薄壁管胀接工艺在不锈钢换热管与管板连接中的应用

浙江至德钢业有限公司下面介绍了一种薄壁管胀接的工艺试验方法。重点对低压加热器采用的胀接工艺试验程序进行了叙述。通过合理选择胀接试样，并对试验数据进行分析处理，获得了保证接头胀接质量的标称扭矩，成功运用于生产。

一、前言

 在换热器、冷凝器等电站辅机中，管子管板的连接方式有三种：胀接、焊接、胀焊结合。对于设计压力不大于4MPa，设计温度小于300℃，操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及无明显应力腐蚀的辅机设备，一般认为仅靠管子和管板之间的强度胀接，已能保证设备的性能要求。同时由于胀接这种形式具有加工简单，管子更换和修补方便等优点，因而在低压加热器、循环水换热器、冷凝器等电站辅机中，得到越来越广泛的应用。60万机组低压加热器是引进法国技术进行设计和制造的首台出口菲律宾的容器设备。设计要求管子和管板采用强度胀接形式，并按法国标准进行制造和验收，整个制造过程由外方人员监检。为满足设计要求，进行了一系列胀接工艺性试验，经过分析试验数据最终确定了胀接的有关参数并应用于生产。

二、试验方案选择

 强度胀接是指为保证不锈钢换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。其胀接过程一般分三个阶段：管子内壁加载至管子外壁与管孔内壁接触；继续加载直至最大胀接量为止；卸载直至胀接压力完全消除。胀接后的管子产生了严重的塑性变形，而管板则主要处于弹性状态，管壁和管孔在胀接过程中的不均匀变形而产生的残余接触压力，使管子和管板达到牢固而紧密的接触。

 此前某锅炉集团在高加制造上也积累了一定的胀接经验，但因其胀接的作用仅在于填充管子和管板之间的余隙，接头的强度和密封性能仍由焊接来保证，这种连接方式与低加管子管板要求的强度胀接有很大的区别。其次，该低加采用的管子为奥氏体不锈钢有缝管，规格为18×0.8，管子壁厚相对较薄，用控制胀管率来保证胀接质量难度很大。因此要针对本产品设计出一套完整的强度胀接工艺试验程序，以获取有关工艺参数来保证胀接接头的机械强度和密封性能。

 残余接触压力是衡量胀接质量的重要力学参量。残余接触压力与胀接长度和管子壁厚等设计参数有关，最主要是取决于胀接时采用的扭矩。一般来说，胀管扭矩愈大，残余接触压力也愈大，工程上习惯用拉脱载荷作为衡量胀接强度的主要指标。因此如何在胀接长度等参数确定的情况下找到一个合适的胀接扭矩值，使胀接接头的强度和密封性能达到设计要求，是强度胀接工艺试验的重点。本工艺试验选用的设备是风动胀管机，三珠胀管器。管子管板的结构形式为光孔胀接，胀接长度为50mm。

