管壳式换热器换热管与管板胀管率的确定

刘敏                     (大连冷冻机股份有限公司,辽宁大连　116033)
    摘要:对胀管率的控制进行了详细的论述,并对胀管率的计算方法进行了比较,从而提出了不同材料的胀管率的控制范围;同时对影响胀接质量的因素作了总结。
    关键词:胀管率;强度胀;贴胀;内径控制法

　　由国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》第104条、第105条对换热管与管板的胀接方法及胀接的基本要求做出了原则性的规定,但对胀管率没有具体的规定,目前也没有国家标准可依。而胀接又是管壳式换热器制造中的重要工序之一,所以为保证胀接质量,如何确定胀接方法及合适的胀管率尤显重要。
    1　胀接方法
    换热管与管板的胀接方法有机械胀接和柔性胀接(或称均匀胀接)。
    机械胀接的方法为非均匀性的胀接,一般在胀接过程中需要加油润滑(由于油的污染造成胀接后不能保证焊接质量和污染胀接处的表面质量),并且机械滚珠在碾轧中使管径扩大产生较大的冷作应力,因此机械胀接不利于有应力腐蚀的场合。但是由于它的操作简便,直到目前许多厂家仍然广泛地使用在中、薄管板的胀接上。本文将着重对不同材料的换热管采用机械胀接方法的胀管率作以介绍。
    2　胀管率的确定
    2 1　胀管率
    为确保胀接质量,应确定合适的胀管率,通常用胀紧程度与管板孔原有直径、换热管内径或换热管壁厚的百分比来表示胀管率,胀紧程度可以用公式(1)表示:
     Ｈ=ｄ12-ｄ11-ｂ(1)
    式中　Ｈ———换热管胀紧程度,ｍｍ　　　
          ｄ11,ｄ12———换热管胀前、后的内径,ｍｍ　　　
          ｂ———胀前换热管与管板孔的双边间隙量,ｍｍ胀管率是以胀紧度对换热管内径、管板孔直径或换热管壁厚的百分率来表示。
    2.2　常见材料的胀管率
    表1为常见材料的胀管率参考值,利用公式(1)可以换算出换热管胀后的内径范围。
              
   　　胀管率的确定,除了要考虑胀接方法(强度胀与贴胀的胀紧程度区别较大),同时还应考虑管板孔的公差范围、换热管外径及壁厚的公差等因素。
    2 3　胀管率的计算方法
    胀管率的计算方法有多种形式,以下为国内外常见的几种计算公式。
              
    式中　Ｋ———日本:管壁减薄率,%;前苏联:管板孔内径的相对百分率,%　　　      Ｄ———管板孔直径,ｍｍ　　　
          σ———换热管胀前管壁厚度,ｍｍ
        　ｂ———胀前换热管与管板孔的双边间隙量,ｍｍ,
          ｂ=Ｄ-ｄｗ　ｄｗ———换热管胀前外径,ｍｍ　
          ｈ———管子内径的相对百分率,%　
          ｈ0———管子的内径的胀大值对管板孔内径的相对百分率,%　
          ｈｄ———管子内径的胀大值对管子内径的相对百分率,%　
          ｈｓ———管子内径的胀大值对管子壁厚的相对百分率,%
    2.4　内径控制法胀管率的确定
    无论采用哪种计算方法所得到的胀管率其根本都是对换热管壁厚减薄量的控制,以下采用内径控制法对强度胀及贴胀的胀管率的确定进行验证。式(8)为内径控制法胀管率的计算公式:
              
    式中　Ｈｎ———胀管率,%　　　
          ｄ1———胀完后的换热管实测内径,ｍｍ　　　
          ｔ———未胀时的换热管实测壁厚,ｍｍ　　　
          ｄ———未胀时的管板孔实测直径,ｍｍ
    2.4.1　强度胀的胀管率
    例1:已知换热管材料为Ｔ2,规格为外径 19 05ｍｍ,壁厚1 3ｍｍ;管板材料为Ｑ235-Ｂ,管板厚度为42ｍｍ,管板孔直径为19 25ｍｍ,管板孔为正三角形排列,开设两道密封槽。要求换热管与管板连接形式为强度胀接。
    根据已知条件对换热管及管板孔直径实测数据如下(换热管按5～10根抽测,管板孔按不同位置抽测5～10个孔):
    (1)换热管:外径: Φ19.05～ Φ19.03ｍｍ,平均值Φ19.04ｍｍ;壁厚:1.35～1.25ｍｍ,平均值1.3ｍｍ;内径: Φ16.55～Φ16.35ｍｍ,平均值Φ16.45ｍｍ。
    (2)管板孔直径: Φ19.35～ Φ19.25ｍｍ,平均值 Φ19.3ｍｍ。
    按式(1)及表1初定换热管胀后的内径值。查表1铜或铜合金与钢制管板的胀管率Ｈ=5%～8%,取平均值Ｈ=6 5%,圆整Ｈ=7%,代入式(1),求换热管胀后直径。
    Ｈ=ｄ12-ｄ11-ｂ
    其中　ｂ=Ｄ-ｄｗ=19 3-19 04=0 26ｍｍ
    则ｄ12=Ｈ+ｄ11+ｂ=16 78ｍｍ
    这样根据换热管胀后的内径Φ16.78ｍｍ选择三滚珠胀管器,其最小外径为15.6ｍｍ,最大直径为17.8ｍｍ,滚珠长度为38ｍｍ。经过试胀效果很好。对换热管胀后的尺寸进行实测数据如下:
    (1)外径:Φ19.25～Φ19.30ｍｍ,平均值Φ19.28ｍｍ;
    (2)壁厚:1.2～1.22ｍｍ,平均值1.21ｍｍ,如按日本公式核算即管壁减薄率为5 8%;
    (3)内径:Φ16.87～Φ16.85ｍｍ,平均值Φ16.86ｍｍ,与胀前Φ16.45ｍｍ相比膨胀了0.41ｍｍ。将换热管胀后实测的平均值代入式(9)确定其胀管率:
            
