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特材换热器胀接工艺评定研究

来源：发布时间：2014-07-10 12:24:49点击率：

 1·引言

    换热器 容易发生失效的部位之一是管子-管板连接接头[1],常常因接头处的泄漏等造成系统停车,给工业生产造成巨大的经济损失。因此,管子-管板连接接头的可靠性在换热设备的设计制造中需要重点关注。换热器管子-管板接头的连接 常见的有焊接、胀接和焊胀并用等方法。对管子-管板接头的焊接,其焊接工艺评定试验的要求、方法等已有成熟的标准并使用多年。但近些年来,锆、钛、钽等特材换热器的应用越来越广泛,其中为数不少的管子-管板连接接头采用胀接连接。由于特材特殊的理化性能使得接头在设计制造中有着特殊的要求。以锆材换热器为例,由于其制造历史相对较短,而且锆材价格昂贵,国内外对锆材设备制造过程中关键性技术的研究远没有像对碳钢、低合金钢和不锈钢设备等的研究那样充分和成熟[2~4],特别是国内在锆材设备制造技术的很多方面都还处在探索阶段。大量的文献资料表明,虽然前人对列管式换热器管子-管板接头的连接形式、接头参数和制造方法等做过大量卓有成效的试验研究工作[5~10],但对锆材等特材换热器管子与管板接头的连接形式、参数选择和接头的结构完整性评价等方面还缺乏系统、深入的研究。特别是对于柔性强度胀接头,材料线胀系数差、接头形式、胀管参数、蠕变等因素对接头拉脱强度和密封性能的影响,无论是设计单位还是制造单位都对其缺乏了解,缺少相关数据和经验积累。因此,对特材换热器来说,当管子管板采用胀接连接(特别是强度胀)时,完全有必要像做“焊接工艺评定”那样进行接头的“胀接工艺评定”。

    2·特材换热器管子-管板接头的特点

    由于特材换热器一般用于强腐蚀场合,其管程采用耐蚀性强的材料,走强腐蚀性流体,而壳程采用普通不锈钢甚至碳钢,走一般的换热流体。一旦管子-管板接头发生泄漏,管程介质流进壳程,则会造成换热器壳体及与之相连的系统中的其他设备很快腐蚀而失效。因此,需要严格保证管子-管板接头的密封性能。

    在很多场合下,特材换热器的管子、管板材料存在较大的线胀系数差,因此在受热后易使接头松驰。笔者对锆管和钛管换热器在不同温度下所做的接头拉脱强度试验结果表明,随着温度的上升,其拉脱强度呈直线下降(如图1, 2所示)。因此,当接头采用胀接连接时,如何保证足够的拉脱强度和密封性能,是需要特别加以考虑的。


             
    此外,钛、锆等特材均具有缝隙腐蚀的倾向。因此,这些换热器管子-管板接头的连接多采用胀焊并用的连接形式。由于特材具有屈强比和回弹性大等物理性能,对特材的胀接工艺提出了较高的要求。

    3·特材换热器管子-管板胀接接头的设计制造要点

    由于锆等特材的热胀系数小,在设计中,对特材换热器管子-管板接头应注意选用适当的连接方法。当采用强度胀接时,应通过管板孔开槽和控制胀管参数等确保接头的胀接强度和密封性能。接头采用强度胀加密封焊时,其胀焊顺序要以能够获得稳定的接头质量为准则,当没有成熟的经验时 先做一定的试验。

    接头制造过程中采用胀接时,应选择适当的胀接方法,一般应采用柔性胀接,如橡胶胀、液压胀或液袋胀。特别要提出的是,由于特材的冷作硬化倾向以及对缺口的敏感性等,对锆、钛等特材管子胀接一般不宜直接选用机械胀。尽管试验结果表明,采用柔性胀接加机械胀有利于提高接头的密封性能,但即便如此,也应该谨慎使用机械胀方法,除非能采取可靠措施,防止换热管在胀接过程中受到污染和损伤。

    特材管子接头采用胀接方法连接时,其接头形式也很重要。通过对锆材管子-管板接头进行的试验和数值模拟结果均表明,当管板孔开槽时,可以显著提高接头的拉脱强度和密封性能[1]。因此,对锆材管子胀接接头,一般应采用开槽结构的接头形式,并选择合理的开槽数量、开槽宽度和开槽位置。结合试验结果及相关安全技术规范的有关要求,对锆管强度胀,管板孔内宜开2~3道矩形槽,开槽宽度为(1. 1~1. 3)dt(d为换热管平均直径, t为换热管壁厚),开槽深度0. 5 mm。课题组的研究结果还显示[12],锆材换热器管子-管板胀接接头的拉脱强度和密封性能随着使用温度的增加呈直线下降。因此,当使用温度较高,管子、管板材料线胀系数差较大,又必须采用强度胀接时,应通过采取管板孔开槽和控制胀管参数等措施确保接头的拉脱强度和密封性能。

