管子管板機(jī)械脹接工藝改進(jìn)

(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司，河北秦皇島 066206)

0 引言

脹接是管殼類換熱器管子管板連接的主要形式[1-3]。其原理是通過(guò)換熱管徑向膨脹，借助管板回彈，在管子與管板孔表面產(chǎn)生接觸壓力，使兩者連接固定。其作用包括[4]：在設(shè)備運(yùn)行期間，保護(hù)管子與管板間的焊縫免受軸向載荷；吸收管束振動(dòng)交變應(yīng)力；封閉管子與管板孔的間隙，防止殼程流體侵入縫隙產(chǎn)生腐蝕。

機(jī)械脹接工藝是通過(guò)帶有錐度的脹接芯軸帶動(dòng)脹珠旋轉(zhuǎn)，在換熱管內(nèi)部碾壓，使管子膨脹，實(shí)現(xiàn)與管板的連接，如圖1所示。雖然該種工藝以脹接效率高、接頭連接強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用[5-9]，但是對(duì)于較大直徑、較大厚壁換熱管的脹接存在缺陷。

1 問(wèn)題描述及原因分析

1.1 工程問(wèn)題

某型號(hào)換熱器，換熱管和管板材料均為022Cr19Ni10，管子規(guī)格為?55 mm×2 mm。管子管板密封焊接后，使用機(jī)械脹接工藝進(jìn)行貼脹，脹接長(zhǎng)度為(39±1.5) mm，在管板兩側(cè)分別留有3 mm和8 mm不脹接，脹接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 機(jī)械脹管器結(jié)構(gòu)及工作原理示意

圖2 管子管板脹焊連接結(jié)構(gòu)示意

在開(kāi)展工藝試驗(yàn)過(guò)程中，尺寸檢查發(fā)現(xiàn)：要求距管板焊縫側(cè)表面8 mm的不脹尺寸幾乎為0，并且管子管板焊縫受到不同程度的擠壓，管子管板焊縫原有的圓弧輪廓已幾乎不存在，如圖3所示。

圖3 管子管板焊縫宏觀形貌

1.2 原因分析

如前所述，機(jī)械脹接是通過(guò)機(jī)械脹管器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶錐度的芯軸旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，脹珠自轉(zhuǎn)的同時(shí)也隨脹接芯軸旋轉(zhuǎn)，脹珠徑向膨脹將管子脹緊，其控制工藝參數(shù)是脹接旋轉(zhuǎn)扭矩。

因?yàn)樵摦a(chǎn)品管子規(guī)格為?55 mm×2 mm，與大多數(shù)換熱器相比，管子直徑、壁厚均較大，而且要求脹接拉脫力大于20 kN。為達(dá)到脹接強(qiáng)度要求，工藝試驗(yàn)確定的脹接扭矩達(dá)到50 N·m，而通常小直徑薄壁管脹接扭矩不超過(guò)10 N·m。

當(dāng)脹接達(dá)到設(shè)定扭矩時(shí)，操作人員應(yīng)該把緊脹殼使其頂緊管板表面(見(jiàn)圖4)，讓錐形的脹接芯軸反轉(zhuǎn)回退，從而脹珠回縮與管子內(nèi)壁脫離，最后取出脹管器。但是因?yàn)槊浗优ぞ卮螅浿榕c脹接芯軸接觸壓力大，反轉(zhuǎn)時(shí)，操作人員無(wú)法把緊脹殼使其不轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致脹接芯軸反轉(zhuǎn)回退時(shí)脹珠不能與芯軸及時(shí)脫離，使得脹珠連同脹殼、芯軸一起反向旋轉(zhuǎn)和后退，進(jìn)而對(duì)管子管板焊縫側(cè)要求的不脹區(qū)進(jìn)行了碾壓，甚至對(duì)焊縫進(jìn)行了擠壓(見(jiàn)圖4)。又因?yàn)楣茏庸馨彘_(kāi)有30°坡口，焊接工藝為填絲焊，在直徑方向焊肉突出管子內(nèi)壁，使得焊縫擠壓更加明顯。

(a)脹珠回縮

(b)脹珠未回縮

2 工藝改進(jìn)

