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锆换热器管子-管板强度胀接头的试验研究点击：1999 日期：[ 2014-04-26 22:01:05 ] |
| 锆换热器管子-管板强度胀接头的试验研究 袁 彪1,2,王应植2,马 歆2,郑杨艳2,唐支翔3,奚延安3 (1.南京工业大学,江苏南京 210009; 2.江苏省特种设备安全监督检验研究院,江苏南京 210003; 3.南京宝色钛业有限公司,江苏南京 211100) 摘要：通过拉脱试验和密封性能试验研究了工作温度和胀管率等因素对锆换热器管子-管板接头 连接强度和密封性能的影响。试验结果表明,①在其它参数不变的情况下,采用橡胶柔性胀接的 Zr/16MnR和Zr/316L管子-管板接头的拉脱强度随着工作温度(20~300℃)的增加而呈直线下 降。②锆管胀接接头的拉脱强度随着温度的增加而下降的速度比钛管胀接接头要快,即锆管胀接 接头拉脱强度受温度的影响更为明显。③在试验的胀管参数和试验温度下,其拉脱强度可以满足 相关标准规范中[q]≥3.0MPa的要求。④随着工作温度(20~300℃)的升高,其接头的密封性能 显著下降。⑤采用橡胶柔性胀接加机械滚胀可以较大幅度地提高胀接接头的密封性能。在此基础 上,提出了锆材换热器管子-管板强度胀接头的主要设计和制造要点。 关键词：换热器;锆;强度胀;连接强度;密封性能;设计;制造 中图分类号：TG406 文献标志码:B 锆材对大多数有机酸、无机酸、强碱和一些熔融 盐具有良好的耐腐蚀性,同时又具备良好的可加工 性和可焊性。因此,锆材在醋酸、农药等行业作为压 力容器用材已经越来越普遍[1,2]。 锆的化学性质活泼,对C、O2、H2以及N2有很 强的亲和力。锆在315~1000℃强烈吸氢,400℃ 以上强烈吸氧,在800℃以上强烈吸氮。氢、氧、氮 可与锆形成脆性化合物,不但使锆的塑性和韧性变 差,而且使锆的耐腐蚀性能急剧降低。其中氧对塑 性和韧性的影响大,而氮对耐蚀性的影响大[2,3]。 另外,锆熔点较高,导热系数较低,线膨胀系数仅为 奥氏体不锈钢的1/3。 由于锆的特殊理化特性,锆材压力容器在制造 过程中的工艺技术和质量要求非常严格,尤其是锆 换热器中管子与管板的连接更是锆材设备制造过程 中的主要技术难点[4~7]。同时,由于锆材价格昂贵, 国内外对锆材设备制造过程中关键技术的研究远没 有像对碳钢、低合金钢和不锈钢等材料的研究那样 充分和成熟[8,9]。例如,对在较高温度下服役的锆 管强度胀接头,材料线膨胀系数差、胀管率以及管板 密封槽等对接头拉脱强度和密封性能的影响等都还 缺乏研究,在接头的设计和制造方面缺乏试验验证 和经验的积累。 文中通过对锆材的理化特性进行分析,对锆换 热管-管板强度胀接头在不同温度、不同胀管参数下 的连接强度和密封性能进行试验研究,提出了锆材 换热器管子-管板胀接接头在设计制造中的主要技 术要点。 1 锆材特性 在役管壳式换热器中,管子-管板连接接头处最 易发生泄漏。当管子采用锆材,管板采用奥氏体不 锈钢或低合金钢时,锆材特殊的力学特性使得连接 接头的设计、制造更为复杂,不仅要求接头具有良好 的韧性、抗腐蚀性,还要求其具备足够的强度及良好 的密封性能。锆702的主要理化性能及其与钛和奥 氏体不锈钢的比较见表1。 从表1可以看出,锆材主要理化性能的特点可以用“一高、两大、三小”来概括,即熔点高、热导率 大、化学活性大、比定压热容小、弹性模量小、线膨胀 系数小。此外,锆材的冷作硬化倾向和缺口敏感性 也都比较高。 由于锆材这些特殊的理化特性,使得在管子-管 板胀接接头的设计制造中必须充分考虑以下几个方 面的问题: (1)当管子为锆材,管板为奥氏体不锈钢或低合 金钢时,由于锆材的热胀系数非常小,当使用温度较 高时,接头的拉脱强度和密封性能会受到什么样的 影响。 (2)锆材的冷作硬化倾向和缺口敏感性较高,在 管子-管板接头的设计、制造中有何特殊要求。 (3)如何针对锆材管子-管板接头的特殊性,制 定充分和适当的检验试验计划。 2 拉脱强度试验 换热管-管板采用强度胀接时,必须保证接头具 有足够的拉脱强度。为此,进行了两组拉脱强度试 验,即管板孔开槽与不开槽对胀管参数和拉脱强度 的影响以及不同试验温度和不同胀管率对拉脱强度 的影响。 2.1 试验1 对5组管孔开槽的接头试样和管孔不开槽的接 头试样进行胀接和拉脱试验。试验中采用的模拟管 板厚度50mm,胀接长度43mm。管板孔内开2道 4×0.5mm的槽,槽中心间距为10mm,最外1道 槽距离管板正面23mm。管孔开槽的接头试样见 图1。 试样胀接中的油压控制在32~36MPa。强度 试验在30t液压式万能材料试验机(WE-30)上进 行。试验获得的管板开槽和不开槽胀接接头拉脱强 度见图2。从图2中可以看出,在相同胀接参数下, 管孔开槽接头的拉脱强度比不开槽接头的拉脱强度 要高得多。 2.2 试验2 共进行3组接头的拉脱试验: (1)Zr换热管/16MnR管板胀接接头,其中管 子规格为Φ19mm×3.2mm,材质R60702。 (2)Zr换热管/316L管板胀接接头,其中管子 规格为Φ25.4mm×2.5mm,材质R60702。 (3)Ti换热管/16MnR管板胀接接头,其中管 子规格为Φ25.4mm×1.2mm,材质TA2。此组试 验用于对比。 试验中采用的模拟管板厚度为50mm,胀接长 度43mm。模拟管板结构分别采用了3孔板模型 和9孔板模型(管子胀接在位于中心的3个孔内), 每个管板孔内开有2道4×0.5mm的槽,槽中心间 距为10mm,最外1道槽距离管板正面23mm。其 管子-管板接头试样模型见图3。 在胀接试验中,对于不同的材料组合,其油压控 制在24~36MPa。强度试验在带有自制电加热装置的30t液压式万能材料试验机(WE-30)上进行。 试验获得了Zr/16MnR、Zr/316L和Ti/16MnR管 子-管板接头的拉脱强度与试验温度的关系图,见图 4和图5。 从图4和图5中可以看出,在试验温度范围内, 随着加热温度的增加,Zr/16MnR、Zr/316L和Ti/ 16MnR管子-管板接头的拉脱强度均大体呈直线下 降,Zr/16MnR管子-管板接头在250℃、300℃时的 拉脱强度分别下降至常温时的59.2%、46.9%;Zr/ 316L管子-管板接头在250℃、300℃时的拉脱强度 分别下降至常温时的48.9%和37.2%;Ti/16MnR 管子-管板接头在250℃、300℃时的拉脱强度分别下降至常温时的58.0%和46.9%。 2.3 试验结果 (1)Zr/16MnR、Zr/316L、Ti/16MnR这3种接 头的拉脱强度下降速率分别约为0·027MPa/℃、 0·03MPa/℃和0·022MPa/℃。即随着加热温度 的上升,Zr管接头的拉脱强度比钛管接头下降得更 快,同时Zr/316L接头又比Zr/16MnR接头下降得 更快。因此,当Zr/316L接头用于高温工况时,要 特别注意其连接强度的变化,以确保使用安全。 (2)当胀管率变化时,Zr/16MnR接头的拉脱强 度试验数据比较分散,拉脱强度与胀管率的关系不 是很明显,随着胀管率的增加,拉脱强度有时增加, 有时减小。这可能有两方面的原因,一是对于采用橡 胶柔性胀接的管子-管板强度胀接接头,当管孔开槽 时,管子在开槽处凹陷较深,接头的拉脱强度主要取 决于凹陷处管子-管板间的挤压和剪切强度,而受管 子-管板间残余接触压力(和胀管率相关)等因素的影 响相对较小。二是胀管率计算公式带来的误差。 胀管率S的计算公式如下: 式中,d1在为管子胀后内径,d2为管子胀前内径,d3 为管子胀前外径,D为管板孔径,δ为管子壁厚,mm。 对比上述胀管率公式和管子的实际几何参数可 知,0.02mm的测量误差就可能引起胀管率变化 1个百分点。