特材換熱器脹接工藝評定研究

袁　彪1,鄭楊艷1,王應植1,馬　歆1,唐支翔2,奚延安2

(1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院,江蘇南京　210003; 2.南京寶色鈦業有限公司,江蘇南京　211100)

    摘　要:以鋯材換熱器管子-管板接頭的脹接試驗研究為基礎,分析了特材換熱器管子-管板接頭的特點和脹接工藝方面的特殊要求,提出了特材換熱器脹接工藝評定的項目、要求和方法。

    關鍵詞:換熱器;管子-管板接頭;脹接工藝評定

    中圖分類號:TQ051. 5;TQ050. 6　　文獻標識碼:B　　文章編號: 1001-4837(2010)06-0037-06

    1·引言

    換熱器最容易發生失效的部位之一是管子-管板連接接頭[1],常常因接頭處的泄漏等造成系統停車,給工業生產造成巨大的經濟損失。因此,管子-管板連接接頭的可靠性在換熱設備的設計制造中需要重點關注。換熱器管子-管板接頭的連接最常見的有焊接、脹接和焊脹并用等方法。對管子-管板接頭的焊接,其焊接工藝評定試驗的要求、方法等已有成熟的標準并使用多年。但近些年來,鋯、鈦、鉭等特材換熱器的應用越來越廣泛,其中為數不少的管子-管板連接接頭采用脹接連接。由于特材特殊的理化性能使得接頭在設計制造中有著特殊的要求。以鋯材換熱器為例,由于其制造歷史相對較短,而且鋯材價格昂貴,國內外對鋯材設備制造過程中關鍵性技術的研究遠沒有像對碳鋼、低合金鋼和不銹鋼設備等的研究那樣充分和成熟[2~4],特別是國內在鋯材設備制造技術的很多方面都還處在探索階段。大量的文獻資料表明,雖然前人對列管式換熱器管子-管板接頭的連接形式、接頭參數和制造方法等做過大量卓有成效的試驗研究工作[5~10],但對鋯材等特材換熱器管子與管板接頭的連接形式、參數選擇和接頭的結構完整性評價等方面還缺乏系統、深入的研究。特別是對于柔性強度脹接頭,材料線脹系數差、接頭形式、脹管參數、蠕變等因素對接頭拉脫強度和密封性能的影響,無論是設計單位還是制造單位都對其缺乏了解,缺少相關數據和經驗積累。因此,對特材換熱器來說,當管子管板采用脹接連接(特別是強度脹)時,完全有必要像做“焊接工藝評定”那樣進行接頭的“脹接工藝評定”。

    2·特材換熱器管子-管板接頭的特點

    由于特材換熱器一般用于強腐蝕場合,其管程采用耐蝕性強的材料,走強腐蝕性流體,而殼程采用普通不銹鋼甚至碳鋼,走一般的換熱流體。一旦管子-管板接頭發生泄漏,管程介質流進殼程,則會造成換熱器殼體及與之相連的系統中的其他設備很快腐蝕而失效。因此,需要嚴格保證管子-管板接頭的密封性能。

    在很多場合下,特材換熱器的管子、管板材料存在較大的線脹系數差,因此在受熱后易使接頭松馳。筆者對鋯管和鈦管換熱器在不同溫度下所做的接頭拉脫強度試驗結果表明,隨著溫度的上升,其拉脫強度呈直線下降(如圖1, 2所示)。因此,當接頭采用脹接連接時,如何保證足夠的拉脫強度和密封性能,是需要特別加以考慮的。

             
    此外,鈦、鋯等特材均具有縫隙腐蝕的傾向。因此,這些換熱器管子-管板接頭的連接多采用脹焊并用的連接形式。由于特材具有屈強比和回彈性大等物理性能,對特材的脹接工藝提出了較高的要求。