脹管器反轉(zhuǎn)回退時(shí)，對(duì)焊縫側(cè)未脹部分的擠壓是機(jī)械脹接工藝的常見(jiàn)問(wèn)題，尤其對(duì)于大扭矩的機(jī)械脹接，影響更為嚴(yán)重。為此，本文提出了將脹珠后端(即管子管板焊縫側(cè))圓角位置前移的解決方案，改造前和改造后的脹珠結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 改造前、后的脹珠結(jié)構(gòu)

脹珠結(jié)構(gòu)尺寸修改后，管子有效的脹接長(zhǎng)度分為兩部分：一部分由脹管器前進(jìn)脹接時(shí)完成，即正常的脹接區(qū)域；另一部分由脹接結(jié)束、脹管器反轉(zhuǎn)回退時(shí)完成。總的脹接長(zhǎng)度可以滿足設(shè)計(jì)要求，焊縫側(cè)的不脹長(zhǎng)度也可保證，還可有效避免脹管器反轉(zhuǎn)回退時(shí)脹珠對(duì)管子管板焊縫的擠壓。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試樣制備

使用牌號(hào)022Cr19Ni10、厚度為50 mm的鍛件，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1，2。

表1 022Cr19Ni10鍛件化學(xué)成分 %

表2 022Cr19Ni10鍛件室溫力學(xué)性能

采用鉆、鏜的工藝加工?55.2 mm的孔，孔表面粗糙度按照3.2 μm控制，孔口加工30°坡口，坡口深2 mm。使用牌號(hào)022Cr19Ni10、規(guī)格為?55 mm×2 mm的換熱管，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表3，4。

表3 022Cr19Ni10管化學(xué)成分 %

表4 022Cr19Ni10管室溫力學(xué)性能

脹接試樣分為如下兩種。

(1)第1種：1#～5#試樣管與管板試件裝配后點(diǎn)焊固定。使用自動(dòng)氬弧焊工藝完成管子管板焊接，然后使用改造后的機(jī)械脹管器進(jìn)行脹接。測(cè)量如圖2所示的脹接尺寸，解剖檢測(cè)焊縫根部。

(2)第2種：6#～10#試樣管與管板試件裝配后，直接使用改造后的機(jī)械脹管器進(jìn)行脹接(不進(jìn)行點(diǎn)焊固定)，然后測(cè)量脹接接頭的拉脫力。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 脹接對(duì)管子管板焊縫的影響

圖6 脹接試樣剖切示意

如圖6所示，使用線切割解剖管子管板焊縫，并磨削剖切面。將剖切面放大10倍觀察，管子管板焊縫邊緣仍是原始的圓弧狀態(tài)，沒(méi)有任何的擠壓、摩擦， 如圖7所示。

圖7 脹接后管子管板焊縫宏觀形貌

圖8 脹接后管子管板焊縫根部微觀形貌

繼續(xù)將管子管板焊縫剖切面使用10%鉻酸水溶液進(jìn)行浸蝕，放大200倍進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：管子管板焊縫區(qū)域未發(fā)現(xiàn)任何裂紋，焊縫根部未發(fā)現(xiàn)任何不連續(xù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了管子管板焊縫的完整性。試樣微觀照片見(jiàn)圖8。

3.2.2 脹接強(qiáng)度

使用改造過(guò)的機(jī)械脹管器脹接后，測(cè)量脹接長(zhǎng)度在38～40 mm之間，滿足設(shè)計(jì)文件要求的(39±1.5) mm。連接強(qiáng)度是衡量管子管板脹接質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，拉脫力是脹接強(qiáng)度的量化指標(biāo)。對(duì)于沒(méi)有管子管板焊縫的6#～10#試樣，脹接后使用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)脹接接頭的拉脫力，結(jié)果列于表5。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用改造后的脹管器脹接，接頭的脹接強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中大于20 kN的要求。

表5 脹接拉脫力

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)?55 mm×2 mm的不銹鋼管，通過(guò)改造機(jī)械脹管器及開(kāi)展脹接工藝試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：通過(guò)改造機(jī)械脹管器脹珠，即將脹珠后端(即管子管板焊縫側(cè))的圓角位置向前移動(dòng)，可解決機(jī)械脹管器反轉(zhuǎn)回退碾壓未脹區(qū)及擠壓管子管板焊縫的問(wèn)題,有效保證脹接長(zhǎng)度和管子管板焊縫的完整性。