管板胀管连接的加工与应用

管子与管板的连接是管壳式换热器生产中最主要的工序之一。由于这类工程需耗费大量工时,更重要的是,连接的地方在运行中容易发生故障。因此,发展高效率、高质量的连接技术已成为制造中的重点研究课题。根据换热器的使用条件不同,加工条件不同,连接的方法基本上分为胀接、焊接和胀焊结合三种,由于胀接法能承受较高的压力,特别适用于材料可焊性差及制造厂的焊接工作量过大的情况。因此该方法在实际生产中运用广泛。随着技术的不断发展,现已相继开发出滚柱胀管、爆炸胀管及液压、液袋和橡胶胀管等新工艺。本文针对应用最为广泛的机械式滚柱胀管进行探讨,为实际生产选择合理的胀管工艺提供参考。

1． 胀管加工

1.1 胀管加工的解释

胀管加工就是把管插入管板空着的管孔中，再把机械装置插入管板内，从管内面加压使之扩展并紧固的一种冷加工方法。

这种方法从19世纪中叶就有发明记录。以后，随着工具的改良而不断发展。锅炉以及换热器等等管子的安装，95%采用此法。如果操作正确，这种方法可获得高强度和高气密性的胀接接头。目前，在125kgf/cm2压力和使用温度400℃以下的场合，这是一种最经济实用的方法。

一般地，锅炉和压力容器的设计标准都由法定的结构规格详细地加以规定，但是工作标准几乎没有涉及到。因此，作为装置装配的重要因素，仍然要凭借操作者个人的经验判断。即使设计方案良好，但是胀管加工质量不高，也会造成装置的严重损害。往往必须中止运转，进行修理。

关于胀管加工，以往很多人进行了各种各样的试验和研究。但是，胀管加工对接头的影响是多方面的。在某种情况下获得的结果原封不动地用于另一种情况，往往不能成功。另外，由于其操作十分简单，也存在对其重要性认识不足的情况。

最近锅炉和换热器的运行条件越来越向高温高压的方向发展，所用媒质也更加昂贵，也更具危险性。对胀管接头的要求也就越来越高。例如，火力发电方面，我国10年前蒸汽压力65kgf/cm2，最高温度485℃才归为高温高压范畴。而现在已经推进到190 kgf/cm2，560℃，而且临界压力226 kgf/cm2，最高温度600℃以上的高温高压也进入了研究阶段。在管的材质方面，必须使用比不锈钢更高级的高温合金。管的安装也从焊接为主演变成焊胀结合为主。胀管加工已经在更重要的工程中得到应用。现在，实际应用中的问题变得非常复杂。必须积极进行满足给定条件的实验，把依靠经验进行胀管转变为依靠科学的标准操作方法进行胀管。本节将阐述多年研究的胀管加工的基础理论。

1.1.1胀管加工概述

胀管加工时，管和管板经过管的嵌入，管和管孔的贴合，接头完成三个阶段，形成气密的、高强度的接头，如图1.1所示。

（a）最初，管与管孔之间有适当的间隙，在这一状态，胀管器从管端插入，使芯棒旋转，如果用的是前进式胀管器，芯棒边旋转边进入管内，滚棒一边进行星置运动，一边向半径方向压出。这时，滚棒，管内面和芯轴之间借助磨擦力相互挤压。

图1.1

（b）滚棒的挤压处管的外圆形成多角形，同时向外扩张，与管孔接触。 这时，施加在管子上的应力超过管的屈服点，使管子产生塑性变形。

（c）随着芯轴的推进，管外圆受到管孔内面的极大的压力，芯轴旋转驱动力将会急剧增大。于是与管贴合的管孔内面上的应力也将超过其材料的屈服点。开始产生塑性变形。在这一阶段，管子的径向扩张变形受到极大的限制。管子将会沿其轴线方向朝两端伸长。

这时，管板几乎没有变形，管孔只有少许扩张。达到“最佳胀管率”（后面章节将讲到）之时，一旦从管中拔出胀管器，由于胀管加工而使管板沿管孔圆周方面产生的拉伸应力使管孔收缩，在管的外表面产生压缩应力。从而使管的外表面与管孔内面紧密贴合，同时保持气密性。

