换热器管板孔径超差制造过程研究

引言

由于石化、核电等行业热交换器的大型化,管板直径及厚度非常大,部分反应类换热器直径达到5600mm,厚度达到300mm。受机床加工能力的限制,加工管孔时内壁往往存在一些扎刀（周向刻痕）以及铁屑退屑时对管孔内壁造成损伤的痕迹（轴向刻痕）,消除管孔内壁加工表面损伤痕迹后,容易造成管孔超差。《热交换器》（GB/T151一2014）标准中8.4.4a）条规定:允许有4%的管孔上偏差超出标准的相应值,但不超出相应上偏差的50%。为避免管板与换热管之间形成密闭造成间隙腐蚀以及换热管由于震动而使管板与换热管焊接接头产生疲劳损坏,本文通过模拟管孔直径超差后的不同孔径配对同规格的换热管,制作模拟管板进行胀管试验,采用压痕应变法测量换热管的残余应力,研究扩孔消除管孔内壁缺陷痕迹的方法。

1试验模型

以某换热器为例,参照其管板与换热管材料、结构及尺寸构建试验模型,具体选材如下:

管板:16Mn锻件+堆焊（s30408）:厚度:（300+6.5）mm:换热管孔:657.65mm。

换热管:s30408:规格:657x3.5mm。

管板+换热管连接形式:强度焊+贴胀。

管板+换热管连接结构如图1所示,模拟管板的管孔分布如图2所示。

图1管板＋换热管连接结构

图2模拟管板的管孔分布

2试验方案

制作模拟管板,并按照产品胀管工艺对模拟管板进行胀管试验,进而对扩孔消除管孔内壁缺陷痕迹的方法进行分析。

2.1确定胀管压力

模拟换热管孔657.65mm共制作3种规格,管孔内径依次分别为657.77、658.50、658.97,而657.80为标准要求的管孔内径上限值。模拟管板的管孔编号如图3所示,其中编号1-1～2-3管孔实测内径657.77,编号2-2～2-3管孔实测内径658.50,编号3-2～3-3管孔实测内径658.97。

图3模拟管板的管孔编号

根据换热管/管板材料及胀接参数等,按胀管压力计算方式计算胀管压力:

（1）根据实际换热管外径（实测657.02～657.06）及壁厚（实测4.2mm）计算换热管外径/内径比值:k=2.27:管板屈服应力:psp≥275,MP:胀管区长度:La288.5mm。

(2）胀管压力的确定需要考虑换热管发生塑性变形以及换热管发生塑性变形、管板外壁发生屈服两种情况,根据管板及换热管的尺寸及材质,计算最终胀管压力为190,MP。

2.2计算换热管与管板的胀接率

参照《热交换器》(GB/T151—2014）,胀接率(.）计算公式如下:

式中:.为胀接率:1为换热管壁厚:d为胀接前换热管外径:d1为胀接前换热管内径:d2为胀接后换热管内径:D为管板管孔直径。

为模拟实际管板上的管孔胀接情况,分别选择序号1-2、2-2、3-2作为1号、2号、3号孔进行胀接率计算。由于管孔内径不一样,导致胀管后换热管内径也不一致,胀接率具体值如表1所示。

2.3换热管胀管后切割分瓣检查贴胀情况

为更直观地查看换热管与管板管孔间的贴合情况,按照图4形式采用线切割的方式将胀管后的换热管切成2瓣,切开后换热管与管板间的贴合情况如图5所示。

图4管板线切割图图5换热管切割后贴胀情况

2.4检测残余应力

压痕应变法作为一种简单、快捷、统计精度较高、对构件损伤较小的残余应力检测方法,已经在工程上大量应用。采用压痕应变法测量残余应力,其基本原理是通过将球形压头压入待测零件表面,使得零件表面产生应力场,与零件本身的应力场相互叠加,再利用测量球形压头产生的压痕外弹性区的应变变化来计算残余应力。试验标准为《金属材料残余应力测定压痕应变法》(GB/T24179—2009）,测试设备采用KJS-3型压痕应力测试仪和压痕制造系统。

每种规格的试验换热管各取5点进行残余应力检测,具体位置如图6所示,并在相应位置张贴应变片,如图7所示。

图6残余应力检测点示意图

图7换热管内部张贴应变片

通过试验数据得出残余应力,如表2所示。

表2残余应力测量数据表单位:MPa

2.5试验结论（对比)

通过模拟产品实际管板管孔情况进行胀管试验,并对

胀管试验数据进行对比,得出以下结论:

(1）通过观察,图4、图5中胀接部分和过渡段(R部位）圆滑无褶皱,胀口内平滑,无裂纹、凹陷、擦伤、重皮和起皮等缺陷。另外,贴胀部分无可见间隙,目测合格。

(2）换热管取下后进行表面渗透检测,并未发现任何裂纹等缺陷,表面探伤合格。

(3）换热管取下后测量壁厚,实测值在4.00～4.08mm,满足图纸最小壁厚要求。

(4）通过实测值进行换热管与模拟管板的胀接率计算（表2）,胀接率均不超过2%,满足要求。

(5）对线切割开的换热管取样进行硬度检测、拉伸试验等,结果满足标准要求。

（6）对本试验胀管后线切割开的换热管取样并进行残余应力测试,分析试验结果如下,该结果能保证反应器管服役时有充足的使用寿命:

1）各试样各测点的残余应力测量值均为压应力,残余应力数值分布在-221～-142MPa,均保持在较好数据区间,管内壁在胀管后变为塑性层:

2）从测试结果看,残余应力数值并未超过管板的屈服值,使得管板管孔可以较好地箍紧换热管。

3结语

本文通过制作模拟管板对不同管径的管孔进行胀管试验,从试验结果可以得出,在满足管板强度校核的前提下,可以通过扩孔的方式来消除管孔内壁缺陷,但是针对孔径增大的程度,应当采取管板模拟试验的方式对胀管结果进行评定。

针对厚壁管板,应尽量优化管孔加工工艺,提高加工管孔时内壁的粗糙度要求,且不得存在影响胀接质量的纵向或者螺旋状刻痕等缺陷,考虑到加工工艺所选刀具的缺点,应尽量避免采用摇臂钻等工艺措施加工管孔。