管子与管板连接

换热器管子与管板连接方式换热器管子与管板连接方式胀接胀接大连中集重化装备大连中集重化装备 技术部技术部杨润梅杨润梅2009-042009-04主要内容1、胀接的基础知识2、影响质量的因素和胀紧程度的控制2.1、影响因素2.2、胀紧程度的控制3、机械胀接3.1、分类、组成及应用实例3.2、胀管器4、液压胀接4.1、液压胀管机工作原理4.2、液压胀接方法分类4.3、“O”形环液压胀接4.4、液袋式液压胀接5、橡胶胀接5.1、橡胶胀接发展历史5.2、橡胶胀管机工作原理6、胀管缺陷分析7、我公司胀接设备简介8、换热管与管板胀接工艺编制及举例1、胀接的基础知识1.1胀接的概念 胀接是指根据金属具有塑性变形的特点，用胀管器将管子胀牢固定在管板上的连接方法。胀接广泛应用于管子-管板结合，是靠管子和管板变形来达到密封和紧固的一种机械连接：采用不同方法（如机械、液压和爆炸等方法）扩胀管子直径，使管子塑性变形，管板孔壁弹性变形，利用管板孔的回弹对管子施加径向压力，使胀口达到以下质量指标：1）胀接强度（拉脱力）是将管子从管板中拉脱时的载荷。2）密封强度（耐压力）是开始泄漏时的介质压力。1.2管子-管板胀接分类及适用范围1.2.1 胀接分类 1）强度胀接 系指为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接；2）贴胀 系指为消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接；1.2.2 强度胀接适用范围1）设计压力小于等于4MPa；2）设计温度小于等于300；3）操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀。1.2.3管子-管板胀接结构形式见下表：2 影响质量的因素和胀紧程度的控制2.1影响因素1）胀紧程度不足（欠胀）或过量（过胀）都不能保证胀接质量，过胀还会因管壁减薄过大而导致管子断裂和管板变形。衡量胀紧程度的指标用胀接率表示，有下面两种计算公式：内径增大率管壁减薄率 H/：胀接率%；Dn：胀后换热管内径 mm Dn：胀前换热管内径 mm D0：胀前换热管外径 mm s：胀前换热管壁厚 mm Dw：管板上管孔直径 mm与活泼型客户相处的原则多微笑 说大白话多讲故事，少谈业务多保持一些神秘多提醒他趁热打铁让他多说，你多听与完美型客户交往的原则应表情严肃，衣着正规避免使用肢体语言多提供资料，少说注意你的细节不要夸张，要具体多进行感情上的沟通 适宜的胀接率与管子的材料、规格等有关，一般可参照下列范围初选一值，经试验后再确定：H=13，或48，对厚壁管和有色金属管采用较大值（详见我公司DCMC.PV.QR071-2009/0换热管与管板机械胀接工艺规程）。2）光孔时，拉脱力和耐压力随胀接长度的增加而增加。管板孔带环向槽时（一般12条），拉脱力主要有沟槽部分承受，增加胀接长度，拉脱力并无显著增加。3）提高广阔的光洁度可增加耐压力，但有降低拉脱力倾 向，一般孔的光洁度为 .管孔表面有纵向及螺旋形贯穿性刻痕会严重降低耐压力。环向刻痕深度小于0.5mm时允许存在。4）孔间距t1.25Do时互相干扰严重，t（1.251.35）Do时稍有干扰，t1.35Do时可认为无干扰。5）在允许条件下，管端应经软化处理，以提高塑性，避免产生过分冷作硬化而影响胀口质量。为提高耐压力，管端应抛光。6）管子与管孔间隙过小则穿管困难，且管子的予变形小，易引起欠胀和过胀；间隙过大则易引起冷作硬化。常用的管板孔直径及允许偏差按GB151管壳式换热器表16表21规定。