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內(nèi)螺紋鋁管脹管時凸筋受到損傷，內(nèi)螺紋鋁管脹管試驗論證的方法和理論嚴謹直接影響內(nèi)螺紋鋁管的傳熱性能。為此，本文采用新的脹管方式對內(nèi)螺紋鋁管機械脹管工藝進行了研究。結(jié)果表明：影響內(nèi)螺紋鋁管凸筋損傷程度的因素有芯頭定徑帶直徑、摩擦條件、脹管方式等，芯頭定徑帶直徑越小，潤滑條件越好，采用多次脹管，凸筋損傷小。分析了幾種常見的管子管板脹接方法,提出了脹接過程中的要求和注意事項。無論是機械脹接還是液壓脹接,均在各類核電換熱器制造中得到了廣泛應用。脹接后,可選取不同的脹接公式進行脹緊率的計算。在核電換熱器的管子管板脹接中,換熱管的壁厚減薄率可根據(jù)脹接方法及脹管要求進行選擇。液壓脹接具有應力均勻、脹接長度大、過渡區(qū)殘余應力小等優(yōu)點。 管子與管板的連接方式有數(shù)種,如焊接、脹接和脹、焊并用連接等。盡管它們各具優(yōu)點,但對運行條件苛刻的大型換熱器來講,若采用上述管、板連接方法,則會因連接處難以避免和處理的應力腐蝕,疲勞斷裂,脆性斷裂等致命缺陷,無法保證其使用壽命和安全運行。管、板脹、焊、脹連接工藝就是為了獲得理想的低應力接頭而進行研究的課題。此項成果已成功地應用于我國第一套高空臺排氣冷卻裝置的大型薄板換熱器的現(xiàn)場加工上,1990 年11 月被建設部評為全國施工新技術(shù)優(yōu)秀項目含脹、焊、脹工藝技術(shù)在內(nèi)的大型壓力容器現(xiàn)場組裝技術(shù)獲四川省1990 年度科技進步一等獎;1991 年又被評為全國安裝行業(yè)科技進步一等獎。

一、原理及適用條件

本工藝的實施步驟是脹-焊-脹。它巧妙地運用脹接過程的超壓過載技術(shù),通過對管與管板的環(huán)形焊縫進行復脹,造成應變遞增而應力不增加,即讓該區(qū)域處于屈服狀態(tài),在焊縫的拉伸殘余應力場中,留下一個壓縮殘余應力體系。兩種殘余應力相互疊加的結(jié)果,使其拉伸殘余應力的峰值大減;二次應變又引起應力的重新分布,結(jié)果起到調(diào)整和均化應力場的效果,最終將殘余應力的峰值削弱到預定限度以下。

本工法適用于管子與管板的脹、焊并用連接型列管式換熱器的工廠或現(xiàn)場加工。管板厚度范圍為16~50mm,材質(zhì)為碳鋼者,應符合GB150-89 第二章2.2 條的規(guī)定;若采用16Mn 時,應分別符合GB3274-88 和GBI591-79 中的有關(guān)規(guī)定;換熱管束應符合

1.對換熱管和管板的質(zhì)量檢查

(1)管子內(nèi)外表面不允許有重皮、裂紋、砂眼及凹痕。管端頭處不得有縱向溝紋,橫向溝紋深度不允許大于壁厚的1/10。管子端面應與管子軸線垂直,其不垂直度不大于外徑的2%。

(2)換熱管的允許偏差應符合表25-1 要求。

(3)管孔表面粗糙度Ra 值不大于12.5μm,表面不允許有縱向或螺旋狀刻痕。

管孔壁面不得有毛刺、鐵屑、油污。

(4)管孔的直徑允許偏差應符合表25-2 規(guī)定。

抽查區(qū)域應不小于管板中心角60°范圍內(nèi)管孔孔徑,允許抽查區(qū)域內(nèi)有4%管孔直徑偏差比表25-2 中數(shù)值大0.15mm。

2.對工藝評定的要求

實施本工法時,必須按照正確方法完成下列工藝評定:

(1)換熱管與管板接頭貼脹工藝評定。

(2)換熱管與管板接頭焊接工藝評定。

(3)換熱管與管板低應力接頭復脹工藝評定。

3.對管子鋁管與管板結(jié)合部位的清理

(1)換熱管管身應清理干凈,保證在穿管時不污損管孔壁畫。

換熱管管端外表面應除銹至呈金屬光澤(但不得出現(xiàn)棱角),其長度不小于二倍管板厚度。

(2)管板孔壁應清除干凈,不得有油漬、污物,并將管孔壁除銹至呈金屬光澤。必要時可用有機溶劑清洗管板孔壁。

4.對工具、機械的要求

(1)使用的電子扭矩搬手應調(diào)走在規(guī)定的扭矩值上,并經(jīng)標準測力計校核。

(2)脹管器應選用前進式不帶翻邊脹珠的直邊脹管器。脹管器尺寸應與管板厚度和管子內(nèi)徑相適應。

(3)脹管器脹桿和脹珠的直度;脹桿和脹珠圓錐度配合;脹珠在巢孔中的間隙;測量脹珠的位移應符合其產(chǎn)品說明書上的要求。

(二)工藝程序

1. 主要工藝程序(見圖25-1)

2.穿管和貼脹不論是采用邊穿邊貼脹,還是穿完全部管子后再貼脹,都要預先設計貼脹順序,以防止管子由于軸向積累伸長而引起管板變形。

貼脹順序設計的原則是:軸向?qū)ΨQ,分區(qū)定點,定距定心,區(qū)內(nèi)反階,間隔跳動。管子與管板放射式脹接程序見圖25-2,管子與管板跳躍式程序見圖25-3。

對于管板較大的換熱器。首先鋁管應按上述原則,按板中心作二條互相垂直的軸線,并沿軸線把管板劃分為若干個小區(qū),這些小區(qū)一定要以中心軸對稱。在對稱的小區(qū)中先選

有代表性的點(即在管板上均布的點)先在那里完成脹接固定,實現(xiàn)二個管板間的走距和定心,在這些點進行脹按時,可以由內(nèi)向外,或由外向內(nèi),原點向四周放射,但一定要按原點對稱進行。

管板在定距定心后,即可開展大面積的脹接。作業(yè)時,分成若干組(按作業(yè)面大小而定),同時在相互對稱的小區(qū)內(nèi)作業(yè),小區(qū)內(nèi)則應按反階式順序進行。

3.貼脹

(1)貼脹要求的環(huán)境條件:環(huán)境氣溫不應低于5℃,不應受雨、雪侵襲。

(2)將電子扭矩搬手調(diào)走在規(guī)定的扭矩值上,并予以鎖定。電子扭矩搬手應在規(guī)定的校驗期內(nèi)使用。

(3)作業(yè)人員應注意搬手的聲光報警,報警后應立即停止作業(yè)。

4.焊接

(1)焊接要求的環(huán)境條件:

環(huán)境氣溫應符合設計要求,如設計無規(guī)定時,其環(huán)境氣溫不低于5℃。手工焊時,其環(huán)境風速應小于10m/s,相對濕度小于90%,且無雨、雪侵襲。

如上述條件不能滿足時,應采取措施,否則應停止作業(yè)。

(2)焊工必須持有鍋爐壓力容器焊工考試合格證。其合格項目應與實際位置相符,并應按本工法的工藝評定試驗考試合格,方可上崗。

(3)焊接前應確認貼脹已完成。焊區(qū)內(nèi)的一切浮銹、抽污、雜物已清除干凈。

(4)焊接順序應與貼脹順序相同。但在鋁管每個小區(qū)內(nèi)直按照反階式順序間隔跳動進行。手工焊時,若管橋間距較小,應考慮將相鄰二管口焊縫的起弧和收弧點錯開。不允許在坡口外引弧。

(5)焊渣及突出于管內(nèi)壁的焊瘤和飛濺物均應清除干凈。

(6)焊縫返修應按返修工藝評定進行。

4.復脹

(1)復脹的環(huán)境條件:復脹時環(huán)境溫度應不低于5℃。且脹接處的管板溫度不低于該管板材料的FTE 溫度。

(2)復脹前焊縫應經(jīng)VT,MT(或PT)探傷合格。

(3)復脹時使用的電子扭矩搬手必須在校驗期內(nèi)。

使用前應先完成復脹工藝評定,再將電子搬手的扭矩值調(diào)定在工藝評定所選走的值上,并予鎖定。

(4)復脹的作業(yè)順序可參照焊接的順序進行。

(5)作業(yè)時當電子扭矩搬手發(fā)出報答信號時,應立即停止作業(yè)。

三、質(zhì)量控制、標準及主要措施

(一)主要質(zhì)量控制流程(見表25-3)

