PDF《管壳式换热器换热管与管板胀管率的确定》

经验交流管壳式换热器换热管与管板胀管率的确定 刘敏(大连冷冻机股份有限公司 ,辽宁 大连 116033) 摘要:对胀管率的控制进行了详细的论述 ,并对胀管率的计算方法进行了比较 ,从而提出了不同材 料的胀管率的控制范围 ;

同时对影响胀接质量的因素作了总结.

关键词 :胀管率 ;

强度胀 ;

贴胀 ;

内径控制法 中图分类号 :TQ05316 ;

TQ05012 文献标识码 :B 文章编号 :1001 - 4837(2007)

06 -

0059 -

03 Ascertainment of Tube Expanding Rate Between Tube and Tubesheet in Tube - shell Heat Exchangers LIU Min (Dalian Refrigeration Co1 , Ltd1 , Dalian

116033 , China) Abstract :This text is to specify the control on tube expanding rate and compare the calculation on tube ex2 panding rate , based on above drawing up the control range of tube expanding rate for different material and meanwhile sum up the factors which influence the tube expanding quality1 Key words :tube expanding rate ;

strength expansion ;

adhesion expansion ;

inner diameter control 由国家质量技术监督局颁发的 《压力容器安全 技术监察规程》 第104 条、 第105 条对换热管与管板 的胀接方法及胀接的基本要求做出了原则性的规 定 ,但对胀管率没有具体的规定 ,目前也没有国家标 准可依.而胀接又是管壳式换热器制造中的重要工 序之一 ,所以为保证胀接质量 ,如何确定胀接方法及 合适的胀管率尤显重要.

1 胀接方法 换热管与管板的胀接方法有机械胀接和柔性胀 接(或称均匀胀接) . 机械胀接的方法为非均匀性的胀接 ,一般在胀 接过程中需要加油润滑 (由于油的污染造成胀接后 不能保证焊接质量和污染胀接处的表面质量) ,并且 机械滚珠在碾轧中使管径扩大产生较大的冷作应 力 ,因此机械胀接不利于有应力腐蚀的场合.但是 由于它的操作简便 ,直到目前许多厂家仍然广泛地 使用在中、 薄管板的胀接上.本文将着重对不同材 料的换热管采用机械胀接方法的胀管率作以介绍.

2 胀管率的确定

211 胀管率 为确保胀接质量 ,应确定合适的胀管率 ,通常用 胀紧程度与管板孔原有直径、 换热管内径或换热管 壁厚的百分比来表示胀管率 ,胀紧程度可以用公式 (1) 表示 : H = d12 - d11 - b (1) 式中 H ― ― ― 换热管胀紧程度 ,mm d11 , d12 ― ― ― 换热管胀前、 后的内径 ,mm b ― ― ― 胀前换热管与管板孔的双边间隙量 , ・

9 5 ・ mm 胀管率是以胀紧度对换热管内径、 管板孔直径 或换热管壁厚的百分率来表示. 2.

2 常见材料的胀管率 表1为常见材料的胀管率参考值 ,利用公式 (1) 可以换算出换热管胀后的内径范围. 表1常见材质的胀管率 换热管材料 管板材料 换热管的胀管率( %) 钢钢7~10 铜或铜合金 钢5~8 不锈钢 钢及复合板 10~14 胀管率的确定 ,除了要考虑胀接方法 (强度胀 与贴胀的胀紧程度区别较大) ,同时还应考虑管板孔 的公差范围、 换热管外径及壁厚的公差等因素.

213 胀管率的计算方法 胀管率的计算方法有多种形式 ,以下为国内外 常见的几种计算公式. (1) 日本 管壁减薄率 : K = d12 - d11 - b 2σ *

100 % (2) (2) 前苏联 管板孔内径的相对百分率 : K = d12 - d11 - b D *

100 % (3) (3) 中国 1) 锅炉行业 管子内径的相对百分率 : h = d12 - d11 - b d11 *

100 % (4) 2) 其它行业 管子内径的胀大值对管板孔内径的相对百分 率:h0 = d12 - ( d11 + b) D *

100 % (5) 管子内径胀大值对管子内径的相对百分率 : hd = d12 - ( d11 + b) d11 *

100 % (6) 管子内径的胀大值对管壁厚度的相对百分率 : hs = d12 - ( d11 + b) 2σ *

100 % (7) 式中 K ― ― ― 日本 :管壁减薄率 , %;

前苏联 :管板孔 内径的相对百分率 , % D ― ― ― 管板孔直径 ,mm σ― ― ― 换热管胀前管壁厚度 ,mm b ― ― ― 胀前换热管与管板孔的双边间隙量 , mm , b = D - dw dw ― ― ― 换热管胀前外径 ,mm h ― ― ― 管子内径的相对百分率 , % h0 ― ― ― 管子的内径的胀大值对管板孔内径的 相对百分率 , % hd ― ― ― 管子内径的胀大值对管子内径的相对 百分率 , % hs ― ― ― 管子内径的胀大值对管子壁厚的相对 百分率 , % 2.

