換熱器管板孔徑超差制造過程研究

范西斌 邵將 吳昊

摘 要：換熱器管板實(shí)際制造過程中，管板管孔內(nèi)壁往往存在不同程度的扎刀（周向刻痕）以及鐵屑退屑時(shí)對(duì)管孔內(nèi)壁造成損傷的痕跡（軸向刻痕），管孔修復(fù)后容易造成管孔超差。鑒于此，針對(duì)不同孔徑配對(duì)同規(guī)格的換熱管，在脹管后采用壓痕應(yīng)變法測(cè)量換熱管的殘余應(yīng)力，確定擴(kuò)孔消除管孔內(nèi)壁缺陷痕跡的方案可行性。

關(guān)鍵詞：管板;管孔;超差;殘余應(yīng)力;脹管

0 引言

由于石化、核電等行業(yè)熱交換器的大型化，管板直徑及厚度非常大，部分反應(yīng)類換熱器直徑達(dá)到5 600 mm，厚度達(dá)到300 mm。受機(jī)床加工能力的限制，加工管孔時(shí)內(nèi)壁往往存在一些扎刀（周向刻痕）以及鐵屑退屑時(shí)對(duì)管孔內(nèi)壁造成損傷的痕跡（軸向刻痕），消除管孔內(nèi)壁加工表面損傷痕跡后，容易造成管孔超差?！稛峤粨Q器》（GB/T 151—2014）[1]標(biāo)準(zhǔn)中8.4.4 a）條規(guī)定：允許有4%的管孔上偏差超出標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)值，但不超出相應(yīng)上偏差的50%。為避免管板與換熱管之間形成密閉造成間隙腐蝕以及換熱管由于震動(dòng)而使管板與換熱管焊接接頭產(chǎn)生疲勞損壞，本文通過模擬管孔直徑超差后的不同孔徑配對(duì)同規(guī)格的換熱管，制作模擬管板進(jìn)行脹管試驗(yàn)，采用壓痕應(yīng)變法測(cè)量換熱管的殘余應(yīng)力，研究擴(kuò)孔消除管孔內(nèi)壁缺陷痕跡的方法。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

以某換熱器為例，參照其管板與換熱管材料、結(jié)構(gòu)及尺寸構(gòu)建試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，具體選材如下：

管板：16Mn鍛件+堆焊（S30408）;厚度：（300+6.5）mm;換熱管孔：？準(zhǔn)57.65+0.15 -0.25 mm。

換熱管：S30408;規(guī)格：？準(zhǔn)57×3.5 mm。

管板+換熱管連接形式：強(qiáng)度焊+貼脹。

管板+換熱管連接結(jié)構(gòu)如圖1所示，模擬管板的管孔分布如圖2所示。

2 試驗(yàn)方案

制作模擬管板，并按照產(chǎn)品脹管工藝對(duì)模擬管板進(jìn)行脹管試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)擴(kuò)孔消除管孔內(nèi)壁缺陷痕跡的方法進(jìn)行分析。

2.1? ? 確定脹管壓力

模擬換熱管孔？準(zhǔn)57.65+0.15 -0.25 mm共制作3種規(guī)格，管孔內(nèi)徑依次分別為？準(zhǔn)57.77、？準(zhǔn)58.50、？準(zhǔn)58.97，而？準(zhǔn)57.80為標(biāo)準(zhǔn)要求的管孔內(nèi)徑上限值。模擬管板的管孔編號(hào)如圖3所示，其中編號(hào)1-1～1-3管孔實(shí)測(cè)內(nèi)徑？準(zhǔn)57.77，編號(hào)2-1～2-3管孔實(shí)測(cè)內(nèi)徑？準(zhǔn)58.50，編號(hào)3-1～3-3管孔實(shí)測(cè)內(nèi)徑？準(zhǔn)58.97。

根據(jù)換熱管/管板材料及脹接參數(shù)等，按脹管壓力計(jì)算方式[2]計(jì)算脹管壓力：

（1）根據(jù)實(shí)際換熱管外徑（實(shí)測(cè)？準(zhǔn)57.02～？準(zhǔn)57.06）及壁厚（實(shí)測(cè)4.1 mm）計(jì)算換熱管外徑/內(nèi)徑比值：k=1.17;管板屈服應(yīng)力：σsp≥275 MPa;脹管區(qū)長(zhǎng)度：L=288.5 mm。

（2）脹管壓力的確定需要考慮換熱管發(fā)生塑性變形以及換熱管發(fā)生塑性變形、管板外壁發(fā)生屈服兩種情況，根據(jù)管板及換熱管的尺寸及材質(zhì)，計(jì)算最終脹管壓力為190 MPa。

2.2? ? 計(jì)算換熱管與管板的脹接率

參照《熱交換器》[1]（GB/T 151—2014），脹接率（ρ）計(jì)算公式如下：

ρ=×100%（1）

式中：ρ為脹接率;t為換熱管壁厚;d為脹接前換熱管外徑;d1為脹接前換熱管內(nèi)徑;d2為脹接后換熱管內(nèi)徑;D為管板管孔直徑。

為模擬實(shí)際管板上的管孔脹接情況，分別選擇序號(hào)1-2、2-2、3-2作為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)孔進(jìn)行脹接率計(jì)算。由于管孔內(nèi)徑不一樣，導(dǎo)致脹管后換熱管內(nèi)徑也不一致，脹接率具體值如表1所示。

