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[ 西德]Kr i p sH 张楠 P o d n o r s k y M．合著 驮金 龙译 编 术文由西德巴高克殷份有限公司 D E uT s C H E B A B C OC K G R 0 uP 提供。液压胀接法、 橡胶胀接洼， 爆炸胀接法 为当夸世界三大新兴胀管技术。日本、 瑞士等国家均取得橡胶胀接法的专利 德国 美国等国家对液压胀接法的研究更 ’ 胜一筹 液 压胀接 的特点在于细心处理需在 良好的 应力状 况下 被胀接的材料 。困采用液体施加压 力 ，故这种胀接处理是相当精确的。在此种情 况 下，不仅能保证所有的接头施 胀均 匀和具有 重胀性 ，而 且使得设备 设计 阶段 可以采用 有益 的计算 。 在设备制造前就对所选择的换热管与管板 接头的适合性进行评估 ，目前是 完垒可以做得 到。为 了获得关于接头可靠性及 拟用材料适合 性 的论证 ，从理论上同时考虑温度与压力 的急 剧变化。当换热管接头需要承受不同寻常的操 作状况时 ，可 计算 性将 更有其经济意义。进一 步来说 ， 对 于特殊产品及对产品的维修 ， 可 以使 用特殊的进 工具 。在不 损害设备可靠性的情 况 下， 对设备进行胀接。 根据参考文献[ 1 ] 和[ 2 ] ， 弹一 塑性计算证实 了弹性计算结 果的正确 性。在这一点上 ，理论 与实际结果是 相吻合 的。 最新阶段 的技术发展将对热交换设备 具有 重大的影 响。由于换热管可 以在 较大的深度 内 进行施胀 ，因此可 以将几 台换 热器结合成为一 台多段式容器 。不 仅节省费用 ，且增加 了操作 安全性 瞬间操作状况影响的贴合压力计算 贴台压力 系指换热管与管板接触 区域 内的 径向应力，或换言之，系指在胀接横截面上换 一 4 4 一 热管与管板之间产生的单位面积压力。贴台压 力是定量地描述挽热 管与管板接头 质量 的技术 设 计值 ，且 该值 允许在两种不 同的接头之间进 行比较。 可相对容易地计算出采用液压胀接来固紧 住换热管所 需要的贴合压力 。在文 献[ 1 ] 和[ 2 ] 中给 出了设备组装状况下 的计 算方 法和采 用的 公式 。 在设备操作期间，换热管与管板的接头是 受到 各种瞬 间的压力 和温度作 用。贴台 压力 也 随着 由时间决定 的参 数而变化 。因此贴合压力 是时 间的 函数 。掌握 在设 备组 装时建立 起来 的 贴合压力是否能充分 吸收 各种 载荷 产生 期间导 致的压力降 ，是 一项 相当重要 的工作。只有保 证充分的贴合 ，才能保证设备的整个服役寿命 不受影响。 利用确定挽热管与管板间理论间隙公式中 的单项式。考虑瞬间可变 内压力P是非常容易 的。确定温度对 胀接 效果 的影 响是一项相当 困 难的工作。为 了能确 定径 向温 度梯 度，换热管 与管板的平均壁温应 将其 作为 时间的函数来进 行计算 ， 见 图 1所示。 本 文未涉及作为时间 函数 的贴合压力 的公 式推导及代 数运算 。对此感兴趣 的同行 可与本 文作者取得联系 以获 得这方面 的资料。但本文 有必要提及下述 问题 如果换热管 内的压力较 高 ，换 热管 的平均 维普资讯 帮 f 至 女 5o 蛮 2 o e 器 2 o o 恃 O 图 1 换热管 与管 扳 中的 温度 场 { 换 热 管 T i Ⅱ l臀 撕 1 7Mn 4 、、f P n ， } j ’／ 1 I 。 1 1 1 薷 ． 1 l 0 7m m l f f一 圈 2 异种材料构成接头中的贴台压力场 壁温高于管板的平均壁温，且换热管材料的热 膨胀系数不同于相同的温度趋势 时，贴 台压力 将受到 良好的影响。