管板脹管連接的加工與應(yīng)用

1、管板脹管連接的加工與應(yīng)用管子與管板的連接是管殼式換熱器生產(chǎn)中最主要的工序之一。由于這類(lèi)工程需耗費(fèi)大量工時(shí),更重要的是,連接的地方在運(yùn)行中容易發(fā)生故障。因此,發(fā)展高效率、高質(zhì)量的連接技術(shù)已成為制造中的重點(diǎn)研究課題。根據(jù)換熱器的使用條件不同,加工條件不同,連接的方法基本上分為脹接、焊接和脹焊結(jié)合三種,由于脹接法能承受較高的壓力,特別適用于材料可焊性差及制造廠(chǎng)的焊接工作量過(guò)大的情況。因此該方法在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用廣泛。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)已相繼開(kāi)發(fā)出滾柱脹管、爆炸脹管及液壓、液袋和橡膠脹管等新工藝。本文針對(duì)應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械式滾柱脹管進(jìn)行探討,為實(shí)際生產(chǎn)選擇合理的脹管工藝提供參考。1 脹管加工1.1

2、脹管加工的解釋脹管加工就是把管插入管板空著的管孔中，再把機(jī)械裝置插入管板內(nèi)，從管內(nèi)面加壓使之?dāng)U展并緊固的一種冷加工方法。這種方法從19世紀(jì)中葉就有發(fā)明記錄。以后，隨著工具的改良而不斷發(fā)展。鍋爐以及換熱器等等管子的安裝，95%采用此法。如果操作正確，這種方法可獲得高強(qiáng)度和高氣密性的脹接接頭。目前，在125kgf/cm2壓力和使用溫度400以下的場(chǎng)合，這是一種最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。一般地，鍋爐和壓力容器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都由法定的結(jié)構(gòu)規(guī)格詳細(xì)地加以規(guī)定，但是工作標(biāo)準(zhǔn)幾乎沒(méi)有涉及到。因此，作為裝置裝配的重要因素，仍然要憑借操作者個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)判斷。即使設(shè)計(jì)方案良好，但是脹管加工質(zhì)量不高，也會(huì)造成裝置的嚴(yán)重?fù)p害。往往

3、必須中止運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行修理。關(guān)于脹管加工，以往很多人進(jìn)行了各種各樣的試驗(yàn)和研究。但是，脹管加工對(duì)接頭的影響是多方面的。在某種情況下獲得的結(jié)果原封不動(dòng)地用于另一種情況，往往不能成功。另外，由于其操作十分簡(jiǎn)單，也存在對(duì)其重要性認(rèn)識(shí)不足的情況。最近鍋爐和換熱器的運(yùn)行條件越來(lái)越向高溫高壓的方向發(fā)展，所用媒質(zhì)也更加昂貴，也更具危險(xiǎn)性。對(duì)脹管接頭的要求也就越來(lái)越高。例如，火力發(fā)電方面，我國(guó)10年前蒸汽壓力65kgf/cm2，最高溫度485才歸為高溫高壓范疇。而現(xiàn)在已經(jīng)推進(jìn)到190 kgf/cm2，560，而且臨界壓力226 kgf/cm2，最高溫度600以上的高溫高壓也進(jìn)入了研究階段。在管的材質(zhì)方面，必須使用

4、比不銹鋼更高級(jí)的高溫合金。管的安裝也從焊接為主演變成焊脹結(jié)合為主。脹管加工已經(jīng)在更重要的工程中得到應(yīng)用?，F(xiàn)在，實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題變得非常復(fù)雜。必須積極進(jìn)行滿(mǎn)足給定條件的實(shí)驗(yàn)，把依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行脹管轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽靠茖W(xué)的標(biāo)準(zhǔn)操作方法進(jìn)行脹管。本節(jié)將闡述多年研究的脹管加工的基礎(chǔ)理論。脹管加工概述 脹管加工時(shí)，管和管板經(jīng)過(guò)管的嵌入，管和管孔的貼合，接頭完成三個(gè)階段，形成氣密的、高強(qiáng)度的接頭，如圖1.1所示。 （a）最初，管與管孔之間有適當(dāng)?shù)拈g隙，在這一狀態(tài)，脹管器從管端插入，使芯棒旋轉(zhuǎn)，如果用的是前進(jìn)式脹管器，芯棒邊旋轉(zhuǎn)邊進(jìn)入管內(nèi)，滾棒一邊進(jìn)行星置運(yùn)動(dòng)，一邊向半徑方向壓出。這時(shí)，滾棒，管內(nèi)面和芯軸之間借助磨擦力