    例2:已知换热管材料为20钢,规格为外径Φ38ｍｍ,壁厚3ｍｍ,管板材料为16ＭｎＲ,厚度为48ｍｍ,管板孔直径为Φ38.5ｍｍ,管板孔为正三角形排列,开设两道密封槽,要求换热管与管板孔连接形式为强度胀接。
    根据已知条件对换热管及管板孔直径在不同位置按3%～5%抽测,其实测数据如下:
    (1)换热管:外径:Φ38.2～ Φ37.8ｍｍ,平均值Φ38ｍｍ;壁厚:3 1～3 3ｍｍ,平均值3 2ｍｍ;内径:Φ31.4～ Φ31.8ｍｍ,平均值 Φ31.6ｍｍ。
    (2)管板孔直径:Φ38.65～Φ38.4ｍｍ,平均值Φ38.53ｍｍ。
    查表1取胀管率Ｈ=10%,代入式(1)求换热管胀后直径:
    Ｈ=ｄ12-ｄ11-ｂ
    其中　ｂ=Ｄ-ｄｗ=38 53-38=0 53ｍｍ
    则ｄ12=Ｈ+ｄ11+ｂ=32 23ｍｍ
    经试胀对换热管胀后的内径进行实测值为Φ32.82～Φ32.84ｍｍ,平均值为Φ32.83ｍｍ。将换热管胀后实测的平均值代入式(8)确定其胀管率:
           
    按以上实例对Φ57×3的1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ和Φ19×2的ＨＡＬ77-2(海军铜)的换热管进行试胀和计算,确定其胀管率分别为0.87%和1.56%。
    2.4.2　与国内外胀管率的核对经试胀,为制定正确的胀接工艺,将采用内径控制法确定的几种胀管率与日本、前苏联及国内其它行业所采用的胀管率进行核算。　　
    (1)与日本胀管率的核算
    表2为日本常见的胀管率,表3为按日本公式(式(2))核算的胀管率。
            
    (2)与前苏联胀管率的核算
    表4为前苏联的胀管率,表5为按前苏联公式(式(3))核算的胀管率。
            
    (3)与国内其它行业胀管率的核算式
    (1)与(7)、式(3)与(5)、式(4)与(6)的内容是一样的,也就是说国内其它行业胀管率的计算模拟也是采用日本和前苏联的。这里针对国内锅炉行业采用的管子内径的相对百分率来验证其采用内径控制法所得到胀管率的工艺参数。
    锅炉行业的胀管率ｈ=0 8%～1 2%。表6为按国内锅炉行业常用公式(公式4)核算的胀管率。
    2.4.3　贴胀的胀管率
    贴胀对胀紧程度只是要求将换热管与管板孔经胀接贴合即可,目前国内外对胀紧程度均没有具体的要求,根据多年以来对碳钢、不锈钢材质的换热管贴胀的工艺经验,一般情况下取其胀管率为0 1%～0 3%即可。
         
    3　影响胀接质量的因素
    (1)管板材料的硬度高于换热管材料硬度即可,当换热管硬度大于管板硬度时,应进行退火处理,一般管端退火长度应不小于100ｍｍ,且比管板厚度多至少15～30ｍｍ。
    (2)管板孔与换热管外径之间的间隙量一定要严格控制。
    (3)胀接方法从结构型式分为强度胀加密封焊、强度焊加贴胀、强度胀加强度焊三种。对这三种方法应注意胀接顺序,一般情况下,如满胀时,应采用先胀后焊的工艺方法,如距管端15ｍｍ处不胀时,应采用先焊后胀的工艺方法。
    4　结论
    (1)换热管材料为铜、铜合金及不锈钢时,胀管率一般控制在0 5%～1 2%范围内;
    (2)换热管材料为10钢或20钢时,胀管率一般控制在0 7%～2 1%范围内;
    (3)换热管材料为黄铜(海军铜ＨＡＬ77-2)时,胀管率一般控制在1%～1 8%范围内。
    在确定了上述胀管率后,对同类的产品不必每次都进行试胀,只要按已制定的胀接工艺执行即可。

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很好的胀管知识，对确定胀接工艺参考性很强。

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