(二)主要的質(zhì)量標準

1.外觀檢查

(1)換熱管的脹接部位和非脹接部位手感檢查應過渡圓滑,不得有棱角。

(2)脹接長度應符合圖紙要求。

(3)用10 倍放大鏡檢查焊縫外觀,應符合下列要求:

1)焊縫尺寸應符合圖紙及規(guī)范要求。

2)表面不允許有裂紋、氣孔、弧坑、夾渣等缺陷,并不得保留有溶渣和飛濺物。

3)在圖紙對咬邊缺陷無特殊規(guī)定時,咬邊深度不大于0.5mm,咬邊總長度不大于焊縫總長的10%。

4)焊縫應向母材鋁管圓滑過渡。如設計需要打磨焊縫時,不得損傷管板母材,且打磨處不得凹陷,局部凹陷不允許超過管板厚度的負偏差。

4)管板的最終不平度應符合設計要求。

2.無損探傷

(1)完成焊接24h 后,用PT(MT)探傷進行檢查,無裂紋為合格。

PT 探傷應符合GB150 一89(壓力容器》規(guī)范附錄H“鋼制壓力容器滲透探傷”。MT 探傷應符合JB3965 一85《鋼制壓力容器磁粉探傷》。

(2)復脹完成后應進行PT 或MT 探傷,探傷標準,合格行要求同焊后探傷。

(3)如認為有必要,可以在水壓試驗完成后再進一次抽查性PT 或MT 探傷,標準同前。抽查部位由設計部門指定,元裂紋為合格。若發(fā)現(xiàn)裂紋,應全部進行PT 或MT 探傷。

3.水壓試驗及煤抽滲漏試驗

(1)煤油滲漏試驗:

對于不能用水壓試驗檢驗其強度及嚴密性的換熱器,應用煤油滲漏試驗進行檢查,無滲漏為合格。

(2)水壓試驗:

所有能夠進行水壓試驗的換熱器,都應進行水壓試驗。

水壓試驗的壓力PT 設計要求確定,當設計無規(guī)定時,按下式計算:

式中 [σ]——試驗溫度下材料許用應力(MPa);

[σ]t——設計溫度下材料許用應力(MPa);

P——設計壓力(MPa)。 4MPa 的低合金鋼材料的殼體或管板,在水壓試驗時,試驗水溫不低于15℃,如圖紙另有特殊規(guī)定,則按其規(guī)定執(zhí)行。

試驗時,應緩慢升壓至試驗壓力,穩(wěn)壓30min,然

若[σ]/[σ]t 值大于1.8 時,按1.8 計。

試驗水溫一般不低于5℃,對于σs>后緩慢降壓至試驗壓力的80%,對全部焊縫進行檢查,無滲漏為合格。

(三)控制質(zhì)量的主要措施

(1)為了保證管板的不平度鋁管,應設置若干個監(jiān)測點,用百分表對管板進行動態(tài)監(jiān)測,根據(jù)檢測數(shù)據(jù),調(diào)整作業(yè)順序。監(jiān)測點應均勻分布于管板上,而且每次作業(yè)時的監(jiān)測點應在同一部位。

(2)考試合格的焊工在作業(yè)之前應進行適應性訓練,訓練時的管板孔幾何尺寸(不含厚度尺寸)及管子直徑,壁厚應與實物相同。

(3)為了保證管子與管板孔焊接質(zhì)量,貼脹時脹管器不應用潤滑脂潤滑。

(4)焊條的保溫筒應先進行預熱,然后再裝人焊條進行,不允。使用時,不得使其處于敞口狀況。

(5)管板背面一側(cè)孔口,宜倒棱圓滑,倒棱尺寸為0.5mm×0.5mm,以為提高抗疲勞能力。

(6)管體和簡體的水壓試驗應分別許同時進行。試驗時應注意排盡試壓腔內(nèi)的氣體。放水時,應先打開放氣閥,并應使放水速度不致過大。

四、機具設備

機具設備的型號和數(shù)量與設計、作業(yè)內(nèi)容、工程規(guī)模等因素有關(guān)。對于焊接設備、脹管機具、監(jiān)測儀表的數(shù)量,還取決于實施本工藝中的規(guī)模、工期與勞動組合。