管和管板之间的这一紧固力和气密性，主要来自管板弹性恢复时所引起的残余接触压力。如果胀管加工过度，管板弹性变差，压缩紧固力减小，对胀管接头将产生不利影响。

1.1.2胀管器的型式

应用最广泛的胀管器都是滚棒自动进给的平行涨管式胀管器。这种胀管器中间是一根带锥度的芯轴。围绕芯轴按等分角度配置3根或4～5根滚棒，滚棒按等分角度被保持在圆筒形的框架中。为在滚棒和芯轴上产生自动进给作用的进给角度as，滚棒的锥角ar 相当芯轴锥角的一半。但方向恰好相反。这是为了不产生过度胀管，接头内表面始终保持圆筒形，并给予管和管板以均匀一致的冷加工，以获得强度最高，气密性最好的胀接接头。芯轴的锥角是普通的1/50～1/25锥度，锥角越大，胀管速度越快，工具长度可以缩短。

滚棒轴线与芯轴轴线之间有一夹角as，这就是自动进给角。设置这样一个角度，当芯轴旋转时胀管器沿轴线方向整体送进。这个角度越大，胀管操作时间越短。

如果按照加工方法分类，又可分为旋压式，胀压式和拉拔式。其中，旋压式用途最广。在长期使用

中，从敲击芯轴使之旋转的原始工艺，经过平行胀管工艺，最终发展为自动进给的方式。自动进给功能，使得胀管工具有可能使用动力。工具材质的改良和热处理方法的进步使得胀管器能够加工19mm以上壁厚的低碳钢管以及各种合金钢管。

胀压式胀管器主要用于管和管板都非常薄的低压容器，如飞机的油冷却器等。

采用拉拔式胀管器的胀接工艺，如果加工基准的设定准确无误，是一种最为简单便利的加工方法。但是，由于必须以胀管器自身尺寸作为基准，所以要求管子的尺寸公差非常小。

用这种胀管器进行胀管加工所需要的时间如下：

在管板厚度为120mm，管外径70mm，内径60mm时，需要25sec；

管板厚50mm，管外径51mm，内径41mm时只需15sec即可加工一个接头。

1.1.3影响胀管接头质量的各种因素。

要得到强度高、气密性好的胀管接头，先决条件是提供最适当的弹性和塑性变形。

钢铁材料的胀管率（管内径增加率）对其接头强度有很大影响。接头强度随胀管率的增加而增加，但有一个最大值。过份增大胀管率将使管板弹性减弱甚至完全消失，接头强度明显下降。

胀接接头是一种磨擦接头，其紧固力随管和管板孔接触面的表面粗糙程度的增加而增加。但是，表面粗糙程度应限制在一个适当范围内。否则将影响管的气密性，原因是当胀管加工时，管子会伸长，管孔粗糙面的凸起处被剪切削平，从面带来不良后果。我们试验时使用外径19.05mm， 2.11mm壁厚的海军黄铜管（相当于冷凝器用的一种黄铜螺纹管BSTF1）在钢制管板上以各种胀管率进行胀管作业，超过最佳规范区，由于管的伸长作用使接触面的凸起部位被削平，接头的强度降低。另外，对于异种金属组成的接头而言，管和管板的硬度越接近，剪切作用就越大。

据我们的研究，管和管板组合时的最大残余接触压力，在胀管时管和管板之间出现滑移之前产生，所以，为了获得更大的残余接触压力，胀管时注意不要让管子伸长。

至于接头的强度，在其它条件相同的情况下，随接头的长度（不按比例）和管的壁厚而增加，随管的直径增大而减少。管的材质不同，其接头强度相差很远。

管和管板如果都是钢质的，可获得很强的紧固力，但在铜管板上安装钢管，就几乎不能获得有强度的接头。经验证明，管的硬度比管板小一些为最好。而且管孔变形越大，间隙越大，胀管效果就越差。必须注意，仅有高强度还不能是好的接头，还必须考虑接头的密封性。接头材料加工面的硬度对接头密封性影响极大。一般地，接触面越光滑，接头密封性就越好。但是，这样的接头正是由于接触面过于平滑，如前所述，其强度往往较差。

