Vol.39No.2Apr.2019投稿网址：http ：//辽宁石油化工大学学报JOURNAL OF LIAONING SHIHUA UNIVERSITY第39卷第2期2019年4月开槽管板机械胀与液压胀技术研究王英，高磊，张莹莹（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺113001）摘要：通过胀接工艺，采用机械胀管器、液压胀管机及液压式胀杆器对其进行开槽管板胀接实验，研究了不同槽宽下同种胀接的胀接性能，以及不同胀接在同种槽宽下的胀接性能，并通过对比确定了适宜的胀接技术。
结果表明，实验方法合理，数据充实可靠，可为研究换热管与管板之间的连接、检查换热管与管板贴胀质量及管材的胀接性能、确定最佳的胀度、检验胀接部位的外观质量及接头的密封性能提供实验依据。
关键词：机械胀接；液压胀接；开槽管板；胀接实验中图分类号：TQ051.5文献标志码：Adoi ：10.3969/j.issn.1672⁃6952.2019.02.017Research on Mechanical Distention and Hydraulic Expansion ofSlotted Tube PlateWang Ying ，Gao Lei ，Zhang Yingying（School of Mechanical Engineering ，Liaoning Shihua University ，Fushun Liaoning 113001，China ）Abstract :Through the expansion joint process,this paper adopts mechanical expansion pipe,hydraulic pipe expander andhydraulic pipe expander to carry out the pipe expansion test by using the expansion process.Expanding test is made by studying the expansion performance with different groove width and the expansion performance with different expanded joint technologies of the expended joint performance under the same groove width,the adaptive expansion technique is determined by comparison.The research results show that the experimental method is reasonable and the data is full and reliable.In order to study the connection between heat exchanger tube and tube plate,cheak the tube expanding quality of expending tube and the expanding character of tube material,determining the best expanding coefficient,testing the surface quality of expanding part and the enclosure character,to provide experimental evidence.Keywords :Mechanical expansion joint ；Hydraulic expansion joint ；Slotted tube sheet ；Expansion join test随着石油化工设备技术的发展，换热管与管板接头是换热器中最容易发生失效的地方，换热管与管板连接接头的可靠性一直是管壳式换热器设计中备受关注的问题之一[1]。
目前，常用的换热管与管板连接技术有胀焊结合、焊接和胀接等。
其中，胀接技术的应用最早、最广泛、最为普遍。
胀接技术又可分为机械胀接、液压胀接、爆炸胀接及橡胶胀接等[2]。
在诸多胀接技术中，胀接过程是一个复杂的过程，既要考虑胀接过程中换热管与管板的受力方式，还要考虑胀后换热管与管板的贴合情况，即残余应力与拉脱力。
因此，残余应力与拉脱力的分析与应用仍是一个重要的研究课题[3⁃5]。
在应用机械胀接时，机械胀管通过胀管器中的胀子对换热管进行锥形旋转，使其对胀管不断碾压，促使换热管发生塑性形变；当管板孔的变形回复后，换热管紧固在管板内达到胀接的目的，机械胀接技术至今仍被国内外所应用[6]。
液压胀接的目的是在换热管与管板之间产生足够大的接触应力以获得足够的紧密性[7]。
液压胀接是一种均匀全面性的胀接过程，不会发生机械胀接那种碾压促使换热管磨损严重的情况，其换热管变形规律与机械胀接时的形变过程也有些不同。
与管板开槽结构相关的原有规定，已不能适应新型液压胀接技术的要求，必须寻求适合新型胀接方法的开槽结构，因此国内外学者对管板开槽下的液压文章编号：1672⁃6952（2019）02⁃0094⁃05收稿日期：2017⁃10⁃31修回日期：2018⁃04⁃20作者简介：王英（1991⁃），男，硕士研究生，从事新型高效石化装备方面的研究；E⁃mail:729985462@ 。
通信联系人：高磊（1962⁃），女，教授，从事压力容器设计与制造方面的研究；E⁃mail:fs_gl@ 。
第2期王英等.开槽管板机械胀与液压胀技术研究胀接进行了研究与探索[8]。
1胀接设备及原理1.1胀接设备机械胀接设备采用Matex 型数控机械胀管机，其目的是为了使用户能够准确地支配时间和胀力，设备采用三相变频电机。
与电动机胀管机对比，Matex 型数控机械胀管机具有高效的胀管速度和准确的胀接强度。
