换热器管子与管板胀接工艺分析

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管子与管板的连接是管壳式换热器生产中最主要的工序之一。由于这类工程需耗费大量工时,更重要的是,连接的地方在运行中容易发生故障。因此,发展高效率、高质量的连接技术已成为制造中的重点研究课题。根据换热器的使用条件不同,加工条件不同,连接的方法基本上分为胀接、焊接和胀焊结合三种,由于胀接法能承受较高的压力,特别适用于材料可焊性差及制造厂的焊接工作量过大的情况。因此该方法在实际生产中运用广泛。随着技术的不断发展,现已相继开发出滚柱胀管、爆炸胀管及液压、液袋和橡胶胀管等新工艺。本文拟对这几种胀管工艺进行比较,为实际生产选择合理的胀管工艺提供参考。
" v: O1 Q0 C6 q/ _9 C9 ]) P1 传统胀接工艺
1.1 滚柱胀管法
该方法是在一个构架上嵌入三个小直径的滚子,中间有一根锥型心轴的胀管器,如图1所示。胀管时将胀管器的圆柱部分塞入管孔内,利用电动、风动等动力旋转心轴,通过滚子沿心轴周向旋转,使心轴挤入管内面并强迫管子扩大,达到一定的胀紧度,使管子紧紧地胀接于管板的孔上。胀管操作可分为前进式和后退式两种,前进式是将构架插入管内,旋转心轴,前进挤大,达到所定的紧固程度后电动机反转,由管中拔出完成胀管过程。反转式和前进式一样旋转心轴前进,达到原定的紧固程度后电动机停止,同时后退装置的离合器啮合反转,滚子和心轴的相对位置保持不变,一边反转一边由该深度到入口处连续均匀地进行平行胀管。由于这种胀接过程是由里至外,管子的伸长,发生在管板外侧,可以消除管束的受力状态,提高产品质量[2],故用于胀接长度大于60ｃｍ的连接。

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1.2 爆炸胀管工艺
该方法是利用高能源的炸药,使其在爆炸瞬间(10×10-6～12×10-6ｓ)所产生冲击波的巨大压力,迫使管子产生高速塑性变形,从而把管子与管板胀接在一起,实现管子与管板的连接。图2为爆炸胀接的示意图,图中柱状炸药放置于管端的中心,为防止冲击波对管壁的损伤,炸药的周围有一管状缓冲填料(粘性物或者塑料),使压力能均匀地传递到管壁上。
" a: ?: H  I* `. T2 胀接新工艺
' h  @+ j6 r- c/ C8 M2.1 液压胀管工艺
液压胀管工艺又称软胀接,一次可以胀接较多的管接头。液压胀管是一种新的胀接技术,它是通过对管子内表面施加高的液压力,使管子塑性变形而胀接于板孔内表面的。液压胀接的胀管头是直径略小于管子内径的一段芯棒,芯棒两端的外圆表面上有多个密封件,在芯棒中部设有进油孔,在两段密封件之间的管段内施以高压,使管子发生塑性胀大变形而实现胀接。液压胀管的结构如图3所示。

