液壓脹接技術的應用進展與發展趨勢

【摘? 要】脹接技術是電力、化工等設備制造中連接管子與管板的關鍵技術，對設備的性能和安全性具有重要的影響。其中，液壓脹接技術憑借其適用性強、效率高、效果好等優勢被廣泛用于當前的電力和化工行業。論文對液壓脹接技術的發展現狀、技術特點以及研究進展進行了闡述，并基于實際應用情況和文獻研究分析，就液壓脹接技術的發展趨勢進行了預測，對液壓脹接技術的理論發展具有參考意義。

【關鍵詞】液壓脹接;脹管;脹接技術

【中圖分類號】TQ051.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）05-0139-03

1 引言

脹接技術是指通過一定的方式對管子內部施壓，使其擴張而產生塑形形變直至與管板孔貼合，同時，在彈性允許范圍內，管板孔壁隨之形變，而在壓力撤銷后，管板孔壁回彈，管子與管板孔內外壁實現緊密接觸的過程[1]。在電力、化工行業當中，傳統的管子管板脹接方法主要是機械脹接法，這種方法已經比較成熟和完善，具有相關的參考標準，然而其劣勢也非常明顯，如連接強度不均勻、接口表面容易硬化、對管子管板材料要求較高、生產效率低，等等[2]。尤其是隨著電力、化工裝備不斷向大型化、連續化方向發展，這種方法逐漸無法滿足生產需要。為了克服機械脹接的弊端，液壓脹接技術、爆炸脹接技術、橡膠脹接技術等被開發[3]，其中液壓脹接技術憑借其獨特優勢，在我國電力、化工裝備等領域的生產中發揮著重要的作用。

2 發展現狀

20世紀70年代后期，Krips等人開發了液壓脹接法[4]，很快這項技術就被繼續研究和應用于各個國家的換熱器制造當中：20世紀90年代美國西屋公司研制的蒸汽發生器、德國BDT公司研制的汽水分離再熱器都使用了液壓脹接技術，我國也在1995年開始運用該技術。液壓脹接技術發展至今已得到了廣泛的應用，全球范圍內壓水堆蒸汽發生器傳熱管和管板脹接，基本上都在使用液壓脹接技術。

液壓脹接技術克服了傳統機械脹接技術的弊端，但這項技術也需要進行不斷的優化與創新，以應對工程裝備的快速發展。液壓脹接根據其脹接兩側密封形式的不同，分為“O”形環法和液袋方法[5]。Krips等人開發的方法就屬于“O”形環法，這種方法對換熱管內外直徑的橢圓度、光滑程度和尺寸精度要求較高，而由于國內外換熱管尺寸精度存在偏差，以及進口換熱管成本過高，這種方法并沒有得到廣泛的應用。液袋式技術則突破了這一限制，通過利用彈性液壓袋將液壓脹接介質和管子進行隔離，在擴大適用范圍的同時，能夠避免對管口造成污染。針對國內換熱管的特征，同時吸取國外經驗，我國科學家在液袋式技術的基礎上，不斷創新研發出適合國內使用的液壓脹接技術，現已廣泛應用于電力等行業。

3 技術特點

3.1 優勢

①脹接壓力均勻。

液壓脹接采用液體加壓的方式，這種方式可以對管子內壁均勻施壓（見圖1），使得管子膨脹后與管板均勻接觸，液體介質的流動性使該方法不受入口時管子與管板間縫隙是否均勻的限制，因此，接觸點的強度是均勻的，從而達到較好的密封效果。脹后產品在進行試樣解剖檢查和產品水壓試驗時，都能達到密封性要求。同時，這種加壓方式也能大大增強管子管板接頭的防震動能力和防腐蝕能力，進一步保證了產品的質量。

②脹管長度無限制。

液壓脹管對脹管的長度無限制，能夠實現管子管板在整個厚度范圍內進行脹接，保證連接的緊密性，從而確保脹接的質量。

③應力和拉脫力值均勻。

由于液壓脹接可以實現管子的全長度脹接，這也使得應力和拉脫力值均勻，且拉脫力有效增強，而隨著技術的不斷發展，開槽脹管的創新可以切實加大脹接力度來承受更強的拉脫力。

④管子管板殘余應力小。

管子管板使用液壓脹接技術連接產生的殘余應力，相對使用傳統機械脹接技術產生的殘余應力更小，因此，能夠更好地保證管子管板的強度和穩定性。

3.2 不足

①脹接規律不明確。

目前，無論是在學界還是實際應用上，液壓脹接的規律還沒有明確的研究，因為其過程受到多種因素的影響，尚未建立配套的基準和運算方程。想要獲得適合的脹接數據，前期的模擬和計算不僅效率低，而且成本較高。