当换热管 内介质的温 度升 高时 ，若换热管材料的热膨胀 系数相对大于管 板材料 的热膨胀系数 ，则换热管热膨 胀系数值 越高 ， 贴合压力 的增大就越快。 贴台压力的大小不 仅受 到材辫 即热膨胀系 数值的影响，而且受到贴合处平面几何参数值 的影响。换热管的壁厚与管板 小 桥 的 相 互 作 用 ， 将大大 改变 贴台压 力值。 图 2 表示了处于相同温度及压力 变 化 中， 换热管与管板的接头由一种材料制造时，贴合 压 力分布状况的 比较。在上 述四个例 子中 ，管 孔中心距与换热管外径是恒定不变值。 如在 图 2中可见到的那样 ，在胀 接开机和 关 机过程 中 ，换热管与管板材料 的热膨胀系数 对贴台压 力的影响是起到决定性作用的 换 热 管 材 料 为 S t 3 5 ． 8和 I n c o l o y 8 0 0 H 耐热镍 铬铁台金钢 的热膨胀 系数是高 于管叛 热膨 张系数 ； 但在采用钛制换热管情 况下 ， 情形 正好相反。特别地将 钛制换 热管为研 究 对 象 ， 以图解的方式说明 了换热管 与管板 中的脉冲温 度分布的影响。在这种情况下，相对低的内部 压力对贴合压力 仅有很小的影响 带有挠- 胀头的液压胀接 在很 多情况下 ，有必要在不能使用刚性胀 管的换 热管段上进行换热管的 固紧。因此采用 挠性胀头的液压胀接显得很重要。 本文论及到换 热管在 隔热板和挡板 内的胀 接及 固紧。图 3所示 的即为这种胀接。在胀头 与高压手持操纵器间的挠 性连接件具有不 同类 型 ， 如带有 小内径 的高压软管及挠性高压管。 将胀头嵌入 及定位是 容易的，如利用涡 流 的方法就可 以准确地将胀头嵌入 及定位。 当空 问火小不 允许胀接装置直接对换热管 的端部进行施胀时 ，可借助于连接在胀头和高 压手持操纵器 间的角形定位器进行施胀。角形 定位 器是 非常 有效且便 于使用的辅助工具。 借 助于带有挠性管的胀头 ，可 以固紧位于 一 45 维普资讯 图 3具有 挠驻 胀头 的液压胀 接 极深处的换 热管管 段 。如 采 用 2 5 0 0 b a r的 胀 接压力成功地将距离 管扳 端面 1 4米处 的 换 热 管进行 了胀接 ，图 4为本 试验所用装置的示意 图。本 试验意味着直 到今 天认为是不能制作的 容器 ，因有了液压胀 接加工处理而 可以进行制 作。 罔 4 在极深处固紧换热管 图 5 装 有分 隔板 T的预 热器 以前对 于既困难叉 昂贵的换热器维修及加 固，现在 均可 容易地进行 。围 5所示 的内部 带有冷却器的卧式预 热器为例 子进行说 明。 一 46 一 为 了将冷却器处于淹没 状态。通常 有必要 调整 预热 器内部的控制液位 。载荷变化时 ，允 许冷却液位暂 时降到冷却区域 以下 在 本设备 上装 设一个分 隔板 T，可预 防蒸汽渗透 进冷却 区域内 当冷却液位离开通过分 隔板 截 面 的 换 热 管，而分 隔板截面经常 且长期裸露出来 时，在 分隔板 附近通常有汽蚀发生 。但利用换 热管和 距换 热管 出口端几米深的分 隔板上 的孔壁进行 液压 胀接 ， 是 可以避免 或减轻汽蚀破 坏。 换热管与菅板接头的弹一 塑性计算 液压胀接换热管可计算性的优 点是众所周 知的。 第一个简 单的计算方法是 从参 考 文 献[ 1 ] 中得到。参考文献 [ 2 ] 将第一种计算方法进行 了扩充并 将其与有 限元计算法进行 了比较。有 限元计算法是通过对参数的研 究而 引进一种修 正系数 的计算 法。采用 弹一塑 性计算法对换热 管 与管板接头计算 的准 确度和可掌性 ，已通过 多次计算 得到证明。 而对 于某 些材料构成的接 头及某些几何条 件下 的接头性能 ，若正确地产生管板的不完全 塑性变形 ，则 刚好能建立起持久的 圃紧。