换热管与管板胀接技术浅谈
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摘要：本论文以某企业转化器为例，探讨了胀接方式的选择、胀管工艺的实施等，为相关工程的实际操作提供了参考。
关键词：换热管、管板、胀接
前言
钢制管壳式换热器在化工生产中应用十分普遍，不管是固定管板还是浮头管板、U形管壳式换热器，管子与管板的连接是换热器中十分重要的结构和环节。由于换热管和管板是换热器管程和壳程之间的唯一屏障，因此换热管与管板连接接头质量的好环是管壳式换热器失效最主要的因素，本文以我公司制作的转化器（DN2800×16×5690）为例来进行说明。该转化器为衡阳某公司20万吨/年PVC扩改（四期）工程关键设备之一，该设备为立式固定管板式换热器。设计压力：管程0.08MPa、壳程0.32MPa，工作压力：管程0.07MPa、壳程0.30MPa，设计温度：管程170℃、壳程99℃，工作温度：管程110～170℃、壳程95～99℃，工作物料：管程为氯化氢、乙炔、活性碳、氯乙烯；壳程为热水。主要材料：管程为Q345R（GB713-2008）、10（GB/T8163-2008），壳程为Q235-B（GB/T3274-2007）。管板为Q345R材质，板厚70mm，换热管规格为φ45×3、长度为3000mm，材料为10#无缝钢管，每台数量为2031根，总换热面积为831m2。该设备共制造10台。
一、胀接方法选择
换热管与管板的连接方式主要有胀接、焊接、胀焊并用三种。根据设备介质以及连接方式的适用范围，转化器换热管与管板之间的连接方式为强度焊加贴胀。
胀接目前主要有滚柱胀管、爆炸胀管及液压、液袋和橡胶胀管等工艺。
1.几种胀管工艺方法的比较
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填满管孔槽，而具有较大的轴向拉脱力和良好的密封性。2.胀接方法的选定⑴胀接方法的选择原则：可靠性（管子与管板连接的可靠性）、可行性、经济性。
⑵几种胀管工艺中，从胀接性能来看液压胀管与橡胶胀管最好，爆炸胀管的生产效率最高；
⑶从公司目前现有的工艺装备以及施工经验，本设备的胀接选用液压胀管法。该方法具有生产效率高，劳动强度低，胀接质量均匀可靠，胀后管子残余应力低、可有效防止间隙腐蚀及应力腐蚀和适应性广等优点。
二、胀接施工
胀接方法：液压胀管法。
1.施工准备
1.1严格把好管板加工质量关管板管孔的加工采用二次钻扩孔，以保证管孔尺寸精度和表面粗糙度要求。管孔在加工时提高尺寸精度都按I级换热器管孔尺寸要求加工。管孔壁不能有砂眼、坑痕、边缘毛刺、纵向刻痕．当图样结构为强度胀不焊接时，为保证接头万无一失管孔加工增加铰孔工序。检验员在对管板检验时，要求每一个孔都要测量，掌握各个区域管孔尺寸范围并做好记录。对尺寸处于上限的管孔选配外径上偏差的管子，以弥补管子与管孔的间隙，并且做好标记，在胀接时特别注意，且胀管率取上限，以保证接头质量。
1.2 控制管板管子的硬度差管板与管子的连接采用胀接工艺时，管端硬度应低于管板硬度。硬度差控制在HB 20－30 以上，否则应将管子两端退火处理；转化器的管板采用Q345R，其硬度值为150，标准为GB713-2008，钢管采用GB/T8163-2008中10#钢管，其硬度值为123，两者硬度值相差为27，没有采用退货处理。当采用胀接工艺时，管端须检查，如有纵向伤痕者不可使用。
1.3正确选用胀管器，控制合适的胀管率胀接中必须保持合适的胀紧度。欠胀不能保证胀口的密封性，过胀则因管壁减薄过大而导致管子断裂和管板变形，胀紧度可用胀管率来表示，根据锅规，当采用内径控制法时，强度胀胀管率应控制在1～2.1％范围内，胀管率可按下面公式计算：
H={（d1＋2t）／d－1}×100％
其中：
d1 胀管完后管子实测内径；
t 未胀时管子实测壁厚；
d 未胀时管孔实测直径。
经换算得公式：
△d=（1＋H）d－d3
其中：
△d 换热管胀接前后内径的增大值；
d 未胀时管孔实测直径；
d3 未胀时管子外径。
