換熱器高等級管頭緊密度的脹接壓力分析

陳孫藝

(茂名重力石化機械制造有限公司，廣東 茂名　525024)

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換熱器高等級管頭緊密度的脹接壓力分析

陳孫藝

(茂名重力石化機械制造有限公司，廣東 茂名525024)

摘要：對用于換熱器管頭脹接的進口和國產(chǎn)液壓脹管機操作手冊所提出的脹接壓力進行了對比分析，結(jié)果表明，國內(nèi)外關于管頭脹接壓力及其因素的闡述存在多方面明顯的差異，主要包括管頭結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、壓力高低及其可實現(xiàn)性、技術原理、壓力概念內(nèi)涵等4個方面。有的進口脹管機脹接壓力的計算以管頭密封需求為基礎，而國內(nèi)脹管機脹接壓力的計算以管頭密封能力為基礎。

關鍵詞：密封；緊密度；液壓脹接；脹接壓力；管頭；換熱器

列管式換熱器換熱管與管板組成的管頭，其連接強度及密封的可靠性是保證產(chǎn)品運行質(zhì)量的關鍵，研究發(fā)現(xiàn)，文獻[1]中列出了管頭脹接壓力式，其計算結(jié)果非常大，甚至無法實現(xiàn)，國內(nèi)外標準和資料中對管頭脹接壓力相關概念的表述存在明顯差異性，對這些因素認識不清會影響設備制造中的產(chǎn)品質(zhì)量。為了在業(yè)內(nèi)引起關注，這里分別以國內(nèi)外液壓脹管機操作手冊的內(nèi)容為基礎，對脹接壓力的各種概念進行分析比較，并以常見換熱器高等級管頭組合材料為案例對其緊密度的脹接壓力進行計算分析。

1液體脹接壓力

1.1某進口脹管機脹接壓力基本概念

文獻[1]中列出了如下液體脹接的3個基本壓力及其2條計算式，但是未指出公式的出處，經(jīng)溯源，計算式由H. Krips和M. Podhorsky在上世紀70年代研發(fā)液壓脹管機時提出，后來在由供應商BALCKE-DüRR提供的某脹管機操作手冊中作了介紹。

(1)

(2)

式中，po為界限壓力(limit pressure)，指撇去脹接液壓后使管板的彈性恢復等于管子彈性恢復的液壓膨脹壓力，此時不存在殘余貼合壓力，即pH=0。

pi為最大液壓壓力(maximum expansion pressure)，指液壓脹接的最大壓力，為了使脹接后有殘余貼合壓力pH存在，即pi>po。但大多少則取決于脹接緊密程度和拉脫力的大小。這里，筆者以pit表示貼脹最大液壓壓力，piq表示強度脹最大液壓壓力。

pH為貼合壓力(adhesion pressure)，是管子與管板之間的殘余貼合壓力。按文獻[1]，通常貼脹時pH=20 MPa(g)；強度脹時pH=700 MPa(g)；緊密脹時pH=200~700 MPa(g)。具體取值應考慮工況變化的影響。作者據(jù)此繪制圖1，經(jīng)國內(nèi)外案例計算和比較分析，認為文獻[1]提供的參數(shù)有錯誤，強度脹壓力宜修正貼合壓力為pH=70 MPa(g)，緊密脹壓力宜修正貼合壓力為pH=20~70 MPa(g)。

圖1　貼合壓力取值范圍

β為減薄系數(shù)，取決于管板的有關幾何尺寸，筆者根據(jù)文獻[1]中的圖6回歸得：

β=0.071 4UP+0.730 1

(3)

式中，Up為管板半徑比，Up=(2S-D)/D；

S為管板孔中心距，mm；

D為管板孔徑，mm；

do為管子外徑，mm；

di為管子內(nèi)徑，mm；

UR為管子徑比，UR=do/di；

ν為波松比；

σt為管子材料屈服時的應力，MPa(g)；

Ep為管板材料彈性模量，MPa(g)；

ER為管子材料彈性模量，MPa(g)。

1.2某國產(chǎn)脹管機脹接壓力基本概念

根據(jù)浙江臺州大洋液壓脹管設備制造有限公司提供的《超高液壓脹管新技術》，有如下液體脹接的3個基本壓力概念及其計算式[2]。

po為換熱管全(壁厚)屈服壓力，為換熱管外壁剛發(fā)生塑性變形時脹管壓力，此時只有換熱管變形，管板不受力，稱為換熱管預脹階段。

pmin為最小脹接壓力，是指當換熱管外壁與管孔已經(jīng)接觸，但是管板處于彈性變形狀態(tài)，僅管孔壁有局部塑性變形，兩者之間開始產(chǎn)生殘余應力，但是其徑向殘余應力為零時的脹管壓力。