在 上 述情况下 ，为 了能确定胀接加工期 间的准确变 形及 弹性 区域 内的胀接机理和 扩展 ，进行弹一 塑性的有 限元计算是适用的 ，其计算结果也是 令人满意 的。在此 提供 及讨论 这种 弹一塑性分 析 的最重要的结果 。 换热管 与管板 的接头是 由管径 为2 0 2 ram 换热管 、 厚度为 1 5 O i i l m而 中心距为 2 5 ． 8 fi l m呈 等 边三 角形分布管 孔的管板 构成。图 6所示是 利用对称 的限制条件 ，具有 有限元元件 且已经 理 想化的换 热管与管板横截 面。换 热管与管板 材料 相同。从 图 6中也可看 到理想化材 料的规 律。图中的阴影部 分是 当作基 体处理 假设在原始条件 中管板 孔与换热管外径 的 径向间隙为 0 ． 3 1 1 “1 1 1 1 。在换热管 产 生 塑 性 变 形 而使管板孔和换热 管问的 间隙降为零时 ，才能 建立起持久的贴合力。 为将这一条件理 想化 ， 在 维普资讯 图 6 根据有限元法的换热管与管扳媾截面 图 7同一 参考应 力 曲墁 a j在 2 5 0 0 b a r 压力下胀接b 脏接完成后 管板孔和换热管同插入七个间隙元件。 图 7 a表示在 2 5 0 0 b a r 压 力下 胀接加 工 时 的参考 应力 曲线 。图中阴影部分代表 了胀接加 工时经历 了弹性变形的换热管和管板。载荷是 逐渐增大 。图 7 b表示泄压后于基体 中 的 应 力 梯 度。 图 8所示的与围 7 所 示一样 ，均是同样的 应力梯度 唯一不 同的是图 8中的胀按压力为 图 8同一参 考应力 曲线 a 在 3 5 0 0 b a r 压力下胀按期问b 雕接完成后 3 5 0 0 b a r 。 搬据比较可以看出．符板中的塑性 区域比较 大且泄压后管板中的残余应力有所 增 大 。 利用 弹一塑性理论计 算 ，当 胀 按 压 力 为 2 5 0 0 b a r 和 3 5 0 0 b a r时 ， 泄压 后 遗 留在 换 热 管 与 管 板 间 的 贴 台 压 力 分 别 为 1 4 1 b a r和 4 6 4 b a r 根据文献 [ 2 ] 的分析和计算 结果 ．在 2 5 0 0 b a r 和 3 5 0 0 b a r 胀接压力下 的 残 余 贴 台 压力分别为 1 3 0 b a r 和 4 6 0 b a r 。这两种不 同的 计算结果是非常I 蜘合的。运用弹一塑 性分析计 算对 实际获得的经验给予了证 实 ，并证 明在 管 板 经历不完全塑性变形 时，弹性理论 的分析及 计算 也可 以提供有益的结果。 图 9 a表示胀接压力为 3 5 0 0 b a r时在 剩余 截 面中曲参 考应力 曲线。 圈 9 b表示的 意 义 与 图 9 a相 同， 仅胀接压力为 2 5 0 0 b a r 。 图 1 0表示在 基体 中的残余变 形。 扶 此 图 中可以看到换 热 管 是 怎 样 被施 上 正到 管 板 去 。 维普资讯 拈 【 H 啪 『 图 9 管板结构中同一恒等应力曲线 I 】在 3 5 0 0 b a r 压力胀接下b 在 2 5 0 0 b a r 压力胀接下 图 1 O 在 3 5 0 0 b a r 压力胀接后的永久变形 多段热交换器制造 的可能性 利用 液压技术 固定换热管的技能为热交 换 器 新结 构的设计打开 了局面。现 在可肌在 换热 暂较深 的位置处胀接换热管和管 板的接头 ，可 以根据不 同的意愿 自由选取从换 热管外端到接 头的距离。如前面已叙述的换热管在距管外端 约 l 4米处被固紧到管板上 的例 子。 迄今为止 ， 对壳翟每一压力段 ， 管程至少需 要一卟 管箱封头。而最新的工艺 技术能使换热 一 4 8 一 器在不需要昂贵的管箱情况下，将壳程分猎成 一 些空 间。这意味着 串联连接起来的容器可 以 组台成一台多段 容器。