5、相互擠壓。圖1.1（b）滾棒的擠壓處管的外圓形成多角形，同時(shí)向外擴(kuò)張，與管孔接觸。 這時(shí)，施加在管子上的應(yīng)力超過(guò)管的屈服點(diǎn)，使管子產(chǎn)生塑性變形。（c）隨著芯軸的推進(jìn)，管外圓受到管孔內(nèi)面的極大的壓力，芯軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力將會(huì)急劇增大。于是與管貼合的管孔內(nèi)面上的應(yīng)力也將超過(guò)其材料的屈服點(diǎn)。開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形。在這一階段，管子的徑向擴(kuò)張變形受到極大的限制。管子將會(huì)沿其軸線(xiàn)方向朝兩端伸長(zhǎng)。這時(shí)，管板幾乎沒(méi)有變形，管孔只有少許擴(kuò)張。達(dá)到“最佳脹管率”（后面章節(jié)將講到）之時(shí)，一旦從管中拔出脹管器，由于脹管加工而使管板沿管孔圓周方面產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力使管孔收縮，在管的外表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。從而使管的外表面與管孔內(nèi)面緊密貼

6、合，同時(shí)保持氣密性。管和管板之間的這一緊固力和氣密性，主要來(lái)自管板彈性恢復(fù)時(shí)所引起的殘余接觸壓力。如果脹管加工過(guò)度，管板彈性變差，壓縮緊固力減小，對(duì)脹管接頭將產(chǎn)生不利影響。脹管器的型式 應(yīng)用最廣泛的脹管器都是滾棒自動(dòng)進(jìn)給的平行漲管式脹管器。這種脹管器中間是一根帶錐度的芯軸。圍繞芯軸按等分角度配置3根或45根滾棒，滾棒按等分角度被保持在圓筒形的框架中。為在滾棒和芯軸上產(chǎn)生自動(dòng)進(jìn)給作用的進(jìn)給角度as，滾棒的錐角ar 相當(dāng)芯軸錐角的一半。但方向恰好相反。這是為了不產(chǎn)生過(guò)度脹管，接頭內(nèi)表面始終保持圓筒形，并給予管和管板以均勻一致的冷加工，以獲得強(qiáng)度最高，氣密性最好的脹接接頭。芯軸的錐角是普通的1/50

7、1/25錐度，錐角越大，脹管速度越快，工具長(zhǎng)度可以縮短。滾棒軸線(xiàn)與芯軸軸線(xiàn)之間有一夾角as，這就是自動(dòng)進(jìn)給角。設(shè)置這樣一個(gè)角度，當(dāng)芯軸旋轉(zhuǎn)時(shí)脹管器沿軸線(xiàn)方向整體送進(jìn)。這個(gè)角度越大，脹管操作時(shí)間越短。如果按照加工方法分類(lèi)，又可分為旋壓式，脹壓式和拉拔式。其中，旋壓式用途最廣。在長(zhǎng)期使用中，從敲擊芯軸使之旋轉(zhuǎn)的原始工藝，經(jīng)過(guò)平行脹管工藝，最終發(fā)展為自動(dòng)進(jìn)給的方式。自動(dòng)進(jìn)給功能，使得脹管工具有可能使用動(dòng)力。工具材質(zhì)的改良和熱處理方法的進(jìn)步使得脹管器能夠加工19mm以上壁厚的低碳鋼管以及各種合金鋼管。脹壓式脹管器主要用于管和管板都非常薄的低壓容器，如飛機(jī)的油冷卻器等。采用拉拔式脹管器的脹接工藝，如果加

8、工基準(zhǔn)的設(shè)定準(zhǔn)確無(wú)誤，是一種最為簡(jiǎn)單便利的加工方法。但是，由于必須以脹管器自身尺寸作為基準(zhǔn)，所以要求管子的尺寸公差非常小。 用這種脹管器進(jìn)行脹管加工所需要的時(shí)間如下：在管板厚度為120mm，管外徑70mm，內(nèi)徑60mm時(shí)，需要25sec；管板厚50mm，管外徑51mm，內(nèi)徑41mm時(shí)只需15sec即可加工一個(gè)接頭。影響脹管接頭質(zhì)量的各種因素。 要得到強(qiáng)度高、氣密性好的脹管接頭，先決條件是提供最適當(dāng)?shù)膹椥院退苄宰冃巍?鋼鐵材料的脹管率（管內(nèi)徑增加率）對(duì)其接頭強(qiáng)度有很大影響。接頭強(qiáng)度隨脹管率的增加而增加，但有一個(gè)最大值。過(guò)份增大脹管率將使管板彈性減弱甚至完全消失，接頭強(qiáng)度明顯下降。脹接接頭是一種磨