4 内径控制法胀管率的确定 无论采用哪种计算方法所得到的胀管率其根本 都是对换热管壁厚减薄量的控制 ,以下采用内径控 制法对强度胀及贴胀的胀管率的确定进行验证.式(8) 为内径控制法胀管率的计算公式 : Hn = ( d1 +

2 t d - 1) *

100 % (8) 式中 Hn ― ― ― 胀管率 , % d1 ― ― ― 胀完后的换热管实测内径 ,mm t ― ― ― 未胀时的换热管实测壁厚 ,mm d ― ― ― 未胀时的管板孔实测直径 ,mm 2. 4.

1 强度胀的胀管率 例1:已知换热管材料为T2 , 规格为外径19105 mm ,壁厚

113 mm;

管板材料为 Q235 - B ,管 板厚度为

42 mm ,管板孔直径为

19125 mm ,管板孔为 正三角形排列 ,开设两道密封槽.要求换热管与管 板连接形式为强度胀接. 根据已知条件对换热管及管板孔直径实测数据 如下(换热管按 5~10 根抽测 ,管板孔按不同位置抽 测5~10 个孔) : (1) 换热管 :外径 : 19105~

19103 mm ,平均 值19104 mm;

壁厚 : 1135~1125 mm ,平均值

113 mm;

内径:16155 ~

16135 mm , 平均值16145 mm. (2) 管板孔直径 : 19135~

19125 mm ,平均值

1913 mm. 按式(1) 及表

1 初定换热管胀后的内径值.查表1铜或铜合金与钢制管板的胀管率 H =

5 %~

8 % ,取平均值 H =

615 % ,圆整 H =

7 % ,代入式 (1) , 求换热管胀后直径. H = d12 - d11 - b 其中 b = D - dw =

1913 -

19104 =

0126 mm 则d12 = H + d11 + b =

16178 mm ・

0 6 ・ CPVT 管壳式换热器换热管与管板胀管率的确定 Vol24. No6

2007 这样根据换热管胀后的内径

16178 mm 选择 三滚珠胀管器 ,其最小外径为

1516 mm ,最大直径为

1718 mm ,滚珠长度为

38 mm.经过试胀效果很好. 对换热管胀后的尺寸进行实测数据如下 : (1) 外径 : 19125~

19130 mm ,平均值

19128 mm;

(2) 壁厚 :112~1122 mm ,平均值

1121 mm ,如按 日本公式核算即管壁减薄率为

518 %;

(3) 内径 : 16187~

16185 mm ,平均值

16186 mm ,与胀前

16145 mm 相比膨胀了

0141 mm. 将换热管胀后实测的平均值代入式 (9) 确定其 胀管率 : Hn = ( d1 +

2 t d - 1) *

100 % =

0183 % 例2:已知换热管材料为

20 钢 ,规格为外径

38 mm ,壁厚

3 mm ,管板材料为 16MnR ,厚度为

48 mm , 管板孔直径为

3815 mm ,管板孔为正三角形排列 , 开设两道密封槽 ,要求换热管与管板孔连接形式为 强度胀接. 根据已知条件对换热管及管板孔直径在不同位 置按

3 %~5 %抽测 ,其实测数据如下 : (1) 换热管 : 外径 : 3812~

3718 mm ,平均值

38 mm;

壁厚 :311~313 mm ,平均值

312 mm;

内径 : 3114~

3118 mm ,平均值

3116 mm. (2) 管板孔直径 : 38165~

3814 mm ,平均值

38153 mm. 查表

1 取胀管率 H =

10 % ,代入式(1) 求换热管 胀后直径 : H = d12 - d11 - b 其中 b = D - dw =

38153 -

38 =

0153 mm 则d12 = H + d11 + b =

32123 mm 经试胀对换热管胀后的内径进行实测值为 32182~

32184 mm ,平均值为

32183 mm.将换 热管胀后实测的平均值代入式(8) 确定其胀管率 : Hn = ( d1 +

2 t d - 1) *

100 % =

118 % 按以上实例对

57 *

3 的1Cr18Ni9Ti 和19 *

2 的HAL77 - 2(海军铜) 的换热管进行试胀和计算 ,确 定其胀管率分别为

0187 %和1156 %. 2. 4.