要获得优质接头，就必须了解影响胀管接头强度的各种因素。下面将逐一加以阐述。

A．接头长度

接头长度越长，强度就越大。按照压力容器构造标准设计的管板厚度，所制成的胀接接头是很安全的。例如，在锅炉上，接头长度与容器的厚度大致相等。像铜镍低合金高强钢，在设计上要求厚管板的情况下，接头若超过13/8英寸，从强度方面来看，就没有多少优点了。管板的厚度和极限强度（Stability）——接头受内压和外力作用而破坏时的强度之间的关系是：图2为拉伸试验样件

管板厚度：

图2

由此可知，薄管板每增加16mm厚度，强度就增加4kgf/ cm2，而厚管板即使每增大20.07mm极限强度只增大0.4 kgf/cm2。

因此提倡采28～32mm的短接头，

对于高压给水加热器和换热器这类使用小直径管的场合，管板厚度数从63.5 ～304.8mm不等。在实际操作中往往不能制做与管板厚度等长的胀管接头。据试验，在这种情况下，大体上63.5mm长的接头的强度等于管子本身的拉伸强度或弹性极限。应在这一类装置中使用63.5mm长度的接头。这一长度在高压加热器中经长年作业，其安全性得到了验证。

太长的接头不仅造价高，而且在接头构件热胀系数不等（例如钢管板上安装铜管）时，在装置温度急剧变化的情况下往往引起管的破损。

厚管板上安装短一些的接头，当接头损坏时，可以利用管孔尚未接触的部位进行修理。这是一个优点。在管板的一端制做短接头时，另一端进行预胀，消除管和管板孔之间的间隙，以防杂质进入。

B．管的壁厚

把管和管板的硬度组合固定不变，只改变管的壁厚，共进行3组试验。管板的壁厚38.1mm，硬度HB128，管外径82.55mm，硬度HB118～122，管壁厚①4.32mm②8.13mm③12.7mm；试验结论是“胀管接头所获得的最高残余接触压力大致与管的壁厚成正比。”但我们认为即使不同壁厚的管所获得的最高残余接触压力在数值上显示出与壁厚成正比的倾向，但并不遵从简单的比例法则。管子壁厚太大是没有必要的。这不仅价格昂贵，而且胀管加工相当困难。

C．管和管孔的间隙

为了获取优质接头，管和管孔之间的间隙必须适当。我们对低碳镇静钢管和锅炉钢管板的胀接操作时间隙的影响进行了研究。结果如下：

(1) 间隙越大，加工时间越长。

(2) 间隙与管的伸长量之间没有相关关系。

(3) 间隙大的接头密封性差。这是由于间隙变大，使管子接触管孔时，管子内外两面的硬度发生变化，管子圆度变差，从而对密封性产生不良影响。

(4) 间隙与紧固力之间，没有显示出有特别明确的关系。用外径19.05mm的冷凝器管进行了实验，间隙增大至0.76mm，加工时间从3秒增加到10秒，间隙增大至1.45mm，加工时间增加到20秒，几乎增加了7倍。

对于锅炉钢管，ASME的间隙标准是1/32英寸（0.79mm），德国的Dumpfkessel schüden的间隙尺寸是：

管的公称外径(mm） 60以下 83以下 95以下 至102

管的外径公差(mm） ±0.3 ±0.4 ±0.5 ±0.5

管孔允许公差(mm) 0.5～0.8 0.8～1.2 0.9～1.4 1.0～1.5

间 隙 (mm) 0.2～1.1 0.4～1.6 0.4～1.9 0.5～2.2

间隙一般取管外径的1%为宜或管壁厚的10%，对于锅炉管，取0.7～1.0mm为宜。间隙扩大对接头强度并无影响。但是，胀管率都是有限制的，不能随间隙增大而增大。

使用铜管和冷凝器螺纹管，操作时容许限度较小。作为标准尺寸，若管孔直径D0，管外径d0，则有：D0= d0+0.1+00.05

管板胀管连接的加工与应用