    3·特材換熱器管子-管板脹接接頭的設計制造要點

    由于鋯等特材的熱脹系數小,在設計中,對特材換熱器管子-管板接頭應注意選用適當的連接方法。當采用強度脹接時,應通過管板孔開槽和控制脹管參數等確保接頭的脹接強度和密封性能。接頭采用強度脹加密封焊時,其脹焊順序要以能夠獲得穩定的接頭質量為準則,當沒有成熟的經驗時最好先做一定的試驗。

    接頭制造過程中采用脹接時,應選擇適當的脹接方法,一般應采用柔性脹接,如橡膠脹、液壓脹或液袋脹。特別要提出的是,由于特材的冷作硬化傾向以及對缺口的敏感性等,對鋯、鈦等特材管子脹接一般不宜直接選用機械脹。盡管試驗結果表明,采用柔性脹接加機械脹有利于提高接頭的密封性能,但即便如此,也應該謹慎使用機械脹方法,除非能采取可靠措施,防止換熱管在脹接過程中受到污染和損傷。

    特材管子接頭采用脹接方法連接時,其接頭形式也很重要。通過對鋯材管子-管板接頭進行的試驗和數值模擬結果均表明,當管板孔開槽時,可以顯著提高接頭的拉脫強度和密封性能[1]。因此,對鋯材管子脹接接頭,一般應采用開槽結構的接頭形式,并選擇合理的開槽數量、開槽寬度和開槽位置。結合試驗結果及相關安全技術規范的有關要求,對鋯管強度脹,管板孔內宜開2~3道矩形槽,開槽寬度為(1. 1~1. 3)dt(d為換熱管平均直徑, t為換熱管壁厚),開槽深度0. 5 mm。課題組的研究結果還顯示[12],鋯材換熱器管子-管板脹接接頭的拉脫強度和密封性能隨著使用溫度的增加呈直線下降。因此,當使用溫度較高,管子、管板材料線脹系數差較大,又必須采用強度脹接時,應通過采取管板孔開槽和控制脹管參數等措施確保接頭的拉脫強度和密封性能。

    除了接頭形式外,脹接壓力也是影響接頭拉脫強度和密封性能的重要因素。開槽主要影響接頭沿管子軸向的接觸壓力分布,而脹接壓力則影響沿管子軸向的接觸壓力的平均值。試驗和數值模擬結果均表明[12],并非脹接壓力越大越好,無論開槽與否,當脹接壓力大到一定程度時,接頭的接觸壓力不再有顯著增大。因此,應選擇合理的脹接壓力。

    除此之外,在管子-管板脹接接頭的制造中還應注意以下幾點:

    (1)用于脹接的換熱管的硬度應當低于管板材料的硬度,無法滿足時需采取措施保證脹接質量;

    (2)脹接連接時,管板孔表面粗糙度Ra值不大于12. 5μm (當然也不宜過小),管板孔表面不應有影響脹接緊密性的缺陷,如貫通的縱向或螺旋狀刻痕等;

    (3)應將換熱管和管板孔表面清理干凈,不應留有影響脹接質量的毛刺、金屬屑、銹斑等;

    (4)強度脹的最小脹接長度應取管板的名義厚度減去3 mm或50 mm中的小者;當有要求時,管板的名義厚度減去3 mm與50 mm之間的差值應當采用貼脹,或管板的名義厚度減去3 mm全長脹接;應注意脹接長度不應伸出管板背面(殼程側),換熱管的脹接部分與非脹接部分應圓滑過渡,不應有急劇的棱角。

    4　特材換熱器管子-管板接頭的脹接工藝評定

    4. 1　脹接工藝評定的必要性及其目的

    脹接工藝評定的必要性主要有以下幾個方面:

    (1)對于強度脹接接頭來說,接頭質量的好壞直接影響換熱器的使用性能。大量的研究資料表明[13, 14],管子-管板接頭失效是換熱器失效的主要形式之一。因此,在接頭脹接前通過試驗和評定獲得合理的脹接工藝是非常必要的。

