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      哈雷釬焊板式換熱器
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      在管殼換熱器制造中脹管率公式的應用與探討

      點擊:2089 日期:[ 2014-04-26 21:57:59 ]
                            在管殼換熱器制造中脹管率公式的應用與探討                                    王靈果                     (河北化工醫藥職業技術學院,河北石家莊050026)     摘要:結合管殼換熱器的制造對現有脹管率公式進行了分析,并根據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,指出了脹接公式中應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。     關鍵詞:管殼換熱器制造;脹管率公式;應用與探討     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,對穿入管板孔內的管子端部脹大,使管子達到塑性變 形,同時管板孔也被脹大,產生彈性變形。脹管器退出后,管 板產生彈性恢復,使管子與管板的接觸表面產生很大的擠壓 力,因而管子與管板牢固地結合在一起,達到既密封又能抗 拉脫力2個目的。     脹接質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 主要控制參數之一。為了保證脹接質量,脹接時應首先注意 選擇適當的脹管率。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,甚至發生裂紋。     《壓力容器安全技術檢查規程》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 型試脹中發現了在計算脹管率時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。     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,由西德引進技術國內轉化設計。 主要參數: 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℃;介質為水     殼程壓力P=0.03 MPa,溫度t=100℃;介質為煤氣及冷 卻物。     殼程及管板材料均為Q235-A,管板厚度18 mm;換熱管 材質為10#無縫鋼管,規格為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格、脹管前管子的熱處理狀 態、預處理等均與產品相同,且與產品統一爐批號;模擬管板 的材料、孔徑、孔內是否開槽及槽的位置尺寸、管孔排列方 式、空間距等結構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,結構如 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 試驗設備及量具     試驗采用國產手動脹管器。     量具:外徑用分厘卡量取,內徑采用內徑百分表。     1.4 選用的脹管率計算公式     (1)《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》推薦公式,以外徑增 大來衡量脹管率,為外控公式:                    式(2)可以根據脹前實測的管板孔徑、管子外徑、管子內 徑以及初步選定的脹管率數值,求得脹后管子的內徑值范 圍,以便于測量,滿足(1)計算式求得的脹管率。按照《容規》 規定公式計算,脹管率取值范圍為0.9%~2.2%之間。     (2)《機械工程手冊》規定公式(———機械版沈鴻著82版)                       并規定H=1%~3%間     此式以內徑增大衡量H,為內控公式:     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———管子內徑,mm;     Dw———管子外徑,mm;     D′n———脹后管子內徑,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、脹管前管子內徑 d2及管子外徑d0,以(2)式逐個求得管子脹后內徑值范圍, 便于對照參考。脹接時,可以按照經驗預先調定脹接參數試 脹。按照(1)式測算脹管率,向上(下)設置4~6檔脹接參 數,每檔4孔進行脹接。逐個脹接并測量管子內徑,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,重新測量管子內孔直徑,重新計算脹 管率。     1.5.1 部分實驗數據如表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,管板孔兩端內側向外突出。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、外表面比原來分別高出HB20·5和HB14·6。     1·6 試驗結果討論     (1)從表中數據和對所有試驗數據分析表明,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 資料中雖承認出現了凸臺,但卻忽略不計。經試驗測定,筆 者認為計算公式中還應適當加以考慮。     (4)內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定 的脹管率相比,占相當比重,是不可忽略的。     2 結論     (1)規范中給定的脹管率的取值范圍應根據具體情況, 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 先發生彈性擴張,然后發生塑性擴張,使管子外壁與管板孔 壁接觸;繼續增加脹接壓力,管板也首先發生彈性擴張,繼而 產生局部塑性區;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 析認為在內控式及外控式中的分子中分別減去2ΔS及 2ΔSW,即:     內控式: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. [4] 于洪杰.管板孔開槽液壓脹接接頭性能的三維有限元分析[J]. 壓力容器,2001,18(3):39-44. (責任編輯 呂瑤) 
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