pmax為最大脹接壓力，為管板孔壁開始產(chǎn)生塑性變形時的脹管壓力。

在考慮管板厚度非脹接區(qū)的應力線性衰減影響，以及換熱管周圍管橋的脹接壓力放大影響后，有關壓力計算式為[2]：

(4)

(5)

(6)

式中，RteL為管子材料的屈服強度，MPa(g)；RseL為管板材料的屈服強度，MPa(g)；

徑比：

(7)

對于管孔正三角形排列[2]：

(8)

對于管孔正方形排列[2]：

(9)

系數(shù)[2]：

(10)

(11)

L為管板厚度中間局部脹管區(qū)域，mm；ri為換熱管全屈服時的內(nèi)半徑，mm；rc為換熱管全屈服時的外半徑，mm；其他符號的含義同前。

1.3典型管頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

針對常見換熱器，表1列出了常見3種管頭結(jié)構(gòu)尺寸的計算參數(shù)。

表1　結(jié)構(gòu)尺寸計算參數(shù)

根據(jù)上述計算式(1)和(2)所需要的材料性能參數(shù)，表2列出了常見3種材料組合的計算參數(shù)。脹接在常溫進行，表中管子屈服時的應力取GB 150.2或相應標準中換熱管材料≤20 ℃時的許用應力，這除根據(jù)溯源理解外，還出于以下理由：第一，這里包含適當?shù)陌踩禂?shù)，可從設計的角度預防過脹致?lián)Q熱管開裂；第二，工程中雖然可以以換熱管材料的實際性能檢測值作為屈服應力的依據(jù)，但是也只能作為參考，因為換熱管的性能檢測以軸向拉伸為標準，而脹接時起決定作用的是換熱管的周向力學性能，且周向力學性能往往低于軸向力學性能；第三，即便這樣，其脹接壓力計算結(jié)果也明顯高于國產(chǎn)脹管機的計算結(jié)果，如果按習慣取屈服極限值，則國內(nèi)外脹管機脹接壓力的計算結(jié)果差異更加顯著。

表2　材料性能計算參數(shù)

2進口脹管機脹接壓力計算

2.1由φ19×2.0換熱管組合管頭的脹接壓力

對于常用的φ19×2.0規(guī)格的換熱管，把表1中的有關參數(shù)分別代入式(1)和(2)，簡化為：

(1-1)

(2-1)

(1) 對于10換熱管和16Mn管板組合的管頭，由式(1-1)得界限壓力：

po=(0.307 871 472 2×1.0+0.302 264 445)245

≈149.49 MPa(g)

由式(2-1)得貼脹最大液壓壓力：

pit=20(1.185 255 423+1.822 437 598×1.0)+149.49

≈209.64 MPa(g)

以及修正貼合壓力前后計算強度脹最大液壓壓力：

piq=700(1.185 255 423+1.822 437 598×1.0)+149.49

≈2 254.87 MPa(g)

piq=70(1.185 255 423+1.822 437 598×1.0)+149.49

(2) 對于10換熱管和中鉻鉬鋼管板組合的貼脹管頭，由式(1-1)得界限壓力：

po=(0.307 871 472 2×1.045+0.302 264 445)245

≈152.88 MPa(g)

由式(2-1)得貼脹最大液壓壓力：

pit=20(1.185 255 423+1.822 437 598×1.045)+152.88

≈214.67 MPa(g)

以及修正貼合壓力前后計算強度脹最大液壓壓力：

piq=700(1.185 255 423+1.822 437 598×1.045)+152.88

≈2 315.67 MPa(g)

因此，利用紅色文化推動新時代中國特色社會主義建設,必須重視紅色文化的價值功能,使人民群眾在紅色文化中找到歸屬感，從而推動人民群眾對馬克思主義理論的當代認知并從情感取向上傾向于馬克思主義，將其轉(zhuǎn)化為他們自己的行為和實踐指導規(guī)范。

piq=70(1.185 255 423+1.822 437 598×1.045)+152.88

≈369.16 MPa(g)