2.2胀紧程度的控制（见表1）方法控制项目说明经验控制听胀管机运转声音，观察管子变形情况需要有经验的操作人员测量控制控制胀后管子内径DnDn按给定的H值或值计算自动控制用液压或电动控制仪控制胀管扭矩，自动停胀和退出用于液压驱动或电动驱动胀接表1控制胀紧程度的方法3机械胀接3.1分类、组成及应用实例 根据使用动力不同可分为：1）手动胀接，2）风动胀接，3）液压驱动（液压马达）胀接，4）电动胀接。其组成见图 3.2 胀管器3.2.1 分类各类胀管器的特点和使用范围（见表2）表2 mm类型结构特点使用范围Dnl结构简单，制造方便；在胀接过程中与管端发生摩擦1015162122303160603050307080与管端不发生摩擦，胀壳旋转前进的轴向有轴承承受胀接长度可调可翻边胀接时管子向外部伸长，管板变形小L不限3.2.2胀杆的进给运动 图1表示胀杆相对于胀柱运动状况，当胀杆绕O-O轴旋转是，与其配合的胀柱绕与O-O轴成角的O-O轴反转，如将胀杆表面展开，则胀柱旋转一圈后的位置为O”-O”，即胀柱相对胀杆向后移动一段距离：l=Dtg.实际上胀柱被限制在胀壳槽内不能向后移动，因此它推动胀杆向前移动l，从而实现胀杆自动送进。3.2.3主要零件设计（1）胀柱（图2）d1=0.32Dn L1=l+K1一般取1：50，对应Dn12时取1：60材料：T8A、60Si2Mn等硬度：HRC=5558后退式胀管器的胀柱，两端都做成过渡段（图4）.由于在后退胀接时，胀接直径不变，胀杆和胀柱受力很大，故L1不宜太大，一般取L12025.（2）胀杆（图5）D=0.3DnK=2K1L=（0.06DnCDn）.1/K+L1C为管子与管板单面间隙 方头尺寸应与自动胀管机相适应，推荐值为8X8,12X12,16X16,20X20。材料与胀子相同，硬度HRc5860.（3）胀壳（见图6）结构应根据胀管器的类型决定，以下介绍的一般情况。胀壳槽应与胀壳轴线倾斜角（左旋），角的大小决定胀接时胀杆的推进速度，一般Dn12时1，12Dh40时130，Dn40时 2.槽数一般为3条，当结构许可、胀壳直径较大时也可大于3条，槽数增多则直径扩张均匀，但制造成本增高。（4）翻边胀柱 材料：40Cr,60Si2Mn,45,60.调质发黑。翻边胀柱与胀柱衔接出不应存在突出、凹进和缝隙，以免影响胀接质量。4 液压胀接 4.1 液压胀管机工作原理 液压胀管机的液压系统工作原理如图所示。胀管介质从油箱抽出,通过油泵加压,经换向阀进入增压缸的左腔,推动活塞向右移动,由于活塞的大小端面积比为定值,超高压腔内的乳化液的压力被放大了一定的倍数,增压后的胀管介质经超高压管送入胀接头中,使换热管胀接于管板内。当胀接完成后,换向换向,胀管介质进入油缸右腔,使活塞向左移动,使超高压腔卸压甚至产生负压。从而使胀头较为方便地从管孔中抽出。胀管和卸压所需的油压由溢流阀调节。增压缸的左右腔压力可从压力表读出。胀管机工作原理图 1-油箱 2-高压油泵 3-换向阀 4-增压缸 5-增压活塞 6-高压软管7-操作手柄及液袋胀头 8-换热管 9-管板 10-溢流阀 11-压力表4.2 液压胀接方法分类 液压胀管工艺又称软胀接,一个胀管器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。液压胀接是近几十年来发展起来的新型胀接技术。它包括两种方法。一种是“O”形环法，这种方法以“O”形圈作为密封元件，对管子内壁的尺寸精度和粗糙度要求较高。另一种是液袋式液压胀接技术，可对各种规格和各种材料的换热管进行可靠的全程胀接。特别适用于对厚管板换热器和大口径管的胀接。