在管殼換熱器制造中脹管率公式的應(yīng)用與探討

發(fā)布時間：2010-8-11 瀏覽：7486

        摘要：結(jié)合管殼換熱器的制造對現(xiàn)有脹管率公式進行了分析,并根據(jù)單管模型試脹實驗分析了影響脹管率公式 的主要因素,并在脹接概念中明確了脹接的實質(zhì),指出了脹接公式中應(yīng)考慮由于金屬軸向流動造成的管壁減薄量 ΔS和凸臺變化量ΔSW的影響。

        關(guān)鍵詞：管殼換熱器制造;脹管率公式;應(yīng)用與探討

        中圖分類號：TE974+.4　文獻標識碼:A　文章編號:1008-8725(2009)10-0187-02

        0　引言

        在管殼換熱器制造中換熱管與管板連接處的質(zhì)量很大 程度決定了換熱器的使用效率與壽命。脹接是換熱管與管 板的連接方式之一,它是利用脹管器伸入管口,并按順時針 旋轉(zhuǎn),對穿入管板孔內(nèi)的管子端部脹大,使管子達到塑性變 形,同時管板孔也被脹大,產(chǎn)生彈性變形。脹管器退出后,管 板產(chǎn)生彈性恢復(fù),使管子與管板的接觸表面產(chǎn)生很大的擠壓 力,因而管子與管板牢固地結(jié)合在一起,達到既密封又能抗 拉脫力2個目的。

        脹接質(zhì)量的主要影響因素有管子與管板的材料、尺寸及 其尺寸精度、形位精度、徑向間隙、表面清潔度、管子與管板 的硬度差、管孔的開槽、脹接方法及其設(shè)備、脹管率等,尤其 是脹管率的影響最為突出。脹管率的選擇成為脹接工藝中 主要控制參數(shù)之一。為了保證脹接質(zhì)量,脹接時應(yīng)首先注意 選擇適當?shù)拿浌苈�。在制造過程中,脹管率過小,(欠脹),不 能保證必要的連接強度和密封性;脹管率過大(過脹),會使 管壁減薄太大,加工硬化嚴重,甚至發(fā)生裂紋。

        《壓力容器安全技術(shù)檢查規(guī)程》給出脹管率的計算公式 及其取值范圍,對于具體換熱器的管子與管板的脹管率的取 值,通常是通過模型試脹確定的。筆者在某煤氣初冷器的模 型試脹中發(fā)現(xiàn)了在計算脹管率時2個不容忽視的問題,即脹 接過程中金屬軸向流動造成的管壁的減薄量ΔS以及管板孔 發(fā)生的塑性變形造成的凸臺變化量ΔSW對脹管率的影響。 文章通過對模型試驗得出了管殼換熱器制造中理想的 脹管率,并通過對模型的解剖試驗分析了金屬軸向流動造成 的管壁減薄量ΔS及管板孔發(fā)生的塑性變形造成的凸臺變化 量ΔSW對脹管率的影響程度,對脹管率的計算公式進行了 修正,并進一步明確了脹接的實質(zhì)。

        1　試脹情況

        1.1　被模擬的對象

        某焦化廠3臺列管式煤氣初冷器,由西德引進技術(shù)國內(nèi)轉(zhuǎn)化設(shè)計。 主要參數(shù):

容器橫截面積為4 550×2 746 mm2,高為26 602 mm,凈重 201 820 kg。

        管程壓力P=0.5 MPa,溫度t=100℃;介質(zhì)為水

        殼程壓力P=0.03 MPa,溫度t=100℃;介質(zhì)為煤氣及冷 卻物。

        殼程及管板材料均為Q235-A,管板厚度18 mm;換熱管 材質(zhì)為10#無縫鋼管,規(guī)格為?60×3,管長4 502 mm,每臺共 6 240根。

        為了制定脹接工藝,確定合適的脹管率需要進行模型試 脹。

        1.2　試驗材料

        試脹所用的管子的材料與規(guī)格、脹管前管子的熱處理狀 態(tài)、預(yù)處理等均與產(chǎn)品相同,且與產(chǎn)品統(tǒng)一爐批號;模擬管板 的材料、孔徑、孔內(nèi)是否開槽及槽的位置尺寸、管孔排列方 式、空間距等結(jié)構(gòu)尺寸嚴格按照圖紙要求。與圖紙要求一樣 模擬管板采用采用圓形,管板孔按照正三角形排列,結(jié)構(gòu)如 圖1所示。試脹所用管子的長度為管板厚度加50 mm,即大 約70 mm。

                           

        1.3　試驗設(shè)備及量具

        試驗采用國產(chǎn)手動脹管器。

        量具:外徑用分厘卡量取,內(nèi)徑采用內(nèi)徑百分表。

        1.4　選用的脹管率計算公式

        (1)《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》推薦公式,以外徑增 大來衡量脹管率,為外控公式:

                          

        式(2)可以根據(jù)脹前實測的管板孔徑、管子外徑、管子內(nèi) 徑以及初步選定的脹管率數(shù)值,求得脹后管子的內(nèi)徑值范 圍,以便于測量,滿足(1)計算式求得的脹管率。按照《容規(guī)》 規(guī)定公式計算,脹管率取值范圍為0.9%~2.2%之間。

        (2)《機械工程手冊》規(guī)定公式(———機械版沈鴻著82版)

                                 

        并規(guī)定H=1%~3%間

        此式以內(nèi)徑增大衡量H,為內(nèi)控公式:

        管壁減薄率l= {[(D′n-Dn) - (D0-Dw)]/2S}× 100%,e=4%~8%間

        式中D0———管板孔直徑,mm;

        Dn———管子內(nèi)徑,mm;

        Dw———管子外徑,mm;

        D′n———脹后管子內(nèi)徑,mm;

        S———管子壁厚,mm。

        1.5　脹接試驗

        實驗前,按編號逐個測得管板孔徑d、脹管前管子內(nèi)徑 d2及管子外徑d0,以(2)式逐個求得管子脹后內(nèi)徑值范圍, 便于對照參考。脹接時,可以按照經(jīng)驗預(yù)先調(diào)定脹接參數(shù)試 脹。按照(1)式測算脹管率,向上(下)設(shè)置4~6檔脹接參 數(shù),每檔4孔進行脹接。逐個脹接并測量管子內(nèi)徑,計算脹 管率。按照圖紙要求作壓力試驗或者致密性試驗,對于泄漏 者進行補脹。補脹后,重新測量管子內(nèi)孔直徑,重新計算脹 管率。

        1.5.1　部分實驗數(shù)據(jù)如表1

        1.5.2　解剖檢驗

        解剖了5個管板孔和5個管頭,每個均以管中十字型剖 開,管板孔形狀由圓柱形變形如圖2所示。由圖2可以看出 管板孔兩端變大,管板孔兩端內(nèi)側(cè)向外突出。管子在脹接后 減薄量也較大,大約為0·2~0·5 mm。其中由于金屬軸向流 動管壁的減薄量約0·025~0·1 mm。

                                 

        硬度變化為:管板孔比原來管板硬度高HB10·5,管子 內(nèi)、外表面比原來分別高出HB20·5和HB14·6。

        1·6　試驗結(jié)果討論

        (1)從表中數(shù)據(jù)和對所有試驗數(shù)據(jù)分析表明,對于前述 例子的脹管率的合適范圍約為1·2%~2·1%,H1=3時,管 板變形過大,過脹。

        (2)金屬的軸向流動。脹接中,管端呈塑性變形,一方面 徑向擴大,管壁減薄;另一方面管子外壁受管孔約束擠壓,使 管子金屬沿約束力小的管子軸向流動,使靠近管板孔處的管 子外徑增大,出現(xiàn)比原管孔略大的凸臺;隨著脹緊度的提高, 金屬的軸向流動加劇。

        (3)外控公式中忽略了凸臺的大小。外控公式即把管孔 處管外徑與管孔脹大后直徑的變化率作為脹管率。有前述 解剖圖知,由于金屬的軸向流動,此處已形成凸臺,數(shù)值為 0·03~0·1 mm,在本實例中對脹管率的影響達0·09% ~ 0·33%(絕對值),故此值對脹管率而言,不可忽略。而有關(guān) 資料中雖承認出現(xiàn)了凸臺,但卻忽略不計。經(jīng)試驗測定,筆 者認為計算公式中還應(yīng)適當加以考慮。

        (4)內(nèi)控公式忽略了管壁的減薄量。在本實驗中由于金 屬的軸向流動管壁的減薄量約0·025~0·1 mm,影響率達 6·7%~16·7%(相對值)。有的資料雖承認管壁減薄量,但它 是以“等截面金屬相等”的概念來衡量,認為管壁僅是徑向的 “幾何”減薄,因其變化量很小,不影響脹管率大小,所以在工 程上常常忽略管壁減薄量。但從理論上管壁減薄量與規(guī)定 的脹管率相比,占相當比重,是不可忽略的。

        2　結(jié)論

        (1)規(guī)范中給定的脹管率的取值范圍應(yīng)根據(jù)具體情況, 試驗確定。在上述試驗條件下得到的脹管率范圍應(yīng)以1·2% ~2·1%為宜。

        (2)脹接原理:插入管板的管段在均勻的脹管作用下,首 先發(fā)生彈性擴張,然后發(fā)生塑性擴張,使管子外壁與管板孔 壁接觸;繼續(xù)增加脹接壓力,管板也首先發(fā)生彈性擴張,繼而 產(chǎn)生局部塑性區(qū);然后卸除脹管壓力,管子與管板由于脹接 引起的彈性變形部分同時發(fā)生收縮性的回彈,但由于管板回 彈量大于管子回彈量,管板箍緊管子,在管子與管板將產(chǎn)生 脹接力,即殘余接觸壓力,從而保證接頭具有足夠的拉脫強 度和緊密性。原有脹接概念中只考慮了管子的塑性變形,而 忽略了管板的塑性變形,這與實際脹接過程不完全相符。

        (3)管壁減薄量ΔS及凸臺ΔSW均使脹管率減小,由分 析認為在內(nèi)控式及外控式中的分子中分別減去2ΔS及 2ΔSW,即:

        內(nèi)控式:H={[(D′n-Dn)-(Do-Dw)-2ΔS]/Do}× 100%

        外控式:H1=[(d1-d2-δ-2ΔSW)/d]×100%

        對于本實例用上述公式計算得到的脹管率范圍如下:

        內(nèi)控公式計算H=1·19~2·09

        外控公式計算H1=1·10~1·77

參考文獻:

[1]　沈鴻.機械工程手冊[M].北京:機械出版社,1982.

[2]　李文軍.管殼式換熱器的脹接工藝[J].壓力容器,2001,18(3): 58-59.

[3]　施建平.換熱器制造中滿足脹管率的機械脹接試驗研究[J].壓 力容器,2001,18(3):7-12.

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