鎳基合金換熱管與鎳基合金管板液壓脹接試驗研究*

李 偉 王 強 楊笑瑾 王福春

(哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司)

鎳基合金換熱管與鎳基合金管板液壓脹接試驗研究*

李 偉 王 強 楊笑瑾 王福春

(哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司)

針對厚壁鎳基合金換熱管與鎳基合金管板，使用250～400MPa不同的壓力開展液壓脹接試驗，獲得了不同脹接壓力時管子壁厚減薄率和脹接拉脫強度數(shù)據(jù)，分析了較低脹接壓力時脹接接頭的間隙密封性能以及較高脹接壓力時換熱管的耐腐蝕性能，驗證了脹接結(jié)構(gòu)的可靠性，為類似結(jié)構(gòu)的設計提供參考。

鎳基合金換熱管 鎳基合金管板 液壓脹接

脹接是管殼類換熱器實現(xiàn)換熱管與管板連接的重要方式之一。液壓脹接以清潔、高效以及對換熱管損傷小等優(yōu)點被廣泛應用。其工作原理為：流體進入脹接芯軸和換熱管內(nèi)壁之間的環(huán)形區(qū)域，通過流體的瞬間高壓使換熱管徑向膨脹與管板脹緊[1～4]。管子管板脹接是管殼類換熱設備制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，工程運行經(jīng)驗表明，管殼類換熱設備中管子和管板的連接處為事故多發(fā)區(qū)[5]。按照RCC-M F4000的要求，脹接接頭的質(zhì)量考核指標包括脹接強度、壁厚減薄、間隙密封性能及殘余應力等[6]，且因為脹接對管子的損傷較大，因此脹接質(zhì)量直接影響到換熱設備甚至整個換熱系統(tǒng)的安全運行。

自Krips H和Padhorseky M提出液壓脹接概念，國內(nèi)外學者開展了大量的理論和試驗研究[7]。但針對鎳基或不銹鋼管、低合金鋼或不銹鋼管板的研究居多，而且換熱管多為壁厚為1mm左右的薄壁管[8]。

某新型換熱器管子管板材料均為高溫鎳基合金，運行溫度750℃，換熱管壁厚3.2mm。此種材料和規(guī)格的管子管板脹接的相關(guān)研究較少，脹接接頭的各項性能指標無參考。為此，筆者針對此種結(jié)構(gòu)開展了管子管板液壓脹接試驗，分析了接頭的脹接性能，獲得了脹接工藝參數(shù)，驗證了脹接結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 脹接結(jié)構(gòu)及材料

圖1為本試驗管子管板脹接的連接結(jié)構(gòu)，管孔內(nèi)壁為光孔，表面粗糙度達到Ra3.2μm。試驗采用與產(chǎn)品相同材料的Ni-Cr-Fe合金管，ASME牌號為SB-163 UNS N08810，規(guī)格為φ19mm×3.2mm，材料化學成分見表1[9]，機械性能見表2[9]。管板采用與產(chǎn)品相同材料的Ni-Cr-Fe合金鍛件，ASME牌號為SB-564 UNS N08810，材料化學成分見表3[9]，機械性能見表4[9]。管板厚度為76mm，管孔直徑19.25mm，呈正三角形布置，最小孔橋6mm。

圖1 脹接結(jié)構(gòu)示意圖

表1 SB-163 UNS N08810管化學成分 wt%

表2 SB-163 UNS N08810管機械性能 MPa

表3 SB-564 UNS N08810鍛件化學成分 wt%

表4 SB-564 UNS N08810鍛件機械性能 MPa

2 試樣制備

試驗用管板試件和管子單獨制備，最終進行穿管和脹接，具體工序如下：

a.管板試件鉆孔，使用內(nèi)排屑數(shù)控三軸深孔鉆，孔壁粗糙度達到Ra3.2μm；

b.切割換熱管，使用線切割加工換熱管，管子長度為150mm；

c.測量孔徑和管子內(nèi)外徑，沿軸線方向測量3個截面，每個截面測量相互垂直的兩個方向；

d.清理管板孔和換熱管，使用干凈的白布蘸丙酮擦拭清理，直至白布不變色；

e.接頭脹接，隨機裝配管子與管孔，按照圖1所示尺寸進行液壓脹接，脹接壓力分別為250、280、310、340、370、400MPa，保壓時間均為6s。

3 試驗項目及結(jié)果

3.1 壁厚減薄率

管子壁厚減薄率的計算式為：

(1)

式中H——壁厚減薄率，%

Φ1——脹后管子內(nèi)徑，mm；

Φ2——脹前管子內(nèi)徑，mm；

Φ3——管板孔徑，mm；

Φ4——脹前管子外徑，mm；

δ——脹前管子壁厚,mm。

對于使用不同壓力脹接的接頭，測量脹接前、后尺寸，按照式(1)計算壁厚減薄率，結(jié)果如圖2所示，可以看出，隨著脹接壓力的加大，管子的壁厚減薄率也逐漸增加。其中，最大脹接壓力與最小脹接壓力的差值達到1.2%。該現(xiàn)象與常規(guī)材料的管子管板脹接變形規(guī)律相同，即隨著作用在管子內(nèi)壁上徑向力的增大，管子的壁厚減薄量增加，但減薄的趨勢隨著脹接壓力的增大在減緩，這主要是因為管子的變形硬化所致。