其优点是：1)、胀管区结合均匀；2）胀接长度不受限制；3）不会损伤管子；4）一次可胀多根管子；5）管板变形小，液压胀管的变形方向与机械胀管相反，如液压胀管后再机械胀接，在一定程度上可消除管子作用于管板的作用力。4.3“O”形环液压胀接 4.3.1“O”形环液压胀接的工作原理 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各有一个O 形密封圈,在芯棒中段上开有进液孔,高压介质从芯棒中心孔进入进液孔,在两端O 形密封圈之间的管段内施以高压,使管子产生塑性变形而实现胀接。4.3.2“O”形环液压胀接的特点 液压胀管除具有使管壁受力均匀、管子轴向伸长少而且加工硬化少等优点外,又因管壁金属几乎能完全填满管管板孔槽,而具有较大的轴向拉脱力和良好的密封性。4.4 液袋式液压胀接4.4.1液袋式液压胀接的工作原理 其工作原理是利用液压为动力的胀管方法，即通过液压系统的液压产生与转换，把液压通过胀管枪枪杆注入液袋，借助液袋鼓胀作用，将液体压力施加到管子内壁上，促使管子与管板紧密连接。液压胀管特别适用于深孔胀接和厚管板的胀接。4.4.2 液袋式液压胀接的特点液袋式液压胀管技术具有以下特点：1、劳动强度低，生产效率高；2、胀接质量均匀可靠；3、胀管介质对接头无污染；4、胀后管子残余应力低；5、对换热管的尺寸精度要求低；6、可对任意管板厚度的换热器进行全程胀接；7、液袋套管耐压高、抗疲劳性强，平均使用寿命60次以上/只液袋；8、每个胀管头的胀管压力可以准确设定，压力在控制器上显示，可打印压力数据值；9、胀管头插入管孔中深度可以精确定位；10、胀杆寿命长，确保贴胀数千次、强度胀至少1000次/根；11、可胀接碳钢、不锈钢、铜、钛合金、复合金属材料；12、对管子内孔的加工精度要求低，可胀接公差0.5mm；13、胀接前后对管子的焊接工艺没有影响；14、满足深孔胀要求，可以达到8米。5.1橡胶胀接发展历史橡胶胀接技术最初是由日本在薄壁管加工的基础上发展起来的,公开报道见于1979 年。最初应用在薄管板的胀管上,利用橡胶的径向压力进行胀管。后来这种结构经过改进,采用加载拉杆和背压环,与现在的结构相类似。橡胶胀管技术在瑞典、瑞士和美国也有应用。图3为瑞典开发的橡胶胀管头专利。这种结构具有液压胀管的优点,但是在超高压作用下,橡胶会从加载拉杆和背压环与管子内表面间的间隙中挤出,使橡胶损坏,重复利用性差。为了克服这一不足,瑞典专利中提出了改进措施,在软橡胶两端垫硬橡胶环垫,在一定程度上有所改善,但没有从根本上解决问题。5橡胶胀接5.2 橡胶胀管机工作原理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。即油缸中的油通过油泵转化为超高压油进入油缸,促使活塞带动拉杆移动,挤压橡胶弹性体,当压力达到要求时,保压后卸载,胀接完成。胀管过程中,压力直接加在橡胶弹性体的端部,胀管油压的大小可用要求的胀管压力和油缸活塞的结构及油压求得：由于胀管器不良或操作不当造成的缺陷，大多可凭经验作出判断后采用适当措施予以补救，胀杆缺陷分析及消除办法详见下表。