    (2)在接頭脹接過程中,由于對接頭的拉脫強度和密封性能無法實時檢查,通常只有在設備全部完成后乃至在設備使用中才能驗證接頭的拉脫強度和密封性能。

    (3)制造過程中或制造完成后,即使發現了脹接接頭質量不好,一般返修起來也極其困難。因此,一旦出現脹接質量問題,由于材料價格昂貴和耽誤工期等原因,往往造成巨大的經濟損失。

    (4)從試驗和研究結果可知,對采用鋯材制作的管子-管板接頭,其拉脫強度和密封性能受溫度的影響非常大,在產品制造前進行相應溫度下的脹接工藝評定顯得更為必要。換熱管與管板脹接工藝評定的目的,在于驗證生產單位擬定的脹接工藝的正確性,并評定施脹單位的能力。

    4. 2　脹接工藝評定的范圍

    需要做脹接工藝評定的范圍應在相應的標準中規定,或由設計確定。同時建議制定和發布換熱器脹接工藝評定標準,供設計、制造和檢驗單位使用。根據本文的分析和研究結果,下列兩種情形要求做脹接工藝評定:

    (1)特材換熱器,采用強度脹方法連接時;

    (2)特材換熱器,采用非強度脹的脹焊并用的方法連接,由于其管子與管板材料的匹配,導致脹接過程對接頭質量產生較大影響時(由設計者確定)。

    4. 3　脹接工藝評定的總體要求

    (1)脹接工藝評定應以可靠的金屬材料性能為依據,并在產品施脹之前完成。

    (2)脹接工藝評定的一般過程為:擬定脹接工藝指導書、準備脹接試樣、施脹、檢驗脹接試件、試驗(如拉脫強度等)、解剖檢查。

    1)脹接工藝指導書:包括擬定脹接方法、脹接工具(工裝)、脹接參數(脹接長度、脹接壓力)等。

    2)準備脹接試樣:包括脹接用管的準備和模擬管板的準備。脹接用管在模擬管板殼程側的伸出長度,壓脫時至少20 mm;拉脫時至少100 mm。模擬管板根據布管形式是正三角形布管或正方形布管可采用不同的模型(圖3示出了部分模型),其中,中間的3孔用于脹接試樣(其中2個用于拉脫試驗, 1個用于解剖檢查)。試樣準備應包括對試樣結構尺寸檢查并做好記錄。管子與管板孔之間的間隙應符合有關標準的規定,對管外徑和管孔內徑的測量,須使用精度達0. 001 mm的千分尺,并在長度方向離脹接長度兩端各1/4的2個截面上,各測取相互垂直的2個直徑值,以所測得的2個截面共4個直徑值的平均值作為測量值。

              
    3)施脹:按照擬定的脹接工藝指導書進行,施脹過程中應詳細記錄實際脹接參數。對脹焊并用的接頭,可以在用于解剖檢查的接頭上按照規定的焊接工藝進行密封焊。

    4)檢驗脹接試件:應對脹接試件進行宏觀檢驗,脹管的脹接表面各部位應光整圓滑,表面不得有開裂、明顯的擠壓傷痕等。

    5)拉脫試驗:可在拉伸試驗機上進行。應制作專用工裝,可以采用拉脫式工裝(管子的伸出長度不得小于100 mm);也可以使用如圖4所示的壓脫式工裝(采用壓脫式工裝時應分析管子軸向受壓而產生的徑向應變對拉脫力的影響)。

             
    拉脫試驗的合格標準按照相應的產品標準或安全技術規范的要求。

    6)解剖檢查:對用于解剖檢查的接頭,沿接頭的直徑方向或沿2個相互垂直的半徑方向剖開,進行管子與管板孔接觸狀況的檢查。脹接工藝評定所用設備、儀表應處于正常工作狀態,使用的所有試樣材料應符合相應標準,當需要進行加溫試驗時,加溫和保溫裝置應使加溫和降溫速度不超過30℃/min;試驗溫度的波動不超過±2%。

    應由技能熟練的脹接操作人員并使用本單位的脹接設備脹接試件。

    4. 4　脹接工藝評定的合格標準

    (1)3個脹接試樣均經宏觀檢查,脹管的脹接表面各部位應光整圓滑,表面不得有開裂、明顯的擠壓傷痕等;