9、擦接頭，其緊固力隨管和管板孔接觸面的表面粗糙程度的增加而增加。但是，表面粗糙程度應(yīng)限制在一個(gè)適當(dāng)范圍內(nèi)。否則將影響管的氣密性，原因是當(dāng)脹管加工時(shí)，管子會(huì)伸長(zhǎng)，管孔粗糙面的凸起處被剪切削平，從面帶來(lái)不良后果。我們?cè)囼?yàn)時(shí)使用外徑19.05mm， 2.11mm壁厚的海軍黃銅管（相當(dāng)于冷凝器用的一種黃銅螺紋管BSTF1）在鋼制管板上以各種脹管率進(jìn)行脹管作業(yè)，超過(guò)最佳規(guī)范區(qū)，由于管的伸長(zhǎng)作用使接觸面的凸起部位被削平，接頭的強(qiáng)度降低。另外，對(duì)于異種金屬組成的接頭而言，管和管板的硬度越接近，剪切作用就越大。據(jù)我們的研究，管和管板組合時(shí)的最大殘余接觸壓力，在脹管時(shí)管和管板之間出現(xiàn)滑移之前產(chǎn)生，所以，為了獲得更

10、大的殘余接觸壓力，脹管時(shí)注意不要讓管子伸長(zhǎng)。至于接頭的強(qiáng)度，在其它條件相同的情況下，隨接頭的長(zhǎng)度（不按比例）和管的壁厚而增加，隨管的直徑增大而減少。管的材質(zhì)不同，其接頭強(qiáng)度相差很遠(yuǎn)。管和管板如果都是鋼質(zhì)的，可獲得很強(qiáng)的緊固力，但在銅管板上安裝鋼管，就幾乎不能獲得有強(qiáng)度的接頭。經(jīng)驗(yàn)證明，管的硬度比管板小一些為最好。而且管孔變形越大，間隙越大，脹管效果就越差。必須注意，僅有高強(qiáng)度還不能是好的接頭，還必須考慮接頭的密封性。接頭材料加工面的硬度對(duì)接頭密封性影響極大。一般地，接觸面越光滑，接頭密封性就越好。但是，這樣的接頭正是由于接觸面過(guò)于平滑，如前所述，其強(qiáng)度往往較差。要獲得優(yōu)質(zhì)接頭，就必須了解影響脹

11、管接頭強(qiáng)度的各種因素。下面將逐一加以闡述。A接頭長(zhǎng)度接頭長(zhǎng)度越長(zhǎng)，強(qiáng)度就越大。按照壓力容器構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的管板厚度，所制成的脹接接頭是很安全的。例如，在鍋爐上，接頭長(zhǎng)度與容器的厚度大致相等。像銅鎳低合金高強(qiáng)鋼，在設(shè)計(jì)上要求厚管板的情況下，接頭若超過(guò)13/8英寸，從強(qiáng)度方面來(lái)看，就沒(méi)有多少優(yōu)點(diǎn)了。管板的厚度和極限強(qiáng)度（Stability）接頭受內(nèi)壓和外力作用而破壞時(shí)的強(qiáng)度之間的關(guān)系是：圖2為拉伸試驗(yàn)樣件管板厚度：NO.管板厚度極限強(qiáng)度（Stability）1.13.97mm 6.5kgf/cm22.29.97mm 10.5kgf/cm23.50.05mm 10.9kgf/cm2 圖2由此可知，薄管

12、板每增加16mm厚度，強(qiáng)度就增加4kgf/ cm2，而厚管板即使每增大20.07mm極限強(qiáng)度只增大0.4 kgf/cm2。因此提倡采2832mm的短接頭， 對(duì)于高壓給水加熱器和換熱器這類(lèi)使用小直徑管的場(chǎng)合，管板厚度數(shù)從63.5 304.8mm不等。在實(shí)際操作中往往不能制做與管板厚度等長(zhǎng)的脹管接頭。據(jù)試驗(yàn)，在這種情況下，大體上63.5mm長(zhǎng)的接頭的強(qiáng)度等于管子本身的拉伸強(qiáng)度或彈性極限。應(yīng)在這一類(lèi)裝置中使用63.5mm長(zhǎng)度的接頭。這一長(zhǎng)度在高壓加熱器中經(jīng)長(zhǎng)年作業(yè)，其安全性得到了驗(yàn)證。太長(zhǎng)的接頭不僅造價(jià)高，而且在接頭構(gòu)件熱脹系數(shù)不等（例如鋼管板上安裝銅管）時(shí)，在裝置溫度急劇變化的情況下往往引起管的破

13、損。厚管板上安裝短一些的接頭，當(dāng)接頭損壞時(shí)，可以利用管孔尚未接觸的部位進(jìn)行修理。這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在管板的一端制做短接頭時(shí)，另一端進(jìn)行預(yù)脹，消除管和管板孔之間的間隙，以防雜質(zhì)進(jìn)入。B管的壁厚把管和管板的硬度組合固定不變，只改變管的壁厚，共進(jìn)行3組試驗(yàn)。管板的壁厚38.1mm，硬度HB128，管外徑82.55mm，硬度HB118122，管壁厚4.32mm8.13mm12.7mm；試驗(yàn)結(jié)論是“脹管接頭所獲得的最高殘余接觸壓力大致與管的壁厚成正比?！钡覀冋J(rèn)為即使不同壁厚的管所獲得的最高殘余接觸壓力在數(shù)值上顯示出與壁厚成正比的傾向，但并不遵從簡(jiǎn)單的比例法則。管子壁厚太大是沒(méi)有必要的。這不僅價(jià)格昂貴，而且

