吉永

                                  瀘天化弘旭公司設備制造處

摘要：介紹了近幾年來發展較快的換熱器管子與管板連接的液壓脹接技術,重點說明了影響脹接 接頭連接性能的幾個相關因素及脹接壓力的計算。

關鍵詞：液壓脹接　YZJ-350D液袋式液壓脹管機　脹接壓力計算　脹接接頭　連接性能 脹接壓力　連接強度　泄漏壓力　密封能力　運行溫度

換熱器是石油化工裝置中最為常見的設備, 每臺換熱器都有數百乃至數千個換熱管與管板的 連接接頭。目前換熱管與管板的連接方法主要 有:脹接、焊接、脹焊并用等幾種情況,機械脹接是 國、內外目前最為常用的方法。該方法除了具有 勞動強度高和工作效率低等缺點外,還難以對管 板厚度超過100mm以上的換熱器實行全厚度脹 接。而現代化工裝置都在高參數下運行,換熱器 的管板厚度越來越厚,管板厚度超過300mm的換 熱器已不鮮見,用傳統的機械脹接技術已無法對 這種厚管板換熱器進行全厚度脹接,使得換熱管 和管板之間的間隙難以消除,留下間隙腐蝕的隱患。

液壓脹接是近幾年來發展較快的換熱器管子 與管板的連接方法,該方法利用液體壓力作用于 換熱管內表面,使之產生大的塑性變形并與管板 孔接觸,依靠卸除壓力后的殘余應力使管子與管 板達到緊密連接,其連接質量的好壞直接影響到 生產的安全可靠。它包括兩種方法:一種是“O” 形環法,這種方法以“O”形環作為密封元件,對管 子內壁的尺寸精度和粗糙度要求較高;另一種即 為液袋式液壓脹接技術,應用該技術,可對各種規 格、各種材料的換熱管進行可靠的全程脹接,特別 適用于對厚管板換熱器、大口徑管的脹接。

我公司使用的YZJ-350D液袋式液壓脹管 機,是換熱器及鍋爐制造、維修過程中連接管子與 管板的專用脹接設備,其最高脹管壓力為 350MPa,已成功應用于多臺熱交換設備換熱管與 管板脹接的生產實踐中。

1　液袋式液壓脹管機特點及工作原理

1.1　液袋式液壓脹管技術特點

①勞動強度低,生產效率高;

②脹接質量均勻可靠;

③脹管介質對接頭無污染;

④脹后管子殘余應力低;

⑤對換熱管的尺寸精度要求低;

⑥可對任意管板厚度的換熱器進行全程脹 接;

⑦不易形成過脹;

⑧換熱管機械損傷小,不產生軸向伸長。 該技術與“O”形環脹接技術的最大差別在 于:液袋式液壓脹接技術對換熱管的尺寸精度要 求不高,脹接過程對換熱管內表面無污染,是一種 符合我國國情的新型脹接技術。

1.2　液袋式液壓脹管機的工作原理

液袋式液壓脹管技術利用增壓原理,產生足 以使換熱管產生塑性變形的超高壓脹管壓力,該 壓力通過彈性液袋作用于換熱管內壁,使換熱管 發生塑性變形,與管板產生過盈而脹接于管板孔 內。

利用液袋封閉脹管介質,可防止脹接過程中 脹管介質對接頭的污染,有利于避免焊接缺陷。 由于國產換熱管的內徑尺寸偏差較大,脹頭的外 徑尺寸可以在工作現場根據管子的孔徑通過磨削 加工進行調整。

脹接加工過程極其簡單,管子與管板進行組 裝完畢后,將脹頭插入管孔中,按下脹接按鈕,脹管機即可自動根據設定的脹接壓力完成脹接的加 壓、保壓、卸壓等工作過程。由于這種脹接過程對 脹接接頭無污染,一般脹后對管口不必進行清洗 就可直接焊接。

2　液壓脹管脹接壓力的計算公式

經生產實踐和查閱相關資料,液壓脹管脹接 壓力的計算公式如下:



3　液壓脹管在應用中的幾個問題

3.1　液壓脹接接頭脹后連接性能的考核指標 脹接接頭脹后連接性能可分為連接強度和泄 漏壓力2個指標。

接頭的連接強度通常用拉脫應力q來定量表 征,含義為單位脹接接觸面積上接頭所能提供的 軸向力,可表達為:



經過多次的拉脫力試驗,可以發現:管板孔內 壁粗糙度、管板孔與換熱管之間硬度差、管板孔與 換熱管之間的間隙、脹接壓力等因素對接頭的連 接強度均有影響,其中脹接壓力的大小對接頭的 連接強度影響顯著,接頭的拉脫力q隨脹接壓力 P的變化見圖1。



3.3　脹接接頭泄漏壓力與脹接壓力的關系 經滲透試驗可以看出,接頭的殘余接觸壓力 沿管子軸線方向是不均勻的,接頭連接的兩端接觸壓力比較高,形成重要的密封帶。接頭泄漏壓 力PL與脹接壓力P之間的關系見圖2,從圖2說 明:液壓脹接壓力能顯著提高接頭的密封能力。



3.4　運行溫度對脹接接頭連接性能的影響 經查閱相關資料表明(以10#換熱管,16Mn 鍛件管板為例):

接頭的連接強度q隨溫度升高先增加后減 小,400℃時的連接強度比室溫時的連接強度降低 約15%。接頭的泄漏壓力PL有相同的變化規 律,400℃時的泄漏壓力比室溫時降低約20%。 其原因是:管子(10#鋼)比管板材料(16Mn鍛件) 的熱膨脹系數高,在室溫時二者差2.97× 10-6/℃;隨著溫度升高,差別逐漸減小,到400℃ 時降為0.22×10-6/℃。但與此同時材料的屈服 強度降低,因此接頭連接強度和密封能力有上述 規律。若經過第1個升溫、降溫循環回復到室溫 后,接頭連接強度和密封能力比脹接結束后都有 所降低;接頭經過第2個、第3個循環后連接性能 基本不變。

運行溫度對接頭連接性能的影響見圖3、圖 4。





4　結束語

在GB151—1999《管殼式換熱器》中規定,管 殼式換熱器強度脹接連接只適用于設計壓力小于 或等于4MPa,設計溫度小于或等于300℃的場 合。但經計算表明只要注意管子與管板材料的匹 配和選擇合適的脹接壓力,接頭的連接性能仍然 能夠得到保證,相關資料介紹也有脹接用于高于 300℃運行環境的情況。

液壓脹接壓力能夠顯著提高接頭的連接性 能,同機械脹接相比,液壓脹接的成型規律有所不 同,其不易形成過脹,因此在實際應用時可適當增 加液壓脹接壓力。