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BFe30-1-1雙管板換熱器的液壓脹接

點擊:1773 日期:[ 2014-04-26 21:53:50 ]
                     BFe30-1-1雙管板換熱器的液壓脹接                               趙 杰1,邢 卓2     (1.沈陽市特種設備檢測研究院,遼寧沈陽 110025;2.沈陽東方鈦業有限公司,遼寧沈陽 110016)     摘要:國內甲烷氯化物工程項目中廣泛使用BFe30-1-1換熱器,有些換熱器采用雙管板結構。由于結構的特殊性,深孔強度脹接技術和檢驗手段是制造雙管板換熱器的重點和難點,采用液壓脹接技術及可行的裝配順序是解決深孔強度脹接和檢驗的關鍵。     關鍵詞:雙管板換熱器;液壓脹接;BFe30-1-1     中圖分類號:TK2  文獻標識碼:B  文章編號:1004-9614(2008)01-0038-03     0 引言     2005年9月,某公司為4×104t/年甲烷氯化物工程制造2臺BFe30-1-1雙管板換熱器。機械脹接是單管板換熱器管-板脹接的常用方法,脹后的密封性易于檢驗。由于雙管板結構的特殊性,在設計、制造上有一定難度,如采用液壓脹時管板孔開槽的設計、原材料要求、管-板的脹接及檢驗方法等。雙管板換熱器制造中的關鍵技術是深孔強度脹接和裝配程序。采用液壓脹接技術可以實現深孔強度脹接,后裝配管程管板是為解決殼程管板的檢漏問題。     1 結構特點與設計參數     氯甲烷進料預熱器E202為臥式,管箱及殼體為20鋼,換熱管為銅鎳合金BFe30-1-1,規格為Φ25×2,管程管板為BFe30-1-1/16MnR復合板,殼程管板為16MnR,是三類壓力容器(見圖1)。設計參數見表1,結構參數見表2。                                                  管程介質是CH3Cl和HCl氣體,殼程介質是蒸汽。雙管板換熱器可解決一般換熱器在換熱管與管板焊接或脹接處易產生泄漏問題,避免管程介質與殼程介質相混。雙管板就是在每側設計兩塊管板,起到兩道防線的作用,并能及時查出管板泄漏。雙管板換熱器主要使用于若管程殼程里的物料相混合,將會產生嚴重后果的場合。     雙管板之間采用聚液殼相接,聚液殼用來調整兩管板間距且保證兩管板平行。封閉相鄰兩管板之間滲漏出的流體或氣體,防止有毒介質外溢,并可以及時發現排除。     2 材料要求     換熱管BFe30-1-1材料標準為GB/T 8890—88熱交換器用銅合金管,退火狀態供貨。     管板16MnR材料標準為GB 6654—1996壓力容器用鋼板,要求正火狀態供貨。     脹接是靠管子的塑性變形和管板的彈性變形來達到密封和緊固的一種機械連接方法。為此,對管子與管板的材質有一定要求,即管子的硬度比管板硬度要低,值差應達到HB>30。通過試驗測得BFe30-1-1管子的硬度為HB=105, 16MnR的HB=140,滿足脹接要求。管板16MnR和換熱管BFe30-1-1機械性能見表3。                      3 液壓脹接     3.1 液壓脹接原理     液壓脹管時,脹接區的管子首先在高液壓內壓(100~350MPa)的作用下產生彈性變形,然后產生塑性變形而被擠壓到管板孔壁上。隨著壓力的增加,在管子與管板之間的接觸壓力作用下,管板首先產生彈性變形,然后產生塑性變形。壓力撤消后,如果管板的自由彈性恢復量比管子的大,就會在管子與管板之間產生殘余接觸壓力,實現脹接連接。     3.2 液壓脹接特點     液壓脹接的主要特點是脹接的主要參數———液脹壓力可以計算,可以精確調節和控制,保證所有的管-板接頭在同一條件下脹接,換熱管不易產生過脹,脹接接頭質量穩定。在管板孔內的脹接位置可以精確定位,脹接的部位不竄動。脹接后管子內壁沒有損傷。     液壓脹接的突出優點是脹管長度不受兩塊管板之間間距限制,最大可達3m以上,因為它的輸壓管在工作時不承受扭矩。與機械滾脹接相比,液壓脹接具有脹后殘余應力低、在整個脹接長度上的應力分布均勻、脹后管內表面無加工硬化現象、脹后管頭不伸長、勞動強度低、生產效率高的優點。液壓脹管在正常工作的情況下,每min可脹接管口2個左右,是機械脹接的6~8倍,大大提高了工作效率。且不論管板厚度有多大,液壓脹接都能一次完成,管板厚度對脹接時間沒有影響。     液壓脹接介質是水,即使脹接接頭破損,對管口也無污染,這樣減少了以往機械脹接后對管口除油、清潔等工作,節約了工時。     機械脹管時管壁減薄現象嚴重,常有螺旋式劃傷,外觀不佳,縮短換熱器的使用壽命。     3.3 管板加工     3. 3. 1 管板鉆孔     管板配鉆后絞孔,消除管孔上的縱向劃痕。管板孔表面粗糙度為12·5μm級。實踐證明:管板孔表面的粗糙度必須達到精度要求是成功應用液壓脹管的關鍵。