同时，可通过胀接过程记录及存储每个试件的实验参数；在使用相同胀接材料的情况下，可迅速地调出相应状态下的数据及减少设备数据的误差情况。
液压胀接设备采用超高压液袋式胀管机，其型号为YZJ⁃350D ，采用电子模块化、数字显示，胀管压力可以准确设定，并在控制器上显示，因此可避免人为因素造成的胀接压力不稳定，保证实验数据准确、可靠。
1.2胀接原理（1）机械胀接原理。
胀管器通过电动胀管机的带动被塞入换热管并顺时针转动，胀管器的胀珠与换热管之间的锥形旋转，胀珠碾压换热管的同时沿换热管的轴线向前推进，使胀管器后细前粗，胀珠逐渐被胀开使换热管沿径向扩胀，管材应力达到屈服点并产生塑性变形，管板产生弹性变形，释放胀力，达到胀管和管板孔壁达到紧密相接的目的[9⁃10]。
因此，采用机械胀接技术时，对换热管与管板的材料有一定的要求，即要求管板的硬度比换热管的硬度高一些，硬度之差HB 应大于30，如果达不到要求，则应对其管端进行软化退火处理[11⁃12]。
（2）液压胀接原理。
液压胀接原理如图1所示。
将高压介质从软管输入到芯轴，然后经芯轴中心注入液袋，借助液袋对换热管管壁施加均匀的胀接压力，并将压力施加至换热管内壁；管壁先发生弹性变形，且与开槽管板孔的内壁轻微接触，继续加压使换热管外壁与管板开槽处部分贴合或完全紧密贴合；泄压后，利用管板的弹性恢复作用，使换热管与管板紧密连接[13⁃14]。
2实验过程2.1试件的制备（1）管板、换热管试件。
换热管(Φ19.0mm ×2.0mm)，其长度为100.0mm ，每组试件各8根。
胀接试件如图2所示。
（2）开槽刀具。
刮沟具，材质为T12工具钢，开槽深度为0.5mm ，刀具对管板开槽切割无影响。
胀接开槽原理及加工尺寸如图3所示。
（a）双槽机械胀接（b）双槽液压胀接图1液压胀接原理注：A 双槽液压胀接；B 单槽液压胀接；C 、D 双槽机械胀接图2胀接试件（单位：mm ）95辽宁石油化工大学学报第39卷（c）单槽液压胀接图3管孔胀槽原理及加工尺寸（单位：mm）（3）制备试件。
模拟与设备管板材料、规格、管孔加工工艺及偏差完全一致，制作1块胀接实验试件（Φ255×155⁃16MnⅡ）；换热管试件采用材质、规格与设备用换热管同规格、性能相近的10#无缝钢，其换热管与管板材料及其性能见表1。
（4）胀杆器。
根据换热管规格、管板厚度，分别定制机械胀杆器、液压胀杆器及耐高压、抗疲劳性强的液袋套管。
2.2实验过程（1）用酒精去除管板试件管孔内及实验用管外壁的锈蚀、油污。
（2）分别编制各种管孔及试管的序号（1，2，…，n），测量各管口直径、试管内外径及管壁厚度，并做好记录。
（3）设定胀管机压力，具体试件序号所对应的实验压力见表2。
2.3胀接实验根据胀接压力计算结果，考虑各方面因素，实验初始胀力选取130MPa进行试胀，并计算胀度。
如果胀度ρ＜1.5%，则需要向上修订胀接压力，每次间隔10MPa，若胀度ρ为1.5%～3.0%则合格。
根据胀度ρ的指标要求，最终得出合理的胀接压力范围，进行实验胀力初始计算，计算式见式（1）。
ρ=(d´i-d i)-(D-d)2S×100%（1）式中，d为换热管外径，mm；d i为胀前换热管内径，mm；d´i为胀后换热管内径，mm；S为换热管壁厚，mm；D为管板孔直径，mm；ρ为胀度（管壁减薄率），%。
2.4数据测量采用内经千分尺、内径百分表、读数游标卡尺等专用测量器数进行多次测量，测量及分析见表3—5。
表中，A表示液压胀接双槽胀接实验，B表示液压胀接单槽胀接实验，C表示机械胀接双槽胀接实验。
表3液压胀接双槽胀接实验参数dd id i´SDρ合格/不合格数值A118.9414.8615.252.0419.261.65合格A218.8814.8415.292.0219.261.70合格A318.9214.8615.262.0319.241.88合格A418.9214.8515.222.0419.221.81合格A518.9014.8615.282.0219.241.93合格A618.8814.8615.262.0119.202.05合格A718.9214.8615.232.0319.202.19合格A818.9214.8615.252.0319.222.25合格表1换热管与管板材料及其性能试件管板换热管材料16MnⅡ10#无缝钢屈服应力/MPa350205抗拉性能/MPa600450表2胀接实验压力排布情况序号12345678实验压力/MPa13013014014015015016016096第2期王英等.开槽管板机械胀与液压胀技术研究表4液压胀接单槽胀接实验参数d d i d i ´S D ρ合格/不合格数值B118.9214.8815.242.0219.221.48不合格B218.9014.8615.222.0219.201.50合格B318.9014.8515.222.0319.201.63合格B418.8814.8615.292.0019.241.66合格B518.9014.8915.302.0019.241.70合格B618.9114.8515.312.0319.301.73合格B718.9214.8215.222.0519.241.88合格B818.9114.8715.342.0219.302.01合格表5机械胀接双槽胀接实验参数d d i d i ´S D ρ合格/不合格数值C118.9014.8715.192.0219.161.40不合格C218.9014.8515.242.0219.181.36不合格C318.9114.8515.192.0319.171.72合格C418.9214.8515.182.0319.181.62合格C518.9014.8615.142.0219.141.97合格C618.9214.8415.142.0419.161.88合格C718.9014.8615.242.0219.202.22合格C818.8814.8415.212.0219.152.41合格2.5解剖检验采用线切割对贴胀试件进行解剖，在10倍放大镜下观察，结果如图4所示。