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在管壳换热器制造中胀管率公式的应用与探讨
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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4550×2746mm2,高为26602mm,净重201820kg。
管程压力P=0.5MPa,温度t=100℃;介质为水
壳程压力P=0.03MPa,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18mm;换热管材质为10#无缝钢管,规格为60×3,管长4502mm,每台共6240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50mm,即大约70mm。
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。
1.5.2 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0·2~0·5mm。其中由于金属轴向流动管壁的减薄量约0·025~0·1mm。
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0·03~0·1mm,在本实例中对胀管率的影响达0·09%~0·33%(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0·025~0·1mm,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
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