鈦管換熱器液壓脹接技術(shù)的研究

王振興，沈建成

（1.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

鈦管換熱器作為石油化工領(lǐng)域的重要設(shè)備，應(yīng)用越來越多。鈦換熱管與碳鋼管相比，具有較高的屈強(qiáng)比，塑性差，易脆裂，使得鈦管與碳鋼管板脹接相容性有一定限制[1]。傳統(tǒng)的機(jī)械滾脹，實(shí)際操作中技術(shù)人員和操作人員往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定脹度，各管子間的脹度不一，連接強(qiáng)度和緊密度不均，脹管接口的內(nèi)表面產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，加上鈦材質(zhì)的特殊性，極易造成過脹使鈦管破裂或脹度不足而失去作用，很難保證脹接質(zhì)量的穩(wěn)定。

液壓脹接是一種柔性脹接技術(shù)，在脹接過程中，脹接壓力是可控的，整個(gè)脹接長(zhǎng)度均可獲得均勻的脹接壓力，脹接區(qū)和未脹接區(qū)的交界不明顯，過渡光滑，殘余應(yīng)力小。液壓脹接需要理論數(shù)據(jù)和大量經(jīng)驗(yàn)參數(shù)做支撐，本研究通過理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，驗(yàn)證該技術(shù)可獲得較高的脹接質(zhì)量，從而有效解決了這一技術(shù)難題，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。

1 液壓脹接參數(shù)計(jì)算

液壓脹接是一種對(duì)換熱管內(nèi)壁施加均勻壓力的柔性脹接技術(shù)。與機(jī)械滾脹相比，液壓脹接的主要特點(diǎn)是脹接的主要參數(shù)——液脹壓力可直接計(jì)算，易實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)和控制，從而保證所有的管子與管板接頭在同一條件下脹接，換熱管不易產(chǎn)生過脹，脹接接頭質(zhì)量穩(wěn)定，在管孔內(nèi)的脹接位置可以精確定位，脹后管子內(nèi)壁沒有損傷。液壓脹接后殘余應(yīng)力低，在整個(gè)脹接長(zhǎng)度上的應(yīng)力分布均勻，脹后管內(nèi)表面無加工硬化現(xiàn)象，勞動(dòng)強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高。液壓脹接的介質(zhì)是水，即使脹袋破損，對(duì)管口也無污染，這樣減少了以往機(jī)械脹接后對(duì)管口除油清潔等工作，節(jié)約了工時(shí)[2]。

液壓脹接時(shí)，脹接區(qū)的管子在高液壓內(nèi)壓的作用下產(chǎn)生彈性變形，然后產(chǎn)生塑性變形而被擠壓到管孔壁上，隨著壓力的增加，在管子與管板之間的接觸壓力作用下，管板首先產(chǎn)生彈性變形，然后產(chǎn)生塑性變形，壓力撤消后，如果管板的自由彈性恢復(fù)量比管子的大，就會(huì)在管子與管板之間產(chǎn)生殘余接觸壓力，實(shí)現(xiàn)脹接連接。

分析過程可將脹管過程中換熱管變形理想化的劃分為3 個(gè)階段[3]：當(dāng)脹管壓力為第一階段最終壓力值時(shí)，換熱管在壓力的作用下產(chǎn)生塑性變形，直徑向外擴(kuò)張，當(dāng)壓力卸除后換熱管不能恢復(fù)原狀。當(dāng)脹管壓力為第二階段最終壓力值時(shí)，換熱管與管板孔內(nèi)壁間產(chǎn)生最大的彈性極限接觸壓力，當(dāng)壓力卸除后，由于換熱管的材料已經(jīng)達(dá)到全屈服而管板的變形在彈性階段可以恢復(fù)，這樣管板孔將換熱管抱緊，達(dá)到脹緊的目的。當(dāng)脹管壓力為第三階段最終壓力值時(shí)，換熱管與管板孔的材料都處于全屈服狀態(tài)，管板孔也產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)壓力卸除后，由于換熱管與管板的變形都不能完全彈性恢復(fù)，以致失去脹緊效果，此時(shí)的壓力值過高，產(chǎn)生了過脹現(xiàn)象。

可見，理想的脹接壓力值為上述第二階段最終壓力值，第二階段最終壓力值的計(jì)算公式為：

第三階段最終壓力值的計(jì)算公式為：

式中：δs1——換熱管材料的屈服極限，MPa；

δs2——管板材料的屈服極限，MPa；

K1——換熱管內(nèi)外徑比；

K2——管板孔內(nèi)外徑比。

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上述計(jì)算公式存在一定局限性，推導(dǎo)過程中未考慮管孔四周管橋?qū)芸椎募訌?qiáng)及支撐作用，所以計(jì)算值偏于保守，當(dāng)脹接壓力為P2時(shí)，管板孔內(nèi)壁材料并未達(dá)到彈性極限，當(dāng)脹接壓力為P3時(shí)，距離管板孔內(nèi)壁一個(gè)管橋距離范圍內(nèi)的管板材料嚴(yán)格來講并未達(dá)到彈性極限。

