多種脹管方法在生產中應用的特點分析

曹福勤

（上海電氣電站設備有限公司上海電站輔機廠，上海 200090）

0 概 述

脹接是依靠管子與管板之間不同的變形方式達到密封和緊固的一種連接方法。這種連接方法，在鍋爐及熱交換器等壓力容器制造中得到普遍應用。常用的脹接方式主要有四種：（1）機械脹管；（2）爆炸脹管；（3）液壓脹管；（4）橡膠脹管。在熱交換器的管子與管板連接中，機械脹接的應用最為廣泛。機械脹管時，依靠脹管器中脹子對管子的碾壓，使管子產生塑性變形，當管板孔的變形回復后，管子就會被緊固在管板孔內。爆炸脹管主要應用在管壁較厚的碳鋼管脹接，具有很大的脹接長度，有些高壓加熱器的管子管板脹接就應用了爆炸脹管工藝。利用爆炸脹管能快速實現脹管的工藝要求，但爆炸脹管需要特殊的施工現場，一般遠離市區(qū)或在地下進行爆炸脹管作業(yè)。對于清潔度要求較高的管子管板連接，可采用液壓脹管。液壓脹管時，脹接管的管壁受力均勻，脹接管的軸向伸長量少，無加工硬化等現象。采用橡膠脹管時，脹管的受力均勻，且柔和，脹管區(qū)內的管壁不會產生明顯形狀突變。脹管后，也不會有冷作硬化現象，可脹接不同直徑的管子和管子的任意部位，適用的范圍廣?，F根據不同的脹接方式，介紹有關熱交換器或壓力容器制造中脹接工藝的特點及脹緊率的計算。

1 機械脹管

1.1 機械脹管分類

機械脹管根據脹管器型式，可分為螺旋式脹管器型式、前進式脹管器型式、后退式脹管器型式。三種脹管器型式，如表1所示。因螺旋式脹管器的工作狀態(tài)為不連續(xù)脹管，僅用于輔助脹管或用于銅管的脹接。前進式脹管器適合于脹接長度較短的場合，脹接長度小于80mm，管子內徑與脹接長度的比值較大（D／L＜0.4），脹接管的內徑為 ?10mm～?80mm。后退式脹管器適合于脹接長度較長，管子內徑與脹接長度的比值較小。

表1 常用機械脹管器的型式

1.2 機械脹管原理

機械脹管是通過擴脹管子的直徑，使管子材料達到屈服點，產生塑性變形，管板產生彈性變形，釋放脹緊力后，達到管子和管板連接的目的。因此，對管子與管板的材質有一定要求，即要求管子硬度比管板硬度低一些，硬度之差一般為HB＞30，如達不到此要求，應對管端進行軟化退火處理。機械脹管是一種較傳統(tǒng)的脹管方法，脹管時，將脹管器的脹殼部分塞入管孔內，脹桿被電動或風動脹管器帶動，作順時針旋轉并向管孔縱向推入。脹子在脹桿的擠迫下徑向擴大，使管子緊緊地脹接在管孔上。機械脹接的示意圖，如圖1所示。

圖1 機械脹管示意圖

1.3 機械脹管的試驗數據

在某型換熱器制造中，管子管板的連接方式采用前后兩段脹接，脹接總長度為50mm，脹管后進行拉脫力試驗和解剖檢查。管子材料為SA556GrC2，管子 尺 寸 為 ?16×2.5mm，管 板 材 料 為SA350LF2。為了控制脹管的脹緊率，選用氣動式脹管機械裝置并帶有扭矩控制，從而可得到相近的脹緊率。脹管的脹緊程度，可用脹緊率表示。