(3) 對于0Cr18Ni9(S30408)或0Cr17Ni12Mo2(S31608)換熱管和16Mn管板組合的貼脹管頭，由式(1-1)得界限壓力：

po=137(0.307 871 472 2×1.031+0.302 264 445)

≈84.90 MPa(g)

由式(2-1)得貼脹最大液壓壓力：

pit=20(1.185 255 423+1.822 437 598×1.031)+84.95

≈146.24 MPa(g)

以及修正貼合壓力前后計算強度脹最大液壓壓力：

piq=700(1.185 255 423+1.822 437 598×1.031)+84.95

≈2 229.88 MPa(g)

piq=70(1.185 255 423+1.822 437 598×1.031)+84.95

≈299.44 MPa(g)

(4) 對于S304或S316換熱管和中鉻鉬鋼管板組合的貼脹管頭，由式(1-1)得界限壓力：

po=137(0.307 871 472 2×1.077+0.302 264 445)

≈86.84 MPa(g)

由式(2-1)得貼脹最大液壓壓力：

pit=20(1.185 255 423+1.822 437 598×1.077)+86.84

≈149.80 MPa(g)

以及修正貼合壓力前后計算強度脹最大液壓壓力：

piq=700(1.185 255 423+1.822 437 598×1.077)+86.84

≈2 290.45 MPa(g)

piq=70(1.185 255 423+1.822 437 598×1.077)+86.84

≈307.20 MPa(g)

上述液壓脹接壓力數(shù)據(jù)列于表3。比較可知，修正貼合壓力前的強度脹最大液壓壓力計算值巨大，是不合理的，也是無法實現(xiàn)的，修正貼合壓力后的強度脹最大液壓壓力計算值則是可以接受的，也是業(yè)內(nèi)有能力實現(xiàn)的，再結(jié)合與文獻[1]同一單位的作者同類報道文獻[3]中所提供的信息，確認這里對強度脹最大液壓壓力計算的修正是必要的。

表3　脹接壓力數(shù)據(jù)表

2.2由φ25×2.5換熱管組合管頭的脹接壓力

對于常用的φ25×2.5規(guī)格的換熱管，式(1) 和(2)同理簡化為：

(1-2)

(2-2)

把表2中的有關材料性能計算參數(shù)分別代入式(1-2)、式(2-2)進行同樣的計算，所得結(jié)果列于表3。

(1)對于10換熱管和16Mn管板組合的管頭，分別得：

po=(0.295 724 000 8×1.0+0.281 25)245

≈141.34MPa(g)

pit=20(1.191 469 081+1.815 448 57×1.0)+141.34

≈201.48MPa(g)

piq=700(1.191 469 081+1.815 448 57×1.0)+141.34

≈2 246.18MPa(g)

piq=70(1.191 469 081+1.815 448 57×1.0)+141.34

≈351.82MPa(g)

(2) 對于10換熱管和中鉻鉬鋼管板組合的貼脹管頭，分別得:

po=(0.295 724 000 8×1.045+0.281 25)245

≈144.62MPa(g)

pit=20(1.191 469 081+1.815 448 57×1.045)+144.60

≈206.37MPa(g)

piq=700(1.191 469 081+1.815 448 57×1.045)+144.60

≈2 306.63MPa(g)

piq=70(1.191 469 081+1.815 448 57×1.045)+144.60

≈360.80MPa(g)

(3) 對于S304或S316換熱管和16Mn管板組合的貼脹管頭，分別得：

po=(0.295 724 000 8×1.031+0.281 25)×137

≈80.30 MPa(g)

pit=20(1.191 469 081+1.815 448 57×1.031)+80.30

≈141.57 MPa(g)

piq=700(1.191 469 081+1.815 448 57×1.031)+80.30

≈2 224.54 MPa(g)

piq=70(1.191 469 081+1.815 448 57×1.031)+80.30

≈294.72 MPa(g)

(4) 對于S304或S316換熱管和中鉻鉬鋼管板組合的貼脹管頭，分別得：

po=(0.295 724 000 8×1.077+0.281 25)×137

≈82.17 MPa(g)

pit=20(1.191 469 081+1.815 448 57×1.077)+82.17

≈145.10 MPa(g)

piq=700(1.191 469 081+1.815 448 57×1.077)+82.17

≈2 284.86 MPa(g)

piq=70(1.191 469 081+1.815 448 57×1.077)+82.17

≈302.44 MPa(g)