2 鈦管脹接工藝實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行：

（1）制備解剖用管板試塊、準(zhǔn)備換熱管試件；

（2）測(cè)量脹接前試塊、試件相關(guān)尺寸；

（3）根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算脹接壓力，確定脹接壓力范圍；

（4）按確定脹接壓力脹接；

（5）測(cè)量脹后換熱管內(nèi)徑，進(jìn)行脹度的計(jì)算，對(duì)比參考值進(jìn)行分析；

（7）綜合以上所有分析結(jié)果，確定對(duì)某種換熱管需要的最合適的脹接壓力。

2.2 脹接壓力及脹度計(jì)算

換熱管與管板的連接形式為強(qiáng)度焊+貼張，試件的主要作用是考察脹接性能，不考慮鈦管與管板的焊接。試件材料為16Mn，管孔尺寸Φ25.25+0.15 mm，管孔為轉(zhuǎn)角正方形排列，管橋間距為32 mm（見圖1）[4]。換熱管材料為TA1，規(guī)格為Φ25 mm×2 mm。

圖1 換熱管脹件示意圖

取換熱管TA1 的屈服強(qiáng)度δS1=250 MPa,管板16 Mn 的屈服強(qiáng)度δS2=305 MPa。將上述數(shù)值代入公式（1）確定試驗(yàn)起始脹接壓力值：

P2=130.484 MPa。

將上述數(shù)值代入公式（2）脹接壓力值上限值：

P3=172.227 MPa。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試件共12 個(gè)管孔分為6 組，以130 MPa 為起始脹接壓力值、10 MPa 為進(jìn)階值依次脹接。測(cè)量試樣脹接前后的尺寸數(shù)據(jù)并記錄，計(jì)算出每根鈦管的脹度，見表1。

表1 TA1 換熱管脹接試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及脹度計(jì)算結(jié)果

表1 中脹度為以壁厚減薄率為基準(zhǔn)的脹緊度表示方法，參考中國(guó)石化工程建設(shè)公司所編制的“管殼式換熱器換熱管與管板連接技術(shù)條件（強(qiáng)度焊+貼脹）”及本研究人員單位制造經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)貼脹，脹度ρ（%）根據(jù)不同換熱管材質(zhì)及規(guī)格應(yīng)控制在1.7%～3.0%范圍內(nèi)，計(jì)算得知，編號(hào)1 管孔脹度小于1.5%，編號(hào)5、6 管孔脹度超過3.0%幅度較大，其余管孔脹度基本都在控制范圍以內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 脹口分析

脹接數(shù)據(jù)采集完畢后沿解剖面采用線切割將試塊切開進(jìn)行觀察。鈦管內(nèi)壁外形美觀，無皺紋、起皮等缺陷，脹接過渡部分無突變，脹口根部與管孔壁結(jié)合狀態(tài)良好，管子內(nèi)壁經(jīng)無損檢測(cè)（PT）未發(fā)現(xiàn)表面存在缺陷（見圖2—圖6）[5]。

圖2 脹接壓力P=130/140 MPa 對(duì)比圖

圖3 脹接壓力P=140/150 MPa 對(duì)比

圖4 脹接壓力P=150/160 MPa 對(duì)比圖

圖5 脹接壓力P=160/170 MPa 對(duì)比圖

圖6 脹接壓力P=170/180 MPa 對(duì)比圖

試樣沿管中心切開后，共24 件半管均與管板相貼，沒有脫落情況發(fā)生，由此可以判定，6 組管孔均已達(dá)到貼脹消除間隙的目的，無脹接不牢的情況。第一組脹接壓力采用130 MPa，由于壓力較低，換熱管沒有完全緊貼管孔內(nèi)壁，加工過程中產(chǎn)生微觀凹槽。脹接壓力大于等于140 MPa，換熱管完全緊貼管孔內(nèi)壁，均可滿足貼脹消除間隙的要求。

3.2 脹接壓力確定及脹接質(zhì)量檢驗(yàn)

考慮到管孔加工及鈦管幾何尺寸存在偏差，在保證脹接質(zhì)量的前提下，綜合脹接工藝試驗(yàn)結(jié)果，取脹接壓力為150 MPa。脹前按10%的比例，不同區(qū)間對(duì)換熱管及對(duì)應(yīng)的管孔進(jìn)行測(cè)量，脹后對(duì)換熱管的內(nèi)徑變化量進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算得知，脹度在1.7%～3.0%，滿足貼脹要求，經(jīng)水壓試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)管頭有滲漏現(xiàn)象，一次性合格。

4 結(jié)論

通過理論計(jì)算和試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了鈦管換熱器液壓脹接工藝方案和貼脹壓力范圍，為液壓脹接的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。（1）分析液壓脹接的原理和工藝優(yōu)點(diǎn)特點(diǎn)，通過理論計(jì)算，得到脹接壓力的取值范圍，為液壓脹接的應(yīng)用提供理論依據(jù)。（2）將理論分析運(yùn)用至實(shí)際生產(chǎn)，采用6 種脹接壓力，分別對(duì)六組鈦管進(jìn)行脹接實(shí)驗(yàn)，從脹度計(jì)算、鈦管解剖檢驗(yàn)、水壓試驗(yàn)3個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定脹接壓力。（3）液壓脹接技術(shù)彌補(bǔ)了機(jī)械滾脹的不足，解決了機(jī)械滾脹造成加工硬化現(xiàn)象，使高屈強(qiáng)比，塑性差的特殊管材獲得均勻變形和穩(wěn)定的脹接質(zhì)量。（4）鈦管換熱器脹接工藝的應(yīng)用，使制造的鈦管換熱器質(zhì)量大大提高，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并為其他特殊材質(zhì)的換熱管與管板的脹接積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。