哈雷釬焊板式換熱器
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                換熱器管子與管板脹接開槽尺寸的試驗驗證

                點擊:1884 日期:[ 2014-04-26 21:58:17 ]
                                        換熱器管子與管板脹接開槽尺寸的試驗驗證                                  李培學 黃桂東  周長會     (山東泓洲化工機械有限公司  276400   山東質量認證中心  250014)     摘要:簡要介紹換熱器管子與管板脹接接頭的結構和進行強度試驗驗證的情況。比較了機械和液壓兩種脹接方式對脹接性能的影響;分析比較了不同槽寬、槽位置、槽深度的單管模型拉脫力和泄漏情況;將試驗結果與理論計算和有限元數值計算結果進行比較,并得出了結論。為工程設計、制造規范的修訂提供參考數據。     關鍵詞:管子與管板連接液壓脹接機械脹接拉脫力脹槽     管子與管板的連接主要有脹接、焊接、脹焊并用、粘脹連接和螺紋連接等。但傳統的脹接方法仍然是目前應用最廣泛的方法。脹接所采用的方法又分為液壓脹接和機械脹接等。脹接過程是一個復雜的接觸過程,對于脹接過程和脹后殘余應力及拉脫力耐壓能力的研究,仍是一個重要的研究課題。     關于脹接工藝方面,在換熱器制造的有關規范中,對開槽的結構尺寸作了具體的規定。在GB151—1999《鋼制管殼式換熱器》中,規定了強度脹接的槽寬為3mm,深度為0.5mm,槽離管板表面距離為8mm,槽間距為6mm。以上規定是人們多年來對機械脹管經驗的總結,主要是為了在較薄的管板(如25ram厚)開兩個槽的需要,當管板較厚時,這個尺寸不見得合適,因此,GB151中規定可根據不同的脹接方法修改有關尺寸。同時,“容規”第105條推薦柔性強度脹接時,槽寬等于(1.1—1-3)( ) (d_換熱管的平均直徑,廣換熱管壁厚),如 25×2.5的換熱管開槽寬度應為8.7一10.3rnrn之間。因此,對于機械脹接3mm寬的槽是可行的。然而,當使用新型的柔性(液壓)脹接時,必須加寬槽的寬度尺寸。由于液壓脹接屬于柔性脹接,管子的變形規律與機械脹接時不一樣?!叭菀帯眱H是提出了液壓脹接時的推薦槽寬,但沒有提出開槽的結構尺寸,目前,國內外的學者主要研究了槽寬的影響,但接頭處管板孔的結構參數除了槽寬外,還有槽位置、槽深度、兩槽的間隔等,這些參數對液壓脹接的影響如何,相關研究工作目前還很少有人涉及。筆者曾對換熱器管子與管板脹接接頭的結構和連接強度、密封性能進行了試驗研究,對不同脹槽寬度、位置、深度和脹接壓力下的接頭模型進行了試驗,分析了其脹后強度,為加深對脹接過程及連接接頭性能的理解,提高換熱器設計及制造的質量,不斷修改和完善現有標準、規范提供了參考數據。     1 試驗方法及過程     1.1試件     試驗所用的換熱管為 25×2的無縫鋼管,長度為250ram;管板采用七孔管板模型,管孔外徑 25 蛐。換熱管脹接于七孔管板的中心孔內,圖1為管板試件。                      1.3 試驗方法及規程     試驗時,首先確定本組試件的結構參數及尺寸,并對試驗用的管子及管板進行加工;接著進行脹接前的準備工作,其中包括:對管子及管板分別編號,并測量管子的內、外徑 , 及管孔的直徑D;然后將管子及管板根據編號一一對應,以待脹接。脹接按液壓脹接及機械脹接兩組進行。液壓脹:液壓脹接采用液袋式脹管法。其示意圖如圖2所示。高壓介質經芯軸中,6q:L進入液袋,通過液袋對換熱管管壁施加均勻的脹接壓力,使換熱管產生徑向變形而脹接于管板孔內。                     