BFe30-1-1双管板换热器的液压胀接.pdf

2 00 B正 第 1 期 管 道 Pi p e l i n e 5 设 备 a nd Equ i pme n t 2 0 o 8 No ．1 B F e 3 011双管板换热器的液压胀接 赵杰 ， 邢卓 1 ． 沈阳市特种设备检测研究院， 辽宁沈阳1 1 0 0 2 5 ； 2 ． 沈阳东方钛业有限公司， 辽宁沈阳1 1 0 0 1 6 摘要 国内甲烷氯化物工程项 目中广泛使用 B F e 3 01 1换热器， 有些换热器采用双管板结构。由于结构的特殊性， 深孔强度胀接技术和检验手段是制造双管板换热器的重点和难点， 采用液压胀接技术及可行的装配顺序是解决深孔强度 胀接和检验的关键 。 关键词 双管板换热器； 液压胀接 ； B F e 3 01 1 中图分类号 T K 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 8 0 1 0 0 3 8 0 3 Hy d r a u l i c Ex pa n s i o n f o r Co p p e r - Ni c k e l Al l o y Du p l e - t u be s h e e t Ex c ha n g e r Z HAO J i e ， XI NG Z h u o 1 ． S h e n y a n g I n s ti t u t e o f S p e c i a l Eq u i p me n t I n s p e c tio n Re s e a r c h， S h e n y a n g 1 1 0 0 2 5， Ch i n a； 2 ． S h e n y a n g Or i e n t T i t a n i u m I n d u s t r y Co ． ， L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 0 0 1 6 ， C h i n a A b s t r a c t C o p p e r N i c k e l a l l o y h e a t e x c h a n g e r s w e r e u s e d a b ma y i n me t h a n e c h l o r i d e p re j e e t i n C h i n a ．D o u b l e t u b e s h e e t wa s a d o p t e d b y s o me s p e c i a l h e a t e x c h a n g e rs． T h e t e c h n o l o g y o f d e e p h o l e s t r e n g t h e x p a n s i o n an d i n s p e c t i o n we r e t h e v i t a l a n d d i f - fi c u h i n f a b r i c a t i n g d o u b l e t u b e s h e e t h e a t e x c h a n g e rs． B y a p p l i c a t i o n o f h y d r a u l i c e x p a n s i o n an d u n i q u es e mb l e，t h e d i ffic u l t i e s c a n b e r e s o l v e d． Ke y wo r d s d u p l e t u b e s h e e t h e a t e x c h a n g e r ；h y d r a u l i c e x p a n s i o n j o i n t ； B F e 3 011 0 g 【 言 2 0 0 5年 9月， 某公司为41 0 年甲烷氯化物工程制造 2 台B F e 3 01 1双管板换热器。机械胀接是单管板换热器管 一 板胀接的常用方法， 胀后的密封性易于检验。由于双管板结 构的特殊性 ， 在设计 、 制造上有一 定难度 ， 如采用 液压胀时 管板 孔开槽的设计、 原材料要求、 管 一板的胀接及检验方法等。