鍋爐脹管中鍋筒（管板）硬度與管頭硬度的不同差值對脹接質(zhì)量的影響

董亞民 亢春生 呂 恒

（西安特種設(shè)備檢驗檢測院 西安 710065）

鍋爐脹管中鍋筒（管板）硬度與管頭硬度的不同差值對脹接質(zhì)量的影響

董亞民 亢春生 呂 恒

（西安特種設(shè)備檢驗檢測院 西安 710065）

本文首先對管子進行熱處理得到不同硬度值的管子，然后脹接了鍋筒（管板）硬度與管頭硬度不同差值的脹接試件，通過密封試驗和拉脫試驗研究了鍋筒（管板）硬度與管頭硬度的不同差值對鍋爐脹接質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：管子平均硬度值與管板硬度值相近時，脹接接頭的密封性能差，拉脫力較小；管子平均硬度值低于管板硬度值11HB ~ 41HB時，脹接接頭可以獲得良好的密封性能和軸向拉脫性能。

鍋爐 脹接接頭 密封性能 拉脫性能

在鍋爐制造或安裝過程中，脹接是鍋筒或管板與管子經(jīng)常用到的連接形式之一[1-2]。鍋爐脹管質(zhì)量受多種因素影響[3]，特別是脹管技術(shù)中鍋筒或管板硬度與管頭硬度的最佳配合問題，目前的脹接標準和規(guī)范對此都沒有做出明確規(guī)定，僅要求脹接時管板硬度必須大于管頭硬度，沒有具體數(shù)值要求[4-5]。為了提高我國鍋爐脹管的質(zhì)量和技術(shù)水平，只有對脹接時管板硬度與管頭硬度數(shù)值差進一步研究，才能更好的指導脹管工作，保證鍋爐的制造和安裝質(zhì)量。本文制備了鍋筒（管板）硬度與管頭硬度不同差值的脹接試件，從不同硬度差組合通過密封試驗和拉脫試驗對脹接接頭的脹接質(zhì)量進行了探討分析。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本文脹接試驗選用的材料為鍋爐制造中常用的鋼板和管子。管板材料生產(chǎn)單位為安陽鋼鐵股份有限公司，牌號為Q245R ，板厚14mm。管子為低中壓鍋爐用無縫20#鋼管，規(guī)格為φ51mm×3mm，脹接管子選用了兩個公司的管子，分別為無錫市前洲無縫鋼管廠和重慶集團鋼管有限責任公司。采用不同的熱處理工藝對重慶集團鋼管有限責任公司的20#鋼管進行真空熱處理，獲得不同硬度的管子。

1.2 脹接接頭密封性能和抗拉脫力測定

鍋爐脹管質(zhì)量的評價是以脹接接頭在使用壽命內(nèi)能夠安全運行為標準和前提，具體評價指標常用鍋爐的鍋筒（管板）與管子連接接頭的密封性能和軸向抗拉脫強度（拉脫力）兩個指標來衡量[6]。脹口密封性能的測定采用自制的工裝設(shè)備進行水壓試驗。脹管抗拉脫力試驗采用自制的專用夾具，在萬能試驗機上進行拉拔。從開始施加拉拔載荷到管子在管板孔中發(fā)生滑移，即認為脹接接頭失效，試驗機記錄的最大載荷被視為接頭的抗拉脫力。

2 管子與管板試件的脹接

2.1 管子與管板硬度值測定

本文把管子按照硬度值從大到小的順序共分為6個梯度，每個梯度選取10根管子進行脹接，每根管子依次進行編號。第一梯度所用管子為無錫市前洲無縫鋼管廠生產(chǎn)，其它梯度所用管子為重慶集團鋼管有限責任公司生產(chǎn)。脹接用管子的硬度值測定結(jié)果見表1。

表1 不同梯度脹接用管子的硬度值

對試驗用管板的硬度值也進行測定，測定結(jié)果為147HB。

通過對管子與管板硬度值的比較，可以發(fā)現(xiàn)第一梯度管子的平均硬度值大于管板硬度值，兩者差值為4HB。第二至第六梯度管子的平均硬度值均小于管板硬度值，分別相差11HB、25HB、32HB、37HB、41HB。