機械脹:機械脹接時采用后退式脹管器。采用同樣的脹緊程度對試件進行脹接。機械脹時,由滾珠的碾壓作用使管壁產生塑性變形,并嵌入管孑L槽內并使管子與管板緊密連接。脹接后的試件,再次測量其管子內徑 ,然后進行液壓泄漏試驗。試驗時將脹接好的試件逐個裝人專用的試驗裝置中。水由水泵從容器底部送人,每升壓0.5MPa,保壓并檢漏,直至脹接接頭處泄漏為止,并記錄泄漏壓力。進行液壓泄漏試驗后,對每個試件在材料試驗機上進行脹接接頭的拉脫試驗,記錄拉脫時的載荷,并測量該試件實際的脹接長度以計算連接的拉脫應力q。     圖3(a)及(b)分別為液壓脹和機械脹試件解剖后的剖面。由圖3(a)可見,液壓脹接時,管孔槽處管子產生了明顯的凹陷,槽邊緣處擠壓變形明顯,但脹槽內仍有微小的空隙未被填滿。由圖3(b)可見,機械脹接時,管壁金屬受擠壓后基本填滿管孔槽內。                  2 試驗結果及分析     2.1 脹槽寬度的影響     在其它條件相同,僅脹槽寬度改變的情況下,通過試驗研究獲得了管孔槽寬對拉脫力、密封性能影響的數據,圖4為槽寬對拉脫應力影響的試驗結果。表明在液壓脹接時,傳統所用的3mm管孔槽寬已不再適用,而選用8~lOmm可獲得最佳的脹接效果。機械脹接時,槽寬的影響不明顯,3~5ram槽寬時的脹接效果均較滿意。另外從圖4可以看出槽寬為零即無脹槽時,其拉脫強度是較低的。      2.2 脹槽位置的影響     在上述試驗的基礎上,液壓脹接時采用槽寬為8mm、機械脹接時采用槽寬為3mm,其它條件相同的情況下改變脹槽的位置,其結果如圖5所示??梢钥闯?,無論是液壓脹還是機械脹,目前設計規范推薦采用的管槽距管板管側表面距離為 8一,在管板較厚時并非為最佳幾何尺寸。而當管槽離管板表面15—20mm時,效果較好。                       2-3 槽深的影響     從上述試驗,確定出在該連接中液壓脹較合理的槽寬為8mm,機械脹較合理的槽寬為3mm。以相等的脹接壓力脹接時,槽位置距管板端面20ram,改變單槽的深度,分析試驗的結果。液壓、機械脹試件各一組。計算和比較單槽結構下,僅當脹槽的深度這個參數變化時,試驗管孔槽深對拉脫力(或拉脫應力q)的影響,并做水壓試驗檢查泄漏情況,以歸納出最佳的結構形式。圖6表達了槽深度對液壓和機械脹接接頭拉脫應力的影響。結果表明:當槽深度從0.3mm到1.2mm的范圍變化時,無論液壓脹接還是機械脹接,槽深0.5ram左右的結構均可獲得較大的拉脫力。若槽深過小,則脹接強度會顯著降低,也比較易發生泄漏。由圖6還可發現,槽深對液壓脹接性能的影響不太顯著。                       3 結論     (1)通過單槽管孔脹接結構的研究結果表明,現行的規范(GB151—1999)所擬定的管孔開槽尺寸,對于機械脹接而言是適合的。對于液壓脹接(16NnR管板、1 、2 鋼鋼管)的單槽連接結構的試驗結果表明,槽寬8—10ram、槽深0.5ram、槽的位置離管板表面15—20mm較好;對于機械脹接時,槽寬3—5mm、槽深0.5mm、槽的位置離管板表面15 20mm時,可獲得較大的連接強度及較好的密封性能。     (2)開槽的結構明顯優于無槽的結構。     (3)傳統的機械脹接,其強度及密封效果并不比液壓脹接差。但是管口的殘余應力較大,容易產生應力腐蝕,而且液壓脹接生產效率高、操作方便、勞動強度小,因此采用更合理的脹接結構及尺寸,可獲得更好的脹接效果。     (4)建議設計、制造規范中增加液壓脹接的結構及尺寸。
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