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液压胀管法在冷凝器上的应用 马青年， 周林云 合肥通用机械研究院， 安徽 合肥2 3 0 0 3 1 摘要 主要介绍 了液压胀管的胀管压力的理论计算和试验情况 以及在设备上的实际应用。 关键词 冷凝器； 液压胀管； 胀头 中图分类号 T Q 0 5 1 ． 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 0 6 0 0 4 1 0 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 0 9 ． 0 6 ． 0 0 1 0 Hy d r a ul i c Tub e Ex pa n de r M e t ho d o f App l i c a t i o n i n t h e Co n de n s e r MA Qi n gn i a n，ZHOU Li ny u n H e f e i G e n e r a l Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， H e f e i 2 3 0 0 3 1 ， C h i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s h y d r a u l i c t u b e e x p a nd e r o f t he t u b e e x pa nd e r pr e s s u r e o f t h e t he o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s a n d e x p e r i me n t s，a s we l l a s i n t h e pr a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f t h e d e v i c e ． Ke y wo r ds c o n d e n s e r； b ul g i n g h e a d； h y d r a u l i c t u b e e x pa n d e r 1 概 述 某石化公司乙烯装置中有 3台按 T E MA标准制 造的冷凝器 ， 管子与管板 的连接采用密封焊 强度 胀 ， 设计 中要求强度胀并采用液压胀接法 。在 压 力容器安全技术监察规程 以下简称“ 规程” 中对 采用柔性胀接时要求 胀接前 ， 应通过计算胀管压力 进行试胀 ， 对于贴胀拉脱力应达到 1 MP a ， 强度胀拉 脱力应达到4 M P a 。 规程 对于如何计算没有给出 明确的公式 ， 国外的各种规范 中也没有相应的计算 公式 。文中介绍 了胀管压力值的理论计算方法及实 际使用情况 。可以确定 设备上强度胀 的胀接压力 值。胀管设备采用合肥通用机械研究院在北京的原 通华公司开发生产的 3 0 0 M P a数字程控 液压胀管 机 ， 每个管 口的胀管操作由程序 自动完成 ， 胀头采用 可更换 的橡胶袋囊 ， 囊 内介质为普通水 ， 3台冷凝器 的全部胀管过程只用了一支胀杆 ， 胀接质量 十分可 靠， 成本也很低。 2 胀管压力的计算 液压胀管就是在换热器的管板和换热管需要胀 接的一段 区域 内， 通过液体介质的传递 ， 将一个均匀 的径向压力作用在管壁上。当压力增大到一定程度 时， 管子将产生径向扩张与管板孔贴合 ， 其贴合的紧 密程度与压力 的大小有关 。当施加 的压力偏小时， 管子和管板孔间的胀紧力度不够 ， 不能满足规范要 求 ， 当施加的压力过大时会产生过胀现象。因此选 择合适 的胀管压力值是十分重要的。根据材料力学 从管板和换热管在胀接过程中的受力与变形过程分 析， 可以将管板上每个被胀接管 口周围的管桥简化 成一个壁厚为管桥高度 的外层厚壁 圆筒 ， 管子作为 内层圆筒 ， 组成一个两端开 口的双层组合 圆筒来进 行计算。假设液体 压力 P作用在管子 内壁上是均 匀分布 ， 如图 1 所示 J 。 