14、脹管加工相當(dāng)困難。C管和管孔的間隙為了獲取優(yōu)質(zhì)接頭，管和管孔之間的間隙必須適當(dāng)。我們對(duì)低碳鎮(zhèn)靜鋼管和鍋爐鋼管板的脹接操作時(shí)間隙的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果如下：(1) 間隙越大，加工時(shí)間越長(zhǎng)。(2) 間隙與管的伸長(zhǎng)量之間沒(méi)有相關(guān)關(guān)系。(3) 間隙大的接頭密封性差。這是由于間隙變大，使管子接觸管孔時(shí)，管子內(nèi)外兩面的硬度發(fā)生變化，管子圓度變差，從而對(duì)密封性產(chǎn)生不良影響。(4) 間隙與緊固力之間，沒(méi)有顯示出有特別明確的關(guān)系。用外徑19.05mm的冷凝器管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，間隙增大至0.76mm，加工時(shí)間從3秒增加到10秒，間隙增大至1.45mm，加工時(shí)間增加到20秒，幾乎增加了7倍。 對(duì)于鍋爐鋼管，ASME的間

15、隙標(biāo)準(zhǔn)是1/32英寸（0.79mm），德國(guó)的Dumpfkessel schüden的間隙尺寸是：管的公稱(chēng)外徑(mm） 60以下 83以下 95以下 至102管的外徑公差(mm） ±0.3 ±0.4 ±0.5 ±0.5管孔允許公差(mm) 0.50.8 0.81.2 0.91.4 1.01.5間 隙 (mm) 0.21.1 0.41.6 0.41.9 0.52.2 間隙一般取管外徑的1%為宜或管壁厚的10%，對(duì)于鍋爐管，取0.71.0mm為宜。間隙擴(kuò)大對(duì)接頭強(qiáng)度并無(wú)影響。但是，脹管率都是有限制的，不能隨間隙增大而增大。使用銅管和冷凝器螺紋管，操作

16、時(shí)容許限度較小。作為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，若管孔直徑D0，管外徑d0，則有：D0= d0+0.1+00.05管孔間隙最好要小些。小直徑的拉伸螺紋管在0.130.2mm，大直徑管限制在0.25mm以下。此外，管孔間隙還受到管子硬度的制約。例如，各種硬度的海軍黃銅冷凝器管，在1.27mm的間隙條件下進(jìn)行脹管作業(yè)試驗(yàn)，退火硬度HRE62的管能夠制成合格的接頭。HRE72硬度的管在脹管后有幾根在管端處產(chǎn)生裂縫。硬度HRE82的管在脹管后全部產(chǎn)生裂縫。D管外表面和管孔的平滑度脹管接頭是一種磨擦接頭，在其它條件不變的情況下任何對(duì)滑移有阻礙作用的因子或者說(shuō)增大磨擦力的因子都可增大接頭的強(qiáng)度。但另一方面，密封性也是接頭的

17、重要性能，密封性要求接頭的接觸面平滑而且管孔應(yīng)力為正圓形。所以，鉆孔之后應(yīng)鉸孔，但將導(dǎo)致緊固力下降。為增大緊固力，還必須在管孔中鏜槽。在某些情況下，管端還要退火和酸洗。穿管前進(jìn)行打磨或用雙頭式鋼刷研磨機(jī)清除氧化皮、鐵銹和其它污垢。具有細(xì)微螺紋狀痕跡的表面是最理想的，這樣的接頭強(qiáng)度可提高35%。管孔的修磨往往采取滾壓工藝。這樣能增加管孔硬度，對(duì)提高接頭的強(qiáng)度有利。但是，為修磨成鏡面，一定要鏜槽。滾壓后的管孔的圓度是軋滾數(shù)量的函數(shù)。通常要用5個(gè)以上軋滾。這是借鑒了滾珠軸承的制造經(jīng)驗(yàn)。把偏心的管孔修圓，對(duì)于鍋爐的維修十分有利。 無(wú)論管孔是怎樣的型式，無(wú)論管孔有多大，都必須保持其圓度。管孔鉆削后往往需

