在管壳换热器制造中胀管率公式的应用与探讨
关键词：管壳换热器制造;胀管率公式;应用与探讨
中图分类号：TE974+.4 文献标识码:A 文章编号:1008-8725(2009)10-0187-02
0 引言
在管壳换热器制造中换热管与管板连接处的质量很大 程度决定了换热器的使用效率与寿命。胀接是换热管与管 板的连接方式之一,它是利用胀管器伸入管口,并按顺时针 旋转,对穿入管板孔内的管子端部胀大,使管子达到塑性变 形,同时管板孔也被胀大,产生弹性变形。胀管器退出后,管 板产生弹性恢复,使管子与管板的接触表面产生很大的挤压 力,因而管子与管板牢固地结合在一起,达到既密封又能抗 拉脱力2个目的。
胀接质量的主要影响因素有管子与管板的材料、尺寸及 其尺寸精度、形位精度、径向间隙、表面清洁度、管子与管板 的硬度差、管孔的开槽、胀接方法及其设备、胀管率等,尤其 是胀管率的影响最为突出。胀管率的选择成为胀接工艺中 主要控制参数之一。为了保证胀接质量,胀接时应首先注意 选择适当的胀管率。在制造过程中,胀管率过小,(欠胀),不 能保证必要的连接强度和密封性;胀管率过大(过胀),会使 管壁减薄太大,加工硬化严重,甚至发生裂纹。
《压力容器安全技术检查规程》给出胀管率的计算公式 及其取值范围,对于具体换热器的管子与管板的胀管率的取 值,通常是通过模型试胀确定的。笔者在某煤气初冷器的模 型试胀中发现了在计算胀管率时2个不容忽视的问题,即胀 接过程中金属轴向流动造成的管壁的减薄量ΔS以及管板孔 发生的塑性变形造成的凸台变化量ΔSW对胀管率的影响。 文章通过对模型试验得出了管壳换热器制造中理想的 胀管率,并通过对模型的解剖试验分析了金属轴向流动造成 的管壁减薄量ΔS及管板孔发生的塑性变形造成的凸台变化 量ΔSW对胀管率的影响程度,对胀管率的计算公式进行了 修正,并进一步明确了胀接的实质。
1 试胀情况
1.1 被模拟的对象
某焦化厂3台列管式煤气初冷器,由西德引进技术国内转化设计。 主要参数:
容器横截面积为4 550×2 746 mm2,高为26 602 mm,净重 201 820 kg。
管程压力P=0.5 MPa,温度t=100℃;介质为水
壳程压力P=0.03 MPa,温度t=100℃;介质为煤气及冷 却物。
壳程及管板材料均为Q235-A,管板厚度18 mm;换热管 材质为10#无缝钢管,规格为60×3,管长4 502 mm,每台共 6 240根。
为了制定胀接工艺,确定合适的胀管率需要进行模型试 胀。
1.2 试验材料
试胀所用的管子的材料与规格、胀管前管子的热处理状 态、预处理等均与产品相同,且与产品统一炉批号;模拟管板 的材料、孔径、孔内是否开槽及槽的位置尺寸、管孔排列方 式、空间距等结构尺寸严格按照图纸要求。与图纸要求一样 模拟管板采用采用圆形,管板孔按照正三角形排列,结构如 图1所示。试胀所用管子的长度为管板厚度加50 mm,即大 约70 mm。
1.3 试验设备及量具
试验采用国产手动胀管器。
量具:外径用分厘卡量取,内径采用内径百分表。
1.4 选用的胀管率计算公式
(1)《蒸汽锅炉安全技术监察规程》推荐公式,以外径增 大来衡量胀管率,为外控公式:
式(2)可以根据胀前实测的管板孔径、管子外径、管子内 径以及初步选定的胀管率数值,求得胀后管子的内径值范 围,以便于测量,满足(1)计算式求得的胀管率。按照《容规》 规定公式计算,胀管率取值范围为0.9%~2.2%之间。
(2)《机械工程手册》规定公式(———机械版沈鸿著82版)
并规定H=1%~3%间
此式以内径增大衡量H,为内控公式:
管壁减薄率l= {[(D′n-Dn) - (D0-Dw)]/2S}× 100%,e=4%~8%间
式中D0———管板孔直径,mm;
Dn———管子内径,mm;
Dw———管子外径,mm;
D′n———胀后管子内径,mm;
S———管子壁厚,mm。
1.5 胀接试验