式中：H —脹緊率，% ；

dl—脹后管子實測內徑，mm；

d2—脹前管子實測內徑，mm；

d3—脹前管孔實測直徑，mm；

δ—脹前管孔實測直徑與管子實測外徑之差，mm。

根據某型換熱器的制造技術要求，選用6根試樣進行脹接試驗，脹管的數據，如表2所示。

表2 機械脹管數據

從表2可知，脹接數據完全能滿足制造技術的要求。機械脹管脹緊率的大小與管子及管板材料、管子和管板孔的直徑尺寸有關。隨著脹緊率的增加，脹桿轉動阻力也會相應增加，故可通過調節(jié)脹管機的輸出扭矩，控制脹緊率的大小。當管子過脹時，管子內表面會產生加工硬化表皮，伴有短小的裂紋，在軸向45°方向上會產生明顯的金屬滑移線。過脹嚴重時，管子內表面還會出現硬化表皮脫落等現象。

2 爆炸脹管

2.1 爆炸脹管原理

爆炸脹管需使用高能炸藥，利用炸藥在極短時間內（10×10－6～12×10－6s）產生高壓，在高壓氣體和沖擊波的作用下，管子迅速發(fā)生塑性變形，從而實現了管子與管板的脹接。爆炸脹接前，高能炸藥被放置于每根管子的中心，為防止沖擊波對管壁的損傷，炸藥的外層為管狀緩沖填料（紙管或塑料管等），通過管狀緩沖填料，將爆炸產生的壓力能，均勻地傳遞至管壁，達到管子和管板結合的目的。爆炸脹管的布置形式，如圖2所示。

2.2 爆炸脹管的試驗數據

圖2 爆炸脹管示意圖

在某產品制造中，加熱器的換熱管為碳鋼管，管子材料為SA556GrB2，管子尺寸為 ?19.05×1.9 mm，管板材料為SA266CL.2。為了進行管子管板的爆炸脹接，進行了爆炸脹管試驗。將爆炸脹接后的試樣，沿著縱向中心線剖開，經觀察，發(fā)現管子的擴張變形較均勻，管子與管板的貼合緊密，在管子微脹區(qū)與脹接區(qū)分界處，過渡的層次比較和順。經著色檢查，管子內外表面（包括管口處與試樣的焊縫）均無裂紋產生。爆炸脹管試樣的試驗數據，如表3所示。

表3 爆炸脹管試驗數據

爆破脹管可以完成小口徑厚壁管子的微脹，一般用于高壓加熱器小口徑厚壁管子和厚管板的連接。爆破脹管的脹接長度較長。爆破脹管可用于常規(guī)脹管器難以完成的異形管孔的脹管。有些脹管操作需在狹小空間內進行，采用爆破脹管能減少勞動強度，并能迅速完成脹接。爆炸脹管的操作技術比較簡單，容易掌握，脹管的費用也低。此外，爆炸時產生的噪音較大，所以，爆破脹管需要特殊的施工現場，一般只能在遠離市區(qū)或在地下進行爆炸脹管作業(yè)。

3 液壓脹管

3.1 液壓脹管分類

液壓脹管有二種型式：液壓脹管器型式和液袋脹管器型式。脹管器的型式，如表4所示。液壓脹管器用O型圈密封，對換熱管的內徑公差有嚴格要求，對管子的圓柱度和管子的內壁粗糙度要求高，適合于不銹鋼管和銅管的脹接。液袋脹管器對換熱管的尺寸精度要求較低，適合于碳鋼管的脹接。

3.2 液壓脹管器及液袋脹管器原理

3.2.1 液壓脹管器原理

液壓脹管以高壓液體為介質，對管子脹接區(qū)的內表面進行擴張。脹管器的脹桿直徑略小于管子內徑，在脹桿二端的外圓表面上，各設置一個O形圈，在脹桿中段開有進液孔，高壓液體通過脹桿的中心孔注入進液孔，壓力為100～500MPa。高壓液體在脹桿二端O形圈之間的區(qū)域內形成高壓，在高壓的作用下使管子產生塑性變形，此時，管徑逐步擴大，管子外壁和管板孔的間隙逐步消失。當管內壓力繼續(xù)上升時，管壁的擴張變形使管板產生一定程度的彈性變形，待脹管至預計尺寸，泄壓后，依靠管板的彈性回復，完成管子的脹接。液壓脹管器的脹管形式，如圖3所示。