1.貼脹工藝評定的機具設備

(1)材料拉力試驗機60~100t 1 臺

(2)單管試壓器9.80MPa 1 件

(3)軸承式脹管器ф19~ф50 1 件

(4)電子扭矩搬手DDB515 1 件

(5)電動試壓泵泵14.7MPa 1 件

2.焊接工藝評定的機具設備

(1)焊接設備:

其型號取決于設計規(guī)定,如規(guī)定為手工電弧焊時:

直流電焊機Ax3 一300 一1 1 臺

(2)試件加工設備:

銑床 1 臺

平面磨床 1 臺

(3)金相設備:金相顯微鏡xJ16 1 臺

(4)維氏硬度計 1 臺

(5)10 倍放大鏡 1 個

3.低應力接頭工藝評定

(1)電阻應變儀YJD 一1 1 臺(套)

(2)電阻應變花TJ 一120-1.5 一ф1.5 15 片

(3)回轉(zhuǎn)式噴吵打孔裝置PSJ 一1 1 套

(4)殘余應變花TJ 一120 一1.5 一ф1.5 15 片

(5)測力計CLJ 一1 1 臺

(6)扭矩傳感器 1 件

4.脹焊脹施工機具設備

(1)軸承式脹管器 1~20 件

(2)電子扭矩搬手DDB515 1~20 件

(3)焊接設備(型號由設計定) 1~6 臺

五、勞動組織

一臺換熱器直徑為ф57×3.5,管束為400 根的固定管板式換熱器,其脹、焊、脹工藝的勞動組織如下:

管工 2 人 6 天

焊工 4 人 13 天

焊接技術(shù)人員 1 人總工期15 天

質(zhì)量檢查員 1 人

無損探傷人員 1 人

六、安全措施

(1)加強安全教育,建立安全交底,檢查制度,人人明確本工種的安全操作規(guī)程。

(2)電焊機、殘余應力打孔機的空壓機等用電設備必須有良好的接地或接零,電焊機的二次線路通過道路時應外加保護套管。用電設備應有防雨淋設施。

(3)單管水壓試驗時,壓力表盤直徑不小于φ100mm,精度為1.5 級,量程為試驗壓力的1.5 倍,壓力表應經(jīng)計量部門校驗合格。試驗壓力必須小于試壓器的允許工作壓力。

(4)用銑刀銑削試件時,應穿好工作服,戴防護眼鏡。

即消除殘余應力后的最大允許裂紋尺寸比未消除殘余應力的最大允許裂紋尺寸大1.5 倍,其允許使用壽命就長。

另外,從應力腐蝕角度而言,作用于構(gòu)件的殘余應力危害程度比外加荷載更為嚴重,故殘余拉應力愈大,腐蝕速率愈快,因此,消除殘余拉應力可以大大降低應力腐蝕的危害,延長使用壽命,這是顯而易見的。

八、經(jīng)濟效益和社會效益

本工法采用了國內(nèi)最新的管子與管板脹、焊、脹連接工藝,解決了大型高溫熱交換器早期損傷泄漏的難題,為我國第一一套高空臺排氣冷卻裝置的配套投入使用,發(fā)揮了極為關(guān)鍵的作用和效果。給國家節(jié)約了大量的外匯,并為我國般天科技的發(fā)展贏得了寶貴時間。今后若能在石油、化工和鍋爐制造、安裝等領(lǐng)域推行本工法,定會帶來更大的經(jīng)濟效益和社會效益。

九、應用實例

本工法曾在我國目前最大直徑的換熱器上得到成功應用。

該換熱器為排氣冷卻裝置的第二冷卻器,直徑φ6140mm,長10850mm,總重386t,有4610 根換熱管和支撐管。它的主要功能是將1000℃的高溫燃氣冷卻到150℃。該換熱器的管子與管板采用本工法的連接工藝進行連接,獲得了滿意效果,其達到的技術(shù)指標見表25-4。