2.3? ? 換熱管脹管后切割分瓣檢查貼脹情況

為更直觀地查看換熱管與管板管孔間的貼合情況，按照?qǐng)D4形式采用線切割的方式將脹管后的換熱管切成2瓣，切開后換熱管與管板間的貼合情況如圖5所示。

2.4? ? 檢測(cè)殘余應(yīng)力

壓痕應(yīng)變法作為一種簡(jiǎn)單、快捷、統(tǒng)計(jì)精度較高、對(duì)構(gòu)件損傷較小的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法，已經(jīng)在工程上大量應(yīng)用[3]。采用壓痕應(yīng)變法測(cè)量殘余應(yīng)力，其基本原理是通過將球形壓頭壓入待測(cè)零件表面，使得零件表面產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，與零件本身的應(yīng)力場(chǎng)相互疊加，再利用測(cè)量球形壓頭產(chǎn)生的壓痕外彈性區(qū)的應(yīng)變變化來計(jì)算殘余應(yīng)力[4-5]。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 壓痕應(yīng)變法》（GB/T 24179—2009）[5]，測(cè)試設(shè)備采用KJS-3型壓痕應(yīng)力測(cè)試儀和壓痕制造系統(tǒng)。

每種規(guī)格的試驗(yàn)換熱管各取5點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，具體位置如圖6所示，并在相應(yīng)位置張貼應(yīng)變片，如圖7所示。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出殘余應(yīng)力，如表2所示。

2.5? ? 試驗(yàn)結(jié)論（對(duì)比）

通過模擬產(chǎn)品實(shí)際管板管孔情況進(jìn)行脹管試驗(yàn)，并對(duì)脹管試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

（1）通過觀察，圖4、圖5中脹接部分和過渡段（R部位）圓滑無褶皺，脹口內(nèi)平滑，無裂紋、凹陷、擦傷、重皮和起皮等缺陷。另外，貼脹部分無可見間隙，目測(cè)合格。

（2）換熱管取下后進(jìn)行表面滲透檢測(cè)，并未發(fā)現(xiàn)任何裂紋等缺陷，表面探傷合格。

（3）換熱管取下后測(cè)量壁厚，實(shí)測(cè)值在4.00～4.08 mm，滿足圖紙最小壁厚要求。

（4）通過實(shí)測(cè)值進(jìn)行換熱管與模擬管板的脹接率計(jì)算（表1），脹接率均不超過2%，滿足要求。

（5）對(duì)線切割開的換熱管取樣進(jìn)行硬度檢測(cè)、拉伸試驗(yàn)等，結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（6）對(duì)本試驗(yàn)脹管后線切割開的換熱管取樣并進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，分析試驗(yàn)結(jié)果如下，該結(jié)果能保證反應(yīng)器管服役時(shí)有充足的使用壽命：

1）各試樣各測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力測(cè)量值均為壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力數(shù)值分布在-221～-141 MPa，均保持在較好數(shù)據(jù)區(qū)間，管內(nèi)壁在脹管后變?yōu)樗苄詫?

2）從測(cè)試結(jié)果看，殘余應(yīng)力數(shù)值并未超過管板的屈服值，使得管板管孔可以較好地箍緊換熱管。

3 結(jié)語

本文通過制作模擬管板對(duì)不同管徑的管孔進(jìn)行脹管試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，在滿足管板強(qiáng)度校核的前提下，可以通過擴(kuò)孔的方式來消除管孔內(nèi)壁缺陷，但是針對(duì)孔徑增大的程度，應(yīng)當(dāng)采取管板模擬試驗(yàn)的方式對(duì)脹管結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。

針對(duì)厚壁管板，應(yīng)盡量?jī)?yōu)化管孔加工工藝，提高加工管孔時(shí)內(nèi)壁的粗糙度要求，且不得存在影響脹接質(zhì)量的縱向或者螺旋狀刻痕等缺陷，考慮到加工工藝所選刀具的缺點(diǎn)，應(yīng)盡量避免采用搖臂鉆等工藝措施加工管孔[6]。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 劉玉閣，任永偉，張英新.液壓脹管力的計(jì)算及脹管工藝要點(diǎn)[J].中國(guó)化工裝備，2012，14（3）：38-40.

[3] 劉生，陳懷寧，陳靜，等.未知主應(yīng)力方向殘余應(yīng)力的壓痕應(yīng)變法測(cè)量及其程序設(shè)計(jì)[J].壓力容器，2013，30（2）：36-40.

[4] 林麗華，陳立功，顧明元.球面壓痕測(cè)殘余應(yīng)力試驗(yàn)方法研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，1998，20（4）：303-306.

[5] 金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 壓痕應(yīng)變法：GB/T 24179—2009[S].

[6] 林黎鋒.管板鉆孔的加工工藝分析[J].現(xiàn)代焊接，2008（6）：48-49.

收稿日期：2021-04-29

作者簡(jiǎn)介：范西斌（1989—），男，山東泰安人，工程師，主要從事壓力容器設(shè)備制造工藝工作。