù)確定之后，對銅或銅合金換熱管外形尺寸的允許偏差按GB/T 17791—2007《空調(diào)與制冷設備用無縫銅管》的規(guī)定，管板管孔允許偏差及管板、換熱管的材料牌號、管板厚度、換熱管規(guī)格按表2［2］中的規(guī)定執(zhí)行。

表1 技術參數(shù)

表2 銅或銅合金換熱管、管板管孔的允許偏差mm

1.2 管板管孔密封槽的確定

按照 GB 151—1999《管殼式換熱器》［3］中5.8.2.3結構尺寸中“c)結構型式及尺寸按表 32和圖33(a)～33(c)的規(guī)定”，以往選取的管板管孔密封槽型式為2道矩形密封槽，刻槽深度為0.5 mm，如圖1所示。

圖1 矩形密封槽結構型式

如果采用薄壁換熱管，考慮脹接處存在脹接減薄量對產(chǎn)品造成諸多的不利因素，依據(jù)GB 151中5.8.2.3條“e)根據(jù)不同的脹接方法可適當修改表32和圖33中的尺寸”的原則，將圖1矩形密封槽的結構改為10道環(huán)向V形密封槽，其結構型式如圖2所示。

圖2 V形密封槽結構型式

1.3 V形密封槽與矩形密封槽的對比分析

從圖1中可以看出，矩形密封槽刻槽的結構尺寸為8，3，6，3 mm，即從管板管孔一端距8 mm處為第一道3 mm矩形槽，再距前一道矩形槽之后6 mm處為第二道3 mm矩形槽，脹接密封區(qū)域為3+6+3=12 mm，有效脹接密封區(qū)域為2道各3 mm的矩形密封槽。

V形密封槽的結構尺寸見圖2，在圖中，從管板管孔一端距6 mm處為第一道0.56 mm V形槽，再距前一道V形槽之后1.6 mm為第二0.56 mm V形槽，每道V形槽間距為1.6mm，依次刻11道V形槽，脹接密封區(qū)域為1.6×10=16 mm，有效脹接密封區(qū)域為11道各0.56 mm的環(huán)向V形密封槽。

從圖1，2可以看出，矩形密封槽兩道密封之間6 mm區(qū)域起不到密封作用，而V形密封槽在16 mm區(qū)域全部為有效脹接區(qū)。所以說環(huán)向V形密封槽可應用于薄壁換熱管與管板連接的脹接結構，考慮到薄壁換熱管脹接對管壁減薄等因素，將刻槽深度由矩形密封槽深度0.5 mm調(diào)至為V形密封槽深度0.4 mm。

1.4 矩形密封槽與V形密封槽優(yōu)缺點分析

按 GB 151—1999《管殼式換熱器》［3］中表 32規(guī)定對槽深開設深度為0.5 mm，而采用的V形密封槽深度為0.4 mm。在有效脹接密封區(qū)域內(nèi)，脹接后應將密封槽用換熱管在該區(qū)域的管壁填實，這樣不難看出矩形槽在12 mm的有效脹接區(qū)域只有2道密封槽，而V形密封槽的最大優(yōu)點是在16 mm的有效脹接區(qū)域，開設了11道環(huán)型的V形密封槽，大大增加了封密槽的數(shù)量及密封效果，保證了產(chǎn)品的安全性、可靠性。另外，V形密封槽深的缺點是，在刀頭的設計與制造中比矩形密封槽深的刀頭復雜，但在使用中，只是將刻槽工具與刀頭連接部位進行修改即可，在刻槽過程中與矩形槽的加工要求是一樣的。

2 環(huán)向V形槽刀頭的設計

在管板刻槽工具的基礎上，對刀頭進行重新設計，如圖3所示?？紤]管板材料為Q245R及Q345R，刀頭的材料選W18Gr4V，為提高刀頭的使用壽命，刀頭加工成型后應進行熱處理。刀頭的實物圖如圖4所示。

圖3 環(huán)向V形刻槽刀頭

圖4 刀頭實物

3 薄壁換熱管脹管率的確定

3.1 脹管率的初步確定

目前，國內(nèi)強度脹的脹管率基本以內(nèi)徑控制法對脹管率進行控制［4－6］。

內(nèi)徑控制法脹管率的計算公式［7］:

式中 Hn——脹管率，%

d1——脹完后的換熱管實測內(nèi)徑，mm

t——未脹時的換熱管實測壁厚，mm

d——未脹時的管板孔實測直徑，mm

按示例對強度脹的脹管率進行初步確定。

3.2 示例

已知換熱管材料為 TP2，規(guī)格為外徑 φ19 mm，壁厚1.07 mm;管板材料為Q345R，管板厚度為38 mm，管板孔直徑為19.25 mm，管板孔為正三角形排列，按圖2開設10道環(huán)向V形密封槽。要求換熱管與管板連接形式為強度脹接。

根據(jù)已知條件對換熱管及管板孔直徑實測數(shù)據(jù)如下(換熱管抽測5支，管板孔按不同位置抽測5個孔):

(1)換熱管:外徑 φ19.03 ～ φ19.05 mm，平均值 φ19.04 mm;壁厚均為 1.07 mm;內(nèi)徑均為φ16.9 mm。

(2)管板孔直徑:φ19.25 ～ φ19.30 mm，平均值 φ19.27 mm。

一般，銅或銅合金換熱管與鋼制管板的脹管率 Hn=0.5% ～1.2%［7］，取平均值 Hn=0.85%，代入式(1)，求換熱管脹后直徑。

根據(jù)換熱管脹后的內(nèi)徑φ17.29 mm選擇三滾珠脹管器φ19 mm×1.07 mm×38 mm。經(jīng)試脹對換熱管脹后的尺寸進行實測數(shù)據(jù)如下:

(1)外徑:φ19.15 ～ φ19.25 mm(平均值φ19.20 mm);

(2)壁厚:0.96 ～0.98 mm(平均值 0.97 mm);

(3)內(nèi)徑:φ17.23 ～ φ17.29 mm(平均值φ17.26 mm，與脹前 φ16.9 mm 相比膨脹了 0.36 mm)。

將換熱管脹后實測的平均值代入式(1)確定其脹管率:

3.3 脹管率的最終確定

考慮薄壁換熱管在脹接時，如果脹管率過大或在0.5% ～1.2%范圍內(nèi)靠在上限時，造成脹接處管壁減薄量過大的現(xiàn)象，將對脹接區(qū)域可能出現(xiàn)產(chǎn)品安全、質(zhì)量的諸多隱患。因此，當采用V形密封槽與薄壁換熱管連接時，脹管率應控制在0.5% ～0.7%范圍內(nèi)為宜。

4 試驗過程及驗證

4.1 模擬換熱器的制造

4.1.1 殼體結構

按表1，2中要求設計模擬換熱器，其殼體結構如下:

(1)圓筒采用φ219 mm×8 mm的無縫鋼管，材料為20，圓筒上設試壓用孔1個。

(2)管板采用的外形尺寸為φ260 mm×38 mm，材料為Q345R，管板管孔為正三角形排列，如圖5所示。其中一塊管板的管板孔按圖1刻矩形槽，另一塊管板的管板孔按圖2刻V形密封槽。

圖5 管板管孔排列

(3)換熱管采用 φ19 mm ×1.07 mm，材料為TP2。

(4)圓筒與管板的連接為角焊縫。

(5)換熱管與管板孔的連接為強度脹，連接型式如圖6所示。

圖6 換熱管與管板孔的連接型式

4.1.2 強度脹

脹接前，在每個換熱管管頭與管板孔連接處滴入2～3滴LOCTITE 554管螺紋密封劑，以充填管板孔密封槽脹接后產(chǎn)生的殘余間隙，然后采用三滾珠脹管器，按脹管率在0.5% ～0.7%的范圍內(nèi)進行機械脹接。

4.2 驗證

4.2.1 氣壓試驗

將試驗容器放入試壓水槽之后，根據(jù)GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分:制造、檢驗和驗收》［8］中的“11耐壓試驗和泄漏試驗”的有關要求，按表1以2.31 MPa進行氣壓試驗，保壓10 min。