②適用情境嚴格。

液壓脹接過程對管子內徑與管板孔的加工尺寸公差要求較高，需要公差處于一個較小的范圍，因此，這種方法比較適用于精拔管和數控機床的管板。

③介質泄漏風險。

用于加壓的液體介質存在泄漏的風險，這種情況一旦發生，除了脹接失敗，還會對其他管孔造成污染，影響脹管的質量。

④加工費用較高。

由于加工成本較高，液壓脹接技術一般用于對密封性、安全性要求嚴格，工作參數高的換熱器的生產。

4 研究進展

國內外關于液壓脹接技術的理論和計算研究不斷發展、進步，并取得了很多成果，同時，在實踐中得到了應用。作為一種柔性的加工手段，液壓脹接的效果受到很多因素的影響，包括管子管板的材質、脹接狀態，等等。因此，關于液壓脹接技術的研究是一個不斷突破挑戰、完善精益技術的過程。國外的相關研究起步較早，研究方法和內容至今已經比較全面。雖然我國的研究相對國外來說起步較晚，但國內學者結合我國的實際情況解決了很多問題，大力推動了具有我國特色的液壓脹接技術的發展。總結國內外研究情況，研究內容主要集中于理論試驗、數值模擬，或者運用計算機技術將二者結合起來。總結其研究成果，可以分為以下幾個方面。

4.1 脹后接頭殘余接觸應力研究

殘余應力是表征接頭性能的重要參數，建立科學有效的方法對脹接產生的殘余應力進行較為準確的評估，對于技術本身及其使用效果的衡量都具有重要作用。早期較具代表性的方法是1943年美國學者Goodier和Schoessow[6]創建的脹接理論，他們將脹管過程形象化，將管子管板連接變成擁有孔洞的無限大的平板，對殘余應力和形變的研究變得相對簡單。這一理論對后期的理論研究產生了較大的影響和作用，Krips和Podhorsky的等效套筒理論將有限圓環結構看作當量套筒[7]，Yokell的管子外壁無限厚度假設等理論將管子管板的材質當作理想材料[8]，均是通過理想假設和等效替代的方式，簡化殘余應力的衡量過程。此后，學者在這些理論的基礎上，運用有限元分析[9]、基于彈塑性理論的液壓脹接模型[10]等方法對液壓脹接脹后接頭殘余應力的大小和分布情況進行分析，得出的結論均較為統一，即基于液壓脹接技術的脹后殘余應力較小，接點更為穩定。

4.2 脹接接頭的影響因素研究

液壓脹接接頭的性能受到多方面因素的影響，本文綜合學者的研究成果對這些因素進行總結，具體包括：脹接壓力大小，溫度，管板孔開槽寬度和位置[11]，管子管板初始間隙[12]，管子管板材料、結構和尺寸[13]等。但對于如何減少這些因素對接頭性能的負面影響，并沒有得到一個確定的結論，這是因為在不同的使用條件下，各種因素會對脹接接頭產生不同的影響效果，因此，無法建立標準化的控制方法。學者從多個角度進行建模，力求找到高效率、低成本的數值分析方式，為液壓脹接過程的安全高質量實施奠定基礎。徐鴻以增量分析為基礎建立了針對彈性、塑性的二維模型[14]，研究了不同操作溫度對脹接效果的影響，為后續的研究奠定了基礎。顏惠庚等在彈性、塑性二維模型的基礎上，對管子受力形變單位的壓力、開槽、拉脫力進行了研究，建立了三維模型，同時，應用彈性卸載方式對殘余應力進行檢測并建立了相應的運算方程。

4.3 接頭過渡段性能研究

對于管子管板的接頭來說，液壓脹接產生的殘余應力相對傳統的機械脹接方式大大減小，但也引起了管子管板其他部位風險的增加。實踐結果表明，液壓脹后過渡段的性能顯示出明顯的不穩定性。因為液壓脹后過渡段的拉伸殘余應力會引起脹區與不脹區之間的應力腐蝕，液壓脹接接頭過渡段的殘余應力有時甚至可達材料屈服應力的90%，如果在實際的應用中沒有得到有效的防范和控制，則會削弱液壓脹接的安全性能。

4.4 脹焊并用的影響研究

在實際工程應用中，常采用脹焊結合的技術方式，先脹后焊、先焊后脹，抑或是脹-焊-脹等不同的結合方式，這會造成不同的拉脫力的變化及脹接接頭的破壞形式。根據管子管板的性質和特征調整焊脹的結合方式，或者通過調整不脹區長度的比例可以在一定程度上控制這些影響因素[15]。

