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换热器管子与管板胀接开槽尺寸的试验验证点击：2373 日期：[ 2014-04-26 21:58:17 ] |
| 换热器管子与管板胀接开槽尺寸的试验验证 李培学 黄桂东 周长会 (山东泓洲化工机械有限公司 276400 山东质量认证中心 250014) 摘要:简要介绍换热器管子与管板胀接接头的结构和进行强度试验验证的情况。比较了机械和液压两种胀接方式对胀接性能的影响；分析比较了不同槽宽、槽位置、槽深度的单管模型拉脱力和泄漏情况；将试验结果与理论计算和有限元数值计算结果进行比较，并得出了结论。为工程设计、制造规范的修订提供参考数据。 关键词:管子与管板连接液压胀接机械胀接拉脱力胀槽 管子与管板的连接主要有胀接、焊接、胀焊并用、粘胀连接和螺纹连接等。但传统的胀接方法仍然是目前应用最广泛的方法。胀接所采用的方法又分为液压胀接和机械胀接等。胀接过程是一个复杂的接触过程，对于胀接过程和胀后残余应力及拉脱力耐压能力的研究，仍是一个重要的研究课题。 关于胀接工艺方面，在换热器制造的有关规范中，对开槽的结构尺寸作了具体的规定。在GB151—1999《钢制管壳式换热器》中，规定了强度胀接的槽宽为3mm，深度为0．5mm，槽离管板表面距离为8mm，槽间距为6mm。以上规定是人们多年来对机械胀管经验的总结，主要是为了在较薄的管板(如25ram厚)开两个槽的需要，当管板较厚时，这个尺寸不见得合适，因此，GB151中规定可根据不同的胀接方法修改有关尺寸。同时，“容规”第105条推荐柔性强度胀接时，槽宽等于(1．1—1-3)( ) (d_换热管的平均直径，广换热管壁厚)，如 25×2．5的换热管开槽宽度应为8．7一10．3rnrn之间。因此，对于机械胀接3mm宽的槽是可行的。然而，当使用新型的柔性(液压)胀接时，必须加宽槽的宽度尺寸。由于液压胀接属于柔性胀接，管子的变形规律与机械胀接时不一样。“容规”仅是提出了液压胀接时的推荐槽宽，但没有提出开槽的结构尺寸，目前，国内外的学者主要研究了槽宽的影响，但接头处管板孔的结构参数除了槽宽外，还有槽位置、槽深度、两槽的间隔等，这些参数对液压胀接的影响如何，相关研究工作目前还很少有人涉及。笔者曾对换热器管子与管板胀接接头的结构和连接强度、密封性能进行了试验研究，对不同胀槽宽度、位置、深度和胀接压力下的接头模型进行了试验，分析了其胀后强度，为加深对胀接过程及连接接头性能的理解，提高换热器设计及制造的质量，不断修改和完善现有标准、规范提供了参考数据。 1 试验方法及过程 1．1试件 试验所用的换热管为 25×2的无缝钢管，长度为250ram；管板采用七孔管板模型，管孔外径 25 蛐。换热管胀接于七孔管板的中心孔内，图1为管板试件。 1．3 试验方法及规程 试验时，首先确定本组试件的结构参数及尺寸，并对试验用的管子及管板进行加工；接着进行胀接前的准备工作，其中包括：对管子及管板分别编号，并测量管子的内、外径 ， 及管孔的直径D；然后将管子及管板根据编号一一对应，以待胀接。胀接按液压胀接及机械胀接两组进行。液压胀：液压胀接采用液袋式胀管法。其示意图如图2所示。高压介质经芯轴中,6q：L进入液袋，通过液袋对换热管管壁施加均匀的胀接压力，使换热管产生径向变形而胀接于管板孔内。 机械胀：机械胀接时采用后退式胀管器。采用同样的胀紧程度对试件进行胀接。机械胀时，由滚珠的碾压作用使管壁产生塑性变形，并嵌入管孑L槽内并使管子与管板紧密连接。胀接后的试件，再次测量其管子内径 ，然后进行液压泄漏试验。试验时将胀接好的试件逐个装人专用的试验装置中。水由水泵从容器底部送人，每升压0．5MPa，保压并检漏，直至胀接接头处泄漏为止，并记录泄漏压力。进行液压泄漏试验后，对每个试件在材料试验机上进行胀接接头的拉脱试验，记录拉脱时的载荷，并测量该试件实际的胀接长度以计算连接的拉脱应力q。 图3(a)及(b)分别为液压胀和机械胀试件解剖后的剖面。由图3(a)可见，液压胀接时，管孔槽处管子产生了明显的凹陷，槽边缘处挤压变形明显，但胀槽内仍有微小的空隙未被填满。由图3(b)可见，机械胀接时，管壁金属受挤压后基本填满管孔槽内。 2 试验结果及分析 2．1 胀槽宽度的影响 在其它条件相同，仅胀槽宽度改变的情况下，通过试验研究获得了管孔槽宽对拉脱力、密封性能影响的数据，图4为槽宽对拉脱应力影响的试验结果。表明在液压胀接时，传统所用的3mm管孔槽宽已不再适用，而选用8～lOmm可获得最佳的胀接效果。机械胀接时，槽宽的影响不明显，3～5ram槽宽时的胀接效果均较满意。另外从图4可以看出槽宽为零即无胀槽时，其拉脱强度是较低的。 2．2 胀槽位置的影响 在上述试验的基础上，液压胀接时采用槽宽为8mm、机械胀接时采用槽宽为3mm，其它条件相同的情况下改变胀槽的位置，其结果如图5所示。可以看出，无论是液压胀还是机械胀，目前设计规范推荐采用的管槽距管板管侧表面距离为 8一，在管板较厚时并非为最佳几何尺寸。而当管槽离管板表面15—20mm时，效果较好。 2-3 槽深的影响 从上述试验，确定出在该连接中液压胀较合理的槽宽为8mm，机械胀较合理的槽宽为3mm。以相等的胀接压力胀接时，槽位置距管板端面20ram，改变单槽的深度，分析试验的结果。液压、机械胀试件各一组。计算和比较单槽结构下，仅当胀槽的深度这个参数变化时，试验管孔槽深对拉脱力(或拉脱应力q)的影响，并做水压试验检查泄漏情况，以归纳出最佳的结构形式。图6表达了槽深度对液压和机械胀接接头拉脱应力的影响。结果表明：当槽深度从0．3mm到1．2mm的范围变化时，无论液压胀接还是机械胀接，槽深0．5ram左右的结构均可获得较大的拉脱力。若槽深过小，则胀接强度会显著降低，也比较易发生泄漏。由图6还可发现，槽深对液压胀接性能的影响不太显著。 3 结论 (1)通过单槽管孔胀接结构的研究结果表明，现行的规范(GB151—1999)所拟定的管孔开槽尺寸，对于机械胀接而言是适合的。对于液压胀接(16NnR管板、1 、2 钢钢管)的单槽连接结构的试验结果表明，槽宽8—10ram、槽深0．5ram、槽的位置离管板表面15—20mm较好；对于机械胀接时，槽宽3—5mm、槽深0．5mm、槽的位置离管板表面15 20mm时，可获得较大的连接强度及较好的密封性能。 (2)开槽的结构明显优于无槽的结构。 (3)传统的机械胀接，其强度及密封效果并不比液压胀接差。但是管口的残余应力较大，容易产生应力腐蚀，而且液压胀接生产效率高、操作方便、劳动强度小，因此采用更合理的胀接结构及尺寸，可获得更好的胀接效果。 (4)建议设计、制造规范中增加液压胀接的结构及尺寸。 |
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