双 管板换热器制造中的关键技术是深孔强度胀接和装配程序。 采用液压胀接技术可以实现深孔强度胀接， 后装配管程管板是 为解决壳程管板的检漏问题。 1 结构特点与设计 参数 氯甲烷进料预热器 E 2 0 2为卧式， 管箱及壳体为 2 0钢， 换 热管为铜镍合金 B F e 3 011 ， 规格为 2 52 ， 管程管板为 B F e 3 01 1 ／ 1 6 Mn R复合板， 壳程管板为 1 6 M n R， 是三类压力 容器 见 图 1 。设 计参数见表 1 ， 结构参数见表 2 。 图 l 氯甲烷进料预热器简图 管程介质是 C H C 1 和 H C 1 气体， 壳程介质是蒸汽。 双管板换热器可解决一般换热器在换热管与管板焊接或 胀接处易产生泄漏问题， 避免管程介质与壳程介质相混。双管 收稿 臼期 2 0 0 7 0 6 2 8 收修改稿 臼期 2 0 0 7 0 82 8 板就是在每侧设计两块管板 ， 起到两道防线的作用， 并能及时 查出管板泄漏。双管板换热器主要使用于若管程壳程里的物 料相混合， 将会产生严重后果的场合。 表 1 容器主要技术 参数 项 目 介质特性 腐蚀裕量／ m m 液压试验压力／ MP a 双管板之间采用聚液壳相接 ， 聚液壳用来调整两管板间距 且保证两管板平行。封闭相邻两管板之问渗漏出的流体或气 体， 防止有毒介质外溢， 并可以及时发现排除。 2 材料要求 换热管 B F e 3 011 材料标准为 G B ／ T 8 8 9 0 --8 8热交换 器用铜合金管， 退火状态供货。 管板 1 6 Mn R材料标准为 G B 6 6 5 4 --1 9 9 6压力容器用钢板， 要求正火状态供货 。 胀接是靠管子的塑性变形和管板的弹性变形来 达到密封 维普资讯 第 1 期 赵杰等 B F e 3 01 1 双管板换热器的液压胀接 3 9 表 2容器 结构 参数 双管板 间距／ mm 管板孔尺寸／ m m 3 0 0 q b 2 5 ． 2 5 g 。 。 管板孔中心距／ mm 管板孔表面粗糙度 管程管板材质 管程管板规格／ mm BF e 3 Oll ／1 6 Mn R 66 ／ 5 0 壳程管板材质 壳程管板规格／ mm 65 0 管子与管程管板的连接 管子与壳程管板 的连接 强度胀 密封焊 强度胀 和紧固的一种机械连接方法。为此 ， 对管子与管板 的材质有一 定要求， 即管子的硬度比管板硬度要低， 值差应达到 HB 3 0 。 通过试验测得 B F e 3 01 1 管子的硬度为 HB1 0 5 ， 1 6 M n R的 H B1 4 0 ， 满足胀接要求。管板 1 6 M n R和换热管 B F e 3 011 机械性 能见表 3 。 表 3 材料机械性 能 2 0 o C 3 液压胀接 3 ． 1 液压胀接原理 液压胀 管时 ， 胀接 区的管子 首先在 高液 压 内压 1 0 0～ 3 5 0 MP a 的作 用下产 生 弹性变形 ， 然后产 生塑 性变 形而被 挤 压到 管板孔壁上。随着压力的增加， 在管子与管板之间的接触压力 作用下， 管板首先产生弹性变形， 然后产生塑性变形。压力撤 消后， 如果管板的 自由弹性恢复量比管子的大， 就会在管子与 管板之间产生残余接触压力， 实现胀接连接。 3 ． 2 液压胀接特点 液压胀 接的主要 特点 是胀 接 的主要 参数液胀 压力 可 以计算 ， 可以精确调节和控制 ， 保证所有的管 一板接头在同一 条件下胀接 ， 换 热管不 易产 生过胀 ， 胀 接接 头质量 稳定 。在 管 板孔内的胀接位置可以精确定位， 胀接的部位不窜动。胀接后 管子内壁没有损伤。 液压胀接的突出优点是 胀管长度不受 两块 管板之间 间距 限 制， 最大可达3 m以上， 因为它的输压管在工作时不承受扭矩。 与机械滚胀接相比， 液压胀接具有胀后残余应力低、 在整 个胀接长度上的应力分布均匀 、 胀后管内表面无加工硬化现 象、 胀后管头不伸长、 劳动强度低、 生产效率高的优点。 液压胀管在正常工作的情况下， 每 m i n可胀接管口2个左 右， 是机械胀接的68 倍 ， 大大提高了工作效率。