而橡胶柔性胀接时,胀管率的值一般 不超过5%。这样,由于管子圆度等所引起的较小 的测量误差也将使得胀管率误差相对较大。总之, 对带有管板密封槽,同时管子管板材料的线膨胀系 数差且较大的胀接接头,胀管率对拉脱强度的影响 规律尚待进一步试验研究。 (3)对于橡胶胀接的Zr/16MnR和Zr/316L管 子-管板接头,在试验的胀管率和试验温度下,其拉脱强度可以满足相关标准规范中许用拉脱力[q]≥ 3.0MPa的要求,但是在250℃以上时,其拉脱强度 已经接近3.0MPa的要求。 3 密封性能试验 密封性能试验在自制的带有管子-管板结构的 小型密封容器上进行。 3.1 试验参数 (1)换热器壳体 选用材质为16MnR,规格为 Φ273mm×12mm×480mm的无缝钢管。 (2)管板 厚度为50mm,材质为16MnR,共开设 36个管孔,从内到外分为3层。其中,最外侧18个孔 为非试验用孔,采用焊接连接;最内侧6个管孔为锆管 胀接,编号Z1~Z6。为便于与钛管进行比较,中间层 12个管孔采用钛管胀接,编号为外侧T1~T12。每个 管孔内同样开2道4×0.5mm的槽,槽中心间距为 10mm,最外一道槽距离管板的正面23mm。 (3)换热管规格 Zr管Φ25.4mm×1.65mm, Ti管Φ25.4mm×1.2mm。 3.2 试验过程 密封试验介质为导热油,采用热电偶测定介质 温度,手动油泵进行加压。试验中采用电阻丝加热 导热油并同时加压的方法。 在50、100、150和200℃这4个温度等级下,分 别缓慢升压至0.5、1.0、1.6、2.5和3.5MPa,检查 介质渗漏情况。对试验过程中部分发生泄漏的接 头,采用机械滚胀的方法进行补胀。 3.3 试验结果 (1)随着温度的升高,锆管和钛管胀接接头的密 封性能显著下降,并且锆管接头比钛管接头更容易 泄漏。 (2)对于锆管和钛管的橡胶柔性胀接接头,若辅 以机械滚胀,接头的密封性能将得到显著提高。 4 设计、制造要点 (1)试验结果表明,锆材管子-管板胀接头的拉 脱强度和密封性能随着使用温度的增加呈直线下降 的趋势。因此,在锆材换热器设计中对管子-管板接 头的连接方法应优先选用焊接方法,特别是在较高 使用温度下,管子用锆材,而管板采用奥氏体不锈钢 时,由于前者的线膨胀系数仅为后者的1/3,应尽量 避免采用强度胀。某些特定情况下必须采用强度胀 时,则应通过采取管板开槽和控制胀管参数等措施 确保接头的拉脱强度和密封性能。 (2)锆材具有一定的冷作硬化倾向、弹性模量低 及对缺口敏感的特性。因此,通常需要对设计的换 热器进行振动分析。 (3)接头制造过程中应选择适当的胀接方法(如 锆管胀接一般不宜直接选用机械胀)、胀接参数和胀 接工艺等。 (4)接头采用强度胀加密封焊时,优先选用先胀 后焊。这样有利于获得较高的胀接质量,也避免了 胀接使得密封焊产生裂纹的可能,同时密封焊的质 量也更好。 (5)设备制造过程中,针对接头的胀接部分,除 需要制定好专门的胀接工艺外,通常还需要编制一 份完整适用的检验和试验计划。这些计划至少应包 括检查管子、管板表面(含爆炸复合层);检验管子、 管孔的有关尺寸及其偏差;检验管孔和管端的清理; 检查管子的插入和胀管情况;进行气密性试验、氦检 漏试验以及耐压试验;必要时进行热循环试验等,以 确保接头的质量。 (6)设备的操作温度较高时,通常需要进行热循 环试验。 5 结语 文中总结归纳的锆材换热器设计、制造要点已成功应用在某制造厂为日本一家公司订购的管板基 层材质为不锈钢、复层材质为锆板(松衬结构)且要 求管子-管板接头采用强度胀加密封焊的锆材换热 器的制造中,由此证明了此工艺的可靠性。 参考文献: [1] 张海波,崔 军,汪 兵,等.锆制压力容器的研制[J].压力容 器,2001,18(9):278-280. 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