当液袋式液压胀接技术在制造换热器实践中的应

液袋式液压胀接技术在制造换热器实践中的应用

摘要：介绍了近几年来发展较快的换热器管子与管板连接的液压胀接技术,重点说明了影响胀接 接头连接性能的几个相关因素及胀接压力的计算。

关键词：液压胀接 YZJ-350D液袋式液压胀管机 胀接压力计算 胀接接头其中除在A2、B、C级中增加了材料产烟毒性附加分级外 连接性能 胀接压力 连接强度 泄漏压力 密封能力 运行温度

换热器是石油化工装置中最为常见的设备, 每台换热器都有数百乃至数千个换热管与管板的 连接接头。目前换热管与管板的连接方法主要 有:胀接、焊接、胀焊并用等几种情况,机械胀接是 国、内外目前最为常用的方法。该方法除了具有 劳动强度高和工作效率低等缺点外,还难以对管 板厚度超过100mm以上的换热器实行全厚度胀接。而现代化工装置都在高参数下运行,换热器 的管板厚度越来越厚,管板厚度超过300mm的换 热器已不鲜见,用传统的机械胀接技术已无法对 这种厚管板换热器进行全厚度胀接,使得换热管 和管板之间的间隙难以消除,留下间隙腐蚀的隐患。

液压胀接是近几年来发展较快的换热器管子 与管板的”连接方法,该方法利用液体压力作用于 换热管内表面,使之产生大的塑性变形并与管板 孔接触,依靠卸除压力后的残余应力使管子与管 板达到紧密连接,其连接质量的好坏直接影响到 生产的安全可靠。它包括两种方法:一种是 O 形环法,这种方法以 O 形环作为密封元件,对管 子内壁的尺寸精度和粗糙度要求较高;另一种即 为液袋式液压胀接技术,应用该技术,可对各种规 格、各种材料的换热管进行可靠的全程胀接,特别 适用于对厚管板换热器、大口径管的胀接。

我公司使用的YZJ-350D液袋式液压胀管 机,是换热器及锅炉制造、维修过程中连接管子与 管板的专用胀接设备,其最高胀管压力为 350MPa,已成功应用于多台热交换设备换热管与 管板胀接的生产实践中。

1 液袋式液压胀管机特点及工作原理

1.1 液袋式液压胀管技术特点

①劳动强度低,生产效率高;

②胀接质量均匀可靠;

③胀管介质对接头无污染;

④胀后管子残余应力低;

⑤对换热管的尺寸精度要求低;

⑥可对任意管板厚度的换热器进行全程胀 接;

⑦不易形成过胀;

⑧换热管容易实现电控等优点机械损伤小,不产生轴向伸长。 该技术与 O 形环胀接技术的最大差别在 于:液袋式液压胀接技术对换热管的尺寸精度要 求不高,胀接过程对换热管内表面无污染,是一种 符合我国国情的新型胀接技术。

1.2 液袋式液压胀管机的工作原理

液袋式液压胀管技术利用增压原理,产生足 以使换热管产生塑性变形的超高压胀管压力,该 压力通过弹性液袋作用于换热管内壁,使换热管 发生塑性变形,与管板产生过盈而胀接于管板孔 内。

利用液袋封闭胀管介质,可防止胀接过程中 胀管介质对接头的污染,有利于避免焊接缺陷。 由于国产换热管的内径尺寸偏差较大,胀头的外 径尺寸可以在工作现场根据管子的孔径通过磨削 加工进行调整。

胀接加工过程极其简单,管子与管板进行组 装完毕后,将胀头插入管孔中,按下胀接按钮,胀管机即可自动根据设定的胀接压力完成胀接的加 压、保压、卸压等工作过程。由于这种胀接过程对 胀接接头无污染,一般胀后对管口不必进行清洗 就可直接焊接。

2 液压胀管胀接压力的计算公式

经生产实践和查阅相关资料,液压胀管胀接 压力的计算公式如下:

3 液压胀管在应用中的几个问题

3.1 液压胀接接头胀后连接性能的考核指标胀接接头胀后连接性能可分为连接强度和泄漏压力2个指标。

接头的连接强度通常用拉脱应力q来定量表征,含义为单位胀接接触面积上接头所能提供的轴向力,可表达为:

经过多次的拉脱力试验,可以发现:管板孔内壁粗糙度、管板孔与换热管之间硬度差、管板孔与换热管之间的间隙、胀接压力等因素充分斟酌到动态实验机的同轴度要求应比静态机严格对接头的连接强度均有影响,其中胀接压力的大小对接头的连接强度影响显著,接头的拉脱力q随胀接压力P的变化见图1。

3.3 胀接接头泄漏压力与胀接压力的关系经渗透试验可以看出,接头的残余接触压力沿管子轴线方向是不均匀的,接头连接的两端接触压力比较高,形成重要的密封带。接头泄漏压力PL与胀接压力P之间的关系见图2,从图2说明:液压胀接压力能显著提高接头的密封能力。

3.4 运行温度对胀接接头连接性能的影响 经查阅相关资料表明(以10#换热管,16Mn 锻件管板为例):

接头的连接强度q随温度升高先增加后减 小,400℃时的连接强度比室温时的连接强度降低 约15%。接头的泄漏压力PL有相同的变化规 律,400℃时的泄漏压力比室温时降低约20%。 其原因是:管子(10#钢)比管板材料(16Mn锻件) 的热膨胀系数高,在室温时二者差2.97 /℃;随着温度升高,差别逐渐减小,到400℃ 时降为0.22 /℃。但与此同时材料的屈服 强度降低,因此接头连接强度和密封能力有上述 规律。若经过第1个升温、降温循环回复到室温 后,接头连接强度和密封能力比胀接结束后都有 所降低;接头经过第2个、第3个循环后连接性能 基本不变。

运行温度对接头连接性能的影响见图3、图 4。

4 结束语

在GB151 1999《管壳式换热器》中规定,管壳式换热器强度胀接连接只适用于设计压力小于或等于4MPa,设计温度小于或等于300℃的场合。但经计算表明只要注意管子与管板材料的匹配和选择合适的胀接压力,接头的连接性能仍然能够得到保证,相关资料介绍也有胀接用于高于300℃运行环境的情况。

液压胀接压力能够显著提高接头的连接性能,同机械胀接相比,液压胀接的成型规律有所不同,其不易形成过胀,因此在实际应用时可适当增加液压胀接压力。