綜合液壓脹接技術的特征和文獻研究結果來看，液壓脹接技術在使用過程中影響因素較多，在不同的使用場景中有不同的技術要求，其技術實現效果也不盡相同，因此，難以形成統一的技術標準。總體來說，液壓脹接技術目前在我國已經得到了較為廣泛的應用，相關理論研究也比較全面，但仍處于探索階段，尚未形成較為成熟的理論和工具體系，仍有許多問題亟待解決。

5 發展趨勢

脹接技術發展至今，每種脹接技術本身也在不斷進步，而不同的脹接技術之間并非簡單更新換代的替代關系。從實踐應用情況來看，不同的產品或者設備制造中，兩種甚至多種脹接技術的結合使用，更能夠取長補短，滿足實際生產的需求。“機械+液壓”或者“橡膠+液壓”的脹接模式已廣泛應用于換熱器的生產當中。同時，在文獻分析過程中發現，我國關于液壓脹接技術的相關研究的發文量相對穩定，處于較低水平，由此可見，從單一的技術層面來看，很難在短時間內取得較大的進展。然而從技術融合的角度來說，液壓脹接技術和其他脹接技術的相關文獻的關鍵詞共現情況顯示出研究增加的趨勢（見表1）。

因此，本文預測，液壓脹接技術未來的發展趨勢是在技術進步的同時開創與其他脹接技術的技術融合，無論是理論研究還是應用試驗結果都顯示，這是一個值得探索的方向。基于此，本文指出未來液壓脹接技術的關鍵研究方向包括以下幾個方面：

①進一步研究液壓脹接的影響因素，在現有三維理論的基礎上建立多維度的液壓脹接控制模型。

②研究液壓脹接-焊接結合方式的過程控制，形成脹焊結合標準化的控制規則。

③研究液壓脹接與機械脹接、橡膠脹接等混合脹接的過程控制，研究在充分發揮各種技術的優勢同時如何做好風險防范和安全性保證。

【參考文獻】

【1】丁訓慎.核電站蒸汽發生器傳熱管的點腐蝕及其防護[J].腐蝕與防護，2007（7）：364-366.

【2】陸軍.核電蒸汽發生器管子管板液壓脹接技術研究[D].上海：上海交通大學，2015.

【3】劉鵬虎，郝俊文，張而耕.橡膠脹管技術的應用研究進展綜述[J].石油機械，2002（10）：55-58.

【4】Krips H，Podhorsky D I.VORRICHTUNG ZUM AUFWEITEN VON ROHRENDEN INNERHALB EINER ROHRSCHEIBE：German，DE2616523 B1[P].1977-03-24.

【5】D. A. Scott，G. A. Wolgemuth，J. A. Aikin.Hydraulically Expanded Tube-to-Tubesheet Joints[J].Journal of Pressure Vessel Technology，Transactions of the ASME，1984，106（1）：104-109.

【6】Goodier J N，Schoessow G J.The holding power and hydraulic tightness of expanded tube joints[J].Trans. of ASME Analysis of the Stress and Deformation，1943，65（7）：489-496.

【7】H. Krips，M. Podhorsky.Hydraulic Expansion - A New Procedure for Fastening Tubes[J].VGB Kraftswerkstech，1976，56（7）：456-464.

【8】S. Yokell.Heat-exchanger tube-to-tubesheet expanded joints[J].Trans. of ASME， J. of Pressure Vessel and Technology，1991（113）：341-344.

【9】Maie Allam，A. Bazergui.Axial Strength of Tube-to-Tubesheet Joints： Finite Element and Experimental Evaluations[J].Journal of Pressure Vessel Technology， Transactions of the ASME，2002，124（1）：22-31.

【10】Nor Eddine Laghzale，Hakim A. Bouzid.Analytical Modeling of Hydraulically Expanded Tube-To-Tubesheet Joints[J].Journal of Pressure Vessel Technology， Transactions of the ASME，2009，131（1）：233-242.

【11】顏惠庚，張炳生，葛樂通，等.換熱器的液壓脹管研究（一）——脹接壓力的確定[J].壓力容器，1996（2）：126-130+3.

【12】N. Merah，A. Al-Zayer，A. N. Shuaib，et al.Finite element evaluation of clearance effect on tube-to-tubesheet joint strength[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，2003，80（12）：879-885.

【13】李磊，王海峰，桑芝富，等.管槽結構尺寸對換熱器管子與管板脹接性能影響的試驗研究[J].壓力容器，2001（5）：10-12+66.

【14】徐鴻.脹接接頭彈塑性分析（續）[J].北京化工學院學報，1986（1）：1-13.

【15】段成紅，錢才富.先脹后焊過程中接頭殘余接觸壓力的變化[J].壓力容器，2006（7）：27-32.

【作者簡介】崔瀟（1994-），男，山西長治人，助理工程師，從事機械設計與制造研究。