圖3 液壓脹管器的脹管形式

3.2.2 液袋脹管器原理

液袋脹管時，將高壓液從脹桿注入液袋，借助液袋的鼓脹作用，將液體壓力施加至換熱管內壁，管壁先發(fā)生塑性變形并與管板孔的內壁輕微接觸，繼續(xù)加壓后使換熱管外壁與管板孔緊密貼合，泄壓后，利用管板的彈性恢復作用，促使換熱管與管板緊密連接。液袋脹管器的脹管形式，如圖4所示。

3.3 液壓脹管試驗數據

圖4 液袋脹管器的脹管形式

液壓脹管試驗利用國外引進的液壓脹管機進行。選擇不同的脹管壓力，對管子進行管板的全厚度脹接，管子材料為SA556GrC2，管子尺寸為?16×2.5mm，管板材料為SA350LF2，脹管長度為350 mm。液壓脹管后，對試樣進行拉脫力試驗和解剖檢查。6根試樣的脹接參數，如表5所示。

表5 液壓脹管數據

試驗結果證明，液壓脹管具有管壁受力均勻、管子軸向伸長少而且加工硬化少等優(yōu)點。如果管板孔內開有孔槽，脹管后的管壁金屬幾乎能完全填滿管板孔槽，所以具有較大的軸向拉脫力和良好的密封性。液壓脹管的主要特點是液壓壓力可以計算，便于控制和調節(jié)。所有的脹管接頭在同等的液壓條件下被脹接，因此，保證了脹接質量的穩(wěn)定性。脹接長度根據脹桿的長短而定，且管板孔內的脹接位置能保持一致。

3.4 液壓脹管與機械脹管試驗數據分析

液壓脹管與機械脹管的脹管形式有所不同，因此，脹接方法和脹接結果也有較大差別。從各種脹接試驗過程和脹接效果進行分析，可知液壓脹管比機械脹管具有眾多優(yōu)越性。由于機械脹管受脹管器長度和被脹管內徑的限制，脹接長度不易過大，而液壓脹管能實現較大的脹管長度，可進行管板厚度的全程脹接，提高了管束的抗振能力。從表2數據可知，機械脹管的脹緊率完全符合要求，而且也能實現自動控制，使各管口的脹緊率相差不大。但機械脹管的脹接處管壁有明顯的減薄現象，最大減薄量達到了0.16mm，這是因機械脹管時轆子的碾壓造成的，而液壓脹管時，管子管壁幾乎無減薄。這就決定了在脹緊率要求相同的情況下，機械脹管后的拉脫力小于液壓脹管后的拉脫力。有些換熱器需進行整體熱處理，經檢測，熱處理后的已脹管口會發(fā)生收縮現象，這在以前的產品制造中得到了驗證。經比較，經過整體熱處理后，用機械脹管方式脹管的收縮回彈量較大，而用液壓脹管方式脹管的回彈量較小。機械脹管時，脹管器不僅使管徑擴大，脹管轆子對管壁還有一個碾薄的作用，在管子內壁產生了冷作硬化現象，而液壓脹管在液體壓力作用下，無機械損傷，不易對管壁產生破壞作用。雖然，機械脹管后經熱處理的管子內徑變化較大，但從測量數值上分析，仍能滿足過盈量為0.05mm的貼脹要求，但是，管子與管板的脹緊力仍將受到較大影響。液壓脹管后經熱處理的管子內徑變化很小，幾乎可以忽略不計。這些現象說明，如需進行最終熱處理的換熱器，采用液壓脹管方式進行脹管是比較合理的。

4 橡膠脹管

4.1 橡膠脹管原理

橡膠脹管是利用圓筒形軟質橡膠體作脹管介質，采用稍硬或更硬的橡膠密封圈作為次要脹管介質，兼具密封作用，并利用特殊形狀的輔助密封圈進行密封的脹管方法，如圖5所示。橡膠脹管的脹管頭伸入管孔后，當液壓缸的加壓桿施加拉力F時，橡膠脹管的介質受到軸向壓縮并向徑向膨脹，形成數值很大的超高脹管壓力，該壓力使管壁達到屈服階段，并使管板處于彈性變形狀態(tài)。加壓桿的軸向力解除后，橡膠體恢復常態(tài)的形狀和尺寸，脹管頭可以順暢地從管孔中拉出，轉入下一個管孔的脹管。