18、要鉸孔。這時(shí)必須注意防止鉆頭振動(dòng)或兩條切削刃不對(duì)稱(chēng)以及幾塊管板疊起來(lái)一起鉆孔所產(chǎn)生的種種缺陷。管孔鉆完之后進(jìn)行鉸孔等精加工時(shí)，必須注意不應(yīng)出現(xiàn)與管孔軸線(xiàn)平行的劃痕或連續(xù)的刀痕。特別是穿管時(shí)，折流板的毛刺劃傷管端形成的縱向劃痕，或管孔上的縱向劃痕，都是造成漏點(diǎn)的原因。E接頭的補(bǔ)強(qiáng)圖1.1是典型的鍋爐接頭。脹管滾輪超越管板前端，使管子沿管板端面脹大，在這個(gè)部位，管外徑比管孔還要大。對(duì)軸向拉伸的抗力增強(qiáng)。在管子端部按鍋爐標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行翻邊，以補(bǔ)強(qiáng)管的抗拉力。一般地，鍋爐脹管都使用自進(jìn)給脹管器，脹管的同時(shí)還要翻邊。為了使翻邊位于適當(dāng)?shù)奈恢?，操作必須特別熟練。過(guò)脹管會(huì)使管子沿軸向伸長(zhǎng)太多，翻邊就接觸不到管

19、板了。補(bǔ)強(qiáng)的目的也就不能達(dá)到，而且還容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕或腐蝕。這就必須通過(guò)斂縫操作來(lái)修整。其它翻邊缺陷，如翻邊侵入管板過(guò)深，引起脹管接頭的嚴(yán)重變形，容易引起腐蝕或其它缺陷。翻邊作業(yè)對(duì)厚壁管很困難。不如干脆把管端切頭。厚壁管翻邊時(shí)，會(huì)引起相鄰部位管和管板孔接觸的松馳，所以，要用小錐度（非平行式脹管器）對(duì)接頭進(jìn)行修整。一般的換熱器與鍋爐不同，不進(jìn)行翻邊，其補(bǔ)強(qiáng)措施是管孔中切削適當(dāng)形狀的槽，脹管時(shí)管材被壓入槽中，可以約束管的伸長(zhǎng)，增加強(qiáng)度同時(shí)也提高密封性。至于槽的形狀，美國(guó)多使用V形或碟形槽。我們引用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)1條槽、多條槽、寬槽、窄槽以及它們的組合進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，寬2.38mm深0.79m

20、m，中心距11.11mm的兩道槽，位于管板厚度中間，效果最好。這種程度的槽寬，抗剪強(qiáng)度非常好。槽的深度雖然比較淺，但脹管時(shí)管子實(shí)際上只向槽中擠壓0.380.51mm，所以，太深的槽是沒(méi)有必要的。兩條離開(kāi)一定距離的槽比一條寬槽效果好。關(guān)于槽的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果鉆鉸孔的緊固力是100，那么1條槽的緊固力就是139，兩條槽則是158，對(duì)泄漏的抵抗力也相應(yīng)增大。F管和管板的硬度進(jìn)行了管和管板不同硬度組合的試驗(yàn)結(jié)果表明，管與管板的相對(duì)硬度增加，殘余接觸壓力也增加，大體上，管板硬度HB150左右，出現(xiàn)最大值。以后硬度再增加，殘余接觸壓力不再增大。從操作方便且不易損傷管的角度來(lái)看，以“硬管板配軟管子”

21、比較恰當(dāng)。上述試驗(yàn)中，有一組試驗(yàn)是把硬度HB105的管板孔通過(guò)滾壓作業(yè)，使硬度增加到HB135的。方法是，鉆孔時(shí)先鉆成比規(guī)定直徑小約4.76mm的孔，然后用4滾棒脹管器進(jìn)行滾壓，擴(kuò)成比規(guī)定直徑小3.18mm的孔，最后再鉆鉸至規(guī)定尺寸。這樣，管孔周邊的硬度就從HB105提高到HB135。管的硬度比管板低，脹管操作比較容易，予脹也容易些（脹管之前，消除管和管孔之間的間隙的作業(yè)）。只要把脹管器稍微轉(zhuǎn)幾圈就行了。硬管板與軟管子裝配比軟管板與硬管子裝配的最大殘余接觸壓力大約要高30%。管板硬度變化，殘余接觸壓力曲線(xiàn)也變化，但無(wú)論哪種情況，都始終存在最大值。上述實(shí)驗(yàn)同時(shí)試驗(yàn)了硬度高達(dá)HB200的管和HB1

22、28的管板之間脹管試驗(yàn)的情形。這樣的組合，脹管操作非常困難，予脹也困難。修整等作業(yè)也困難，管板變形嚴(yán)重。殘余接觸壓力的測(cè)定結(jié)果表明，脹管率范圍很大。我們對(duì)管和管板硬度值各自相反的情況進(jìn)行了測(cè)試緊固力的試驗(yàn)。結(jié)果表明，硬管板配軟管比相反情況下緊固力要高1倍以上。管的硬度 HB100 HB320管板硬度 HB302 HB107拉伸試驗(yàn)初始載荷 8390kgf 5220kgf極限載荷 35830kgf 16330kgf管外徑 19.05mm管壁厚 0.9mm試驗(yàn)表明，即使是極軟鋼管板，也能得到很大的緊固力，即使過(guò)脹管，緊固力的下降也十分緩慢。但是，過(guò)脹管引起的管板變形十分嚴(yán)重。如果是特殊鋼，管板變形