我公司通过多年的实践，原则上强度胀时胀管率控制在1.8％左右，贴胀时控制在0.9％。具体控制办法是根据换热管的直径、壁厚，按控制的胀管率计算出胀接后换热管的内径值，用控制胀接后管子内径的办法来控制胀管率。根据管板、换热管接头的结构形式来选择胀管率的类型、位置等结构尺寸，保证胀接起始位置（管板外侧）与焊缝有足够的距离（原则上15mm）不致胀裂接头焊缝，同时要保证胀接不超过管板内侧，且与管板内侧端面有3mm距离以防胀接过渡区管子的应力集中。在正式胀接前进行试胀，试胀管板的厚度取产品管板厚度小5mm，以检查胀管器的质量和管材的胀接性能，同时根据试胀结果确定胀管器胀柱在什么位置时，胀管率达到控制值，并做好胀杆的最终位置标记，在实际胀接时供操作使用。此次选用的液压胀管器型号为45×3×47-15。
2.施工程序
2.1采用先焊后胀的制造工艺
管板管孔与换热管管端的清洁程度对接头的焊接质量影响很大，管板在钻孔时由润滑油和冷却液在管孔周围留下的油污、水份用高温蒸汽来冲洗干净，然后再用压缩空气吹干。换热管的管端长度二倍的管板厚度，采用布砂轮抛光,去除管端及外表面的铁锈和污物。换热管与管板装配后，在规定的时间内完成焊接，以防时间一长再次锈蚀后影响焊接质量。
2.2采用管子管板全自动氩弧焊
管板与换热管接头的焊接采用管子管板全自动氩弧焊，由专职的焊工施焊，以先进的装备、熟练的技术、高度的工作责任心保证焊接质量。施焊时每个接头焊二道，且第二道收弧处盖过第一道起弧处15°,使起弧点与收弧点处相对薄弱的部位并不重叠，特别强调的时，焊接接头第一道焊完后，要进行着色处理，待全部着色合格后，方可进行第二道的施焊。这些措施不仅提高焊缝内在质量，而且能够保证焊接高度，保证有足够的拉脱力。
三、质量保证措施
1.管子两头胀接端装入管孔时应能自由伸入，管子必须装正，不得歪斜，当发现有卡住偏斜等现象时，应将管子取出经检查校正后再装入，直到合格为止。
2.管端伸出管孔的长度应符合相关标准或设计图纸的规定。
3.管端伸入管孔后应随即进行胀接。
4.胀管工作宜在环境温度为0 ℃ 以上时进行。
5.胀管过程中应严防油、水和灰尘等渗入胀接面间。
6.胀管时应指定专人，认真记录每个管孔和管端的测量数据作为质量鉴定计算胀管率和交工验收的依据，测量计算胀管率的各个数值时，测量外径和厚度应使用外径千分表或游标卡尺，测内径应使用内径千分表。在胀接过程中，应随时检查胀口的胀接质量，及时发现和消除缺陷。
7.胀管质量的检验
外观检查
接管端不得有裂纹，如果个别管口裂纹不长，可用机械方法割除，但割完后管端伸出管孔的长度设计要求，且不得用氧-炔焰切割。
胀口内壁扩大部份过渡到未胀部份应均匀而平滑，不得有切口的沟（使用自进式胀管器时，允许有轻微的螺旋形痕迹）。
胀口不得有起皮、皱纹、偏斜和过胀现象。
水压试验检验
胀接工作完成后，对设备壳程进行水压试验。
水压试验应符合下列要求：
水压试验应在环境温度高于5℃时进行，
水温应高于周围露点温度；
壳体应充满水，待排足空气后，方可关闭放空管；
当初步检查无漏水现象时再慢慢升压至规定试验压力的10%，保压5～10min，并进行初次检查。如无泄漏，可继续升压到规定试验压力的50%。如无异常现象，继续升压，直至试验压力。
当水压上升试验压力时，按照TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》要求保压30min，其间压力不下降，然后回降到规定试验压力的87%，保压足够时间进行检查，检查期间压力应保持不变，胀口不应淌水珠。
当水压试验不合格时，应返修，返修后应重做水压试验。
当水压试验后，应及时将壳程内的水全部放尽。
每次水压试验应有记录，水压试验合格后应及时办理签字手续。
四检验标准
管壳式换热器（GB151-1999）
《固定式压力容器安全技术监察规程》TSGR0004-2009
结束语
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。
2）本液压胀接工艺的优点是在静态液压静向力作用下，管子和管板的金属变形物理过程简单，可以用理论计算方法准确确定不同条件下的膨胀工艺参数。
3）整个设备简单轻巧，可由一个工人操作，并用每个胀管加工的压力自动记录作为技术档案备查，同时，有较广的适应性。
根据生产实际情况来看，在转化器的制造中采用液压胀管比采用机械胀管具有明显的优越性，特别是对产品只有密封性贴胀要求的胀接，不仅有效的提高工效，更主要的是胀接质量得到了明显改善。
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