铜管胀接技术研究
黄坤荣3 王汉青 寇广孝 周湘江
(南华大学)
摘 要 对制冷设备中铜管与管板的胀接技术进行了较详细的分析,并阐述了胀接
时应注意的各种问题。
关键词 铜管 胀管技术 制冷设备
0
前言
铜管由于其优良的导热性能,而在空调制冷、热泵机组中被大量使用。铜管和管板的连接方式主要为胀接。胀接具有结构简单,管子修补容易等特点。传热管与管板的连接是管壳式换热器设计与制作过程中的一个最重要、最关键的环节,如果没有严格的管理程序与操作方法,往往会导致管端连接处的管板变形、管束扭曲,造成泄漏,甚至使换热管发生裂纹等损坏,故在胀管时必须严格注意换热管的壁厚、管板与管子的材质、管孔的尺寸、管子表面及管孔加工的粗糙度、胀管的程序等。本文对影响铜管与管板胀接强度及密封性的各种因素进行较详细的分析。1 胀接使用温度与压力范围 由于胀接管端处在胀接时产生了塑性变形,存在着残余应力,随着温度的上升,残余应力逐渐消失,这样使管端胀接处的密封性能和结合力降低。所以,胀接结构受到压力和温度的一定限制。我国GB151-1999标准规定,强度胀接适用于设计压力≤4MPa,设计温度≤300℃,但对胀接所使用的材料未做限制。参考日本千代田株的实验成果,对于紫铜管(T2Y2)与钢板的胀接,其使用温度不应超过180℃,设
计压力可取<5MPa。
2
影响胀管性能的若干因素
211 换热管与管板材料的匹配
GB151只提出管板材料的硬度值一般不
低于换热管材料的硬度值。国外不少标准都规
定管板的硬度值应大于管子的硬度,一般控制
在HB20～30[1]。当硬度差值过小时,胀接后管
子的回弹量有可能大于管板的回弹量而造成胀
接不紧;但是,当管子与管板的硬度值相差较
大时也得不到较佳的胀接质量。我们在实践中
发现:铜管与不锈钢管板很难获得较佳的胀接
质量。所以,与紫铜管
(
T2Y
2
)
胀接的管板材料
最好选用Q235-A、20R或以其为基体的复合
管板等。
212 胀接长度
胀接长度与拉脱力成正比,但胀接长度超
过50mm时,其效果反而不好。因此各国标准
都规定胀接长度小于50mm,且距管板内表面
(壳程侧)
3
mm
处不胀,当管板较薄时,可采用
3黄坤荣,男,1972年10月生,讲师。衡阳市,421001。
61
铜管胀接技术研究
管板名义厚度减去3mm后全长胀接。换热管的胀接部分与非胀接部分应圆滑过渡,不应有变化急剧的棱角。 213 管孔径与管间距 为了确保胀接质量,应严格控制管孔径与管间距。较大的管间距可以避免胀管时对其周边管孔的影响,但会减少单位面积的布管数量。因此,管间距应严格按照GB151-1999的要求
确定。管与管孔径间隙以狭为好,过大的间隙
容易造成胀接的密封性下降,而且胀管时间也
长,导致材料性能恶化。对于铜管与碳钢管板
胀接的管孔尺寸,应严格按照GB151-1999的
要求进行(见表1)。
214 管孔开槽
表1 铜和铜合金换热管的管板管孔直径及允许偏差(单位
:
mm
)
换热管外径
10121416192225303235
管孔直径101251212514125161251912522125251253013032135351
40
允许偏差
+01100+0112
0
管孔开槽的目的是提高拉脱力及增强密封性。国外厂家经过实验提出:如果设无开槽时拉脱力为100,则开一个槽拉脱力可达140,开两个槽拉脱力可达150[1]。 GB151-1999规定开槽尺寸:宽度为3mm,深度为015～018mm,当板厚∆<25mm时,开一个槽;当板厚∆≥25mm时,开两个槽。 215 管孔与换热管表面粗糙度 从拉脱力观点分析,希望管与管孔之间的接触面越粗糙越好,因为较粗糙的结合面可以产生较大的摩擦力,胀后不易拉脱;但从密封的观点看,两者表面粗糙度越小越好,因为较光滑的结合面不易产生泄漏。因此,应将换热管管头在磨管机上进行加工,使其粗糙度达Ra≤613Λm,管板孔壁在钻孔后达到Ra≤1215Λm,这样既保证了胀接的牢固性,又满足了其严密性的要求。同时,在胀接前应清除换热管管端表面及管孔表面的附着物、锈斑、油污及氧化层,使换热管管端表面呈现金属光泽,其长度应不少于二倍管板的厚度,另外,管孔表面不应有影响胀接连接紧密性的缺陷,如贯通的纵向或螺旋状刻痕等[2]。 216 胀管率H 胀管的可靠性可用胀管率H来表示:H=d1-d2-(D-d)d-d2×100%式中 d1——胀管后管子内径