2.3由φ32×3.5換熱管組合管頭的脹接壓力

對于常用的φ32×3.5規(guī)格的換熱管，式(1)和(2) 同理簡化為：

(1-3)

(2-3)

同理，把表2中的有關材料性能計算參數(shù)分別代入式(1-3)、(2-3) 進行同樣的計算，所得結(jié)果列于表3。

(1)對于10換熱管和16Mn管板組合的管頭，分別得：

po=(0.263 009 372 2×1.0+0.319 2)245

≈142.64 MPa(g)

pit=20(1.197 604 79+1.516 557 25×1.0)+142.62

≈196.91 MPa(g)

piq=700(1.197 604 79+1.516 557 25×1.0)+142.62

≈2 042.54 MPa(g)

piq=70(1.197 604 79+1.516 557 25×1.0)+142.62

≈332.61 MPa(g)

(2)對于10換熱管和中鉻鉬鋼管板組合的貼脹管頭，分別得：

po=(0.263 009 372 2×1.045+0.319 2)245

≈145.54 MPa(g)

pit=20(1.197 604 79+1.516 557 25×1.045)+145.53

≈201.18 MPa(g)

piq=700(1.197 604 79+1.516 557 25×1.045)+145.53

≈2 093.21 MPa(g)

piq=70(1.197 604 79+1.516 557 25×1.045)+145.53

≈340.30 MPa(g)

(3)對于S304或S316換熱管和16Mn管板組合的貼脹管頭，分別得：

po=(0.263 009 372 2×1.031+0.319 2)137

≈80.88 MPa(g)

pit=20(1.197 604 79+1.516 557 25×1.031)+80.88

≈136.10 MPa(g)

piq=700(1.197 604 79+1.516 557 25×1.031)+80.88

≈2013.70 MPa(g)

piq=70(1.197 604 79+1.516 557 25×1.031)+80.88

≈274.16 MPa(g)

(4)對于S304或S316換熱管和中鉻鉬鋼管板組合的貼脹管頭，分別得：

po=(0.263 009 372 2×1.077+0.319 2)137

≈82.54 MPa(g)

pit=20(1.197 604 79+1.516 557 25×1.077)+82.54

≈139.16 MPa(g)

piq=700(1.197 604 79+1.516 557 25×1.077)+82.54

≈2 064.19 MPa(g)

piq=70(1.197 604 79+1.516 557 25×1.077)+82.54

≈280.71 MPa(g)

3國產(chǎn)脹管機脹接壓力計算

以φ19×2.0換熱管組合管頭為例，為了免除換熱管全屈服時的內(nèi)外半徑的計算麻煩，以換熱管脹接前的尺寸計算徑比：

把有關數(shù)據(jù)代入式(7)和(8)，整理后分別得：

對于管孔正三角形排列

對于管孔正方形排列

把有關數(shù)據(jù)代入式(9)和(10)，整理后分別得：

(9-1)

(10-1)

由此可見，隨著厚管板中脹接長度的增加，兩個影響系數(shù)均減小，脹接長達300mm時，其影響程度分別只有2.4%、1.7%。取正三角形排列的10換熱管與16Mn鍛件管板，管孔脹接長度L=100 mm，把有關數(shù)據(jù)代入式(3)、(4)和(5)，整理后分別得：

≈0.292 878×205=60.04 MPa(g)

≈0.825 558 867×205=169.24 MPa(g)

≈60.04+295×0.64

=248.84 MPa(g)

上述計算式中10換熱管材料的屈服強度按GB 6479—2000取205 MPa(g)。pmin=169.24 MPa(g)與表3中pit=209.64 MPa(g)相比低約19.3%，pmax=248.82 MPa(g)與表3中piq=359.98 MPa(g)相比，低約30.9%。

4結(jié)語

相同的或不同的換熱器管頭脹接工程案例很可能具有不同的技術背景，因而其可比性具有條件性，甚至于無法比較，要引起制造技術人員的注意。國內(nèi)外各種脹管機操作手冊所依據(jù)的技術原理有明顯區(qū)別，在制定換熱器制造工藝時要對此有清醒的認識，從上述分析可以得出如下幾點。