图 1 1 a以简单的形式表 示 多台热交换 器的传 统安 排法 {图 1 1 b则 表示 组合成具有几个热交换段且效果相同的单台设 备。 ‘ 一 l 、 图 1 1 单段与参段结构的比较 a ．单袅结构b ．多蜃 结构 对多段容器的需要已有很长一段时间。从 节省空问 、 工艺流程或其它的经济因索考虑 ， 有 必要进行组台容器 的设计。若不考虑中部换热 管与管板接头处可能 产生 的缺 陷，那么管程 内 存在的大量的换热管与管板接头即被消除。 发电厂中的双重预热器是急需要这类结构 设备 的典 型例 子。利用将两个预热段设备组合 成一台容器，可 达到减少管_道及节省空阀的 目的。例如在冷凝燃烧器 内安装这种类型的双 重容器是 可能的。刘 目前为止所设计 过的双重 预热器中， 或者有两个 U 形管管柬，或者有两 个直管管束。内件的型式确定所选择韵结构类 型 对 【 J 形 管型 ， 由于热膨胀 影响的结 果 ， 即使 换热管紧凑及换热管热不对称伸缩，管束问均 互不 干扰。对于直管型 ，根据 换 热 管 排 管 范 围，在两段 内的换热管不同热膨 胀率是维持在 容许 的变形范 围内。这一规律能使结构保持细 长， 但需要设备上有一个浮动管板。 因采用液压胀接工艺技术将换热管在较深 位置处固紧而带来的优点，本文以发电厂的双 重预热器为例进行说明。 图 1 2表示这类双 重预 热器结构 的 新 解 决 办法 。 由于有了深度液压 胀接技术 ， 对于 【 J 形管 维普资讯 B - B 截面 量兰罕臣 一 ；二 ； c - k 8 图 1 2 作 为多段 设计 的双 重预热器 a ．正 换热面积太子 ． b ． - 换热面积大于 ， ． 柬，分隔捎板在更新的结构中应当作新的零部 件来考虑。如 同在管板 中的换热管与管板接 头 连接 一样 ，U形 管与 该分 晤挡板同的连接接头 是压力贴紧 对不同压力下的壳程空间 ，就是 由这个分 隔挡板相 互隔离开。 相对 来说 ，流动段闻的压差比较 小。通过 换 热管与分 隔板 的紧固贴 合，可以很容 易地承 受住台力 的作用。分隔板的厚度至少应 由强 度 而不 是 由其功能米确定。因此分隔板 厚度约为 3 0 mm。按照先前 的设 计 ， 需要 具有厚管板且结 构复杂 的管箱才 能达到这种功 能。 在整个 U形管上 ，分黼挡板是 用来分 隔开 每个压力空间，或为了将U形管段 固定在预热 段适宜的位置上。选择 长的或短的U形段是取 决 于两个预热段 加热范围 的差值。与先前 的直 管设计相 比， 这是一大优点 在直 管设计 中， 换 热面积仅能 由换热管的直径不同而进 行 调整 ， 且两段内换热管长度相同时，只有改变换热管 数量而进行调整。 图 1 2 a和 1 2 b表示可 以容易地满足不同换 热面积的需要而采用的新设计方案。 在图 1 2 a 中． 换 热面 积比较大 ； 在 图 1 2 b中， 换热 面积比较大。 新的及 优越的因素是现在可 以将换热管区 域分 隔成两个 同心环区。定位在第 一个 锥形区 域处 的U形段 ， 是位 于狭窄的外环 医内； 较 宽的 内环 廷则 容纳第 二个锥形 区域 处的U形段。抉 热管区域的分布允许完整的热对称及最佳的应 力分布。 作为 一个规律 ， 开始逸 出曲 蒸汽湿度较高 ， 因此与初始流功蒸汽接触的换 热 管必 须 耐 浸 蚀。为此开始几排的挠热管需带有防冲击结构 且要选用 耐腐蚀材料 。在此安装 圃环是 特别 有 效 的，因为在第一段边缘端处的换热 管就是第 二段 边缘端处的换 热管 ，由此 达 到 全 坊 蚀 保 护 。 借助于液压胀接工艺技术，可以将双重预 热器扩建成三重预热器 ，见 图 1 1 b所示。在这 种情况下 ，需要运用 同心环换热管区域及热对 称的基本概念。 