41 液压胀 管法在冷凝器上的应用 V o 1 2 6 ． N o 6 2 0 o 9 b 图 1 双层简体 内壁在压力的作用下 ， 其轴 向变形是 个微量 ， 可以忽略不计 ， 其径向变形基本可划分为三 个阶段。根据材料的弹塑性理论和 T r e s e a屈服条 件， 可以导出各个阶段的压力计算公式 ] 。 2 ． 1 第一阶段 当液体压力 P作用在管子内壁上时， 管子首先 开始弹性变形， 随着压力的增高， 材料到达弹性极限 后进人屈服状态 ， 塑性区域 由内向外扩展直至管子 外表面。计算式为 P o o r s l I n K1 1 式中 蜘 管子材料的屈服限， M P a K 管子内外径比， K d ／ d d 管子外径 ， m m d 管子内径 ， mm 此时管子内的压力值被称为 管子全屈服时的 压力值 尸 n 。 2 ． 2 第二阶段 当液体压力 P继续增加 ， 管子外表面屈服后 向 外扩张变形与管板孔壁贴合产生接触压力 。随着 内 压力的增加， 管板孔内表面的接触压力也随之增大 ， 内表面的材料由开始弹性变形逐渐到达弹性极限状 态， 计算式为 P s o r s l I n K l 盟 K 2 一1 ／ 2 2 式中 管板孔内外径 比， K 2 D ／ D D 管板孔外径 ， m m， D 2 SD D 管板孔内径， m m ． 42． ．s 两管板孔的中心距 ， m m 管板材料的屈服限， MP a 这时管子内的压力值被称为 管子全屈服 、 管板 孔 内表面弹性极限时的压力值 P 。 2 ． 3 第三阶段 当液体压力 P继续在管子内升压 ， 管板孔 内表 面的接触压力不断增大 ， 管板孔 内表面材料由弹性 极限状态逐渐进入屈服状态， 并且塑性 区域逐渐向 外扩展， 当达到管板孔外表面的材料屈服时， 计算式 为 P r o r s l I n K l 盟 I n K 2 3 这时管子内的压力值被称为 管子全屈服、 管板 孔全屈服时压力值 Jp 。 式 1 ～ 3 是将管子与管板的受力与变形简 化成一个独立的双层筒体理想 变形 的情况推算出 来 ， 计算式 比较直观， 只涉及管子 、 管板的 4个几何 尺寸和 2个材料性能参数即可计算出各阶段管内压 力值 在实际应用时这 2个材料性能参数最好是实 测值 ， 如果采用手册上查取的值 ， 计算出的压力值要 作修正 。 对于管子、 管板在整个胀接过程 中的变形与胀 管压力 P的关系以及胀接效果， 可以结合上述 3个 计算式计算的压力值进行综合考虑。 当胀管压力 PP 时 ， 管子在压力的作用下产 生塑性流动 ， 直径向外扩张， 当压力卸除后管子不能 恢复原状。P 。只作为工程 中的一个参考值。 当胀管压力 PP 时 ， 管子与管板孔内壁间产 生最大的弹性极限接触压力 ， 当压力卸除后 ， 由于管 子的材料已经达到全屈服 ， 变形不能完全恢复 ， 而管 板的变形在弹性阶段可 以恢 复， 这样管板孔将管子 紧紧抱紧， 达到胀紧的 目的。因此这个压力值是理 想的胀管压力值 。 当胀管压力 PP 时， 管子与管板孔的材料都 处于全屈服状态， 管板孔也产生塑性变形 ， 当压力卸 除后， 由于管子与管板的变形都不能完全弹性恢复， 以致失去胀紧效果。因此这个压力值是一个不允许 的值 ， 产生了过胀现象。 实际工程 中的冷 凝 器 的材 料参 数 换 热 管 0 2 5 ． 4 m i l l 2 ． 3 n l m， 材料 S A 2 1 3 T P 3 0 4， 实测 i_-3 8 5 MP a ， 管子从 日本进 口， 管板厚度 1 0 8 m m， 材 料 S A 1 8 2 F 3 0 4 H， 实测 盟／3 4 5 M P a， 管孔 内开宽 度 4 m m， 深 0 ． 4 m m的双槽 ， 管孔为 △形排列， 孑 L 间 距3 2 m m。代入式 1 ～ 3 ， 即可得到冷凝器管子 第 2 6 卷第 6期 压 力 容 器 总第 1 9 9期 3个受 力 阶段 的压 力 值 P D7 6 ． 2 4 MP a ； P s 1 71 ． 0 4 MPa； Pr21 2． 8 5 MP a。 3 模拟试验 为了确定合适 的实际要采用的胀管压力值 ， 需 要进行试验验证 。为此制作 了一块模拟试板 ， 厚度 1 0 8 m m， 开 了 1 8个管孔 ， 并且管孔 内均开宽度为 4 m m、 深度 0 ． 