    除了接头形式外,胀接压力也是影响接头拉脱强度和密封性能的重要因素。开槽主要影响接头沿管子轴向的接触压力分布,而胀接压力则影响沿管子轴向的接触压力的平均值。试验和数值模拟结果均表明[12],并非胀接压力越大越好,无论开槽与否,当胀接压力大到一定程度时,接头的接触压力不再有显著增大。因此,应选择合理的胀接压力。

    除此之外,在管子-管板胀接接头的制造中还应注意以下几点:

    (1)用于胀接的换热管的硬度应当低于管板材料的硬度,无法满足时需采取措施保证胀接质量;

    (2)胀接连接时,管板孔表面粗糙度Ra值不大于12. 5μm (当然也不宜过小),管板孔表面不应有影响胀接紧密性的缺陷,如贯通的纵向或螺旋状刻痕等;

    (3)应将换热管和管板孔表面清理干净,不应留有影响胀接质量的毛刺、金属屑、锈斑等;

    (4)强度胀的 小胀接长度应取管板的名义厚度减去3 mm或50 mm中的小者;当有要求时,管板的名义厚度减去3 mm与50 mm之间的差值应当采用贴胀,或管板的名义厚度减去3 mm全长胀接;应注意胀接长度不应伸出管板背面(壳程侧),换热管的胀接部分与非胀接部分应圆滑过渡,不应有急剧的棱角。

    4　特材换热器管子-管板接头的胀接工艺评定

    4. 1　胀接工艺评定的必要性及其目的

    胀接工艺评定的必要性主要有以下几个方面:

    (1)对于强度胀接接头来说,接头质量的好坏直接影响换热器的使用性能。大量的研究资料表明[13, 14],管子-管板接头失效是换热器失效的主要形式之一。因此,在接头胀接前通过试验和评定获得合理的胀接工艺是非常必要的。

    (2)在接头胀接过程中,由于对接头的拉脱强度和密封性能无法实时检查,通常只有在设备全部完成后乃至在设备使用中才能验证接头的拉脱强度和密封性能。

    (3)制造过程中或制造完成后,即使发现了胀接接头质量不好,一般返修起来也极其困难。因此,一旦出现胀接质量问题,由于材料价格昂贵和耽误工期等原因,往往造成巨大的经济损失。

    (4)从试验和研究结果可知,对采用锆材制作的管子-管板接头,其拉脱强度和密封性能受温度的影响非常大,在产品制造前进行相应温度下的胀接工艺评定显得更为必要。换热管与管板胀接工艺评定的目的,在于验证生产单位拟定的胀接工艺的正确性,并评定施胀单位的能力。

    4. 2　胀接工艺评定的范围

    需要做胀接工艺评定的范围应在相应的标准中规定,或由设计确定。同时建议制定和发布换热器胀接工艺评定标准,供设计、制造和检验单位使用。根据本文的分析和研究结果,下列两种情形要求做胀接工艺评定:

    (1)特材换热器,采用强度胀方法连接时;

    (2)特材换热器,采用非强度胀的胀焊并用的方法连接,由于其管子与管板材料的匹配,导致胀接过程对接头质量产生较大影响时(由设计者确定)。

    4. 3　胀接工艺评定的总体要求

    (1)胀接工艺评定应以可靠的金属材料性能为依据,并在产品施胀之前完成。

    (2)胀接工艺评定的一般过程为:拟定胀接工艺指导书、准备胀接试样、施胀、检验胀接试件、试验(如拉脱强度等)、解剖检查。

    1)胀接工艺指导书:包括拟定胀接方法、胀接工具(工装)、胀接参数(胀接长度、胀接压力)等。

    2)准备胀接试样:包括胀接用管的准备和模拟管板的准备。胀接用管在模拟管板壳程侧的伸出长度,压脱时至少20 mm;拉脱时至少100 mm。模拟管板根据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(图3示出了部分模型),其中,中间的3孔用于胀接试样(其中2个用于拉脱试验, 1个用于解剖检查)。试样准备应包括对试样结构尺寸检查并做好记录。管子与管板孔之间的间隙应符合有关标准的规定,对管外径和管孔内径的测量,须使用精度达0. 001 mm的千分尺,并在长度方向离胀接长度两端各1/4的2个截面上,各测取相互垂直的2个直径值,以所测得的2个截面共4个直径值的平均值作为测量值。


              
    3)施胀:按照拟定的胀接工艺指导书进行,施胀过程中应详细记录实际胀接参数。对胀焊并用的接头,可以在用于解剖检查的接头上按照规定的焊接工艺进行密封焊。

    4)检验胀接试件:应对胀接试件进行宏观检验,胀管的胀接表面各部位应光整圆滑,表面不得有开裂、明显的挤压伤痕等。

    5)拉脱试验:可在拉伸试验机上进行。应制作专用工装,可以采用拉脱式工装(管子的伸出长度不得小于100 mm);也可以使用如图4所示的压脱式工装(采用压脱式工装时应分析管子轴向受压而产生的径向应变对拉脱力的影响)。


