液壓脹接技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

崔瀟

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

1 引言

脹接技術(shù)是指通過一定的方式對(duì)管子內(nèi)部施壓，使其擴(kuò)張而產(chǎn)生塑形形變直至與管板孔貼合，同時(shí)，在彈性允許范圍內(nèi)，管板孔壁隨之形變，而在壓力撤銷后，管板孔壁回彈，管子與管板孔內(nèi)外壁實(shí)現(xiàn)緊密接觸的過程[1]。在電力、化工行業(yè)當(dāng)中，傳統(tǒng)的管子管板脹接方法主要是機(jī)械脹接法，這種方法已經(jīng)比較成熟和完善，具有相關(guān)的參考標(biāo)準(zhǔn)，然而其劣勢(shì)也非常明顯，如連接強(qiáng)度不均勻、接口表面容易硬化、對(duì)管子管板材料要求較高、生產(chǎn)效率低，等等[2]。尤其是隨著電力、化工裝備不斷向大型化、連續(xù)化方向發(fā)展，這種方法逐漸無法滿足生產(chǎn)需要。為了克服機(jī)械脹接的弊端，液壓脹接技術(shù)、爆炸脹接技術(shù)、橡膠脹接技術(shù)等被開發(fā)[3]，其中液壓脹接技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在我國電力、化工裝備等領(lǐng)域的生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)70年代后期，Krips 等人開發(fā)了液壓脹接法[4]，很快這項(xiàng)技術(shù)就被繼續(xù)研究和應(yīng)用于各個(gè)國家的換熱器制造當(dāng)中：20 世紀(jì)90年代美國西屋公司研制的蒸汽發(fā)生器、德國BDT 公司研制的汽水分離再熱器都使用了液壓脹接技術(shù)，我國也在1995年開始運(yùn)用該技術(shù)。液壓脹接技術(shù)發(fā)展至今已得到了廣泛的應(yīng)用，全球范圍內(nèi)壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管和管板脹接，基本上都在使用液壓脹接技術(shù)。

液壓脹接技術(shù)克服了傳統(tǒng)機(jī)械脹接技術(shù)的弊端，但這項(xiàng)技術(shù)也需要進(jìn)行不斷的優(yōu)化與創(chuàng)新，以應(yīng)對(duì)工程裝備的快速發(fā)展。液壓脹接根據(jù)其脹接兩側(cè)密封形式的不同，分為“O”形環(huán)法和液袋方法[5]。Krips 等人開發(fā)的方法就屬于“O”形環(huán)法，這種方法對(duì)換熱管內(nèi)外直徑的橢圓度、光滑程度和尺寸精度要求較高，而由于國內(nèi)外換熱管尺寸精度存在偏差，以及進(jìn)口換熱管成本過高，這種方法并沒有得到廣泛的應(yīng)用。液袋式技術(shù)則突破了這一限制，通過利用彈性液壓袋將液壓脹接介質(zhì)和管子進(jìn)行隔離，在擴(kuò)大適用范圍的同時(shí)，能夠避免對(duì)管口造成污染。針對(duì)國內(nèi)換熱管的特征，同時(shí)吸取國外經(jīng)驗(yàn)，我國科學(xué)家在液袋式技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新研發(fā)出適合國內(nèi)使用的液壓脹接技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力等行業(yè)。

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 優(yōu)勢(shì)

①脹接壓力均勻。

液壓脹接采用液體加壓的方式，這種方式可以對(duì)管子內(nèi)壁均勻施壓（見圖1），使得管子膨脹后與管板均勻接觸，液體介質(zhì)的流動(dòng)性使該方法不受入口時(shí)管子與管板間縫隙是否均勻的限制，因此，接觸點(diǎn)的強(qiáng)度是均勻的，從而達(dá)到較好的密封效果。脹后產(chǎn)品在進(jìn)行試樣解剖檢查和產(chǎn)品水壓試驗(yàn)時(shí)，都能達(dá)到密封性要求。同時(shí)，這種加壓方式也能大大增強(qiáng)管子管板接頭的防震動(dòng)能力和防腐蝕能力，進(jìn)一步保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖1 液壓脹管

②脹管長度無限制。

液壓脹管對(duì)脹管的長度無限制，能夠?qū)崿F(xiàn)管子管板在整個(gè)厚度范圍內(nèi)進(jìn)行脹接，保證連接的緊密性，從而確保脹接的質(zhì)量。

③應(yīng)力和拉脫力值均勻。

由于液壓脹接可以實(shí)現(xiàn)管子的全長度脹接，這也使得應(yīng)力和拉脫力值均勻，且拉脫力有效增強(qiáng)，而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，開槽脹管的創(chuàng)新可以切實(shí)加大脹接力度來承受更強(qiáng)的拉脫力。

