換熱器液壓脹接技術的應用

摘 要:本文通過一種新型聯接管板和換熱管脹接技術中液袋式液壓脹管的結構、工作原理及使用要求概述，并與傳統的機械脹管分析比較，粗略介紹了幾種其它的脹接方法及其局限性，指出液袋式液壓脹管優點，表明液袋式液壓脹管是一種結構更加合理、應用更加廣泛的脹接技術。對今后的設備制造中管板和換熱管脹接具有重要的指導作用。

關鍵詞:換熱器管板換熱管脹接技術研究

中圖分類號:TQ05文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0051-03

1 換熱管和管板的連接

換熱器是一種廣泛使用的熱交換設備，已經運用于各行各業，在化工行業使用更加廣泛；從節約能源和工藝進展來看，大型化、規模化的裝置出現讓換熱器的使用有了更為廣闊的空間，大型高溫、高壓換熱器的使用越來越普遍；人們從換熱器的設計、制造、結構改進到傳熱機理的試驗研究一直都在進行，主要目的是提高設備的換熱效率、促進設備的緊湊性、加強生產制造的標準化、系列化、專業化；隨著機械加工技術的不斷進展，對換熱器制造技術要求越來越苛刻。

換熱器使用一段時期以后，常常會發生泄漏，尤其是換熱管和管板聯接處的泄漏是換熱器發生泄漏最常見的地方。為了提高換熱管和管板的聯接強度和密封性能，人們采用了各種聯接方法:強度脹+強度焊、強度脹+密封焊、貼脹+強度焊、貼脹+密封焊等等，但是這些方法都不能保證絕對不漏，即使水壓試驗和氣密試驗完全合格，在操作過程中，由于介質腐蝕、溫差應力特別是壓力、溫度的波動或突然變化(如開、停車等)、振動等因素使管束與管板聯接處產生不同程度的泄漏，影響換熱效果和產品質量。雖然造成聯接失效的原因是多方面的，但是主要有以下幾方面:聯接處因高溫應力松馳失效；聯接處在高溫高壓下因腐蝕而破壞；換熱管與管板聯接結構不合理；管束在流體沖擊下產生振動引起聯接處疲勞破壞；制造工藝不合理，焊接殘余應力過大，在操作中引起應力腐蝕和疲勞破壞；操作不當，過多產生溫度波動引起疲勞破壞等，以上造成失效的直接原因都和管板孔加工質量以及換熱管與管板的聯接形式有直接的關系。

目前國內換熱管與管板聯接的方法有:機械脹接、粘脹聯接、電液脈沖脹接、爆炸聯接、液壓脹接幾種方法，這幾種方法各有利弊。機械脹接:利用滾柱脹管時，隨著脹桿向前推進，滾柱被推向外，迫使管壁向外擴張，換熱管外壁與管孔貼合，這是脹管的第一階段。隨后脹管器繼續使管徑擴大，迫使管板發生變形，這是脹管的第二階段。脹管器退出后，管板的彈性恢復使換熱管與管孔間產生很大的徑向壓應力，二者達到一定的聯接強度和嚴密度。缺陷:(1)勞動強度大；(2)脹接的前端產生很大的殘余應力，恰巧這一部位介質的流速最小，污垢積累多，腐蝕最嚴重，經常因為換熱管在此處腐蝕破壞使換熱器不能使用；(3)脹管過程在管橋中留下了殘余應力，可能使管板翅曲變形而給組裝換熱器造成困難；換熱管管端脹接部分晶粒畸變嚴重以及硬化嚴重。粘脹聯接:先在換熱管端與管板孔內壁上涂以粘結劑，后脹接，主要用于兩種情況:脹接28×4、57×3.5mm等規格的換熱管，由于管壁厚較大，不容易做到與管孔均勻而緊密的貼合，嚴密度沒有保障，加粘結劑彌補這一缺點。缺陷:脹接有一定的局限性；受溫度及介質的限制，環氧粘結劑的使用溫度不能超過150℃，并且不耐酸性介質的腐蝕。電液脈沖脹接:這是一種利用放電的沖擊能使管與管板變形而聯接的方法。20000～50000V的脈沖放電，使管端內的脹管塞中的鋁質細絲在極短的時間內熔化，升華而造成強大壓力，通過周圍的液體介質傳給管內壁；主要用于小直徑換熱管(14mm以下)及高強度材料的脹接。為了保證一定的脹管率，對脹管塞與換熱管間的間隙有一定的限制，以控制脹管率的波動不超過規定脹管率的10%。允許徑向間隙Δr與管內徑dn的關系為:Δr=0.0215dn+0.145mm。用這種方法脹接的質量穩定性與一系列因素有關:管孔與換熱管接觸表面的粗糙度；管與孔的間隙；管壁厚度等，這些因素的變化大大影響接頭的嚴密度。缺陷:聯接接頭性能不穩定，高壓脈沖放電裝置和脹管塞成本較高，還需要建立能隔音和防止高壓傷人的專用場地。爆炸聯接:利用炸藥爆炸瞬間產生的高能量使管端發生高速變形，與管孔壁結合的工藝，稱為爆炸聯接；分為爆炸脹管和爆炸焊接二種。如果管端與管板之間只是因為彈塑性變形而彼此壓緊產生機械結合，屬于脹管范圍；如果二者彼此高速沖擊時結合界面熔解而形成冶金結合，則屬于爆炸焊接。爆炸脹管對于高壓換熱器主要用于管與管板焊接后消除間隙，并分擔焊口的載荷，對低壓換熱器則用于管與管板的脹接；對于難以脹接的小直徑(20以下)和脹管長度較大很適合；爆炸焊接不需要高度熟練的操作技術，不需要預熱和焊后熱處理，焊接時熱影響微弱等優點，缺陷:爆炸脹接不能達到管板背面，容易在背面留下間隙；需要嚴格的安全措施和專用場所。