    (2)2個拉脫試樣的拉脫強度均不小于標準規定值;

    (3)解剖檢查時,在脹接長度范圍內,管子與管板孔之間應無明顯間隙;在管板孔開槽的兩側槽邊緣處,管子外壁與槽邊緣應有緊密的接觸;
    (4)在管板孔槽內管子在半徑方向的鼓出深度應不大于槽深的80%。

    4. 5　脹接工藝評定規則

    影響脹接工藝的重要因素及其評定規則如表1所示。

    4. 5. 1　管子和管板材料

    對管子和管板材料進行分類,如碳素鋼和低合金鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金、鎳及鎳合金、鉭及鉭合金、鋯及鋯合金、鈮及鈮合金等。材料的類別改變時,需要重新評定。

             
    4. 5. 2　脹接方法

    脹接方法分為機械滾脹(對特材而言,一般不選用)、爆炸脹接、液壓脹接、液袋式脹接和橡膠脹接5種。改變脹接方法時,需要重新評定。

    4. 5. 3　脹接參數

    即使材料類別和脹接方法均相同,由于管子的直徑和/或壁厚等發生變化,會導致脹接參數的變化。當其中任意一個或以上脹接參數的改變超過10%時,需要重新評定。

    4. 5. 4　熱處理

    脹接接頭經過熱處理有可能導致脹緊度的減弱。因而經評定合格的已做熱處理的脹接工藝評定適用于不做熱處理的脹接工藝評定。反之,則需重新評定。

    4. 5. 5　設計溫度

    當管子、管板材料的線脹系數差較大,設計溫度又較高時,需要考慮由于高溫下材料膨脹量的不同而導致的接頭拉脫強度的下降。根據本課題組對鋯/不銹鋼管子-管板接頭的試驗和研究結果,隨著溫度的增加,脹接強度呈直線下降。對鋯/316L接頭,材料的線脹系數分別為5. 9和18. 1,兩者的差倍數: (18. 1-5. 9) /5. 9=2. 07倍,而當溫度從室溫10℃升高到250℃時,拉脫強度下降至原來的49. 9%。如果按照拉脫強度的下降不超過10%控制,則要求材料線脹系數差的差倍數與溫度(指高出常溫的溫度值)的乘積不大于: (2. 07×240) /(49. 9×10% )=99. 6,圓整取100(對某些材料匹配,可能還需要考慮升溫后管子壓縮屈服對拉脫力的影響,本文暫未考慮),即當管子、管板材料線脹系數差的差倍數與溫度的乘積大于100時,脹接工藝需要重新評定。

    5　結語

    (1)對特材換熱器,當管子-管板接頭采用強度脹方法連接時,或當管子-管板接頭采用非強度脹的焊脹并用的方法連接,由于其管子與管板材料的匹配,導致脹接過程對接頭質量產生較大影響時,應考慮在脹接前做脹接工藝評定。

    (2)對鋯材等特材換熱器管子-管板脹接接頭來說,由于其特殊的材料理化性能,使得接頭的拉脫強度和密封性能隨著使用溫度的增加而迅速下降。因此,當使用溫度較高,管子、管板材料線脹系數差較大,又必須采用強度脹接時,應通過采用管板孔開槽和控制脹管參數等措施確保接頭的拉脫強度和密封性能。

    (3)探討了換熱器管子-管板接頭脹接工藝評定的項目、內容和方法。不僅可供特材換熱器設計和制造時使用,當生產單位對脹接工藝沒有把握時,即便是一般換熱器也可以參照使用。需要說明的是,由于作者水平以及所做的試驗有限,這些脹接工藝評定的項目、內容和方法等尚需要進一步探討研究并形成標準后使用。

    (4)以1臺鋯管與松襯結構管板采用強度脹連接,同時又要求在較高溫度下服役的鋯材換熱器為例,在產品制造前進行了接頭脹接工藝的試驗與評定,獲得了合理的脹接參數,使產品順利試制成功。

    參考文獻:略