             
    拉脱试验的合格标准按照相应的产品标准或安全技术规范的要求。

    6)解剖检查:对用于解剖检查的接头,沿接头的直径方向或沿2个相互垂直的半径方向剖开,进行管子与管板孔接触状况的检查。胀接工艺评定所用设备、仪表应处于正常工作状态,使用的所有试样材料应符合相应标准,当需要进行加温试验时,加温和保温装置应使加温和降温速度不超过30℃/min;试验温度的波动不超过&pmn;2%。

    应由技能熟练的胀接操作人员并使用本单位的胀接设备胀接试件。

    4. 4　胀接工艺评定的合格标准

    (1)3个胀接试样均经宏观检查,胀管的胀接表面各部位应光整圆滑,表面不得有开裂、明显的挤压伤痕等;

    (2)2个拉脱试样的拉脱强度均不小于标准规定值;

    (3)解剖检查时,在胀接长度范围内,管子与管板孔之间应无明显间隙;在管板孔开槽的两侧槽边缘处,管子外壁与槽边缘应有紧密的接触;
    (4)在管板孔槽内管子在半径方向的鼓出深度应不大于槽深的80%。

    4. 5　胀接工艺评定规则

    影响胀接工艺的重要因素及其评定规则如表1所示。

    4. 5. 1　管子和管板材料

    对管子和管板材料进行分类,如碳素钢和低合金钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、镍及镍合金、钽及钽合金、锆及锆合金、铌及铌合金等。材料的类别改变时,需要重新评定。

 

             
    4. 5. 2　胀接方法

    胀接方法分为机械滚胀(对特材而言,一般不选用)、爆炸胀接、液压胀接、液袋式胀接和橡胶胀接5种。改变胀接方法时,需要重新评定。

    4. 5. 3　胀接参数

    即使材料类别和胀接方法均相同,由于管子的直径和/或壁厚等发生变化,会导致胀接参数的变化。当其中任意一个或以上胀接参数的改变超过10%时,需要重新评定。

    4. 5. 4　热处理

    胀接接头经过热处理有可能导致胀紧度的减弱。因而经评定合格的已做热处理的胀接工艺评定适用于不做热处理的胀接工艺评定。反之,则需重新评定。

    4. 5. 5　设计温度

    当管子、管板材料的线胀系数差较大,设计温度又较高时,需要考虑由于高温下材料膨胀量的不同而导致的接头拉脱强度的下降。根据本课题组对锆/不锈钢管子-管板接头的试验和研究结果,随着温度的增加,胀接强度呈直线下降。对锆/316L接头,材料的线胀系数分别为5. 9和18. 1,两者的差倍数: (18. 1-5. 9) /5. 9=2. 07倍,而当温度从室温10℃升高到250℃时,拉脱强度下降至原来的49. 9%。如果按照拉脱强度的下降不超过10%控制,则要求材料线胀系数差的差倍数与温度(指高出常温的温度值)的乘积不大于: (2. 07×240) /(49. 9×10% )=99. 6,圆整取100(对某些材料匹配,可能还需要考虑升温后管子压缩屈服对拉脱力的影响,本文暂未考虑),即当管子、管板材料线胀系数差的差倍数与温度的乘积大于100时,胀接工艺需要重新评定。

    5　结语

    (1)对特材换热器,当管子-管板接头采用强度胀方法连接时,或当管子-管板接头采用非强度胀的焊胀并用的方法连接,由于其管子与管板材料的匹配,导致胀接过程对接头质量产生较大影响时,应考虑在胀接前做胀接工艺评定。

    (2)对锆材等特材换热器管子-管板胀接接头来说,由于其特殊的材料理化性能,使得接头的拉脱强度和密封性能随着使用温度的增加而迅速下降。因此,当使用温度较高,管子、管板材料线胀系数差较大,又必须采用强度胀接时,应通过采用管板孔开槽和控制胀管参数等措施确保接头的拉脱强度和密封性能。

    (3)探讨了换热器管子-管板接头胀接工艺评定的项目、内容和方法。不仅可供特材换热器设计和制造时使用,当生产单位对胀接工艺没有把握时,即便是一般换热器也可以参照使用。需要说明的是,由于作者水平以及所做的试验有限,这些胀接工艺评定的项目、内容和方法等尚需要进一步探讨研究并形成标准后使用。

    (4)以1台锆管与松衬结构管板采用强度胀连接,同时又要求在较高温度下服役的锆材换热器为例,在产品制造前进行了接头胀接工艺的试验与评定,获得了合理的胀接参数,使产品顺利试制成功。

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