 1. 产品设计参数

 该低压加热器主要设计参数为：管程设计压力：3MPa、设计温度：148℃；壳程设计压力：0.35MPa、设计温度：148℃。管子管板胀接接头特性见表1。

 2. 材料性能

  管子管板材料的力学性能见表。

三、强度胀接工艺试验

  1. 试验程序

 选取胀接设备后，根据设计要求和工厂现有的条件，制定了低压加热器强度胀接工艺试验方案，试验程序如下：

  a. 胀接设备和扭矩仪等校验合格；

  b. 制取预选扭矩试件和水压试验试件，要求试件在材棒、几何参数、加工方法等方面与产品完全一致；

  c. 预选一组扭矩，如70，80，90，100，110，120，130，140，150，160，170kgcm，在预选扭矩试件上进行胀接，获得预选扭矩试样；

  d. 对预选扭矩试样的所有胀接接头进行拉伸试验，获得每组接头的拉脱载荷；

  e. 进行数据处理，绘制扭矩一拉脱载荷的曲线；

  f. 根据扭矩一拉脱载荷的曲线，选取合适的扭矩进行胀接，制取水压试验试样；

  g. 按要求对水压试验试样进行两倍最大设计压力的水压试验，保压时间不少于2小时，检查管子管板胀接接头的密封性；

  h. 对经过水压试验的胀接接头进行拉伸试验，获取水压后接头的控脱载荷；

  i. 综合分析，确定合适的胀接扭矩一标称扭矩。

 2. 胀接试样

 为了使试样的结构与产品的结构相符，真实反映产品的制造状态，采用整体式管板作试件，即一块试祥钻有多个管孔，每个试件要求管孔数至少为20个。并且要求试样在材料、热处理状态、几何参数、加工方法等方面应与产品完全一致。

 3. 试验数据

 按照上述试验程序，对表中的管子管板胀接接头，分别进行了11组扭矩（每组扭矩5个管子）共55个管子的胀接工艺试验，进行数据处理后获取了表和图的曲线。从表中可以看出，用同一扭矩进行胀接的接头个别存在拉脱载荷特别高的现象，经分析这主要是由于这些管孔表面相糙度较低，在胀接过程中产生较大摩擦力，提高了胀接强度，这种情况易造成接头泄漏。因此胀接前应严格控制管孔的加工质量。

 4. 数据分析

  从扭矩一拉脱载荷曲线可以看出，随着胀接扭矩逐渐增加，拉脱载荷也随着增加，但当扭矩在150kgcm左右时，趋势线开始拐头，此时，拉脱载荷接近最大值，继续加大扭矩，拉脱载荷呈逐渐下降趋势。

   a. 最小拉脱载荷的确定 

   根据国外技术规范，胀接接头的拉脱载荷应大于最小拉脱载荷，最小拉脱载荷取以下两种情况下的最小值：

     ①. 根据最大工作压力范围所确定的拉脱载荷：当2<P≤3MPa时，最小拉脱载荷F>20000N；

     ②. 由20℃时管子材料的屈服强度和面积的函数决定，按经验公式计算得到的最小拉脱载荷F约为13500N。

   b. 标称扭矩的确定

  在薄壁管的胀接过程中，胀紧程度不足（欠胀）或过量（过胀）都不能保证胀接质量，过胀还会因管壁减薄过大而导致管子断裂和管板变形，还要考虑实际操作过程中的复胀和运行中的返修等问题。因此选用标称扭矩的原则如下：

    ①. 标称扭矩胀接的接头，拉脱载荷必须大于最小拉脱载荷；

    ②. 用标称扭矩胀接的接头的拉脱载荷应接近最大拉脱载荷；

    ③. 用标称扭矩制取的水压试验试样须经水压试验合格。基于上述原则，首先选用120±5kgcm的胀接扭矩制取水压试验试样，该试样在水压试验过程中，当试验压力至4.5MPa时出现渗漏。卸载后对原水压试验试样用130±5kgcm的扭矩复胀，再次进行水压试验，在试验压力6MPa时保压半小时后出现渗漏。重新制取水压试验试样，将扭矩提高至140±5kgcm，此时胀接接头在6MPa的试验压力下保压了17小时，经仔细检查无一接头渗漏，试样的水压试验合格。

  将经过水压试验试样的胀接接头进行拉伸试验校验其拉脱载荷，其值均大于上述原则所确定的最小拉脱载荷，因此表明该胀接接头满足机械强度要求。因此采用140±5kgcm的扭矩作为标称扭矩是合理的。

四、在其它产品上的应用

  在低压加热器上运用该胀接工艺试验方法的成功为工厂其它类似产品的制造积累了经验。公司随后生产的循环水热交换器、准格尔低加、泰国冷凝器等产品，设计压力和设计温度都不高，管子均为薄壁管，既有光孔胀接，又有开槽胀接，均要求采用强度胀接。在产品制造中管子管板的胀接扭矩均按本文介绍的方法确定。试验结果表明采用标称扭矩制造的胀接接头能保证其机械强度和密封性能。