④管子管板殘余應(yīng)力小。

管子管板使用液壓脹接技術(shù)連接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，相對(duì)使用傳統(tǒng)機(jī)械脹接技術(shù)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力更小，因此，能夠更好地保證管子管板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3.2 不足

①脹接規(guī)律不明確。

目前，無論是在學(xué)界還是實(shí)際應(yīng)用上，液壓脹接的規(guī)律還沒有明確的研究，因?yàn)槠溥^程受到多種因素的影響，尚未建立配套的基準(zhǔn)和運(yùn)算方程。想要獲得適合的脹接數(shù)據(jù)，前期的模擬和計(jì)算不僅效率低，而且成本較高。

②適用情境嚴(yán)格。

液壓脹接過程對(duì)管子內(nèi)徑與管板孔的加工尺寸公差要求較高，需要公差處于一個(gè)較小的范圍，因此，這種方法比較適用于精拔管和數(shù)控機(jī)床的管板。

③介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

用于加壓的液體介質(zhì)存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，這種情況一旦發(fā)生，除了脹接失敗，還會(huì)對(duì)其他管孔造成污染，影響脹管的質(zhì)量。

④加工費(fèi)用較高。

由于加工成本較高，液壓脹接技術(shù)一般用于對(duì)密封性、安全性要求嚴(yán)格，工作參數(shù)高的換熱器的生產(chǎn)。

4 研究進(jìn)展

國內(nèi)外關(guān)于液壓脹接技術(shù)的理論和計(jì)算研究不斷發(fā)展、進(jìn)步，并取得了很多成果，同時(shí)，在實(shí)踐中得到了應(yīng)用。作為一種柔性的加工手段，液壓脹接的效果受到很多因素的影響，包括管子管板的材質(zhì)、脹接狀態(tài)，等等。因此，關(guān)于液壓脹接技術(shù)的研究是一個(gè)不斷突破挑戰(zhàn)、完善精益技術(shù)的過程。國外的相關(guān)研究起步較早，研究方法和內(nèi)容至今已經(jīng)比較全面。雖然我國的研究相對(duì)國外來說起步較晚，但國內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國的實(shí)際情況解決了很多問題，大力推動(dòng)了具有我國特色的液壓脹接技術(shù)的發(fā)展?？偨Y(jié)國內(nèi)外研究情況，研究?jī)?nèi)容主要集中于理論試驗(yàn)、數(shù)值模擬，或者運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將二者結(jié)合起來?？偨Y(jié)其研究成果，可以分為以下幾個(gè)方面。

4.1 脹后接頭殘余接觸應(yīng)力研究

殘余應(yīng)力是表征接頭性能的重要參數(shù)，建立科學(xué)有效的方法對(duì)脹接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行較為準(zhǔn)確的評(píng)估，對(duì)于技術(shù)本身及其使用效果的衡量都具有重要作用。早期較具代表性的方法是1943年美國學(xué)者Goodier 和Schoessow[6]創(chuàng)建的脹接理論，他們將脹管過程形象化，將管子管板連接變成擁有孔洞的無限大的平板，對(duì)殘余應(yīng)力和形變的研究變得相對(duì)簡(jiǎn)單。這一理論對(duì)后期的理論研究產(chǎn)生了較大的影響和作用，Krips 和Podhorsky 的等效套筒理論將有限圓環(huán)結(jié)構(gòu)看作當(dāng)量套筒[7]，Yokell 的管子外壁無限厚度假設(shè)等理論將管子管板的材質(zhì)當(dāng)作理想材料[8]，均是通過理想假設(shè)和等效替代的方式，簡(jiǎn)化殘余應(yīng)力的衡量過程。此后，學(xué)者在這些理論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元分析[9]、基于彈塑性理論的液壓脹接模型[10]等方法對(duì)液壓脹接脹后接頭殘余應(yīng)力的大小和分布情況進(jìn)行分析，得出的結(jié)論均較為統(tǒng)一，即基于液壓脹接技術(shù)的脹后殘余應(yīng)力較小，接點(diǎn)更為穩(wěn)定。