多年來，人們一直探討換熱管和管板孔的最有效的聯接，控制換熱器泄漏問題；目前，幾種聯接方法的比較，國內外普遍認同的方法是:加大脹管槽寬度，采用液壓脹接(橡膠脹接)方法，提高管板和換熱管聯接強度。

2 液壓脹管的介紹

利用橡膠不可壓縮的特點，將它作為傳力介質在換熱管內向四周均勻施加脹管力，從而實現脹管的方法，稱為液壓脹管。具體優點是:

(1)脹管過程在各點同時均勻進行，研究表明，管內壁幾乎沒有加工硬化和殘余應力，管壁不減薄，管板不變形，能減少應力腐蝕破壞；

(2)脹管過程中換熱管不受扭矩，大提高了管束的抗振性和耐壓力；

(3)管板孔和換熱管直徑允許偏差大，減少了管孔的加工量，脹接口質量普遍有保證；

(4)管板孔開槽效果顯著，從管內壁即能看到換熱管壁嵌入槽中形成的環狀凹痕；

(5)可以脹接大口徑換熱管，焊接管、橢圓管、中間管板，適應性強。

該技術已在中國石化總公司所屬近30家大型企業成功地得到推廣應用。國內已采用液壓脹接技術脹接了340臺換熱器，共約220萬多個管口。管板厚度最大為322mm。解決了超厚管板、小口徑厚管板、大口徑管、雙管板、焊接有縫管、內螺紋管的液壓脹接等一些工程技術難題。并已完成大亞灣核電站的兩臺除氣塔液體冷卻器的液壓脹接。為我國石油化工和核電事業的發展貢獻了力量。實踐證明，該技術具有生產效率高，勞動強度低，脹接質量均勻可靠，液壓脹接后管子殘余應力低、可有效防止間隙腐蝕及應力腐蝕和適應性廣等優點。

3 換熱器管子與管板聯接接頭常見的故障及其原因

換熱器管子與管板聯接接頭常見的故障及其原因有以下幾方面:

(1)焊口裂紋、氣孔——焊接熱應力，焊口機械脹接受到碾壓，出現加工硬化現象，同時機械脹接過程中，脹桿有機械油滲漏，清理比較困難，焊接時的油污的污染影響焊接質量。

(2)換熱管被拉出(或拉動)——殘余接觸壓力小，熱應力大。

(3)間隙腐蝕——管子與管板之間存在細小間隙(導致濃度差)形成間隙腐蝕。

(4)應力腐蝕——機械脹接碾壓后，表面殘余應力大，易產生應力腐蝕。

(5)其他——管子的磨蝕，(折流板與管子的振動磨蝕，折流板孔大，流體流動引起振動)；疲勞裂紋——焊接熱應力+軸向壓力和溫差載荷。

前四種為失效主要形式

4液袋式液壓脹管原理

圖1為液袋式液壓脹管裝置結構簡圖，超高壓脹管介質經芯軸1的中心孔2，進入液袋3，通過液袋3對換熱管4內表面施加均勻的脹接壓力，使換熱管4脹接于管板5中。

液壓脹管機的液壓系統工作原理如圖2所示。脹管介質從油箱1抽出，通過油泵2加壓，經換向閥3進入增壓缸4的左腔，推動活塞5向右移動，由于活塞的大小端面比為定值，超高壓腔內的乳化液的壓力被放大了一定的倍數，增壓后的脹管介質經超高壓管6送入脹接頭7中，使換熱管8脹接于管板9內。當脹接完成后，換向閥3換向，脹管介質進入油缸右腔，使活塞5向左移動，使超高壓腔卸壓甚至產生負壓。從而使脹頭較為方便地從管孔中抽出。脹管和卸壓所需的油壓由溢流閥10調節。增壓缸的左右腔壓力可從壓力表11讀出。由于增壓缸中活塞與缸體有摩擦力且增壓比不為整數，為了操作時能方便地測量和控制脹接壓力，設置了一個超高壓壓力傳感器，直接用超高壓數顯表顯示和控制超高壓脹接壓力。

脹管介質的密封由液袋完成，超高壓脹管壓力由脹管機提供。由于脹接時脹管介質不與換熱管內壁直接接觸，因此可避免脹管介質對換熱管的污染，特別適用于先脹后焊工藝。液袋脹管技術對換熱管的橢圓度及尺寸精度要求不高，并能根據管子的內徑尺寸在操作時進行簡單修磨，符合當前國產換熱管制造水平的國情。由于脹頭是脹接過程中的易損件，因此脹頭與操作手柄之間要求連接可靠，裝拆方便，其連接接頭處應滿足多次裝拆而不影響密封性能的要求。

為了防止液袋泄漏造成脹管介質對換熱管內壁的污染，液壓介質采用乳化液(由蒸餾水與一定比例的乳化油配制而成)。由于采用液袋式液壓脹接技術，正常脹接操作時不會發生介質的泄漏損失，采用額定流量較小的油泵即可滿足脹接工藝要求，小流量的超高壓介質不但耗能小，而且還有利用于在液袋破裂或液壓系統發生意外時的安全操作。

脹管機的脹接壓力由溢流閥對進入增壓缸右腔的壓力進行控制。達到脹接壓力后，數顯壓力表發出信號，自動控制換向閥進行換向，進入卸壓狀態，保證所有管口都在相同的脹接壓力下脹接，以使各接口都得到相同的脹緊度。

5 換熱器液壓脹管技術應用要點

5.1 脹接的原理

傳力介質在換熱管內向四周均勻施加脹管力。

5.2 脹接的目的

密封和拉脫。

5.3 脹接壓力的計算

液壓脹接時，脹接壓力均勻地作用于管子內壁，因而我們可以容易地對脹接過程進行分析。計算采用單管模型。在分析中，假定材料為理想塑性，服從Tresca屈服準則并忽略脹接過程中管板與換熱管的軸向應力。為了便于分析，管板孔內壁按不開槽計算。

殘余接觸壓力可由下式計算:

(1)

此處

(2)

由上式可以看出，在同樣的脹接壓力下，降低管子的屈服強度有利于提高脹接后管子與管板之間的殘余接觸壓力。當換熱管與管板材料及管孔結構尺寸給定時，為定值，從而從式(5.1)可以很方便地根據脹接壓力求出殘余接觸壓力。

若為接觸面的摩擦系數，[q]為許用拉脫力，對于貼脹取[q]=2.0MPa，對于強度脹取[q]=4.0MPa殘余接觸壓力應滿足:

(3)

將上式代入式(1)，可知對于強度脹，脹接壓力的許用值應滿足如下關系:

(4)