(1)從換熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)上對比，進口脹管機壓力計算中只用到脹接前的尺寸，大洋脹管機壓力計算中除用到脹接前的尺寸，還用到換熱管全屈服時的尺寸以及脹接長度；從管頭材料性能上對比，進口脹管機壓力計算中只用到換熱管的屈服應力，大洋脹管機壓力計算中除用到換熱管的屈服應力，還用到管板的屈服應力。

(2)從數(shù)值上對比，根據(jù)進口脹管機操作手冊計算得幾種典型管頭結(jié)構(gòu)的貼脹最大液壓壓力pit是136.10~214.67 MPa(g)，略小于大洋脹管機操作手冊提出的最小脹接壓力pmin；根據(jù)進口脹管機操作手冊計算得的強度脹最大液壓壓力piq是2 013.70~2 315.67 MPa(g)，不合理地大于大洋脹管機操作手冊提出的最大脹接壓力pmax，目前國產(chǎn)的脹管機無法滿足piq的要求。但是經(jīng)修正貼合壓力后，根據(jù)進口脹管機操作手冊計算得的強度脹最大液壓壓力piq是274.16~335.58 MPa(g)，雖然也明顯大于大洋脹管機操作手冊提出的最大脹接壓力pmax，但是在可接受的工程范圍內(nèi)，單純依靠液壓是可以實現(xiàn)強度脹的。

(3)從技術上分析，該進口脹管機的貼脹貼合壓力取20 MPa(g)、強度脹貼合壓力修正后取70 MPa(g)，緊密脹貼合壓力修正后取20~70 MPa(g)，是通常的參照值，由此計算得的最大液壓壓力pi是基于脹接緊密程度和拉脫力的大小而言，側(cè)重于密封的需求，除了反映制造中管頭材料組合對脹接工藝的影響，也反映了換熱器工況變化的影響。

大洋脹管機操作手冊提出的最小脹接壓力pmin和最大脹接壓力pmax是基于脹接原理及其脹緊的最佳效果而言，側(cè)重于管頭的密封能力，只反映制造中管頭材料組合所適宜的脹接壓力范圍，未包含換熱器工況對脹接效果的需求。

(4)從概念上分析，GB/T 151—2014《熱交換器》仍沿用了脹度(脹接率或脹緊度)的概念，對不同換熱管材料的強度脹提出具體的脹度要求，所提出的脹度計算式只包含管頭的幾何尺寸。進口脹管機操作手冊中強度脹的含義不一定與GB/T 151標準中強度脹的含義相等。標準中把脹接分為貼脹和強度脹兩種級別的概念，其實現(xiàn)的判斷方法有待實踐深化?；趽Q熱器工況對管頭貼合的需求，再結(jié)合管頭材料組合所能提供的貼合效果來設計管頭，以緊密度來綜合反映制造中管頭的脹接效果，顯然更加合理。

參考文獻：

[1] 林偉忠. 管殼式換熱器中管子和管板的脹接[J].化肥設計，1998，36(4)：53-57.

[2] 孫幸龍，陳建俊. 液壓脹管的最佳脹管壓力探討[J].壓力容器，2000，28(5)：39-43.

[3] 張義輝. 換熱器管液壓脹接[J].大氮肥，1997，20(1)：16-19.

Expansion Pressure Analysis about Tightness of High Grade Tube Joint for Heat Exchanger

CHEN Sun-yi

(MaomingChallengePetrochemicalMachineryManufacturingCo.,Ltd.,MaomingGuangdong525024China)

Abstract：Comparative analysis of expansion pressure on tube joint of heat exchanger is made according to the operation manuals of domestic and imported hydraulic tube expansion machines. The results show that the calculation of expansion pressure is based on the seal demand of tube joint for the imported machine, but it is based on the seal ability of tube joint for the domestic machine. There are 4 clear differences about the expansion pressure and its factors on tube joint between imported machine and domestic machine, which include size of tube joint, pressure and its realizability, technical principle, and fundamental meaning of pressure concept.

Keywords：seal; tightness; hydraulic expansion; expansion pressure; tube joint; exchanger

收稿日期：2015-10-20

作者簡介：陳孫藝(1965年-)，男，廣東化州人，2006年畢業(yè)于華東理工大學化工過程機械專業(yè)，博士，教授級高級工程師，現(xiàn)主要從事承壓設備設計開發(fā)、制造工藝、失效分析及技術管理工作。

中圖分類號：TK 172

文獻標識碼：A

文章編號：1004-8901(2016)01-0011-06

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.003 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.003