4 mm的双槽 ， 试件如 图2所示。 由于这批冷凝器管束是按数量从 日本定制 ， 无 多余的管子 ， 模拟试件选用了参数接近 的国产材料 表 1 J l I l l l l l b 图 2 模拟试板 代替 。试样 的管子规格 0 2 5 ． 3 m m2 mm， 材料 1 C r l 8 N i 9 T i ， 实测 s ≥3 4 5 MP a 。试样 的管板材料 4 5 钢 ， 实测 ≥3 9 5 MP a 。根据式 1 ～ 3 计算 出 P o5 9 ． 4 MP a ； P s1 6 7 ． 9 4 MP a ； Pr 2 1 6 ． 9 2 MPa。 试板管孔编号见图 2 ， 试验时根据理论公式 的 计算选取了 4个值进行胀管试验。 第一次首先使 用 P 。计算近似值 6 0 M P a进行 胀管 ， 胀接 3根管子 编号为 1 ， 2 ， 3 ， 管子外径有 扩大 ， 但与管孔未贴合 ， 用手即可取 出。用卡尺和内 径千分尺测量模 拟试 样胀 接前 后的尺寸记录见表 1 。 管子 未胀时管板 未胀 时管子 未胀 时管子 胀后管子 施加胀管 胀后管子 编号 孔直径 d ， m m 外直径 d o mm 内直径 d 。 mm 内直径 d 2 mm 压力 P MP a 外直径 d d m m 1 2 5． 7 2 5． 3 21 ． 4 8 21 ． 5 5 6 0 25 ． 39 2 2 5． 6 7 2 5． 3 21 ． 4 8 21 ． 6l 6 0 2 5． 4 4 3 2 5． 6 5 2 5． 3 21 ． 3 0 21 ． 5 0 6 0 2 5． 45 第二次使用 计算近似值 1 6 8 MP a进行胀管， 胀接 7根管子 编号为 5 ， 6 ， 8 ， 9 ， 1 0 ， 1 3 ， 1 4 ， 胀接后 管子只用手不借助工具是推拉不动 的， 用铜棒轻轻 敲击管子， 从敲击的声音可辨出管子与管孔已接触 ， 但未完全贴紧， 稍微用力敲击管子就 出现滑动现象。 随即把管子全都敲出 ， 从敲出的管子观察到 管子与 管孔接触 的一段外表面 已露 出金属光泽， 并且有两 道浅浅的槽痕 。测量管子外径 ， 测出的数据见表 2 。 第三次换管子重新胀 ， 分别使用 P ／ 2计 算近似值 1 9 0 MP a胀了 l 5根管 编号为 0～7 ， 1 1～ l 8 ， 用 2 0 0 MP a胀 接 3根管子 编号 为 8 ， 9 ， 1 0 。 胀接后用铜棒敲击管子都未松动 ， 从敲击的声音也 可辨 出管子与管孔已贴紧。用手指摸管子内表面有 微量 凹槽 。 然后将每根管子末端 口进行封焊 ， 另一面用盲 板法兰连接 ， 进行水压试验 试验装置见图 3 。压 力逐级升压 P 0 1 3 5 一 l O 一1 8 MP a ， 水压 在 5 M P a时观察到有 6 ， 9 ， 1 2 ， 1 3四根管子有不同程 度的气泡和水珠慢慢地渗出， 在 1 0 MP a时观察到另 有 l 4 ， 1 5 ， l 7 ， 1 8四根管子有水珠渗出， 另有 0号管 子从管板孔 中伸出 5 m m， 并有水珠渗出， 在 1 8 M P a 时其余管都很好， 没有泄漏和滑出现象。试样胀接 前 、 后的尺寸， 胀管压力及水压试验情况见表 3 。 43- 液压胀管法在冷凝器上的应用 V o 1 2 6 ． N 0 6 2 0 0 9 管子 未胀时管板 未胀时管子 未胀时管子 胀后管子 施加胀管 胀后管子 敲出后外 编号 孔直径 d m m 外直径 a o m l T 1 内直径 d m m 内直径 d m m 压力 P MP a 外直径 d d m m 表面情况 5 2 5 ． 7 4 2 5 ． 3 2 1 ． 4 8 2 1 ． 9 0 1 6 8 2 5 ． 7 4 有槽痕 6 2 5 ． 7 0 2 5 ． 3 2 1 ． 4 6 2 1 ． 8 6 1 6 8 2 5 ． 7 0 有槽痕 8 2 5 ． 6 1 2 5 ． 3 2 1 ． 4 8 2 1 ． 7 8 l 6 8 2 5 ． 6 0 有槽痕 9 2 5 ． 6 2 2 5 ． 3 2 1 ． 4 8 2 1 ． 7 9 1 6 8 2 5 ． 6 l 有槽痕 1 0 2 5 ． 6 2 2 5 ． 3 2 1 ． 4 8 2 1 ． 