且不论管板 厚度有多大， 液压胀接都能一次完成， 管板厚度对胀接时间没 有影 响。 液压胀接介质是水 ， 即使胀接接 头破损 ， 对管 口也 无污染 ， 这样减少了以往机械胀接后对管口除油、 清洁等工作， 节约了 工 时。 机械胀管时管壁减薄现象严重， 常有螺旋式划伤， 外观不 佳， 缩短换热器的使用寿命。 3 ． 3 管板J j p - r 3 ． 3 ． 1管板钻孔 管板配钻后绞孔， 消除管孔上的纵向划痕。管板孔表面粗 糙度为 1 2 ． 5 m级。实践证明 管板孔表面的粗糙度必须达到 精度要求是成功应用液压胀管的关键。尤其要高度重视壳程 管板的加工质量， 壳程水压试验时， 若壳程管板渗漏， 只有补 胀， 若补胀后仍然渗漏 ， 只能报废。所以， 保证壳程管板与换热 管胀接牢固可靠是制造双管板换热器的关键。 3 ． 3 ． 2管板孔开槽 拉脱力与密封性能是衡量胀接接头连 接质量的 主要 指标。 为了提高拉脱力和密封性， 最可行的方法是在管板孔中开一道 或多道环形槽。在换热器的制造标准 G B 1 5 1 1 9 9 9管壳式换 热器中， 对开槽结构尺寸作了具体规定， 即3 63的形式 ， 管 板 的槽宽为 3 m m， 深度为 0 ． 5 m m． 这种规定是多年机械胀接经 验的总结， 由于液压胀管属于柔性胀接， 管子的变形规律与机 械胀管不一样 ， 该规定不适用于液压胀接 。 液压胀接接头 的密封性 能和拉 接脱力 与管板 开槽宽 度有 关 。在相 同胀接压力下 ， 为 了得 到最 大的拉脱力和最 佳的密封 性能 ， 管板 开槽宽 度应该 随着管子规 格的不 同而有所变化 。最 佳液压胀接 的槽宽 应为 W 1 ． 61 ． 8 √ 式中 r 为换热管平均半径， m m； ￡ 为换热管壁厚， m m． 对于 q b 2 52的管子 ， 槽宽应为 8～ 9 m m， 槽深 0 ． 5 m m不 变 ， 因而可设计成 81 0 8的形式 。 在液压胀接过程 中， 管板 的开槽不但 有利于接头 的密封性 能， 还可以提高接头的拉脱强度。若采用适当的槽宽， 且胀接 压力足够大， 管子就会向管板槽内凹陷， 在接头受到拉脱载荷 时， 其阻力除了管板未开槽部分的静摩擦力外， 还有管板开槽 部分的边缘对凹进的管壁的剪切作用， 阻止管子的轴向滑动。 管子的变形越大抵抗拉脱的剪切力就越大。 管板开槽后的胀接接头抵抗拉脱的力由两部分组成 一部 分为管子与管板之间的静摩擦力， 另一部分为管子嵌入管板槽 中产生 的抗剪切力。 当管槽宽度达到一定值时， 剪切力不再增加 ， 若管槽宽再 增加， 换热管与管板的接触面积下降， 静摩擦力下降。因此 ， 从 提高拉脱力的角度来说 ， 管板开槽宽度不是越宽越好。 图 2是 优化 后的壳程 管板孔槽 。 3 ． 4 液压胀接压力的确定 液压胀接压力应根据换热 器的密封性 贴 胀还是 强度胀 要求、 管子管板材料、 换热管的精度、 管板孔表面状况以及胀接 几何参数的实际情况而定 ， 必须保证胀接接合面能满足密封性 和足够的拉脱强度。胀接压力过低， 达不到密封效果 ； 过高， 会 造成过胀现象， 可能在胀接时发生管板的塑性区与周围已胀好 接头的残余应力的干涉， 引起周围接头残余接触压力的降低 ， 严重时会在试压时或运行中发生泄漏 。 维普资讯 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d E q u i p me n t J an． 2 0 0 8 图2 优化后 的壳程管板开槽 尺寸 因此 ， 液压胀接时不必追求 过高的胀接压力 。胀接 压力 的 计算公式 为 1 管子外径刚发生塑性变形时的胀接压力 2 使管子和管板产生剩余应力的最小胀接压力 1 k 一 1 P m in 万 ,f p T 3 管板发生塑性变形 的胀接压力 ， 一 1 P⋯ P。 s 式中 为管子材料屈服强度， MP a ； 。 为管板材料屈服强度， MP a 为考虑胀管两侧管子影响的内压 放大系数， ／ 1 d v ／ 一1 ／ 2 L 为考虑胀管两侧管板影响的内压放大系数， ， n 1 D K 。 一 1 ／ 2 L ； K 为考虑周围管桥影响后 的外 、 内径之 比， K 3 ． 5 R一 2 ． 