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內(nèi)螺紋鋁管脹管時(shí)凸筋受到損傷，內(nèi)螺紋鋁管脹管試驗(yàn)論證的方法和理論嚴(yán)謹(jǐn)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(duì)內(nèi)螺紋鋁管機(jī)械脹管工藝進(jìn)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(xiàng)。無論是機(jī)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(yīng)用。脹接后,可選取不同的脹接公式進(jìn)行脹緊率的計(jì)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(jìn)行選擇。液壓脹接具有應(yīng)力均勻、脹接長度大、過渡區(qū)殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)。 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(diǎn),但對(duì)運(yùn)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(huì)因連接處難以避免和處理的應(yīng)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(yùn)行。管、板脹、焊、脹連接工藝就是為了獲得理想的低應(yīng)力接頭而進(jìn)行研究的課題。此項(xiàng)成果已成功地應(yīng)用于我國第一套高空臺(tái)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(shè)部評(píng)為全國施工新技術(shù)優(yōu)秀項(xiàng)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(jìn)步一等獎(jiǎng);1991 年又被評(píng)為全國安裝行業(yè)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

一、原理及適用條件

本工藝的實(shí)施步驟是脹-焊-脹。它巧妙地運(yùn)用脹接過程的超壓過載技術(shù),通過對(duì)管與管板的環(huán)形焊縫進(jìn)行復(fù)脹,造成應(yīng)變遞增而應(yīng)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(yīng)力場中,留下一個(gè)壓縮殘余應(yīng)力體系。兩種殘余應(yīng)力相互疊加的結(jié)果,使其拉伸殘余應(yīng)力的峰值大減;二次應(yīng)變又引起應(yīng)力的重新分布,結(jié)果起到調(diào)整和均化應(yīng)力場的效果,最終將殘余應(yīng)力的峰值削弱到預(yù)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(yīng)符合GB150-89 第二章2.2 條的規(guī)定;若采用16Mn 時(shí),應(yīng)分別符合GB3274-88 和GBI591-79 中的有關(guān)規(guī)定;換熱管束應(yīng)符合

1.對(duì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)符合表25-2 規(guī)定。

抽查區(qū)域應(yīng)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(duì)工藝評(píng)定的要求

實(shí)施本工法時(shí),必須按照正確方法完成下列工藝評(píng)定:

(1)換熱管與管板接頭貼脹工藝評(píng)定。

(2)換熱管與管板接頭焊接工藝評(píng)定。

(3)換熱管與管板低應(yīng)力接頭復(fù)脹工藝評(píng)定。

3.對(duì)管子鋁管與管板結(jié)合部位的清理

(1)換熱管管身應(yīng)清理干凈,保證在穿管時(shí)不污損管孔壁畫。

換熱管管端外表面應(yīng)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(yīng)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(shí)可用有機(jī)溶劑清洗管板孔壁。

4.對(duì)工具、機(jī)械的要求

(1)使用的電子扭矩搬手應(yīng)調(diào)走在規(guī)定的扭矩值上,并經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)測力計(jì)校核。

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

(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(yīng)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(yù)先設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的原則是:軸向?qū)ΨQ,分區(qū)定點(diǎn),定距定心,區(qū)內(nèi)反階,間隔跳動(dòng)。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(duì)于管板較大的換熱器。首先鋁管應(yīng)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(gè)小區(qū),這些小區(qū)一定要以中心軸對(duì)稱。在對(duì)稱的小區(qū)中先選

有代表性的點(diǎn)(即在管板上均布的點(diǎn))先在那里完成脹接固定,實(shí)現(xiàn)二個(gè)管板間的走距和定心,在這些點(diǎn)進(jìn)行脹按時(shí),可以由內(nèi)向外,或由外向內(nèi),原點(diǎn)向四周放射,但一定要按原點(diǎn)對(duì)稱進(jìn)行。

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

3.貼脹

(1)貼脹要求的環(huán)境條件:環(huán)境氣溫不應(yīng)低于5℃,不應(yīng)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(yīng)在規(guī)定的校驗(yàn)期內(nèi)使用。