4.2.2 檢查

氣壓試驗合格后，按表1將試驗壓力降至設計壓力2.1 MPa，然后對換熱管管頭與管板管孔脹接處進行檢查。檢查結果，管板管孔開設V形槽端的換熱管管頭無滲漏現(xiàn)象，管板管孔開設矩形槽端的換熱管管頭在第3排右側上邊緣處一個管頭出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 管頭漏點示意

4.2.3 解剖分析

換熱管與管板管孔的解剖如圖8，9所示。

圖8 V形槽解剖圖

圖9 矩形密封槽解剖圖

通過對V形槽解剖圖(見圖8)的分析，從圖8(a)剖面看，由于刻槽度為0.4 mm，脹后11道環(huán)向V形密封槽內(nèi)均填滿換熱管材料的充填物，剝?nèi)Q熱管，從圖8(b)可看出，11道環(huán)向V形密封槽內(nèi)有少量LOCTITE 554管螺紋密封劑的充填物，圖8(c)為脹后換熱管的實際情況，不難看出，換熱管與脹接區(qū)域的脹痕明顯。而對矩形密封槽解剖圖(見圖9)的分析，圖9(a)由于刻槽度為0.5 mm，脹后2道矩形密封槽內(nèi)均填滿換熱管材料的充填物，剝?nèi)Q熱管，發(fā)現(xiàn)2道矩形密封槽內(nèi)均存有大量的LOCTITE 554管螺紋密封劑的充填物(如圖9(b)所示)，從圖9(c)也明顯看出脹接區(qū)域2道脹后痕跡。

4.2.4 脹接接頭強度的分析

就強度而言，矩形密封槽在12 mm的有效脹接區(qū)域內(nèi)，換熱管在脹接時將管壁厚脹滿2道寬3 mm、深0.5 mm密封槽內(nèi)，這樣必然導致在脹接區(qū)域?qū)鼙诋a(chǎn)生減薄，但這種結構在GB 151—1999《管殼式換熱器》中已有規(guī)定，那么其強度也是滿足的。而V形密封槽在16 mm的有效脹接區(qū)域開設11道寬0.65 mm、深0.4 mm的V形密封槽。從兩種密封的寬度上分析，矩形槽寬度為3 mm×2=6 mm，V形槽寬度為0.65 mm×11=7.15 mm，雖然其寬度比矩形槽多出1.15 mm，但該槽為60°、槽深為0.4 mm的V形槽，加之脹管率由原工藝規(guī)定的0.5% ～1.2%調(diào)至現(xiàn)在的0.5% ～0.7%，則在這種結構及脹接參數(shù)的條件下，其脹后管壁減薄量小于矩形槽脹后的管壁減薄量，即換熱管脹后的強度也應是滿足的。

5 結論

(1)銅或銅合金薄壁換熱管與管板連接采用V形密封槽，脹管率一般應控制在0.5% ～0.7%的范圍內(nèi);

(2)其他壁厚的銅或銅合金換熱管與管板連接也適用V形密封槽的結構形式，其脹管率一般應控制在0.5% ～1.2%的范圍內(nèi);

(3)管板管孔在脹接區(qū)域刻11道環(huán)向V形密封槽比2道矩形密封槽多出9道密封槽，增加了脹接區(qū)域脹接的安全系數(shù)，因此，銅或銅合金薄壁換熱管與管板連接采用V形密封槽，經(jīng)多年近百臺產(chǎn)品的驗證，切實可行。

［1］ TSG R0004—2009，固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程［S］.

［2］ NB/T 47012—2010(JB/4750)，制冷裝置用壓力容器［S］.

［3］ GB 151—1999，管殼式換熱器［S］.

［4］ 湯偉，尹俠.雙管板換熱器內(nèi)管板液壓脹接壓力的探討［J］.壓力容器，2011，28(2):22 －27.

［5］ 徐靜，涂橋安，孫見君，等.磨合階段的機械密封端面形貌特征研究［J］.流體機械，2011，39(5):10－11.

［6］ 崔振寧，李爽.高壓加氫換熱器密封技術分析比較［J］.化工設備與管道，2012，49(5):18 －20.

［7］ 劉敏.管殼式換熱器換熱管與管板脹管率的確定［J］.壓力容器，2007，24(6):59 －62.

［8］ GB 150.1 ～150.4—2011，壓力容器［S］.