管子管板机械胀接工艺改进

(哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司，河北秦皇岛 066206)

0 引言

胀接是管壳类换热器管子管板连接的主要形式[1-3]。其原理是通过换热管径向膨胀，借助管板回弹，在管子与管板孔表面产生接触压力，使两者连接固定。其作用包括[4]：在设备运行期间，保护管子与管板间的焊缝免受轴向载荷；吸收管束振动交变应力；封闭管子与管板孔的间隙，防止壳程流体侵入缝隙产生腐蚀。

机械胀接工艺是通过带有锥度的胀接芯轴带动胀珠旋转，在换热管内部碾压，使管子膨胀，实现与管板的连接，如图1所示。虽然该种工艺以胀接效率高、接头连接强度大、生产成本低等优点被广泛采用[5-9]，但是对于较大直径、较大厚壁换热管的胀接存在缺陷。

1 问题描述及原因分析

1.1 工程问题

某型号换热器，换热管和管板材料均为022Cr19Ni10，管子规格为∅55 mm×2 mm。管子管板密封焊接后，使用机械胀接工艺进行贴胀，胀接长度为(39±1.5) mm，在管板两侧分别留有3 mm和8 mm不胀接，胀接结构如图2所示。

图1 机械胀管器结构及工作原理示意

图2 管子管板胀焊连接结构示意

在开展工艺试验过程中，尺寸检查发现：要求距管板焊缝侧表面8 mm的不胀尺寸几乎为0，并且管子管板焊缝受到不同程度的挤压，管子管板焊缝原有的圆弧轮廓已几乎不存在，如图3所示。

图3 管子管板焊缝宏观形貌

1.2 原因分析

如前所述，机械胀接是通过机械胀管器顺时针旋转，带锥度的芯轴旋转前进，胀珠自转的同时也随胀接芯轴旋转，胀珠径向膨胀将管子胀紧，其控制工艺参数是胀接旋转扭矩。

因为该产品管子规格为∅55 mm×2 mm，与大多数换热器相比，管子直径、壁厚均较大，而且要求胀接拉脱力大于20 kN。为达到胀接强度要求，工艺试验确定的胀接扭矩达到50 N·m，而通常小直径薄壁管胀接扭矩不超过10 N·m。

当胀接达到设定扭矩时，操作人员应该把紧胀壳使其顶紧管板表面(见图4)，让锥形的胀接芯轴反转回退，从而胀珠回缩与管子内壁脱离，最后取出胀管器。但是因为胀接扭矩大，胀珠与胀接芯轴接触压力大，反转时，操作人员无法把紧胀壳使其不转动，导致胀接芯轴反转回退时胀珠不能与芯轴及时脱离，使得胀珠连同胀壳、芯轴一起反向旋转和后退，进而对管子管板焊缝侧要求的不胀区进行了碾压，甚至对焊缝进行了挤压(见图4)。又因为管子管板开有30°坡口，焊接工艺为填丝焊，在直径方向焊肉突出管子内壁，使得焊缝挤压更加明显。

(a)胀珠回缩

(b)胀珠未回缩

2 工艺改进

胀管器反转回退时，对焊缝侧未胀部分的挤压是机械胀接工艺的常见问题，尤其对于大扭矩的机械胀接，影响更为严重。为此，本文提出了将胀珠后端(即管子管板焊缝侧)圆角位置前移的解决方案，改造前和改造后的胀珠结构见图5。

图5 改造前、后的胀珠结构

胀珠结构尺寸修改后，管子有效的胀接长度分为两部分：一部分由胀管器前进胀接时完成，即正常的胀接区域；另一部分由胀接结束、胀管器反转回退时完成。总的胀接长度可以满足设计要求，焊缝侧的不胀长度也可保证，还可有效避免胀管器反转回退时胀珠对管子管板焊缝的挤压。

3 试验验证

3.1 试样制备

使用牌号022Cr19Ni10、厚度为50 mm的锻件，其化学成分及力学性能分别见表1，2。

表1 022Cr19Ni10锻件化学成分 %

表2 022Cr19Ni10锻件室温力学性能

采用钻、镗的工艺加工∅55.2 mm的孔，孔表面粗糙度按照3.2 μm控制，孔口加工30°坡口，坡口深2 mm。使用牌号022Cr19Ni10、规格为∅55 mm×2 mm的换热管，其化学成分及力学性能分别见表3，4。

表3 022Cr19Ni10管化学成分 %

表4 022Cr19Ni10管室温力学性能

胀接试样分为如下两种。

(1)第1种：1#～5#试样管与管板试件装配后点焊固定。使用自动氩弧焊工艺完成管子管板焊接，然后使用改造后的机械胀管器进行胀接。测量如图2所示的胀接尺寸，解剖检测焊缝根部。

(2)第2种：6#～10#试样管与管板试件装配后，直接使用改造后的机械胀管器进行胀接(不进行点焊固定)，然后测量胀接接头的拉脱力。

3.2 试验结果

3.2.1 胀接对管子管板焊缝的影响

图6 胀接试样剖切示意

如图6所示，使用线切割解剖管子管板焊缝，并磨削剖切面。将剖切面放大10倍观察，管子管板焊缝边缘仍是原始的圆弧状态，没有任何的挤压、摩擦， 如图7所示。

图7 胀接后管子管板焊缝宏观形貌

图8 胀接后管子管板焊缝根部微观形貌

继续将管子管板焊缝剖切面使用10%铬酸水溶液进行浸蚀，放大200倍进行检测发现：管子管板焊缝区域未发现任何裂纹，焊缝根部未发现任何不连续，进一步验证了管子管板焊缝的完整性。试样微观照片见图8。

3.2.2 胀接强度

使用改造过的机械胀管器胀接后，测量胀接长度在38～40 mm之间，满足设计文件要求的(39±1.5) mm。连接强度是衡量管子管板胀接质量的主要指标之一，拉脱力是胀接强度的量化指标。对于没有管子管板焊缝的6#～10#试样，胀接后使用电液伺服万能试验机检测胀接接头的拉脱力，结果列于表5。试验结果表明，使用改造后的胀管器胀接，接头的胀接强度满足设计规范中大于20 kN的要求。

表5 胀接拉脱力

4 结语

针对∅55 mm×2 mm的不锈钢管，通过改造机械胀管器及开展胀接工艺试验，得出如下结论：通过改造机械胀管器胀珠，即将胀珠后端(即管子管板焊缝侧)的圆角位置向前移动，可解决机械胀管器反转回退碾压未胀区及挤压管子管板焊缝的问题,有效保证胀接长度和管子管板焊缝的完整性。