浙江至德鋼業有限公司下面介紹了一種薄壁管脹接的工藝試驗方法。重點對低壓加熱器采用的脹接工藝試驗程序進行了敘述。通過合理選擇脹接試樣，并對試驗數據進行分析處理，獲得了保證接頭脹接質量的標稱扭矩，成功運用于生產。

一、前言

 在換熱器、冷凝器等電站輔機中，管子管板的連接方式有三種：脹接、焊接、脹焊結合。對于設計壓力不大于4MPa，設計溫度小于300℃，操作中無劇烈的振動，無過大的溫度變化及無明顯應力腐蝕的輔機設備，一般認為僅靠管子和管板之間的強度脹接，已能保證設備的性能要求。同時由于脹接這種形式具有加工簡單，管子更換和修補方便等優點，因而在低壓加熱器、循環水換熱器、冷凝器等電站輔機中，得到越來越廣泛的應用。60萬機組低壓加熱器是引進法國技術進行設計和制造的首臺出口菲律賓的容器設備。設計要求管子和管板采用強度脹接形式，并按法國標準進行制造和驗收，整個制造過程由外方人員監檢。為滿足設計要求，進行了一系列脹接工藝性試驗，經過分析試驗數據最終確定了脹接的有關參數并應用于生產。

二、試驗方案選擇

 強度脹接是指為保證不銹鋼換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的脹接。其脹接過程一般分三個階段：管子內壁加載至管子外壁與管孔內壁接觸；繼續加載直至最大脹接量為止；卸載直至脹接壓力完全消除。脹接后的管子產生了嚴重的塑性變形，而管板則主要處于彈性狀態，管壁和管孔在脹接過程中的不均勻變形而產生的殘余接觸壓力，使管子和管板達到牢固而緊密的接觸。

 此前某鍋爐集團在高加制造上也積累了一定的脹接經驗，但因其脹接的作用僅在于填充管子和管板之間的余隙，接頭的強度和密封性能仍由焊接來保證，這種連接方式與低加管子管板要求的強度脹接有很大的區別。其次，該低加采用的管子為奧氏體不銹鋼有縫管，規格為18×0.8，管子壁厚相對較薄，用控制脹管率來保證脹接質量難度很大。因此要針對本產品設計出一套完整的強度脹接工藝試驗程序，以獲取有關工藝參數來保證脹接接頭的機械強度和密封性能。

 殘余接觸壓力是衡量脹接質量的重要力學參量。殘余接觸壓力與脹接長度和管子壁厚等設計參數有關，最主要是取決于脹接時采用的扭矩。一般來說，脹管扭矩愈大，殘余接觸壓力也愈大，工程上習慣用拉脫載荷作為衡量脹接強度的主要指標。因此如何在脹接長度等參數確定的情況下找到一個合適的脹接扭矩值，使脹接接頭的強度和密封性能達到設計要求，是強度脹接工藝試驗的重點。本工藝試驗選用的設備是風動脹管機，三珠脹管器。管子管板的結構形式為光孔脹接，脹接長度為50mm。