5 D ／ D； k为管子 的外 、 内径之 比， k d 。 ／ d ， ； 为胀管区长度， n a l i 1 ； 为管板孔距， n a l i 1 ； D为管板孔径， n a l i 1 ． 贴胀时， 胀接压力取p 。 和P m i n 之间； 强度胀时， 取P m in 和P 之 间， 并尽量取下 限。 过高的胀接压力会引起胀接成本的上升， 且换热管的残余 应力也会提高 ， 造 成管子 耐应力腐 蚀性 能降低 。因此 ， 在保证 接头具有可靠的密封性能和拉脱强度的前提下， 不宜选择过高 的胀接压力。 最佳的胀接压力的情形是， 使管板的塑性变形区达到管桥 中间， 这样既能获得尽可能大的胀管压力 ， 又不会跟邻近胀管 接头的塑性区发生干涉而使之松动， 并且还有一定增压余量， 供个别不合格接头进行补胀。 由公式计算出的胀接压力参数有一个范围， 实际胀接时应 以最小值起步初胀， 打压若有渗漏再逐步加大压力值， 直至不 漏为止， 但取的最大值压力值不应超过最大计算值。 3 ． 5 强度胀拉脱力试验 管子与管板强度胀接按 压力容器安全技术监察规程 简 称容规 应做拉脱力试验， 但仅做一个拉脱力试验并不能说明 问题， 还必须做密封性试验。因为这种胀接很容易满足 容规 要求的大于 4 M P a的拉脱力， 当胀管率达 1 ． 4 0时即可满足。 但这不能说明能满足胀接密封性的要求， 达到密封性的胀管率 为 1 ． 9 0～ 2 ． 0 0 。胀管率应由密封性试验确定， 当胀管率为 1 ． 3 0 ～ 1 ． 6 0时， 虽然达到了拉脱力的要求 ， 但实际打水压试验时， 管 头有渗漏现象； 当胀管率达 2 ． 3 0以上时就是过胀了。 4装配方法 先装配壳程管板 见图3 ， 采用级差管束穿管法， 换热管 的长度有一定的增加量， 穿管时， 每一横排的伸出量相同， 由上 而下每一纵排的伸出量是不同的， 依次增加 5 m m． 由于管头的 减少并且成排， 这样就方便了管程管板穿管， 管板可以逐级下 落。壳程管板液压胀好做水压试验。在这种情况下， 个别管子 胀后有渗漏是可 以直观检查到的 ， 需要补胀 。 图 3 双管板换热器管束与壳程管板装配后 简图 5 结束语 双管板换热器制造 的关键是实现深孔强度胀接和壳程管 板 的检漏 。深孔强度胀接可采用液压胀接 技术 ； 检 漏问题 可以 在装 配时解决 ， 也可以采用更先进 的方法或仪器解决 。 参考文献 [ 1 ] 颜惠庚． 换热管的液压胀管研 究 三 管板 开槽宽度 的选择 ． 压力容器 ， 1 9 9 7 3 2 8 ． 2 ] 浙江大洋衣车有限公司． 超高液压胀管机 Y Z J 一 3 5 0 D型 使用说 明书． 作者简介 赵杰 1 9 6 1 一 ， 工程师， 从事监检工作 。 上接 第 3 7页 显变化 。因此 ， 与纵缝相 比， 环缝错边的危害性要小 的多。 从表 3可以看出， 增加管壁焊接长度 ， 减小了焊缝截面 坡度 ， 使焊缝的应力集中系数得到显著下降， 因此降低接头 处的坡度 ， 使接头过渡平滑 ， 可以有效降低接头的处应力集 中。 3 结论 在同样条件下 ， 应 力集 中系数 随着错 边 尺 寸 的增 加而增 大； 纵缝锆边 引起 的应力 集中远大 于环缝 ， 因此错 边 对纵缝 的 危害性也远大于环缝； 降低焊缝错边处坡度， 可以有效降低此 处的应力集中， 因此可采用打磨等方法降低接头处坡度 ， 以减 小应力集 中。 参考文献 [ 1 ] 李亚江， 刘强 ， 王 鹃， 等． 焊接组织性 能与质量控制 ． 北 京 化学工 业出皈社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 博弈创作 室． A N S Y S 9 ． 0经典产 品基础教程 与实例详解． 北京 中 国水利水 电出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 赵熹华． 焊接检验． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 作者简介 刘 明 1 9 8 2 一 ， 硕士研究 生， 主要从事 工程结构 安全评 定工 作 。 维普资讯