4.2 脹接接頭的影響因素研究

液壓脹接接頭的性能受到多方面因素的影響，本文綜合學(xué)者的研究成果對(duì)這些因素進(jìn)行總結(jié)，具體包括：脹接壓力大小，溫度，管板孔開槽寬度和位置[11]，管子管板初始間隙[12]，管子管板材料、結(jié)構(gòu)和尺寸[13]等。但對(duì)于如何減少這些因素對(duì)接頭性能的負(fù)面影響，并沒有得到一個(gè)確定的結(jié)論，這是因?yàn)樵诓煌氖褂脳l件下，各種因素會(huì)對(duì)脹接接頭產(chǎn)生不同的影響效果，因此，無法建立標(biāo)準(zhǔn)化的控制方法。學(xué)者從多個(gè)角度進(jìn)行建模，力求找到高效率、低成本的數(shù)值分析方式，為液壓脹接過程的安全高質(zhì)量實(shí)施奠定基礎(chǔ)。徐鴻以增量分析為基礎(chǔ)建立了針對(duì)彈性、塑性的二維模型[14]，研究了不同操作溫度對(duì)脹接效果的影響，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。顏惠庚等在彈性、塑性二維模型的基礎(chǔ)上，對(duì)管子受力形變單位的壓力、開槽、拉脫力進(jìn)行了研究，建立了三維模型，同時(shí)，應(yīng)用彈性卸載方式對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)并建立了相應(yīng)的運(yùn)算方程。

4.3 接頭過渡段性能研究

對(duì)于管子管板的接頭來說，液壓脹接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械脹接方式大大減小，但也引起了管子管板其他部位風(fēng)險(xiǎn)的增加。實(shí)踐結(jié)果表明，液壓脹后過渡段的性能顯示出明顯的不穩(wěn)定性。因?yàn)橐簤好浐筮^渡段的拉伸殘余應(yīng)力會(huì)引起脹區(qū)與不脹區(qū)之間的應(yīng)力腐蝕，液壓脹接接頭過渡段的殘余應(yīng)力有時(shí)甚至可達(dá)材料屈服應(yīng)力的90%，如果在實(shí)際的應(yīng)用中沒有得到有效的防范和控制，則會(huì)削弱液壓脹接的安全性能。

4.4 脹焊并用的影響研究

在實(shí)際工程應(yīng)用中，常采用脹焊結(jié)合的技術(shù)方式，先脹后焊、先焊后脹，抑或是脹-焊-脹等不同的結(jié)合方式，這會(huì)造成不同的拉脫力的變化及脹接接頭的破壞形式。根據(jù)管子管板的性質(zhì)和特征調(diào)整焊脹的結(jié)合方式，或者通過調(diào)整不脹區(qū)長度的比例可以在一定程度上控制這些影響因素[15]。

綜合液壓脹接技術(shù)的特征和文獻(xiàn)研究結(jié)果來看，液壓脹接技術(shù)在使用過程中影響因素較多，在不同的使用場(chǎng)景中有不同的技術(shù)要求，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)效果也不盡相同，因此，難以形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?？傮w來說，液壓脹接技術(shù)目前在我國已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，相關(guān)理論研究也比較全面，但仍處于探索階段，尚未形成較為成熟的理論和工具體系，仍有許多問題亟待解決。

5 發(fā)展趨勢(shì)

脹接技術(shù)發(fā)展至今，每種脹接技術(shù)本身也在不斷進(jìn)步，而不同的脹接技術(shù)之間并非簡(jiǎn)單更新?lián)Q代的替代關(guān)系。從實(shí)踐應(yīng)用情況來看，不同的產(chǎn)品或者設(shè)備制造中，兩種甚至多種脹接技術(shù)的結(jié)合使用，更能夠取長補(bǔ)短，滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求?！皺C(jī)械+液壓”或者“橡膠+液壓”的脹接模式已廣泛應(yīng)用于換熱器的生產(chǎn)當(dāng)中。同時(shí)，在文獻(xiàn)分析過程中發(fā)現(xiàn)，我國關(guān)于液壓脹接技術(shù)的相關(guān)研究的發(fā)文量相對(duì)穩(wěn)定，處于較低水平，由此可見，從單一的技術(shù)層面來看，很難在短時(shí)間內(nèi)取得較大的進(jìn)展。然而從技術(shù)融合的角度來說，液壓脹接技術(shù)和其他脹接技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)情況顯示出研究增加的趨勢(shì)（見表1）。

表1 液壓脹接與其他脹接技術(shù)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣

因此，本文預(yù)測(cè)，液壓脹接技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)是在技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)開創(chuàng)與其他脹接技術(shù)的技術(shù)融合，無論是理論研究還是應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果都顯示，這是一個(gè)值得探索的方向。基于此，本文指出未來液壓脹接技術(shù)的關(guān)鍵研究方向包括以下幾個(gè)方面：

①進(jìn)一步研究液壓脹接的影響因素，在現(xiàn)有三維理論的基礎(chǔ)上建立多維度的液壓脹接控制模型。

②研究液壓脹接-焊接結(jié)合方式的過程控制，形成脹焊結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化的控制規(guī)則。

③研究液壓脹接與機(jī)械脹接、橡膠脹接等混合脹接的過程控制，研究在充分發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)同時(shí)如何做好風(fēng)險(xiǎn)防范和安全性保證。