(3)作業(yè)人員應(yīng)注意搬手的聲光報(bào)警,報(bào)警后應(yīng)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(yīng)符合設(shè)計(jì)要求,如設(shè)計(jì)無規(guī)定時(shí),其環(huán)境氣溫不低于5℃。手工焊時(shí),其環(huán)境風(fēng)速應(yīng)小于10m/s,相對(duì)濕度小于90%,且無雨、雪侵襲。

如上述條件不能滿足時(shí),應(yīng)采取措施,否則應(yīng)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(xiàng)目應(yīng)與實(shí)際位置相符,并應(yīng)按本工法的工藝評(píng)定試驗(yàn)考試合格,方可上崗。

(3)焊接前應(yīng)確認(rèn)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(yīng)與貼脹順序相同。但在鋁管每個(gè)小區(qū)內(nèi)直按照反階式順序間隔跳動(dòng)進(jìn)行。手工焊時(shí),若管橋間距較小,應(yīng)考慮將相鄰二管口焊縫的起弧和收弧點(diǎn)錯(cuò)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(yīng)清除干凈。

(6)焊縫返修應(yīng)按返修工藝評(píng)定進(jìn)行。

4.復(fù)脹

(1)復(fù)脹的環(huán)境條件:復(fù)脹時(shí)環(huán)境溫度應(yīng)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(fù)脹前焊縫應(yīng)經(jīng)VT,MT(或PT)探傷合格。

(3)復(fù)脹時(shí)使用的電子扭矩搬手必須在校驗(yàn)期內(nèi)。

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

(4)復(fù)脹的作業(yè)順序可參照焊接的順序進(jìn)行。

(5)作業(yè)時(shí)當(dāng)電子扭矩搬手發(fā)出報(bào)答信號(hào)時(shí),應(yīng)立即停止作業(yè)。

三、質(zhì)量控制、標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)

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(yīng)過渡圓滑,不得有棱角。

(2)脹接長度應(yīng)符合圖紙要求。

(3)用10 倍放大鏡檢查焊縫外觀,應(yīng)符合下列要求:

1)焊縫尺寸應(yīng)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(duì)咬邊缺陷無特殊規(guī)定時(shí),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(yīng)向母材鋁管圓滑過渡。如設(shè)計(jì)需要打磨焊縫時(shí),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(fù)偏差。

4)管板的最終不平度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

2.無損探傷

(1)完成焊接24h 后,用PT(MT)探傷進(jìn)行檢查,無裂紋為合格。

PT 探傷應(yīng)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(yīng)符合JB3965 一85《鋼制壓力容器磁粉探傷》。

(2)復(fù)脹完成后應(yīng)進(jìn)行PT 或MT 探傷,探傷標(biāo)準(zhǔn),合格行要求同焊后探傷。

(3)如認(rèn)為有必要,可以在水壓試驗(yàn)完成后再進(jìn)一次抽查性PT 或MT 探傷,標(biāo)準(zhǔn)同前。抽查部位由設(shè)計(jì)部門指定,元裂紋為合格。若發(fā)現(xiàn)裂紋,應(yīng)全部進(jìn)行PT 或MT 探傷。

3.水壓試驗(yàn)及煤抽滲漏試驗(yàn)

(1)煤油滲漏試驗(yàn):

對(duì)于不能用水壓試驗(yàn)檢驗(yàn)其強(qiáng)度及嚴(yán)密性的換熱器,應(yīng)用煤油滲漏試驗(yàn)進(jìn)行檢查,無滲漏為合格。

(2)水壓試驗(yàn):

所有能夠進(jìn)行水壓試驗(yàn)的換熱器,都應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

水壓試驗(yàn)的壓力PT 設(shè)計(jì)要求確定,當(dāng)設(shè)計(jì)無規(guī)定時(shí),按下式計(jì)算:

式中 [σ]——試驗(yàn)溫度下材料許用應(yīng)力(MPa);

[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力(MPa);

P——設(shè)計(jì)壓力(MPa)。 4MPa 的低合金鋼材料的殼體或管板,在水壓試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)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(yàn)時(shí),應(yīng)緩慢升壓至試驗(yàn)壓力,穩(wěn)壓30min,然

若[σ]/[σ]t 值大于1.8 時(shí),按1.8 計(jì)。

試驗(yàn)水溫一般不低于5℃,對(duì)于σs>后緩慢降壓至試驗(yàn)壓力的80%,對(duì)全部焊縫進(jìn)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(yīng)設(shè)置若干個(gè)監(jiān)測點(diǎn),用百分表對(duì)管板進(jìn)行動(dòng)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(diǎn)應(yīng)均勻分布于管板上,而且每次作業(yè)時(shí)的監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)在同一部位。