2.2 管子與管板試件的脹接

每個梯度脹接10個試件，本次脹接用管子長度為250mm，每塊管板上連接1根管子，脹接時管子都不進行扳邊，管子伸出管板端面長度為6~8mm。脹接質(zhì)量的控制采用內(nèi)徑控制法，脹管率控制在1．4%～1．6%范圍內(nèi)。脹管率按照如下公式計算。

式中：

Hn——內(nèi)徑控制法脹管率，%；

d1——脹完后的管子實測內(nèi)徑，mm；

t——未脹時的管子實測壁厚，mm；

d——未脹時的管孔實測直徑，mm。

3 管板與管子硬度值差對脹口嚴密性的影響

3.1 水壓試驗工藝和試驗結(jié)果

水壓試驗工藝見表2。試驗過程中，如果發(fā)生滲漏現(xiàn)象，即認為脹口嚴密性發(fā)生失效。

表2 水壓試驗工藝

第一至第六梯度脹接試件，每個梯度從10個中選取5個按照上述試驗工藝對脹接試件進行水壓試驗。實際試驗情況表明，第一梯度管子與管板脹接接頭密封性能不好，打壓至2．4MPa時，1號管子和2號管子脹接試件發(fā)生滲漏，打壓至3．2MPa時，3號管子脹口出現(xiàn)滲漏，4號管子出現(xiàn)含淚(指水壓試驗期間不向下流的水珠)現(xiàn)象，繼續(xù)升壓至4．0MPa時，脹口也發(fā)生滲漏，僅有5號管子密封性能良好。第二梯度脹接試件中，11號管子打壓至2．4MPa，保壓20min后，檢查時脹口出現(xiàn)含淚現(xiàn)象，繼續(xù)升壓至3．2MPa，脹口出現(xiàn)滲漏。第四梯度脹接試件中，41號管子打壓至3．4MPa出現(xiàn)含淚現(xiàn)象，升壓至4．0MPa脹口滲漏依然不明顯。其余脹接試件，均最終打壓至4．0MPa，保壓60min后，檢查脹口未出現(xiàn)滲漏，脹接接頭的密封性能良好。

3.2 脹接接頭解剖檢驗

脹接接頭水壓試驗結(jié)束后，對出現(xiàn)滲漏的11號、41號管子脹接試件進行解剖檢驗，同時選取了未發(fā)生滲漏的12號、21號、35號、45號、53號管子脹接試件也進行解剖檢驗。從解剖情況可以看出，管子與管板結(jié)合狀態(tài)良好，管板孔與管子外壁的接觸表面的印痕和齒合狀況良好。其中，從發(fā)生滲漏的11號和41號管子脹接接頭解剖后的管孔中可以觀察到存在明顯的貫穿性縱向刻痕，其他沒有發(fā)生滲漏現(xiàn)象的管子脹接接頭管孔中未發(fā)現(xiàn)縱向刻痕或裂紋。因此，管孔中的貫穿性縱向刻痕是引起滲漏的主要原因。

3.3 試驗結(jié)果及分析

從不同梯度脹接試件的水壓試驗和解剖檢驗情況可以得出，在本試驗的研究范圍內(nèi)，管子平均硬度值大于管板硬度值4HB時，脹接接頭的密封性能差；管子平均硬度值低于管板硬度值11HB時，脹接接頭的密封性能受管子與管板硬度差值的影響不大，只要管孔在加工的過程中外觀質(zhì)量得到有效控制，脹接接頭都能獲得良好的密封性能。在水壓試驗的過程中，雖有試件脹口出現(xiàn)含淚現(xiàn)象，但升壓至4．0MPa，脹口也未發(fā)現(xiàn)有滴水和漏水的現(xiàn)象，在工程實際中，個別脹口出現(xiàn)含淚現(xiàn)象也是允許的，因此，在管子與管板脹接連接時，管子硬度值小于管板硬度值，且平均硬度管子與管板硬度差值大于11HB時，脹接接頭的密封性能能夠滿足產(chǎn)品水壓試驗壓力的要求。