23、小且緊固力非常高。但管壁厚減少很多，所以，過(guò)脹管操作容易傷管。G脹管器及其驅(qū)動(dòng)機(jī)的影響脹管器及其驅(qū)動(dòng)機(jī)也對(duì)接頭性能造成影響。使用最廣泛的是三滾棒前進(jìn)式自進(jìn)給平行脹管器。對(duì)于這種脹管器的各種因素的影響探討如下。主要因素如下所示：a. 滾棒的形狀和數(shù)量b. 芯軸和滾棒的表面粗糙度 c. 芯軸和滾棒的錐度d. 滾棒的進(jìn)給角e. 芯軸的轉(zhuǎn)速滾棒是直接接觸管內(nèi)壁進(jìn)行脹管的部件，其表面粗糙度和前端形狀將對(duì)接頭質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。滾棒前端的形狀，據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以雨滴狀的流線(xiàn)形為最好。這種情況對(duì)管的損傷最小，管材平滑。美國(guó)的研究員Fisher和Cope指出，鍋爐管脹管用的滾棒前端或其它同種工作的工具的前端，制成半徑為

24、5英寸（127mm）的圓形效果最好。至于滾棒數(shù)量，直到1938年幾乎都使用45根。但我們使用的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，除非是極為特殊的場(chǎng)合，以3根滾棒的脹管器效果最好。據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在管壁厚不均勻、管孔圓度不足的情況下進(jìn)行脹管作業(yè)，以3根滾棒的脹管器效果最好。實(shí)際操作中，管孔不可能呈完全的正圓形，拉伸鋼管也不可能使壁厚成為正確的同心圓。過(guò)去，用3根以上滾棒的脹管器，為了獲得優(yōu)質(zhì)接頭，必須對(duì)管孔進(jìn)行鉸制，使之成為正圓形，所用管子也必須選擇內(nèi)外圓同心的管子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在3滾棒脹管器上，各滾棒的負(fù)荷一致，接頭應(yīng)力也一樣。管板只需鉆孔，管子只需熱軋鋼管即可。不需特別的準(zhǔn)備即可獲得良好的接頭。但是，管端的氧化皮必須

25、除掉。使用3根滾棒，管內(nèi)面不易出現(xiàn)裂紋，管材向管孔槽中流動(dòng)的情況良好。但是， 3根滾棒造成管孔的過(guò)度變形較大，容易形成圓周方向剛性不均勻。例如在小管橋大管孔的情況下，對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)必須特別注意。使用5滾棒脹管器進(jìn)行脹管，管和管板的永久變形比其它脹管器要小很多。在管板較薄，材料無(wú)加工硬化容易屈服的情況下，使用5滾棒脹管器特別有利?；谕焕碛桑诜磸?fù)換管，管孔擴(kuò)張較大的鍋爐管接頭上使用，可獲得滿(mǎn)意結(jié)果。試驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，高速脹管器比低速脹管器效果要好，但必須注意的是：高速脹管使管孔變形較大，低速脹管使管壁厚減薄較多。在內(nèi)徑增加率相同的情況下，若芯軸壓力低，脹管終了時(shí)的轉(zhuǎn)速高，或者芯軸壓力高，轉(zhuǎn)速低

26、的搭配效果比較好。另外，即使內(nèi)徑增加率相同，如果轉(zhuǎn)速不同，管和管孔的變形狀態(tài)也不同。表中包括了高轉(zhuǎn)速的情況，低轉(zhuǎn)速的情況，手工脹管器的情況，以及依靠電動(dòng)機(jī)或氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)械脹管器的情況。機(jī)械驅(qū)動(dòng)的脹管器的作業(yè)質(zhì)量好，管子變形小。能夠在遠(yuǎn)離管孔的位置處產(chǎn)生有效的拉伸應(yīng)力，所制成的接頭質(zhì)量也很好。滾棒的進(jìn)給角度也對(duì)接頭的性能產(chǎn)生影響。同一型式脹管器，在其它條件完全相同的情況下，隨著進(jìn)給角度的不同，脹管作業(yè)所需的時(shí)間和轉(zhuǎn)速會(huì)起變化。接觸面平滑的接頭，例如，在黃銅板上的鉸制孔中安裝海軍黃銅管的場(chǎng)合，滾棒進(jìn)給角為2°3°為最佳，不僅加工速度快，而且接頭質(zhì)量好。接觸面粗糙的接頭，必須選

