雙管板換熱器脹接試驗(yàn)研究

周 挺 賀學(xué)志 杜珊珊 徐鵬程

（1.合肥通用機(jī)械研究院 2.合肥通用特種材料有限公司)

常規(guī)換熱器的管板與管子、殼體連接時(shí)，可采用多種連接結(jié)構(gòu)，但不論采用何種連接結(jié)構(gòu)，都不可能保證絕對(duì)不泄漏。如果必須嚴(yán)禁殼程、管程的液體混合，雙管板結(jié)構(gòu)可供選擇。雙管板結(jié)構(gòu)是一種有利于防止一側(cè)流體向另一側(cè)流體泄漏的結(jié)構(gòu)。

雙管板換熱器中，兩管板之間的管束不能用于傳熱，浪費(fèi)了管子的一部分表面積。雙管板換熱器加工困難，制造費(fèi)用較高，使用過(guò)程中的操作條件比單管板嚴(yán)格，加大了使用成本，所以工程上應(yīng)盡量避免使用雙管板換熱器。但在一些化工生產(chǎn)中，對(duì)強(qiáng)腐蝕介質(zhì)、劇毒介質(zhì)等需要回收以及管殼程介質(zhì)嚴(yán)禁混合的場(chǎng)合，雙管板換熱器還是一種必要的選擇。雙管板換熱器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

對(duì)于雙管板換熱器，其外管板可采用常用的連接結(jié)構(gòu)，如強(qiáng)度焊、強(qiáng)度焊加貼脹等[1]。而內(nèi)管板與換熱管的連接只能采用強(qiáng)度脹接，且強(qiáng)度脹接不僅要保證連接強(qiáng)度，還要保證接頭的密封性。脹接質(zhì)量的好壞決定了換熱器制造的成敗。

擬定技術(shù)特性表

圖1 雙管板換熱器結(jié)構(gòu)

為保證雙管板換熱器內(nèi)管板強(qiáng)度脹接后滿足使用要求，在雙管板換熱器生產(chǎn)制造前應(yīng)進(jìn)行模擬脹接試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后才能進(jìn)行管板加工和脹接工作。脹接試驗(yàn)包括脹接方式的選擇、管孔脹槽的設(shè)計(jì)和加工、脹接工裝的設(shè)計(jì)、參數(shù)的選擇以及試脹和檢驗(yàn)等內(nèi)容。通過(guò)試驗(yàn)可確定合適的脹接工藝，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 脹接試驗(yàn)工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 管板與換熱管材料選擇和參數(shù)確定

本次試驗(yàn)選擇的材料與設(shè)備相同，管板選用Q345R，換熱管選用20鋼。要求管子材料的硬度比管板硬度低HB20～30。管板、換熱管參數(shù)分別見(jiàn)表1、 表2。

表1 管板參數(shù)

表2 換熱管參數(shù)

1.2 管板管孔脹槽設(shè)計(jì)

拉脫力與密封性能是衡量脹接接頭連接質(zhì)量的主要指標(biāo)。為了提高拉脫力和密封性，最可行的方法是在管板孔中開(kāi)一道或多道環(huán)形槽。國(guó)標(biāo)GB 151—1999[1]中對(duì)開(kāi)槽結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)定為3-6-3的形式，即管板的環(huán)形脹槽寬為3 mm，槽間距為6 mm。該開(kāi)槽結(jié)構(gòu)尺寸僅適合于機(jī)械脹接。

本次試驗(yàn)選用液壓脹管方式。由于液壓脹管屬于柔性脹接，管子的變形規(guī)律與機(jī)械脹管不同，開(kāi)槽寬度和深度必須修改。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[2]，最佳液壓脹接的槽寬W為：

式中r——換熱管平均半徑，mm；

t——換熱管壁厚，mm。

對(duì)于?25×3的管子，槽寬應(yīng)為8～9 mm。本次槽寬設(shè)計(jì)成8-10-8的形式，槽深0.5 mm。開(kāi)槽的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2，脹接連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖2 內(nèi)管板管孔開(kāi)槽結(jié)構(gòu)

圖3 內(nèi)管板脹接連接結(jié)構(gòu)

1.3 試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

為檢驗(yàn)內(nèi)管板脹接質(zhì)量 （密封性能及足夠的拉脫強(qiáng)度），設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工裝如圖4所示，換熱管排列如圖5所示。

圖4 脹接試驗(yàn)工裝

2 脹接壓力的選擇

液壓脹接壓力應(yīng)根據(jù)換熱器的密封性能要求、管子與管板材料、換熱管的精度、管板孔表面狀況以及脹接幾何參數(shù)的實(shí)際情況而定，必須保證脹接接合面的拉脫強(qiáng)度和密封性能滿足技術(shù)要求。

圖5 試驗(yàn)用管板上換熱管的排列

脹接壓力的計(jì)算公式[3]所下所述：

（1）管子外徑剛發(fā)生塑性變形時(shí)的脹接壓力

（2）使管子和管板產(chǎn)生剩余應(yīng)力的最小脹接壓力

（3）管板發(fā)生塑性變形的脹接壓力

式中 σst——管子材料屈服強(qiáng)度，MPa；

σsp——管板材料屈服強(qiáng)度，MPa；

ft——考慮脹管兩側(cè)管子影響的內(nèi)壓放大系數(shù),

fp——考慮脹管兩側(cè)管板影響的內(nèi)壓放大系數(shù)，

k1——考慮周圍管橋影響的外、內(nèi)徑之比,

do——換熱管外徑，mm；

di——換熱管內(nèi)徑，mm；

L——脹管區(qū)長(zhǎng)度，mm；

R——管板孔距，mm；

D——管板孔徑，mm。

貼脹時(shí)，脹接壓力取在po～pmin之間；強(qiáng)度脹時(shí)，脹接壓力取在pmin～pmax之間。

根據(jù)以上公式計(jì)算脹接壓力。脹接壓力在強(qiáng)度脹接范圍內(nèi)取值，由低到高取7個(gè)不同的脹接壓力，通過(guò)試驗(yàn)，確定最佳的脹接壓力。7只管頭的脹接壓力見(jiàn)表3。