4 管板與管子硬度差值對脹口抗拉脫性能的影響

4.1 試驗結(jié)果及分析

脹接試件的軸向抗拉脫強度按如下公式計算：

式中：

[p]——抗拉強度（拉脫力），MPa；

F——拉脫力，N；

D——管孔直徑，mm；

L——脹接長度，mm；

鍋爐拉拔試驗選取每個梯度剩余5個脹接試件，

具體的試驗數(shù)據(jù)和抗拉強度的計算結(jié)果見表3。

表3 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過比較第一梯度至第六梯度脹接接頭的拉脫力可以得出，管子平均硬度值大于管板硬度值4HB時，管子與管板脹接接頭的拉脫力較小，為43．29kN。管子平均硬度值小于管板硬度值時，不同硬度差值的管子與管板脹接接頭的拉脫力基本穩(wěn)定，變化不明顯，但均較第一梯度脹接接頭的抗拉脫力有很大幅度的提高。當管子平均硬度值與管板硬度值差為11HB時，脹接接頭的平均拉脫力為54．365kN，當硬度值差為25HB~41HB時，脹接接頭的平均拉脫力都比硬度差值為11HB時大，但平均拉脫力有一個由大緩慢變小的趨勢。

4.2 拉脫試驗分析

圖1為從管孔中拉拔出的管子。圖2為管板。通過對脹接管孔及脹接管端的外觀檢查和數(shù)據(jù)測量可以得出，脹接管孔和脹接管端的變化情況與脹接原理是

一致的，管板在脹接的過程中發(fā)生彈性變形，管子在脹接的過程中發(fā)生塑性變形，并且在靠近管板的兩端，由于沒有管板的約束，管子發(fā)生塑性變形的程度更加明顯，從而引起塑性變形的不連續(xù)，在靠近管板的兩端，管子明顯形成兩個密封環(huán)帶。

從圖1和圖2中可以看出，管子在拉拔的過程中，除克服管板與管子接觸所產(chǎn)生的摩擦力外，伸出管板側(cè)的密封環(huán)帶對管子拉拔的阻力也比較明顯。圖2中的管板孔殘留有從管子上剝離的鐵屑。圖1中管子外表面有明顯的拉拔劃痕和鐵屑剝離留下的缺口。

5 結(jié)論

1)管子平均硬度值與管板硬度值相近時，脹接接頭的密封性能差，打壓至2．4MPa時，脹接接頭就出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象；管子與管板脹接接頭的拉脫力較小，為43．29kN。

2）管子平均硬度值低于管板硬度值11HB時，脹接接頭的密封性能受管子與管板硬度差值的影響不大，脹接接頭能獲得良好的密封性能；不同硬度值差的管子與管板脹接接頭的拉脫力基本穩(wěn)定，變化不明顯。

3）在本試驗的研究范圍內(nèi)，當管子與管板硬度值差在11HB~41HB范圍內(nèi)，管子與管板的脹接接頭可以獲得良好的密封性能和軸向拉脫性能。

[1] TSG G0001—2012 鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S]．

[2] TSG G7001—2015 鍋爐監(jiān)督檢驗規(guī)則[S]．

[3] 李春遷，陶國香，周玉萍，等．80t/h中壓D型燃油鍋爐脹接工藝分析與研究[J]．工業(yè)鍋爐，1998，（01）：26-28．

[4] GB 50273—2009 鍋爐安裝工程施工及驗收規(guī)范[S]．

[5] JB/T 9619—1999 工業(yè)鍋爐脹接技術(shù)條件[S]．

[6] 韓 君，魏偉，宋健光．D型鍋爐脹接孔加工及脹接[J]．鍋爐制造，2005，（01）：33-34+80．

Effect of Hardness Difference Between Boiler Barrels and Tube Heads on Expansion Quality of the Tube Boiler

Dong Yamin Kang Chunsheng Lv Heng
(Xi'an Special Equipment Inspection Institute Xi'an 710065)

In this paper, the pipes with different hardness was prepared though the heat treatment. Then boiler barrels were expanded with tube heads, and the hardness difference between boiler barrels and tube heads were different. The infuence of hardness difference on expansion quality of the tube boiler was investigated. The results showed that when the average hardness of tube heads was similar to the average hardness of boiler barrels, the sealing and pulled off performance of expanded joints was poor. And the average hardness of tube heads was less than the average hardness of boiler barrels by11HB ~ 41HB, the expanded joints exhibited the good sealing and pulled off performance.

Boiler Expansion joint Sealing property Pulled off property

X933．2

B

1673-257X(2017)01-0026-03

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．01．005

董亞民(1960～ )，男，本科，高級工程師，從事鍋爐、壓力容器、壓力管道的檢驗檢測工作。

2016-06-16）