(2)考試合格的焊工在作業(yè)之前應(yīng)進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練,訓(xùn)練時(shí)的管板孔幾何尺寸(不含厚度尺寸)及管子直徑,壁厚應(yīng)與實(shí)物相同。

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

(4)焊條的保溫筒應(yīng)先進(jìn)行預(yù)熱,然后再裝人焊條進(jìn)行,不允。使用時(shí),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(yàn)應(yīng)分別許同時(shí)進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意排盡試壓腔內(nèi)的氣體。放水時(shí),應(yīng)先打開放氣閥,并應(yīng)使放水速度不致過大。

四、機(jī)具設(shè)備

機(jī)具設(shè)備的型號(hào)和數(shù)量與設(shè)計(jì)、作業(yè)內(nèi)容、工程規(guī)模等因素有關(guān)。對(duì)于焊接設(shè)備、脹管機(jī)具、監(jiān)測儀表的數(shù)量,還取決于實(shí)施本工藝中的規(guī)模、工期與勞動(dòng)組合。

1.貼脹工藝評(píng)定的機(jī)具設(shè)備

(1)材料拉力試驗(yàn)機(jī)60~100t 1 臺(tái)

(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(dòng)試壓泵泵14.7MPa 1 件

2.焊接工藝評(píng)定的機(jī)具設(shè)備

(1)焊接設(shè)備:

其型號(hào)取決于設(shè)計(jì)規(guī)定,如規(guī)定為手工電弧焊時(shí):

直流電焊機(jī)Ax3 一300 一1 1 臺(tái)

(2)試件加工設(shè)備:

銑床 1 臺(tái)

平面磨床 1 臺(tái)

(3)金相設(shè)備:金相顯微鏡xJ16 1 臺(tái)

(4)維氏硬度計(jì) 1 臺(tái)

(5)10 倍放大鏡 1 個(gè)

3.低應(yīng)力接頭工藝評(píng)定

(1)電阻應(yīng)變儀YJD 一1 1 臺(tái)(套)

(2)電阻應(yīng)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(yīng)變花TJ 一120 一1.5 一ф1.5 15 片

(5)測力計(jì)CLJ 一1 1 臺(tái)

(6)扭矩傳感器 1 件

4.脹焊脹施工機(jī)具設(shè)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(shè)備(型號(hào)由設(shè)計(jì)定) 1~6 臺(tái)

五、勞動(dòng)組織

一臺(tái)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(dòng)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(qiáng)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(jī)、殘余應(yīng)力打孔機(jī)的空壓機(jī)等用電設(shè)備必須有良好的接地或接零,電焊機(jī)的二次線路通過道路時(shí)應(yīng)外加保護(hù)套管。用電設(shè)備應(yīng)有防雨淋設(shè)施。

(3)單管水壓試驗(yàn)時(shí),壓力表盤直徑不小于φ100mm,精度為1.5 級(jí),量程為試驗(yàn)壓力的1.5 倍,壓力表應(yīng)經(jīng)計(jì)量部門校驗(yàn)合格。試驗(yàn)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(shí),應(yīng)穿好工作服,戴防護(hù)眼鏡。

即消除殘余應(yīng)力后的最大允許裂紋尺寸比未消除殘余應(yīng)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(yīng)力腐蝕角度而言,作用于構(gòu)件的殘余應(yīng)力危害程度比外加荷載更為嚴(yán)重,故殘余拉應(yīng)力愈大,腐蝕速率愈快,因此,消除殘余拉應(yīng)力可以大大降低應(yīng)力腐蝕的危害,延長使用壽命,這是顯而易見的。

八、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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?zé)峤粨Q器早期損傷泄漏的難題,為我國第一一套高空臺(tái)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(shí)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(huì)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

九、應(yīng)用實(shí)例

本工法曾在我國目前最大直徑的換熱器上得到成功應(yīng)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?xì)饫鋮s到150℃。該換熱器的管子與管板采用本工法的連接工藝進(jìn)行連接,獲得了滿意效果,其達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)見表25-4。