2 与国内外胀管率的核对 经试胀 ,为制定正确的胀接工艺 ,将采用内径控 制法确定的几种胀管率与日本、 前苏联及国内其它 行业所采用的胀管率进行核算. (1) 与日本胀管率的核算 表2为日本常见的胀管率 ,表3为按日本公式 (式(2) ) 核算的胀管率. 表2日本胀管率 换热管材料 换热管胀 前内径 d11 (mm) 换热管 胀前壁厚 σ(mm) 管壁减薄率 K( %) 铜及铜合金 16~19 015~210 5~7 碳钢 ,低合金钢 19~38 2~415 8~12 不锈钢 19~38 116~312 7~8 表3内径控制法核算的日本胀管率 项目 换热管 材料 胀后内径 d12 (mm) 胀前内径 d11 (mm) 胀前壁厚 σ(mm) b (mm) 管壁 减薄率 K( %) 例1铜(T2)

16186 16145

1130 0126

518 例2碳钢(20 # )

32183 31160

3120 0153

1019 ― 不锈钢 (1Cr18Ni9Ti)

51184 50190

3113 0145

718 ― 铜合金 (HAL77 - 2)

15120 14174

2115 0124

7 (2) 与前苏联胀管率的核算 表4为前苏联的胀管率 ,表5为按前苏联公式 (式(3) ) 核算的胀管率. 表4前苏联胀管率 换热管材料 铝、 紫铜 碳钢 不锈钢 黄铜(海军铜) 管板孔内径的 相对百分率 K( %) 3~5 212~315 017~116 315~4 表5内径控制法核算的前苏联胀管率 项目 换热管 材料 胀后内径 d12 (mm) 胀前内径 d11 (mm) 管板孔 直径 D (mm) b (mm) 管板孔内径 的相对百分 率K( %) 例1铜(T2)

16186 16145

19130 0126 0.

8 例2碳钢(20 # )

32183 31160

38153 0153 1.

8 ― 不锈钢 (1Cr18Ni9T i)

51184 50190

57160 0145 0.

9 ― 铜合金 (HAL77 - 2)

15128 14174

19128 0124 1.

6 (3) 与国内其它行业胀管率的核算 式(1) 与(7) 、 式(3) 与(5) 、 式(4) 与(6) 的内容是 一样的 ,也就是说国内其它行业胀管率的计算模拟 也是采用日本和前苏联的.这里针对国内锅炉行业 采用的管子内径的相对百分率来验证其采用内径控 制法所得到胀管率的工艺参数. 锅炉行业的胀管率 h =

018 %~112 %.表6为按国内锅炉行业常用公式(公式 4) 核算的胀管率. 2. 4.

3 贴胀的胀管率 贴胀对胀紧程度只是要求将换热管与管板孔经 ・

1 6 ・ 第24 卷第

6 期压力容器总第

175 期表6内径控制法核算的锅炉行业的胀管率 项目 换热管 材料 胀后内径 d12 (mm) 胀前内径 d11 (mm) b (mm) 管板孔内径 的相对百分 率K( %) 例1铜(T2)

16186 16145

0126 0.

9 例2碳钢(20 # )

32183 31160

0153 2.

2 ― 不锈钢 (1Cr18Ni9Ti)

51184 50190

0145 1.

0 ― 铜合金 (HAL77 - 2)

15128 14174

0124 2.

1 胀接贴合即可 ,目前国内外对胀紧程度均没有具体 的要求 ,根据多年以来对碳钢、 不锈钢材质的换热管 贴胀的工艺经验 ,一般情况下取其胀管率为

011 % ~013 %即可.

3 影响胀接质量的因素 (1) 管板材料的硬度高于换热管材料硬度即可 , 当换热管硬度大于管板硬度时 ,应进行退火处理 ,一 般管端退火长度应不小于

100 mm ,且比管板厚度多 至少 15~30 mm. (2) 管板孔与换热管外径之间的间隙量一定要 严格控制. (3) 胀接方法从结构型式分为强度胀加密封焊、 强度焊加贴胀、 强度胀加强度焊三种.对这三种方 法应注意胀接顺序 ,一般情况下 ,如满胀时 ,应采用 先胀后焊的工艺方法 ,如距管端

15 mm 处不胀时 ,应 采用先焊后胀的工艺方法.

4 结论 (1) 换热管材料为铜、 铜合金及不锈钢时 ,胀管 率一般控制在

015 %~112 %范围内 ;

(2) 换热管材料为

10 钢或

20 钢时 ,胀管率一般 控制在

017 %~211 %范围内 ;

(3) 换热管材料为黄铜 (海军铜 HAL77 - 2) 时,胀管率一般控制在

1 %~118 %范围内. 在确定了上述胀管率后 ,对同类的产品不必每 次都进行试胀 ,只要按已制定的胀接工艺执行即可. 参考文献 : [1] G B

151 ―

1999 ,管壳式换热器[S]1 收稿日期 :2007 -

03 -

02 修稿日期 :2007 -

04 -

28 作者简介 :刘敏(1955 - ) ,男 ,工程师 ,从事压力容器工艺工 作 ,通讯地址 :大连........