圖5 橡膠脹管的方式

4.2 橡膠脹管應用實例

在某型三類壓力容器的制造中，管子管板采用了橡膠脹接，管板厚度為396mm，管孔內無切槽，U形換熱管的尺寸為?25mm×2.5mm，材料為10號低碳鋼，共計475根。按要求是焊后貼脹，在管板內側和外側，貼脹長度各為60mm，中間段不脹接。采用R－250軟膠脹管機實施脹管作業(yè)，脹管壓力為131MPa。先脹管板外側的管孔，后脹內側管孔，共用21h完成全部脹管作業(yè)。經檢查，橡膠脹管均勻而且柔和，脹管壓力通過橡膠均勻地施加在管子內壁上，過渡區(qū)變形平緩，脹管區(qū)無明顯的冷作硬化現象。經水壓試驗后，所有脹管接頭未發(fā)生泄漏。

5 脹管形式的選擇及工藝比較

在生產某型再生熱交換器時，該熱交換器的管板厚度為125mm，材料為Z2CN18－10，換熱管尺寸為?10.2mm×2mm，材料為Z2CN18－10。管子與管板連接形式為脹焊結構，工藝要求的脹接長度為80mm，脹緊程度為貼脹，脹區(qū)的管子內徑需清潔，不得有任何污染。鑒于產品結構的特殊性及脹管技術要求，分別對脹管形式的選擇和脹管工藝進行了分析比較。

（1）機械脹管

由于受到脹接長度L＝80mm，管內徑d＝6.2 mm的限制，如采用機械脹管方式脹管已非常困難。另外，機械脹管本身還存在脹接質量不穩(wěn)定、殘余應力大等缺陷。

（2）爆炸脹管

這種工藝雖然不受管子直徑大小和脹接長度的約束，但需要特殊的施工場地。

（3）液壓脹管

主要的脹接工藝參數可以通過計算而精確確定。脹接質量穩(wěn)定，殘余應力小，脹后管孔內無污染，尤其對于小管徑（管內徑d≤10mm）或厚管板的脹接，液壓脹管更體現其優(yōu)越性。

（4）橡膠脹管

由于受到脹接長度L＝80mm，管內徑d＝6.2 mm的限制，采用橡膠脹管也非常困難。

根據分析，該換熱器采用液壓脹接，更能體現液壓脹管的優(yōu)越性?，F將不同脹接方法與其性能差異的比較結果，列于表6。

表6 不同脹管方法與其性能比較

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6 結 語

從表6數據可知，各種脹管方法各有其優(yōu)缺點。機械脹管的結構簡單，制造方便，操作簡單，使用靈活，在制造及維修中應用較為普遍。但在脹接過程中，脹管器常與管壁發(fā)生摩擦，損壞率高，且必須使用大量潤滑油，污染了管口，不利于下道工序的焊接操作，影響連接質量。采用機械脹管后，各管口的脹緊率不太一致，連接強度和緊密性不均，勞動生產率低。爆炸脹管的工藝及工裝較簡單，生產效率極高，但對炸藥儲藏及爆炸場地的選擇有一定的要求。液壓脹管的脹管效率介于機械脹管和爆炸脹管之間，脹管的操作周期也較長，但被脹管的管壁受力均勻，管子無軸向延伸等特點。同時，液壓脹管還是一種清潔無污染、無加工硬化的脹接方法，具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＯ鹉z脹管的負荷均勻，而且能準確地控制脹管壓力，橡膠脹管的連接質量相當穩(wěn)定，能避免管子產生裂紋。如果對薄壁管采用橡膠脹管，脹管的效率較高。