6胀管缺陷分析胀管缺陷分析缺陷名称简图现象产生原因消除办法未胀牢手摸管子内壁无凹凸感觉欠胀补胀胀接长度不足管子下端超胀长度不足37mm1）胀柱太短2）欠胀1）环胀柱2）补胀胀口有间隙胀口上端或下端有间隙1)胀管器取出太早，或装入距离太小2）胀柱太短3）胀杆和胀柱锥度不合适1）换用合格胀管器2）补胀胀偏管子一边大一边小胀管器未装正装正胀管器重胀切口管子内壁过渡部分有棱角式深痕1）胀柱下端锥度太小2）胀柱与翻边滚珠结合处过渡不圆滑1）采用合格胀管器2）换热管重胀过胀1）管子下端鼓出太大2）管端伸长量太大3）管子内壁起皮4）孔壁下端管子外表面被切胀接率过大换管重胀翻边裂开翻边有裂纹或裂开1）管端未退火2）管端伸出太长1）管端退火2）换热管重胀7、我公司胀接设备简介我公司有一台进口日本的机械式胀管机和液压胀管机：机械胀管机型号及能力如下：型号MD-0250V胀管能力钢管外径1.738.1mm,铜管外径12.745.0液压胀管机型号及能力如下：型号：YZJ-350D型，超高压液压胀管机。采用液袋式液压胀管，其技术性能及指标如下表：技术性能及指标项目名称技术参数液压介质CITGO抗磨液压油电压三相380V/50HZ输入功率6.5KW控制系统电子模块化、单片机、数字显示工作环境-2040外形尺寸1200X1020X900mm整机重量550kg项目名称技术参数胀管最高额定压力350MPa胀接速度30秒/次胀接管子内孔10mm管壁厚度4mm管板厚度12mm胀接长度10600mm深孔胀8米胀管枪重量13kg胀接介质净水8换热管与管板胀接工艺编制及举例使用范围本工艺编制适用于单管板、双管板、中间管板的强度胀接和贴胀。本工艺编制适用于碳钢、低合金钢、不锈钢、工业纯钛、铜、镍及其合金换热管和管板的连接所采用的胀接的通用规则。我公司规定对首次遇到的材料（无论是换热管还是管板），在胀接操作之前技术部均要按照图纸或工艺文件的规定进行下列工艺评定或试验：a)做焊接工艺评定；b)做胀接试验工艺评定。按评定合格后的焊接工艺规程和胀接工艺规程，采用专用设备进行焊接和胀接。质量部负责胀接质量的检验和胀接率的检验记录。生产部按照胀接工艺要求负责胀接的具体操作并对胀接质量和胀接率的正确性负责。胀接前的要求换热管的要求如下：a)换热管应符合GB151中之规定；b)胀接部位内外表面清除干净，不得有锈蚀麻点，不得有磕碰划伤，特别是不得有轴向划痕，端部不得有毛刺；c)双管板及中间管板胀接的管子，胀管器通过部位不得有磕碰变形及弯曲；d)不锈钢焊接管的焊缝突出或收缩的最大高度不得超过0.1mm。管板的要求如下:a)管板与换热管采用胀接连接时，管板的最小厚度mm应符合GB151中的规定；b)管孔开槽与不开槽均不得有毛刺，要清除污秽及锈蚀，不得有轴向划痕，粗糙度不得低于 25。管子、管板焊后胀接的（我公司为保证焊接质量采用先焊后胀），应清除管孔焊渣及杂质，保持管孔清洁光滑。先焊后胀先焊后胀 在制造过程中，一台换热器中有相当数量的换热管，其外径与在制造过程中，一台换热器中有相当数量的换热管，其外径与管板管孔孔径之间存在着较大的间隙，且每根换热管其外径与管板管管板管孔孔径之间存在着较大的间隙，且每根换热管其外径与管板管孔间隙沿轴向是不均匀的孔间隙沿轴向是不均匀的(见图见图2)2)。当焊接完成后胀接时，管子中心。当焊接完成后胀接时，管子中心线必须与管板管孔中心线相重合。当间隙很小时，上端线必须与管板管孔中心线相重合。当间隙很小时，上端15mm15mm的未胀管的未胀管段将可以减轻胀接变形对焊接的影响。当间隙较大时，由于管子的刚段将可以减轻胀接变形对焊接的影响。当间隙较大时，由于管子的刚性较大，过大的胀接变形将越过性较大，过大的胀接变形将越过15mm15mm未胀区的缓冲而对焊接接头产生未胀区的缓冲而对焊接接头产生损伤，甚至造成焊口脱焊。所以对于先焊后胀工艺，控制管子与管板损伤，甚至造成焊口脱焊。所以对于先焊后胀工艺，控制管子与管板孔的精度及其配合为首要的问题。当管子与管板腔的间隙小到一定值孔的精度及其配合为首要的问题。当管子与管板腔的间隙小到一定值后，胀接过程将不至于损伤到焊接接头的质量。