如果换热管束可 以跨过压力段，而通过管 箱的换热管在长度上也不存在被切断 的 问题 ， 则 压力段越多，采用 液压胀接加工技术就越优 4 9 维普资讯 图 l 3 所示的闪发蒸馏器强调了这 一 新 技 术的重要性。在适当的深度处为每一个膨胀段 进 行换热管 的液压胀接。换热管的 固紧也提供 了各个受压段 间的密封作 用。 结 束语 已广为焱知且经常采用的液压胀 接 技 术 ， 可确保那 些需要判断的换热管与管板接头的可 靠性，这是因为液压胀接具有可计算性 在此 所指的计算 ，是 为了防止操作载荷和普通载荷 的变化丽给出如 何进行换热管 与管板的正确组 合。 利用挠性胀头 ，可以在不 易进入的深度及 位 置处进行换热管的 固紧。在特殊情况下 ，特 制的备件是便于进行设备的制造及维修 已成 功采用 的换热管与管板接 头 的 弹 性 计 算 ，在 弹一 塑性 基础上又进行了复算 。这充分证明弹 性计算方法是十分准确的。 时至今 目，换热器 中的换 热管在端都处的 管板 内或封头 内曾被 固紧。掖 压胀接技 术为使 换热管在端部处及沿着换热管全 长上 的任 何位 置 处与管板问的压力 团紧 提供 丁可 能性 。利用 这一新的技术 ，无 中问封头而 串联 起来 的一系 列预热器或冷却器， 可以组台成一台多段容器。 按照对应 的组 台．可以减少危 险的密封处。多 段压力容器是 以制造 ．安装及工 艺过程上的优 越性为特点。 参 考 文 献 i IK r l p s H． 与 P o d h o r s k yM． 台著， ” 弛压胀管固紧 换热 管 的一 方法” t VG B电站技术 5 6 卷革 7 册 1 9 7 6 年 2 P o d h o r s k y M． 与Kr i p s } L台著， “ 液压胀摇 c Y G B电站 { 直 术 的 卷第 1册， 1 9 7 9 年 3 P o d h o r s k y札 著， 管板非稳定热直力的调查 t V 电 站技术 6 O 卷 第8 册 ， 1 9 e O 年 4 F i a o A． R 与 D u r a a s W，A ． 台著 ， 巍匿胀接方法建造 无泄漏的换热管与管扳接头 t 动力， 1 9 7 9 年 加 月 5 B e r t i n L 若， “ 现场更换 c a 口 d u 装备的挠热营 棱工程 国际刊, 1 9 8 2 年 6 月 6 Y o k d l S ． 著 ， 换热器的按热管与管 扳连 接 亿学工 程 , 1 9 8 2卓 2月 7 G a ff o g I i oC 。 J ． 与 T h 1 kE 、 台若， 按热管与 营扳 接头的强度 AS ME论文巢 ] 9 8 1 年 。 欢迎购买一九八八年新版 化工设备图册 在化工部基本建设局的直接支持下 我站已完成第四套 化工设备图册 的编制工作。 化工部、 中国石油化工总公司、 国家医药管理局、 冶金部及省、 市 自治区所属的设计、 研究 单位 ， 以及 部份化工总公司、 工厂设计单位等共约 4 O家， 提供 了设计图纸。 本 图册收集 了各类化工设备 设 计总图及零部件装配圈约 1 5 0 0幅 ，印制 成 八 开 幅 面，分编成八个分册。八个分册名称分别为I ． 贮罐、计量罐2 一- 反应设备3 换热设 备4 。 塔设备5 。 前、 后处理设备 6 ． 非金属及其衬里设备7 - 其 宅设备8 - 零部磐。 术圈册选用 了八十年代各供图单位的设计 图纸 ， 故而 图面要求较 严 ， 采甩标准、 规 范 较新 ，反映 了我国开展压力容器取证工作 束的化工设备设计质 量。列入本周册的图纸 反映了供圈单位设备设计的能力和技术水平， 有较大的参考价值 一 5 0 维普资讯
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