实验前,按编号逐个测得管板孔径d、胀管前管子内径 d2及管子外径d0,以(2)式逐个求得管子胀后内径值范围, 便于对照参考。胀接时,可以按照经验预先调定胀接参数试 胀。按照(1)式测算胀管率,向上(下)设置4~6档胀接参 数,每档4孔进行胀接。逐个胀接并测量管子内径,计算胀 管率。按照图纸要求作压力试验或者致密性试验,对于泄漏 者进行补胀。补胀后,重新测量管子内孔直径,重新计算胀 管率。
1.5.1 部分实验数据如表1
1.5.2 解剖检验
解剖了5个管板孔和5个管头,每个均以管中十字型剖 开,管板孔形状由圆柱形变形如图2所示。由图2可以看出 管板孔两端变大,管板孔两端内侧向外突出。管子在胀接后 减薄量也较大,大约为0·2~0·5 mm。其中由于金属轴向流 动管壁的减薄量约0·025~0·1 mm。
硬度变化为:管板孔比原来管板硬度高HB10·5,管子 内、外表面比原来分别高出HB20·5和HB14·6。
1·6 试验结果讨论
(1)从表中数据和对所有试验数据分析表明,对于前述 例子的胀管率的合适范围约为1·2%~2·1%,H1=3时,管 板变形过大,过胀。
(2)金属的轴向流动。胀接中,管端呈塑性变形,一方面 径向扩大,管壁减薄;另一方面管子外壁受管孔约束挤压,使 管子金属沿约束力小的管子轴向流动,使靠近管板孔处的管 子外径增大,出现比原管孔略大的凸台;随着胀紧度的提高, 金属的轴向流动加剧。
(3)外控公式中忽略了凸台的大小。外控公式即把管孔 处管外径与管孔胀大后直径的变化率作为胀管率。有前述 解剖图知,由于金属的轴向流动,此处已形成凸台,数值为 0·03~0·1 mm,在本实例中对胀管率的影响达0·09% ~ 0·33%(绝对值),故此值对胀管率而言,不可忽略。而有关 资料中虽承认出现了凸台,但却忽略不计。经试验测定,笔 者认为计算公式中还应适当加以考虑。
(4)内控公式忽略了管壁的减薄量。在本实验中由于金 属的轴向流动管壁的减薄量约0·025~0·1 mm,影响率达 6·7%~16·7%(相对值)。有的资料虽承认管壁减薄量,但它 是以“等截面金属相等”的概念来衡量,认为管壁仅是径向的 “几何”减薄,因其变化量很小,不影响胀管率大小,所以在工 程上常常忽略管壁减薄量。但从理论上管壁减薄量与规定 的胀管率相比,占相当比重,是不可忽略的。
2 结论
(1)规范中给定的胀管率的取值范围应根据具体情况, 试验确定。在上述试验条件下得到的胀管率范围应以1·2% ~2·1%为宜。
(2)胀接原理:插入管板的管段在均匀的胀管作用下,首 先发生弹性扩张,然后发生塑性扩张,使管子外壁与管板孔 壁接触;继续增加胀接压力,管板也首先发生弹性扩张,继而 产生局部塑性区;然后卸除胀管压力,管子与管板由于胀接 引起的弹性变形部分同时发生收缩性的回弹,但由于管板回 弹量大于管子回弹量,管板箍紧管子,在管子与管板将产生 胀接力,即残余接触压力,从而保证接头具有足够的拉脱强 度和紧密性。原有胀接概念中只考虑了管子的塑性变形,而 忽略了管板的塑性变形,这与实际胀接过程不完全相符。
(3)管壁减薄量ΔS及凸台ΔSW均使胀管率减小,由分 析认为在内控式及外控式中的分子中分别减去2ΔS及 2ΔSW,即:
内控式:H={[(D′n-Dn)-(Do-Dw)-2ΔS]/Do}× 100%
外控式:H1=[(d1-d2-δ-2ΔSW)/d]×100%
对于本实例用上述公式计算得到的胀管率范围如下:
内控公式计算H=1·19~2·09
外控公式计算H1=1·10~1·77
参考文献:
[1] 沈鸿.机械工程手册[M].北京:机械出版社,1982.
[2] 李文军.管壳式换热器的胀接工艺[J].压力容器,2001,18(3): 58-59.
[3] 施建平.换热器制造中满足胀管率的机械胀接试验研究[J].压 力容器,2001,18(3):7-12.
[4] 于洪杰.管板孔开槽液压胀接接头性能的三维有限元分析[J]. 压力容器,2001,18(3):39-44.
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