圖2 脹接壓力與壁厚減薄率的關(guān)系

3.2 接頭拉脫強度

管子外壁與管孔內(nèi)壁的殘余接觸壓力是脹接接頭機械連接強度的決定因素[10]。即兩者的殘余接觸壓力越大，脹接接頭的機械連接強度越大，反之越小。Krips H、Pbdhorseky M和Yekoll S分別基于理想的彈塑性模型，給出了管子管板脹接殘余接觸壓力的計算公式[7,11]。圖3為理論計算所得的殘余接觸壓力隨脹接壓力的變化關(guān)系。可以看出，不論對于哪種計算公式，隨著脹接壓力的增加，管壁與管孔的殘余接觸壓力均呈線性增長。

圖3 不同脹接壓力時殘余接觸壓力計算值

而管子與管孔殘余接觸壓力不可直接測量，其外在的評價指標是拉脫力[12]，隨著殘余接觸壓力的增加，接頭的拉脫力也應呈上升趨勢。針對筆者所述規(guī)格的鎳基換熱管與鎳基管板，使用250～400MPa不等的壓力各脹接4個接頭，在電液伺服萬能試驗機上檢測拉脫力。

圖4為不同接頭的拉脫力隨脹接壓力的變化關(guān)系，可以看出，拉脫力隨脹接壓力的增加呈上升趨勢，與理論推斷結(jié)果相一致，鎳基換熱管與鎳基管板的脹接也遵從隨壓力增加機械連接強度增大的規(guī)律。本試驗當脹接壓力達到400MPa時，接頭的最大拉脫力達到21kN。

圖4 脹接壓力與拉脫力關(guān)系

3.3 接頭間隙密封性能

管子管板脹接的另一目的是消除管子與管板的間隙，防止流體進入，從而降低換熱管腐蝕及振動失效的風險[13]。本試驗針對脹接壓力為300MPa的三孔試件，通過水壓試驗檢測管子管板脹接間隙的密封性能。試驗使用手動試壓泵在試樣的一側(cè)施加24MPa的水壓，保壓的同時在試樣另一側(cè)檢查滲漏情況。保壓12min后，水滴開始從管子與管孔間隙滲漏，如圖5所示。計算得到水在管子管板間隙的滲透速度為4.6mm/min，遠小于RCC-M F4400規(guī)定的40mm/min的標準[6]，滿足設計規(guī)范的要求。

圖5 水壓試驗滲漏示意圖

3.4 接頭應力腐蝕試驗

對于使用400MPa壓力脹接的接頭，按照ASTM G36規(guī)定的試驗方法[14]，進行管子抗應力腐蝕開裂試驗，以評價管子脹接后的殘余應力水平。

試驗過程為：管子管板脹接接頭在沸點為155℃的氯化鎂溶液中持續(xù)沸騰腐蝕24h，使用線切割沿管子軸線解剖并將管子取出；隨后在室溫下將管子浸入體積比為50%的鹽酸溶液中，連續(xù)浸泡16h，再使用蒸餾水漂洗、烘干；最后，通過對管子表面做PT滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋、凹坑等表面腐蝕缺陷(圖6)。

圖6 管子內(nèi)壁PT檢測

腐蝕試驗結(jié)果表明，本試驗所涉及的管子管板脹接接頭具有較強的抗腐蝕性能，滿足設計規(guī)范中連續(xù)腐蝕24h不開裂的要求。通過對管子的剖切斷面進行宏觀目視檢查，發(fā)現(xiàn)管子壁厚均勻、光滑過渡，沒有凹陷、褶皺及發(fā)紋等缺陷。

4 結(jié)論

4.1 隨著脹接壓力的升高，換熱管的壁厚持續(xù)減薄，脹接壓力從250MPa升高到400MPa時，管子壁厚減薄率從1.2%增加到2.4%。

4.2 隨著脹接壓力的升高，脹接接頭的拉脫力逐漸增加，脹接壓力升高到400MPa時，接頭拉脫力達到了21kN。

4.3 對于使用較低的壓力脹接(300MPa)、脹接長度為56mm的接頭，在承載24MPa的水壓時，可保壓12min無泄漏，滲透速度為4.6mm/min。

4.4 對于使用較高的壓力脹接的接頭(400MPa)，在155℃的氯化鎂溶液中持續(xù)沸騰腐蝕24h，管子表面無任何缺陷，無任何裂紋傾向。

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ExperimentalStudyonHydraulicExpansionofNickel-baseAlloyTubetoNickel-baseAlloyTubesheet

LI Wei,WANG Qiang,YANG Xiao-jin,WANG Fu-chun

(HarbinElectricCorporation(QHD)HeavyEquipmentCompanyLimited)

Aiming at the nickel-base alloy tube and the nickel-base alloy tubesheet with thick wall,exerting a pressure of 250MPa to 400MPa on hydraulic expansion test was implemented to obtain tube’s wall thickness reduction rate and holding power under different expanding pressures.Analyzing the expanded joint’s clearance seal under low expanding pressures and the corrosion resistance under high expanding pressures verifies the reliability of the tube to tubesheet joint and this provides the reference for similar structure design.

nickel-base alloy heat-exchanging tube,nickel-base alloy tubesheet,hydraulic expansion

李偉(1982-)，工程師，從事重型裝備工藝技術(shù)開發(fā)工作，heqhe_lw@163.com。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)04-0386-04

2017-01-04，

2017-02-03)