雙相不銹鋼管與管板的液壓脹接

換熱器主要作用是將熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝過程規(guī)定的指標(biāo)要求，以滿足工藝過程上的需要，廣泛應(yīng)用于化工、煉油、制藥和核電等領(lǐng)域。換熱器結(jié)構(gòu)類型多種多樣，其中管殼式換熱器是用的最多的，有數(shù)百乃至數(shù)千根傳熱管。換熱管與管板連接是管殼式換熱器設(shè)計(jì)、制造最關(guān)鍵的技術(shù)之一，也是換熱器事故發(fā)生率最多的部位。所以換熱管與管板連接質(zhì)量的好壞直接影響到換熱器的使用壽命。因此選擇適當(dāng)?shù)倪B接方式，使每一個管子與管板連接接頭都能滿足質(zhì)量要求是換熱器制造過程中的關(guān)鍵問題。文中對雙相不銹鋼管和管板換熱器進(jìn)行液壓脹管工藝試驗(yàn)，最終確定產(chǎn)品的最佳脹接壓力和脹接時間等工藝參數(shù)。

1 換熱管、管板材質(zhì)及規(guī)格

換熱管材料為SA-789M，UNS S31803，規(guī)格為φ25.4mm×2.11 mm，管板材料為SA-182M，F(xiàn)51.，厚度95mm。兩種材料均為雙相不銹鋼，這種材具有耐腐蝕、高強(qiáng)度和易于制造 加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，但更接近于鐵素體不銹鋼和碳鋼。

2 脹管設(shè)備選用及參數(shù)

換熱管與管板的管端連接圖如圖1所示。由于脹接長度較長，根據(jù)脹接經(jīng)驗(yàn)，選用YZJ-500F型超高液壓脹管機(jī)。液袋式液壓脹管結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖1 管端連接示意

圖2 脹接示意

3 脹管試驗(yàn)

試驗(yàn)用的管板材料、厚度均與產(chǎn)品相同，尺寸為200mm×200 mm，管孔呈矩形排布，孔距32mm，管板孔分布如圖3所示。采用數(shù)控鉆孔一次加工成品，編號1～10為脹管試驗(yàn)用，即只脹不焊接；11～25為焊接試驗(yàn)用，先焊后脹。換熱管規(guī)格與產(chǎn)品規(guī)格相同，尺寸為φ25.4mm×2.11mm。

圖3 管孔分布示意

3.1 脹接前準(zhǔn)備

（1）穿管前，對換熱管端部以及管板孔用清洗劑進(jìn)行清洗；

（2）脹接前必須清除換熱管端部的銳口或毛刺，以免損壞液袋；

（3）脹管前測量管內(nèi)、外徑、管板內(nèi)徑，并做好記錄，其數(shù)據(jù)見表2。

3.2 脹管

先用編號為1#的管子進(jìn)行脹接試驗(yàn)，根據(jù)以往不銹鋼產(chǎn)品的脹接經(jīng)驗(yàn)，先用200MPa壓力進(jìn)行脹接，脹接時間為4s，脹完后發(fā)現(xiàn)未脹上，再依次用210，220，230，240，250MPa，脹接時間也是4 s，進(jìn)行脹接試驗(yàn)，管子與管板之間的間隙越來越小，貼緊程度越來越高；提高脹管時間為6s，脹接壓力也提高到260MPa，脹完后管子無松動，使用錘子輕輕敲擊管的伸出端管子也沒有發(fā)生位移；然后再依次脹接每根管子，并測量脹管后各管內(nèi)徑；最后剩余偏號的管均采用300MPa壓力進(jìn)行脹接。

4 脹管檢查

4.1 間隙值檢查

通過脹管前、后尺寸測量和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)管板孔與管外徑之間的間隙在壓力達(dá)到260Mpa時就消除了，隨著脹接壓力的增大，脹管后測量管內(nèi)徑，發(fā)現(xiàn)尺寸變化不大。

4.2 目視檢查

對管子內(nèi)側(cè)進(jìn)行目視檢查，換熱管內(nèi)表面沒有出現(xiàn)損傷等缺陷。

4.3 滲透檢查

脹管后對管端與換熱管外徑之間進(jìn)行液體滲透檢查，發(fā)現(xiàn)均無脹接缺陷。

4.4 剖視檢查

對換熱管和管板進(jìn)行環(huán)向、縱向切割開檢查。環(huán)向切割，即將管板按厚度均分三等分切割，利用光學(xué)顯微鏡檢查換熱管與管板孔間隙。縱向切割，即將換熱管沿長度方向切割成兩半，也是利用光學(xué)顯微鏡檢查換熱管與管板孔間隙。通過10倍放大鏡觀察，間隙全部消除，如圖4，5所示。

圖4 管板環(huán)向剖視圖

圖5 管板長度方向剖視圖

4.5 脹管率計(jì)算

計(jì)算公式：

式中 ρ——脹管率，%

d1——換熱管脹管后實(shí)測內(nèi)徑值，mm

d——換熱管脹管前實(shí)測內(nèi)徑值，mm

D2——管板孔脹管前實(shí)測內(nèi)徑值，mm

D1——換熱管脹管前實(shí)測外徑值，mm

通過計(jì)算可知，當(dāng)脹接壓力在260～280MPa時，脹管率為0.24%～0.72%；當(dāng)脹接壓力在290～300MPa時，脹管率為1.44%～2.14%；當(dāng)脹接壓力在310～320MPa時，脹管率為4.04%～4.49%。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，貼脹的脹管率ρ一般控制在1%～3%。

4.6 拉脫力試驗(yàn)

根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和《熱交換器》規(guī)定，貼脹一是要求消除換熱管與管板孔之間的間隙；二是有一定的殘余應(yīng)力。對于貼脹接應(yīng)力值應(yīng)大于1MPa，根據(jù)已知的脹接長度77mm，可計(jì)算拉脫力最小值為6.144kN。各管的實(shí)際拉脫力見表3，管接脫后位移發(fā)生改變。

通過以上實(shí)際的拉脫力值可知有些編號管孔雖然計(jì)算管板孔與換熱管外徑之間的間隙值已消除，但實(shí)際的拉脫力卻不滿足，造成這種結(jié)果有很多原因，如：測量讀數(shù)誤差、管板孔粗糙度、管是否橢圓、測量管位置等。對于9#，10#管，拉脫力明顯比其他管大，可能是過脹的原因，在貼脹中過脹是不允許的，因力過脹會使管板孔橋尺寸發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致整個管板變形，最終影響密封效果。綜合考慮，最后脹接壓力選定為300MPa，脹接時間選定6s。

5 結(jié)束語

通過脹管試驗(yàn)，雙相不銹鋼換熱管、管板強(qiáng)度一般都比較大，脹接前需多次試驗(yàn)，脹管完成需做相關(guān)檢查和試驗(yàn)才可以確定適當(dāng)?shù)拿浗庸に噮?shù)。當(dāng)換熱管與管板之間的間隙消除后，即使再增加脹接壓力，脹完后測量管內(nèi)徑基本上沒有多大變化。有時間隙值消除了但拉脫力不一定滿足，有時拉脫力合格了但間隙不一定消除，因此可以得知脹管間隙值僅是用來參考的，具體還得以拉脫力和各項(xiàng)檢查為準(zhǔn)。

[1]張瑩瑩，高磊，紀(jì)強(qiáng).雙相不銹鋼管子與管板脹接工藝研究.2008.

[2]張健.S32205雙相鋼管與管板脹接工藝參數(shù)確定.2013.

[3]曹宮衡.新型超高液壓脹管技術(shù)的原理與實(shí)踐.2001.