有关资料显示，管口后，胀接过程将不至于损伤到焊接接头的质量。有关资料显示，管口的焊接接头承受轴向力的能力是相当大的，即使是密封焊，焊接接头的焊接接头承受轴向力的能力是相当大的，即使是密封焊，焊接接头在做静态拉脱试验时，管子拉断了，焊口将不会拉脱。然而焊口承受在做静态拉脱试验时，管子拉断了，焊口将不会拉脱。然而焊口承受切向剪力的能力相对较差，所以强度焊后，由于控制达不到要求，可切向剪力的能力相对较差，所以强度焊后，由于控制达不到要求，可能造成过胀失效或胀接对焊接接头的损伤。能造成过胀失效或胀接对焊接接头的损伤。先胀后焊先胀后焊 管子与管板胀接后，在管端应留有管子与管板胀接后，在管端应留有15mm15mm长的未胀管腔，以避免长的未胀管腔，以避免胀接应力与焊接应力的迭加，减少焊接应力对胀接的影响，胀接应力与焊接应力的迭加，减少焊接应力对胀接的影响，15mm15mm的未的未胀管段与管板孔之间存在一个间隙胀管段与管板孔之间存在一个间隙(见图见图1)1)。在焊接时，由于高温熔。在焊接时，由于高温熔化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀。据国外资料介绍，间化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀。据国外资料介绍，间隙腔内压力在焊接收口时可达到隙腔内压力在焊接收口时可达到200200300MPa300MPa的超高压状态。间隙腔的超高压状态。间隙腔的高温高压气体在外泄时对强度胀的密封性能造成致命的损伤，且焊的高温高压气体在外泄时对强度胀的密封性能造成致命的损伤，且焊缝收口处亦将留下肉眼难以觉察的针孔。目前通常采用的机械胀接，缝收口处亦将留下肉眼难以觉察的针孔。目前通常采用的机械胀接，由于对焊接裂纹、气孔等敏感性很强的润滑油渗透进入了这些间隙，由于对焊接裂纹、气孔等敏感性很强的润滑油渗透进入了这些间隙，焊接时产生缺陷的现象就更加严重。这些渗透进入间隙的油污很难清焊接时产生缺陷的现象就更加严重。这些渗透进入间隙的油污很难清除干净，所以采用先胀后焊工艺，不宜采用机械胀的方式。由于贴胀除干净，所以采用先胀后焊工艺，不宜采用机械胀的方式。由于贴胀是不耐压的，但可以消除管子与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼是不耐压的，但可以消除管子与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼管束振动到管口的焊接部位。但是采用常规手工或机械控制的机械胀管束振动到管口的焊接部位。但是采用常规手工或机械控制的机械胀接无法达到均匀的贴胀要求，而采用由电脑控制胀接压力的液袋式胀接无法达到均匀的贴胀要求，而采用由电脑控制胀接压力的液袋式胀管机胀接时可方便、均匀地实现贴胀要求。采用液袋式胀管机胀接时，管机胀接时可方便、均匀地实现贴胀要求。采用液袋式胀管机胀接时，为了使胀接结果达到理想效果，胀接前管子与管板孔的尺寸配合在设为了使胀接结果达到理想效果，胀接前管子与管板孔的尺寸配合在设计制造上必须符合较为严格的要求。只有这样对于常规设计的计制造上必须符合较为严格的要求。只有这样对于常规设计的“贴胀贴胀强度焊强度焊”可采用先胀后焊的方式，而对特殊设计的可采用先胀后焊的方式，而对特殊设计的“强度胀强度强度胀强度焊焊”则可采用先贴胀，再强度焊，最后强度胀的方法。则可采用先贴胀，再强度焊，最后强度胀的方法。换热管与管板胀接举例按工艺手册编制胀接工艺评定卡，详见如下。谢谢！谢谢！