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2.2 橡胶胀管工艺
% t* u5 [. e9 D5 W7 ^橡胶胀压新技术是在橡胶受力变形的基础上发展起来的,它是利用橡胶弹性体的轴向压缩产生的径向压力将管子胀接于管板上的。橡胶胀管机的工作原理如图4所示。当加载拉杆施加拉力时,胀管橡胶便受到轴向压缩,并同时产生径向扩展,该扩展力足以使管子材料发生变形,从而实现管子与管板间的连接。为防止橡胶在高压下的轴向移动,在胀管头的两端装有特殊的硬橡胶密封环。橡胶胀管的拉杆是用高强度钢做成的。它是通过约20ＭＰａ的压力水或油加载于拉杆上,由于拉力是背靠压环达到平衡的,故组成了一个内力系统,而不需要其他支撑或约束。胀管橡胶则采用弹性大,强度高的材料制成。
3 几种胀管工艺方法的比
$ D. G6 t7 z) R, ~, z+ U3.1 机械胀管工艺优缺点分析
机械胀接是利用胀管器来完成的,胀管器按进给方向的不同而分为前进胀接和后退胀接两种类型。前者适用于一般换热器及管孔直径小于38ｍｍ管子的胀接,它的胀杆带有1:25～1:50的锥度,使周向分力小于摩擦力,从而避免了滚柱与胀杆间的相对滑动为使胀管器导入方便,滚柱上设计有一定锥度的头端;后者通常用于深度胀接和直径大于38ｍｍ的胀接,其滚子的径向胀大是靠胀杆后退拉力实现的,胀管时管子轴向伸长,因此可向外端自由变形,故避免了前进式胀管器给管子连接造成的轴向压应力及变形。机械胀接不仅能承受一定的轴向力、热冲击和反复热循环,而且操作简单、使用灵活,在制造和维修中应用较为普遍。但是机械胀管也存在如下缺点:各管子间的胀度不一,连接强度和紧密度不均;胀管接口的内表面产生硬化现象,给重复补胀带来困难。管子与管板材料胀接的相容性有一定的限制,如钛管与碳钢的胀接、铝管与碳钢的胀接等均受到了限制;劳动生产率低,而且小管径或存厚壁管管子的胀接较困难。
3.2 其他胀管工艺与机械胀管工艺比较分析
液压胀管除具有使管壁受力均匀、管子轴向伸长少和加工硬化均匀等优点外,又因管壁金属几乎能完全添满管孔槽,而具有较大的轴向拉脱力和良好的密封性。橡胶胀管的优点:属于软特性的胀管工艺,胀接区与未胀接区的交界不明显,过渡光滑,残余应力小,抗应力腐蚀和抗疲劳的性能好;无管子轴向延伸,与爆炸胀管一样适用于先焊后胀;管径偏差要求不严,且适合于椭圆管的胀接;适用范围大,10～100ｍｍ的管径及1ｍｍ的薄壁管均能进行良好的胀接;液压控制拉杆,易于控制胀管质量和调节胀紧度。爆炸胀接的基本要求仅仅是使管子能胀接到管板上,并保证足够的连接强度。因此对于换热器常用规格管子的胀接,大都采用硝铵一类低爆炸速度的炸药,且药量较少,所以普通的胀管,亦可以直接采用雷管或导爆索进行爆炸胀接,而管壁则用牛皮纸作保护层。由于爆炸时管子在巨大的压力下呈瞬时超塑性状态,而能充分地挤满孔槽,因此爆炸胀管具有较高的连接强度和可靠的密封性;又因爆炸胀管有较好的材料可容性,故适用不同材料各种管径的胀接;此外爆炸胀管还有一个显著的优点,就是工艺工装简单,生产效率极高。但管子与管板材料胀接的相容性有一定的限制,如对钛管与碳钢的胀接等不适用。
4 结语
! t5 t' b. x; x(1)要保证管子与管板连接的可靠性,不仅要求按设计条件(如温度、压力、接头连接强度、疲劳及介质的腐蚀性等)正确合理地选用连接形式,而且在制造施工中还应有适用于不同连接形式的合理的工艺制度和检验制度。实践证明,连接接头的可靠性,除由设计条件决定外,还往往受制造施工可行性程度的影响。
# h! y+ F4 i$ \& x  d) Q! A7 N3 F, P7 o" H(2)几种胀管工艺中,从胀接性能来看橡胶胀管与液压胀管最好;爆炸胀管的生产效率最高;由于生产条件的限制,机械胀管目前使用最为普遍。
(3)在换热器管子与管板连接接头加工过程中,若仅需要胀接,则应根据实际生产条件尽量选择胀接性能比较好的胀管工艺方法,以保证获得优良的胀接质量。
/ f, z, n  }; y7 c; \7 Q; r: Z(4)对于使用条件苛刻的场合,如耐高温高压、承受动载荷和耐腐蚀的换热器,则应采用胀接与焊接相结合的连接形式。许多实验资料表明,无论采用那种胀焊连接形式,其接头处的抗拉强度和密封性能都较单独胀接或焊接为高,在某些程度上甚至超过了管子材料强度。

fushuai_z

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RUCHENGHUA

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