8 0 1 6 8 2 5 ． 6 2 有槽痕 1 3 2 5 ． 6 6 2 5 ． 3 2 1 ． 4 8 2 1 ． 8 4 1 6 8 2 5 ． 6 6 有槽痕 1 4 2 5 ． 6 2 2 5 ． 3 2 1 ． 4 4 2 1 ． 7 6 1 6 8 2 5 ． 6 2 有槽痕 图 3 试压装置 板 表 3 4 分 析 从试验情况看， 当胀管压力 6 0 MP a时 ， 从数据 可以看到管子内外径有扩大变形 ， 但变化量很小， 管 子与管板未 接触 ， 管板 未受 力。当胀 管压 力 1 6 8 M P a时， 敲出的管子与管孔接触的一段外表面露 出 金属光泽和两道浅浅的槽痕 ， 说明管子与管孔 已消 除间隙， 从所列的数据看到胀接后管子外径与管板 孔径相同， 管子内径胀接前后的尺寸变化量也说明 管子外表面与管孔表面相互间已经接触 ， 但这尺寸 管子 未胀时管板 未胀时管子 未胀时管子 胀后管子 施加胀管 水压试验情况 编号 孔直径 d m m 外直径 d o mn 1 内直径 d 。 m m 内直径 d m m 压力 P M P a O 2 5 ． 6 2 2 5 ． 3 2 1 ． 3 4 2 1 ． 6 9 1 9 0 漏 1 2 5 ． 7 2 5 ． 3 2 1 ． 1 6 2 1 ． 6 6 1 9 0 好 2 2 5 ． 6 7 2 5 ． 3 2 1 ． 3 4 2 1 ． 7 4 1 9 0 好 3 2 5 ． 6 5 2 5 ． 3 2 1 ． 3 4 2 1 ． 7 5 1 9 0 好 4 2 5 ． 6 5 2 5 ． 3 2 1 ． O 2 1 ． 4 8 1 9 0 好 5 2 5 ． 7 4 2 5 ． 3 2 1 ． O 2 1 ． 5 5 1 9 0 好 6 2 5 ． 7 0 2 5 ． 3 2 1 ． 3 4 2 1 ． 8 0 1 9 0 漏 7 2 5 ． 7 2 2 5 ． 3 2 1 ． 0 ． 2 1 ． 5 7 1 9 0 好 8 2 5 ． 6 1 2 5 ． 3 2 1 ． 3 4 2 1 ． 6 8 2 0 0 好 9 2 5 ． 6 2 2 5 ． 3 2 1 ． 3 4 2 1 ． 6 8 2 0 0 漏 1 0 2 5 ． 6 2 2 5 ． 3 2 O ． 9 2 1 ． 5 4 2 0 o 好 1 l 2 5 ． 6 5 2 5 ． 3 2 1 ． 3 4 2 1 ． 7 2 1 9 0 好 1 2 2 5 ． 6 6 2 5 ． 3 2 1 ． 1 6 2 1 ． 6 7 1 9 0 漏 1 3 2 5 ． 6 6 2 5 ． 3 2 1 ． 0 2 1 ． 5 4 1 9 0 漏 1 4 2 5 ． 6 2 2 5 ． 3 2 0 ． 9 2 1 ． 5 2 1 9 0 漏 1 5 2 5 ． 6 4 2 5 ． O 2 1 ． O 2 1 ． 7 4 1 9 0 漏 1 6 2 5 ． 6 6 2 5 ． 3 2 1 ． O 2 1 ． 4 1 1 9 0 好 1 7 2 5 ． 6 6 2 5 ． 3 2 1 ． O 2 1 ． 4 3 1 9 0 漏 l 8 2 5 ． 6 4 2 5 ． 3 2 1 ． 0 2 1 ． 5 2 1 9 0 漏 注 O 管子滑出5 mm。 变化量只是未胀管时管子与管孔间的间隙量 ， 由敲 和 2 0 0 MP a时， 从测量的管子内径数据变化量说 明 击松动情况看到胀紧度偏小。当胀管压力 1 9 0 MP a 间隙已完全消除 ， 敲击无松动现象说明管板孔已把 44 第 2 6卷第 6期 压 力 容 器 总第 1 9 9期 管子抱紧。从水压试验情况看到 在压力 1 0 MP a 时 只有一支管子滑出， 其余管子都无滑动现象， 说明这 个胀管压力下的管子与管板胀紧度能保证 ， 可以满 足 容规 强度胀拉脱力 4 M P a的要求。但是水压 试验时有的管从 5 MP a 时就泄漏 ， 本文认为 1 管 孔内开槽 ， 对提高拉脱力和密封性有一定作用 ， 但槽 宽仍按机械胀的宽度是不合适的， 即使压力再提高， 槽难以填满； 2 检查试验 的管子外表面存有纵 向 的划痕； 3 加工时试验管板 的管孔内壁表面光洁 度较差 ； 4 孔 内槽 的加工较难保证 尖角尺寸和光 洁度。