27、用小的進(jìn)給角度，管子受到較多的冷加工，壁厚減少量增大。在這種情況下，進(jìn)給角1.5°為宜。H承受交變負(fù)荷的接頭強(qiáng)度脹管接頭受到低于最大強(qiáng)度的交變負(fù)荷，特別是扭轉(zhuǎn)彎曲負(fù)荷的情況下，是很容易破斷的。這種情況的試驗(yàn)很少。用70%最大強(qiáng)度的載荷反復(fù)加載100次，無(wú)論是扭轉(zhuǎn)負(fù)荷還是彎曲負(fù)荷，都將導(dǎo)致接頭極限強(qiáng)度的降低。在實(shí)際使用的機(jī)械裝置中，作用在脹管接頭上的載荷是低周期的，上述試驗(yàn)不過(guò)1000次交變載荷，即使這個(gè)次數(shù)已經(jīng)相當(dāng)于正常使用20年的狀態(tài)了。脹管率脹管作業(yè)中最重要的工作，是根據(jù)管和管板的組合確定最佳脹管率。然后，同樣重要的是在實(shí)際操作中所有的管都用一樣的最佳脹管率進(jìn)行脹管加工。在低壓裝

28、置時(shí)代，脹管作業(yè)是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作。使用手工脹管器，管孔周邊一定距離以?xún)?nèi)除去氧化皮即可。但是，隨著高壓時(shí)代的到來(lái)，管板增厚，脹管器必須使用動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)，特別是各種新型合金材料的使用，就必須按照各種復(fù)雜的場(chǎng)合確定最佳脹管率。而且，使之在脹管加工中再現(xiàn)，也成為極其重要的問(wèn)題。各種試驗(yàn)都充分說(shuō)明，要制成優(yōu)質(zhì)的脹管接頭，必須按照最佳脹管率加工。A.脹管率的確定管和管板的組合不同，最佳脹管率也就不同。先把實(shí)際使用的材料制成幾種試件，然后用不同的脹管率進(jìn)行脹管加工。試驗(yàn)結(jié)果的好壞，如果用目視方法判別，就不如采取適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)判別來(lái)得可靠。這樣，初始試驗(yàn)的接頭就能獲得明確的認(rèn)定。使得脹管作業(yè)一開(kāi)始就建立在科學(xué)的基礎(chǔ)

29、之上。下面就各種試驗(yàn)方法逐一進(jìn)行論述。a.殘余應(yīng)力的測(cè)定 殘余應(yīng)力是接頭強(qiáng)度的直接基準(zhǔn)。測(cè)定各種不同脹管率的接頭的殘余應(yīng)力，是求得最佳脹管率的有效方法。從管板上取下管子的時(shí)候，管板會(huì)出現(xiàn)彈性回復(fù)，測(cè)定彈性回復(fù)的變形量，就能算出殘余應(yīng)力。以下計(jì)算公式是根據(jù)厚壁圓筒理論推出的，應(yīng)用此式，必須能夠十分精確地測(cè)定半徑方向的微量位移。UE(r2-b2)b2(1-v)+(1+v)c2/r2 P0=式中 P0 ：殘余應(yīng)力 b ：管外半徑 c ：管板的外半徑 r ：半徑座標(biāo) U ：由r得出的沿半徑方向的位移 E ：縱彈性模量（楊氏模量） v ：泊松比殘余應(yīng)力是管內(nèi)徑增加率和延伸率的函數(shù)。b.強(qiáng)度試驗(yàn)接頭的拉伸

30、，扭轉(zhuǎn)，彎曲試驗(yàn)是用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的。 彎曲試驗(yàn)是與管成直角的純彎曲和剪切的組合情況，這在實(shí)際場(chǎng)合中幾乎不會(huì)產(chǎn)生。因此，僅僅是純彎曲或者說(shuō)只有剪切應(yīng)力的情況是極其罕見(jiàn)的。破壞脹管接頭是用焊接結(jié)構(gòu)。為了使焊接不對(duì)脹管接頭造成熱影響，要把循環(huán)水從導(dǎo)入孔引入內(nèi)部進(jìn)行冷卻。強(qiáng)度試驗(yàn)中，接頭上加壓至127kgf/cm2的水壓，這與ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓力相當(dāng)。試驗(yàn)進(jìn)行到接頭破斷為止。把開(kāi)始出現(xiàn)漏點(diǎn)時(shí)的載荷記錄下來(lái)。最大強(qiáng)度被定義為試驗(yàn)中的最高載荷。無(wú)論是拉伸、扭轉(zhuǎn)均為接頭開(kāi)始斷裂前的數(shù)值。作用彎曲載荷的情況下，管不會(huì)從管板上斷裂下來(lái)，而是管的彎曲變形導(dǎo)致出現(xiàn)漏點(diǎn)。c.管的試驗(yàn) 給定尺寸的管進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度的測(cè)