在脹接時，脹接壓力不是越大越好，脹接壓力的過大將會導致過脹。最大脹接壓力為管板模型外表面發生屈服時的壓力:

(5)

此時最大殘余接觸壓力為:

(6)

因此脹接壓力的選取范圍為:

(7)

脹接壓力的選取應結合換熱器的具體要求，管板孔加工粗糙度、脹管機的加工能力進行選取。管板孔內壁越粗糙，拉脫力越大。而較光滑的接觸表面則具有較高的密封壓力。對密封要求較高的換熱器，可以向上選取脹接壓力。液袋脹接的脹頭使用壽命與脹接壓力有關，脹接壓力過高，脹頭壽命就會降低，使脹接成本上升。對于強度脹，若脹接壓力超過Pimax，就可能在脹接時發生管板的塑性區與周圍的已脹好接頭的殘余應力區的干涉，引起周圍接頭的殘余接觸壓力的降低，嚴重時會造成試壓或工作時發生泄漏，這就是所謂的過脹現象。過脹發生后，如果進行補脹，泄漏區將會擴散到相鄰的接頭。因此，在確定強度脹接的脹接壓力時，只要使所選壓力滿足式(5.4)或適當大些即可，而不必追求過高的脹接壓力。實際上，脹接的關鍵在于保證使每個接頭都具有均勻的、適當的脹緊度，而不應要求某個接頭脹得多緊。

5.4 脹接管口的處理:

(1)換熱管管端打磨(金屬光澤，無縱向溝槽或劃痕)

(2)換熱管管端退火 (

(3)換熱管管口去毛刺，飛邊

5.5 過脹的防止

根據計算，選用合理的脹接壓力

5.6 個別管口的補脹(機械脹)

(1)影響成本的因素

①脹接壓力

②換熱管與管板之間的間隙

③脹桿與換熱管之間的間隙

④操作熟練程度

(2)管板孔的加工

①鉆孔(鉆+鉸或鉆+擴)

②尺寸精度按GB151-98規定，間隙最大控制在0.4～0.5mm以內(Δd)

③粗糙度，孔內表面不允許有縱向劃痕或螺旋狀溝槽

④強度脹或密封脹:管板孔光潔度Ra6.3

⑤貼脹:管板孔光潔度Ra12.5

(3)加工脹管槽

①寬度:W=1.6～1.8(r，管子平均半徑，t，管子的壁厚)

②槽深:最淺處:0.5mm矩形環槽，不允許有偏心)

③槽數:兩道

④間隔:大于8mm

(4)脹管槽的位置

①在溫差、壓力載荷共同作用下，當管子受壓時，槽開在殼程側

②在溫差、壓力載荷共同作用下，當管子受拉時，槽開在管口側

③在管子拉壓交替疲勞載荷作用下；槽開在接近管口和殼程側

6 液壓脹管的特點

液壓脹接技術是一種新型的柔性脹接技術。它具有以下特點:

(1)生產效率高，每臺脹管機每天可脹接約2千個脹接接頭。

(2)勞動強度低，脹接時手柄上無須施加力或力矩作用。

(3)脹接質量高，脹接壓力可以根據需要設定，一旦脹接壓力設定了，控制系統即可對其自動控制，保證各接頭的脹緊度均勻一致。

(4)脹接后換熱管殘余應力低，熱管不易受應力腐蝕。

(5)脹接過程對管口無污染，脹管介質為水，對管口不會產生污染。可以很方便地采用先脹后焊工藝(焊前先用氧炔焰對焊口烘烤，使水分蒸發)。

(6)對換熱管的尺寸精度要求較低，可對用普通換熱管制造的換熱器進行脹接。脹頭可以根據管子尺寸偏差進行適當修磨。

(7)可以對任意厚度的換熱管進行全程脹接。

(8)可以對特大口徑管實施脹接。

7 結語

(1)用合適脹接工藝，通過理論計算，得出合理的脹接壓力，避免過脹或脹接壓力不夠，為換熱器制造中換熱管與管板的可靠聯接提供了理論依據。(2)提高了勞動效率，降低了工人的勞動強度。(3)過適當加大開槽寬度來降低脹接壓力，從而降低脹接成本。

參考文獻

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