所以， 即使再提高施加 的压力值也无法保证 其密封性 ， 如 9号管在水压试验 5 MP a时就产生了 泄漏。 由试验结果分析 如果选用 P 作为实际强度胀 管的压力值 ， 拉脱力偏 小 ， 不 能满足 容 规 要求。 选用 P P ／ 2计算值胀管 ， 管板孔可能会产生部 分塑性 区， 但到不 了外简体 1 ／ 2壁厚部位。公式 的 计算值是根据一个简化成独立的双层简体按照理想 受力变形得出， 由于实际液压胀管 时是按序单个管 进行胀接 ， 相邻管孔的管桥对其有着支撑和加强作 用 ， 推导过程中忽略了管板的边界条件 ， 实际上管板 是一块具有多孔的整板 ， 管桥问是相互连接的， 必然 存在着约束力 ， 计算模型 中外筒体 的壁厚 以管桥尺 寸确定 比起实际情况来是偏小 的， 因此在实际工作 中压力值可以适 当提高。由试验结果看到选用 P P ／ 2和大于 P s Pr ／ 2的计算值 1 9 0 M P a和 2 0 0 M P a 胀管后 ， 敲击管无松动 ， 在水压试验 1 0 MP a 时除 0号管外其它管都无拉脱现象。认为在设备上 选用 P P ／ 2计算值进行强度胀 比较合适。上 述的分析 中忽略了胀管后壁厚的减薄量 ， 据有关资 料报道， 对于液压胀管壁厚减薄为 6 ％ o 。 5 实际应用 3台冷凝器制造 中采用先焊后胀的工艺， 管子 与管板的强度胀选用 P P ／ 2计算值 1 9 2 MP a 作为实 际胀管压 力。胀 接前 ， 测量 出管 子 内径 2 1 ． 1 50 2 1 ． 1 8 mm， 管子外径 0 2 5 ． 4 mm， 管板孔直 径 2 5 ． 7 mm， 胀接后 随机抽查管孔 内径 为 2 1 ． 6～ 2 1 ． 7 m m。胀接后管子内壁光滑、 有微量凹槽 、 无任 何机械损伤。设备水压试验时在规定的时间和压力 作用下 ， 检查管 口没有泄漏现象 ， 全部合格。 对于液压胀管机的压力在 0～3 0 0 M P a之问连 续可调 ， 在使用前将压力一次输入控制器后 ， 机组 自 动保持这个压力进行全部管 口的胀接 ， 因此各管 口 受力一致 ， 胀管操作简便 ， 应用过程中也一直保持着 很好的性能。冷凝器安装使用后一直保持着较好的 性能 ， 客户很满意。文中推荐 的计算方法具有一定 的实际使用价值。 参考文献 [ 1 ] G B 1 5 1 _ _ 9 9 ， 管壳式换热器[ s ] ． [ 2 ] 李文成． 换热管胀接的理论分析及胀接力的合理选择 [ J ] ． 石油设备技术， 1 9 8 6 ， 2 1 01 7 ． 收稿 日期 2 0 0 90 4 0 1 修稿 日期 2 0 0 9 0 51 4 作者简介 马青年 1 9 5 0一 ， 男， 高级工程师， 主要从事通用 机械设备振动及液压胀管技术的研究与应用， 通讯地址 1 0 0 0 5 3北京市宣武区广安门南街 6号广安大厦北楼 7层。 2 0 0 9年北京钛展定于 2 0 0 9年 7月 9日至 1 0日在北京海淀展览馆举行 本届展会旨在向各行各业以及普通消费者展现最新的钛锆铪技术成果， 进一步加快推广应用， 促进行业平稳较快发展。 向各行各业推广应用的技术和产品主要包括 石油化工工业中使用的反应釜、 换热器、 分馏塔、 管泵阀、 标准件等钛锆铪制品； 航空航天工业中使用的压气盘、 高压容器 、 叶片、 机壳、 支架、 起落架、 导管、 舱门、 拉杆等钛锆铪制品； 体育休闲用品和工艺品 高尔夫球头、 自行车、 航模 、 球拍、 登山器械、 眼镜、 手表、 首饰 、 餐具等； 制盐工业中使用的各种钛锆铪合金管泵阀、 蒸发罐、 换热 器、 循环槽等； 电力工业中使用的凝汽器、 冷凝器、 管板、 冷油管、 涡轮叶片等钛锆铪制品； 船舶工业中用于制造耐压艇体 、 结构 件、 浮力球体、 推进器、 推进轴、 管泵阀等钛锆铪材料； 医疗行业中使用的钛制牙、 心脏内瓣、 隔膜、 支架、 骨关节及固定螺钉、 钛 骨头、 钛手术器械等医疗钛制品； 建筑业中用于高级装饰的各种钛合金装饰材料； 冶金 、 机电、 兵器、 汽车、 轻纺等工业 中使用 的钛锆铪制品等。 展会更多详清， 请登录 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