 1. 產品設計參數

 該低壓加熱器主要設計參數為：管程設計壓力：3MPa、設計溫度：148℃；殼程設計壓力：0.35MPa、設計溫度：148℃。管子管板脹接接頭特性見表1。

 2. 材料性能

  管子管板材料的力學性能見表。

三、強度脹接工藝試驗

  1. 試驗程序

 選取脹接設備后，根據設計要求和工廠現有的條件，制定了低壓加熱器強度脹接工藝試驗方案，試驗程序如下：

  a. 脹接設備和扭矩儀等校驗合格；

  b. 制取預選扭矩試件和水壓試驗試件，要求試件在材棒、幾何參數、加工方法等方面與產品完全一致；

  c. 預選一組扭矩，如70，80，90，100，110，120，130，140，150，160，170kgcm，在預選扭矩試件上進行脹接，獲得預選扭矩試樣；

  d. 對預選扭矩試樣的所有脹接接頭進行拉伸試驗，獲得每組接頭的拉脫載荷；

  e. 進行數據處理，繪制扭矩一拉脫載荷的曲線；

  f. 根據扭矩一拉脫載荷的曲線，選取合適的扭矩進行脹接，制取水壓試驗試樣；

  g. 按要求對水壓試驗試樣進行兩倍最大設計壓力的水壓試驗，保壓時間不少于2小時，檢查管子管板脹接接頭的密封性；

  h. 對經過水壓試驗的脹接接頭進行拉伸試驗，獲取水壓后接頭的控脫載荷；

  i. 綜合分析，確定合適的脹接扭矩一標稱扭矩。

 2. 脹接試樣

 為了使試樣的結構與產品的結構相符，真實反映產品的制造狀態，采用整體式管板作試件，即一塊試祥鉆有多個管孔，每個試件要求管孔數至少為20個。并且要求試樣在材料、熱處理狀態、幾何參數、加工方法等方面應與產品完全一致。

 3. 試驗數據

 按照上述試驗程序，對表中的管子管板脹接接頭，分別進行了11組扭矩（每組扭矩5個管子）共55個管子的脹接工藝試驗，進行數據處理后獲取了表和圖的曲線。從表中可以看出，用同一扭矩進行脹接的接頭個別存在拉脫載荷特別高的現象，經分析這主要是由于這些管孔表面相糙度較低，在脹接過程中產生較大摩擦力，提高了脹接強度，這種情況易造成接頭泄漏。因此脹接前應嚴格控制管孔的加工質量。

 4. 數據分析

  從扭矩一拉脫載荷曲線可以看出，隨著脹接扭矩逐漸增加，拉脫載荷也隨著增加，但當扭矩在150kgcm左右時，趨勢線開始拐頭，此時，拉脫載荷接近最大值，繼續加大扭矩，拉脫載荷呈逐漸下降趨勢。

   a. 最小拉脫載荷的確定 

   根據國外技術規范，脹接接頭的拉脫載荷應大于最小拉脫載荷，最小拉脫載荷取以下兩種情況下的最小值：

     ①. 根據最大工作壓力范圍所確定的拉脫載荷：當2<P≤3MPa時，最小拉脫載荷F>20000N；

     ②. 由20℃時管子材料的屈服強度和面積的函數決定，按經驗公式計算得到的最小拉脫載荷F約為13500N。

   b. 標稱扭矩的確定

  在薄壁管的脹接過程中，脹緊程度不足（欠脹）或過量（過脹）都不能保證脹接質量，過脹還會因管壁減薄過大而導致管子斷裂和管板變形，還要考慮實際操作過程中的復脹和運行中的返修等問題。因此選用標稱扭矩的原則如下：

    ①. 標稱扭矩脹接的接頭，拉脫載荷必須大于最小拉脫載荷；

    ②. 用標稱扭矩脹接的接頭的拉脫載荷應接近最大拉脫載荷；

    ③. 用標稱扭矩制取的水壓試驗試樣須經水壓試驗合格。基于上述原則，首先選用120±5kgcm的脹接扭矩制取水壓試驗試樣，該試樣在水壓試驗過程中，當試驗壓力至4.5MPa時出現滲漏。卸載后對原水壓試驗試樣用130±5kgcm的扭矩復脹，再次進行水壓試驗，在試驗壓力6MPa時保壓半小時后出現滲漏。重新制取水壓試驗試樣，將扭矩提高至140±5kgcm，此時脹接接頭在6MPa的試驗壓力下保壓了17小時，經仔細檢查無一接頭滲漏，試樣的水壓試驗合格。

  將經過水壓試驗試樣的脹接接頭進行拉伸試驗校驗其拉脫載荷，其值均大于上述原則所確定的最小拉脫載荷，因此表明該脹接接頭滿足機械強度要求。因此采用140±5kgcm的扭矩作為標稱扭矩是合理的。

四、在其它產品上的應用

  在低壓加熱器上運用該脹接工藝試驗方法的成功為工廠其它類似產品的制造積累了經驗。公司隨后生產的循環水熱交換器、準格爾低加、泰國冷凝器等產品，設計壓力和設計溫度都不高，管子均為薄壁管，既有光孔脹接，又有開槽脹接，均要求采用強度脹接。在產品制造中管子管板的脹接扭矩均按本文介紹的方法確定。試驗結果表明采用標稱扭矩制造的脹接接頭能保證其機械強度和密封性能。