31、定，是進(jìn)行正確脹管作業(yè)所必須的。對(duì)長(zhǎng)50.8mm的試管在試驗(yàn)機(jī)上施加壓縮載荷（又稱(chēng)為豎直加載試驗(yàn)），測(cè)試外徑開(kāi)始增大和長(zhǎng)度開(kāi)始減少的載荷，以此作為管截面的破斷點(diǎn)。壓縮試驗(yàn)：外徑22.23mm壁厚1.24mm的海軍黃銅管（冷凝器用螺紋黃銅管BsTF1）的管子承受907kgf的縱向壓縮的載荷時(shí)長(zhǎng)度開(kāi)始減少，1134kgf時(shí)外徑開(kāi)始增加，以后的變形急劇增大，根據(jù)這一試驗(yàn)結(jié)果可知， 907kgf的純機(jī)械接頭，已超過(guò)管自身的破斷點(diǎn)，可以認(rèn)為是具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性的接頭。907kgf的接頭使用的是25.4mm的管板，管與管板金屬接觸之后，管內(nèi)徑增加量為0.0760.102mm，管孔進(jìn)行了鉸制鏜了槽并經(jīng)42k

32、gf/cm2的水壓試驗(yàn)合格。d.壓出試驗(yàn)在試驗(yàn)管板上用各種不同的脹管率進(jìn)行脹管加工，管中插入引導(dǎo)棒并在材料試驗(yàn)機(jī)上加載壓出。測(cè)定接頭破斷時(shí)的載荷。壓出前，要把管子從管板面的伸出部分切去，這種方法只須簡(jiǎn)單地測(cè)定載荷的絕對(duì)值，是比較緊固力的簡(jiǎn)單方法。而且試件的制做比拉伸試驗(yàn)簡(jiǎn)單。e.脹管接頭殘余應(yīng)力的測(cè)定冷凝器用黃銅管的脹管接頭處存在拉伸殘余應(yīng)力，其值過(guò)大會(huì)在使用過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞等促使應(yīng)力破壞的傾向。因此，用各種不同條件制成的脹管接頭要進(jìn)行水銀試驗(yàn)（JIS H3632），可推定存在710 kgf/cm2以上的殘余應(yīng)力，或者進(jìn)行阿摩尼亞試驗(yàn)，可推定存在23 kgf/cm2的殘余應(yīng)力。據(jù)日

33、本住友輕金屬的試驗(yàn)，外徑19mm，壁厚1.2mm的鋁砷高強(qiáng)度黃銅管，厚35mm硬度達(dá)Hs18的海軍黃銅管板，管孔尺寸19.0、19.1、19.2和19.4mm的各種組合，使用Franklin公司的電子管式扭矩控制脹管器，變化不同的脹管率；進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明：例如管孔徑19.1mm時(shí)，脹管加工程度的刻度為“3”，530熱處理軟化管的壁厚減少率為5.6%，應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果如下所述。（1） 水銀試驗(yàn)：把脹管試板浸泡在硝酸亞汞中24小時(shí)，如果試板不出現(xiàn)裂紋，可以確認(rèn)本試板不存在7 kgf/cm2以上的危險(xiǎn)的拉伸殘余應(yīng)力。（2） 阿摩尼亞試驗(yàn)：把脹管試板放置在濃阿摩尼亞氣體中，。脹管接頭受到

34、一致性加工的直線(xiàn)部分通常并不發(fā)生裂縫。裂縫往往出現(xiàn)在接頭末端受到不均勻加工的部位。所以：I 接頭的直線(xiàn)部分不會(huì)殘留3 kgf/cm2以上的拉伸應(yīng)力。II接頭末端的臺(tái)階部分殘留有310kgf/cm2的拉伸應(yīng)力。管孔直徑過(guò)大以及脹管率過(guò)大會(huì)殘留危險(xiǎn)的拉伸應(yīng)力。管孔徑合適，脹管率得當(dāng)，殘余應(yīng)力在3 kgf/cm2上下。2.脹管的實(shí)際應(yīng)用脹管工藝既要符合GB150 - 98  鋼制壓力容器 、GB151 一1999  管殼式換熱器 等壓力容器制造有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，又要符合（96 ) 276 號(hào)中華人民共和國(guó)勞動(dòng)部 安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 ，必須系統(tǒng)考慮制造過(guò)程中各道工序的技術(shù)要求，并認(rèn)真做好每一道工序質(zhì)量的預(yù)控制，以保證設(shè)備整體制造質(zhì)量。  2 . 1 首先時(shí)采購(gòu)的銅管的材質(zhì)提出要求，雖然管子生產(chǎn)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是有正負(fù)公差范圍。我們預(yù)先要求供貨商供應(yīng)的管子必須是正公差，管子外徑公差必須控制在土0.1mm以?xún)?nèi)，管子橢圓度不得超出土0.2mm，管口端面應(yīng)平直，