表3 7只管頭的脹接壓力

3 試驗(yàn)工裝的加工和組裝

3.1 管板脹槽加工

為了達(dá)到連接強(qiáng)度和密封性能的要求，管板孔表面粗糙度和管孔尺寸偏差均要控制在技術(shù)要求范圍內(nèi)。本次試驗(yàn)用試件管孔加工采取二次鉆工藝，采用專用刀具加工脹槽，確保最終管孔精度和開(kāi)槽尺寸均符合要求。

3.2 試驗(yàn)工裝組裝

管端封板應(yīng)與換熱管組焊牢固，封板內(nèi)表面應(yīng)平整，且應(yīng)與換熱管軸線垂直。在管板各孔邊標(biāo)注孔號(hào)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 試驗(yàn)工裝管板與換熱管組裝

4 液壓脹接及質(zhì)量的檢驗(yàn)和評(píng)定

4.1 液壓脹接

（1）液壓脹接質(zhì)量必須保證換熱管與管板的連接能滿足換熱器設(shè)計(jì)所需的密封性能并保證足夠的拉脫強(qiáng)度，本試驗(yàn)主要就是針對(duì)脹接接頭的拉脫力和密封性能問(wèn)題進(jìn)行的。

（2）脹接尺寸按圖6要求確定，脹管壓力按表1取值。

（3）脹接設(shè)備選用YZJ-350D型脹管機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 YZJ-350D型脹管機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

脹接過(guò)程中不能發(fā)生脹管器密封橡膠破壞和泄漏現(xiàn)象，否則應(yīng)重新進(jìn)行脹接并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄。

4.2 密封性能檢驗(yàn)

（1）裝配壓力試驗(yàn)用壓力表、閥門等附件，對(duì)脹接后的結(jié)果進(jìn)行密封性能檢驗(yàn)，組裝完畢的試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖7。

圖7 密封性能檢驗(yàn)裝置

(2）進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)為水，試驗(yàn)壓力為1.2 MPa，保壓時(shí)間30 min，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程無(wú)滲漏、無(wú)可見(jiàn)的變形和異常聲響。試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖8。

（3）進(jìn)行泄漏試驗(yàn)。耐壓試驗(yàn)合格后，再進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)采用壓縮空氣，試驗(yàn)壓力為0.9 MPa，保壓足夠時(shí)間，無(wú)泄漏。試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖9。

圖8 試驗(yàn)工裝耐壓試驗(yàn)

圖9 試驗(yàn)工裝泄漏試驗(yàn)

4.3 拉脫試驗(yàn)

密封性能檢驗(yàn)合格后，在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉脫試驗(yàn)，測(cè)試?yán)摿?，?jiàn)圖10。對(duì)1、2、5、6號(hào)換熱管管頭進(jìn)行拉脫試驗(yàn)，拉脫順序依次為2、5、6、1，拉脫試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表5。

圖10 拉脫試驗(yàn)

表5 4只管頭的最大拉脫力

按照標(biāo)準(zhǔn)[1]要求，管子與管板的強(qiáng)度脹接所需要的最小拉脫力為14765.5 N，即P′≥14765.5 N為合格。

經(jīng)試驗(yàn)，所測(cè)各管頭的拉脫力均滿足要求。

4.4 解剖觀察

拉脫試驗(yàn)合格后，對(duì)試件進(jìn)行解剖試驗(yàn)，檢查管子與管板的貼合情況。沿管頭 （2、3號(hào)）的中心連線進(jìn)行線切割解剖試驗(yàn)，檢查換熱管與管板間的貼合質(zhì)量。解剖后的試樣見(jiàn)圖11。

圖11 內(nèi)管板與換熱管貼合解剖圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）內(nèi)外管板管孔、脹槽的同心度、垂直度是雙管板換熱器制造的關(guān)鍵，而內(nèi)管板強(qiáng)度脹接是雙管板換熱器制造的難點(diǎn)，制造過(guò)程需嚴(yán)格控制有關(guān)技術(shù)參數(shù)。

（2）通過(guò)試驗(yàn)確定本文結(jié)構(gòu)的內(nèi)管板脹接壓力在260～320 MPa時(shí)，能滿足強(qiáng)度和密封性能要求。

（3）要選擇合適的開(kāi)槽結(jié)構(gòu)及脹接工藝。液壓脹接能得到合格的脹接接頭,可以用于雙管板換熱器的制造。

[1] GB 151—1999管殼式換熱器 [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[2] 顏惠庚，張炳生，葛樂(lè)通.換熱器的液壓脹管研究(三)——管板開(kāi)槽寬度的選擇[J].壓力容器，1996， 13 （4）： 24-28.

[3] 趙杰，邢卓.BFe30-1-1雙管板換熱器的液壓脹接[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2008（1）：40.