尤其要高度重視殼程管板的加工質量,殼程水壓試驗時,若殼程管板滲漏,只有補脹,若補脹后仍然滲漏,只能報廢。所以,保證殼程管板與換熱管脹接牢固可靠是制造雙管板換熱器的關鍵。     3. 3. 2 管板孔開槽     拉脫力與密封性能是衡量脹接接頭連接質量的主要指標。為了提高拉脫力和密封性,最可行的方法是在管板孔中開一道或多道環形槽。在換熱器的制造標準GB 151—1999管殼式換熱器中,對開槽結構尺寸作了具體規定,即3-6-3的形式,管板的槽寬為3 mm,深度為0·5 mm.這種規定是多年機械脹接經驗的總結,由于液壓脹管屬于柔性脹接,管子的變形規律與機械脹管不一樣,該規定不適用于液壓脹接。液壓脹接接頭的密封性能和拉接脫力與管板開槽寬度有關。在相同脹接壓力下,為了得到最大的拉脫力和最佳的密封性能,管板開槽寬度應該隨著管子規格的不同而有所變化。最佳液壓脹接的槽寬W[1]應為:                       式中: r為換熱管平均半徑,mm;t為換熱管壁厚,mm.對于Φ25×2的管子,槽寬應為8~9 mm,槽深0·5 mm不變,因而可設計成8-10-8的形式。     在液壓脹接過程中,管板的開槽不但有利于接頭的密封性能,還可以提高接頭的拉脫強度。若采用適當的槽寬,且脹接壓力足夠大,管子就會向管板槽內凹陷,在接頭受到拉脫載荷時,其阻力除了管板未開槽部分的靜摩擦力外,還有管板開槽部分的邊緣對凹進的管壁的剪切作用,阻止管子的軸向滑動。管子的變形越大抵抗拉脫的剪切力就越大。管板開槽后的脹接接頭抵抗拉脫的力由兩部分組成:一部分為管子與管板之間的靜摩擦力,另一部分為管子嵌入管板槽中產生的抗剪切力。     當管槽寬度達到一定值時,剪切力不再增加,若管槽寬再增加,換熱管與管板的接觸面積下降,靜摩擦力下降。因此,從提高拉脫力的角度來說,管板開槽寬度不是越寬越好。圖2是優化后的殼程管板孔槽。     3.4 液壓脹接壓力的確定     液壓脹接壓力應根據換熱器的密封性(貼脹還是強度脹)要求、管子管板材料、換熱管的精度、管板孔表面狀況以及脹接幾何參數的實際情況而定,必須保證脹接接合面能滿足密封性和足夠的拉脫強度。脹接壓力過低,達不到密封效果;過高,會造成過脹現象,可能在脹接時發生管板的塑性區與周圍已脹好接頭的殘余應力的干涉,引起周圍接頭殘余接觸壓力的降低,嚴重時會在試壓時或運行中發生泄漏。                     因此,液壓脹接時不必追求過高的脹接壓力。脹接壓力的計算公式[2]為                     貼脹時,脹接壓力取po和pmin之間;強度脹時,取pmin和pmax之間,并盡量取下限。     過高的脹接壓力會引起脹接成本的上升,且換熱管的殘余應力也會提高,造成管子耐應力腐蝕性能降低。因此,在保證接頭具有可靠的密封性能和拉脫強度的前提下,不宜選擇過高的脹接壓力。     最佳的脹接壓力的情形是,使管板的塑性變形區達到管橋中間,這樣既能獲得盡可能大的脹管壓力,又不會跟鄰近脹管接頭的塑性區發生干涉而使之松動,并且還有一定增壓余量,供個別不合格接頭進行補脹。     由公式計算出的脹接壓力參數有一個范圍,實際脹接時應以最小值起步初脹,打壓若有滲漏再逐步加大壓力值,直至不漏為止,但取的最大值壓力值不應超過最大計算值。     3.5 強度脹拉脫力試驗     管子與管板強度脹接按《壓力容器安全技術監察規程》(簡稱容規)應做拉脫力試驗,但僅做一個拉脫力試驗并不能說明問題,還必須做密封性試驗。因為這種脹接很容易滿足《容規》要求的大于4 MPa的拉脫力,當脹管率達1·40時即可滿足。但這不能說明能滿足脹接密封性的要求,達到密封性的脹管率為1·90~2·00。脹管率應由密封性試驗確定,當脹管率為1·30~1·60時,雖然達到了拉脫力的要求,但實際打水壓試驗時,管頭有滲漏現象;當脹管率達2·30以上時就是過脹了。     4 裝配方法     先裝配殼程管板(見圖3),采用級差管束穿管法,換熱管的長度有一定的增加量,穿管時,每一橫排的伸出量相同,由上而下每一縱排的伸出量是不同的,依次增加5 mm.由于管頭的減少并且成排,這樣就方便了管程管板穿管,管板可以逐級下落。殼程管板液壓脹好做水壓試驗。在這種情況下,個別管子脹后有滲漏是可以直觀檢查到的,需要補脹。                       5 結束語     雙管板換熱器制造的關鍵是實現深孔強度脹接和殼程管板的檢漏。深孔強度脹接可采用液壓脹接技術;檢漏問題可以在裝配時解決,也可以采用更先進的方法或儀器解決。 參考文獻: [1] 顏惠庚.換熱管的液壓脹管研究(三)———管板開槽寬度的選擇.壓力容器, 1997(3): 28. [2] 浙江大洋衣車有限公司.超高液壓脹管機(YZJ-350D型)使用說明書.作者簡介:趙杰(1961—),工程師,從事監檢工作。
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