,
mm
d
2
——胀管前管子内径
,
mm
d
——胀管前管子外径
,
mm
D
——管板的管孔直径
,
mm
胀管率H应控制在019%～212%[3]之间。
胀管率H<019%为欠胀,管子胀后未产生足
够的塑性变形,不能保证胀接质量。胀管率
H
>212%为过胀,
管子胀后产生过大的塑性变
形,加工硬化现象严重,容易导致管子出现裂
纹等缺陷,管板也可能产生塑性变形而不能有
效地回弹,从而影响胀接接头的性能。对于贴
胀胀管率H取较小的值,而对于强度胀胀管率
H取较大的值。胀管率H
对于胀接的牢固性
和密封性非常重要,最好通过试胀来确定相对
合适的胀管率H值。
3
胀接方法
换热管和管板的胀接方法可分机械胀接、
液压胀接和爆破胀接等。最普遍采用的是机械
胀接法,较为先进的是液压胀接法。下面对机
械胀接法和液压胀接法中一些要求作一简述。
311 机械胀接法
机械胀管法(见图1)[4]是较早使用的胀接
方法,是国内普遍采用的换热器管子与管板的
连接方法,目前基本采用后退式的胀接方法。
机械胀接具有操作简便、投资小的特点
,
71
《化工装备技术》第25卷第3期2004年
图1 机械胀管
对于一般要求的换热器基本能满足设计要求。
机械胀管根据驱动源分有手动和电动两种,根
据滚子的数目分又有三滚式和五滚式两种。当
采用电动的五滚式时,胀接较均匀。
在使用机械胀管的方法时,由于在胀管时
受到滚子强烈的交变载荷,管子半径方向扩大
了,管材轴向也由于力的作用产生了轴向流动
,
因此,机械胀管法存在着管口的残余应力较大、
胀接后管壁减薄、管材表面硬化、管束变形、管
板管孔歪斜、管头凸出、长度变化等缺点。
312 液压胀管法
液压胀管法(见图2)是一项较新的技术
,
它没有机械胀管法的上述缺点,而且其胀接部
图2 液压胀管
1—管子 2—芯棒 3—O形圈 4—中心孔 5
—管板
位的变形较缓和,在整个胀区内胀接压力分布
均匀,同时在操作时,其控制性和操作性较好
,
因此容易获得较高的胀接质量。另外,液压胀
接生产效率较高、劳动强度较小。
但是,在操作时应严格控制胀管液压,因
为太高的液压会使管板管孔产生变形,影响邻
近的管子,使得胀接强度与密封性受到影响。
4
胀后检查
胀管后应进行外观检查、强度检验和气密
性检验。换热管在管板外露部分应均匀平整;换
热管与管板胀接完毕后,其扩大部分应无明显
的棱角;换热管胀口不严时应在无压状态下重
胀,重胀次数不超过两次。
5
结束语
总之,在制冷设备中,换热铜管与管板的
胀接技术是一个看似简单却又复杂的技术,是
此类换热器设计与制造中的一个最关键的环
节,应引起足够的重视。此外,在该技术中还
有一些课题有待进一步研究,例如采用液压胀
接时胀接压力的选取与胀接时间的控制等。
参 考 文 献
1 王荣贵.换热器换热管与管板的胀管技术.化肥设计,
2002,40:8
2 国家质量技术监督局.GB151-1999管壳式换热器.北京:
中国标准出版社
,2001.
3 李文军.管壳式换热器的胀接工艺.压力容器,2001,18(3
)
4 聂清德.化工设备设计.北京:化学工业出版社,1991.
(收稿日期:2004201203)
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曲线。(刘 功
)
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