馬德鵬， 姜振， 馬春光

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

在換熱器中，管-管板脹接接頭經(jīng)常處在變載荷的場(chǎng)合，脹接質(zhì)量直接影響脹接強(qiáng)度和密封性能。不同的管板材料及換熱管材料都有合理的脹接范圍，因此對(duì)管-管板脹接性能進(jìn)行基礎(chǔ)性研究，對(duì)指導(dǎo)生成有重要意義。

目前管-管板脹接方法主要有液壓脹接和機(jī)械脹接。本次實(shí)驗(yàn)采用機(jī)械脹接法進(jìn)行脹接實(shí)驗(yàn)。其原理是通過(guò)脹桿的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)脹珠擴(kuò)張碾壓管壁使之?dāng)U張，使管壁與管孔緊密貼合。利用管板彈性恢復(fù)，使換熱管與管板間的擠壓力，產(chǎn)生一定的機(jī)械強(qiáng)度和密封性。

2 脹接實(shí)驗(yàn)

2.1 接頭形式

脹接長(zhǎng)度23mm，拉脫力值7kN，管板材質(zhì)HSn62-1黃銅板，換熱管材質(zhì)BFe30-1-1白銅管，換熱管規(guī)格φ16×1（如圖 1）。

圖1 管-管板脹接接頭形式

2.2 脹接率計(jì)算方法

采用壁厚減薄率計(jì)算公式：dn′-管子脹后內(nèi)徑；dn-管子脹前內(nèi)徑；DO-管板孔脹接前直徑；DW-管子脹前外徑；t-脹前管子壁厚。

對(duì)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化 ε=（dn′+（DW-dn）-DO）/2t×100%=（dn+2t-DO）/2t×100%

脹后管子內(nèi)徑預(yù)算 dn′=DO-2t+2tε

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量

（1）管板孔內(nèi)徑的測(cè)量：采用內(nèi)徑千分尺對(duì)每個(gè)管板取3個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并取多個(gè)管孔的平均值為理論真值。帶入公式進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中采用同一把千分尺（由量具產(chǎn)生的誤差可在計(jì)算過(guò)程中消除）。

（2）換熱管壁厚度的測(cè)量：采用測(cè)管千分尺，抽查多根換熱管，進(jìn)行多次測(cè)量，取平均值。

（3）脹后管子內(nèi)徑的測(cè)量：對(duì)每個(gè)脹后管孔，取3個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，并取其平均值。

2.4 實(shí)驗(yàn)件的制作

管板模擬件外協(xié)尺寸50mm×50mm×26mm，管孔尺寸φ16.2表面粗糙度≤Ra6.3；換熱管長(zhǎng)150mm（如圖2）。

2.5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將脹接率范圍選定在2%～24%之間，并進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分析拉脫力與脹接率之間的變化關(guān)系及不同脹接率的應(yīng)用范圍。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪制拉脫力隨脹接率變化曲線圖（如圖3）。從圖上可以看出拉脫力隨著脹接率的變化而變化，并可以分為4個(gè)階段：

圖2 實(shí)驗(yàn)件實(shí)物圖

圖3 拉脫力-脹接率變化曲線圖

A-B階段——管板彈性變形階段。在此階段，隨著壓應(yīng)變的增加，壓應(yīng)力呈線性增大。拉脫力可以近似為管子與管板間的靜摩擦力。因此拉脫力呈線性增長(zhǎng)。在B點(diǎn)脹接率達(dá)到最佳值，但合格脹接率范圍較窄，不便于控制。適合小型單管板產(chǎn)品的生產(chǎn)。

B-C階段——管板塑性變形階段。管板內(nèi)側(cè)彈性變形達(dá)到一個(gè)階段后會(huì)進(jìn)入一個(gè)短暫的屈服，局部發(fā)生塑性變形，管子與管壁間的作用力在一個(gè)相對(duì)恒定范圍內(nèi)波動(dòng)，同時(shí)由于管壁的回彈量減小，拉脫力略有下降。拉脫力較穩(wěn)定，便于控制，但管壁回彈小，密封性差。脹接生產(chǎn)時(shí)應(yīng)避開(kāi)此區(qū)域。

C-D階段——管板局部變形強(qiáng)化階段。管板內(nèi)側(cè)局部發(fā)生硬化和強(qiáng)化作用，壓應(yīng)力增大，同時(shí)塑性變形區(qū)域擴(kuò)大。管子與管壁間的作用力繼續(xù)隨脹接率的增大而增大，拉脫力也隨之增大。脹接質(zhì)量便于控制，脹后合格率高，適合大型管板結(jié)構(gòu)生產(chǎn)。

D-E階段——管板變形強(qiáng)化穩(wěn)定階段。管板變形強(qiáng)化區(qū)域及塑性變形區(qū)域隨著脹接率的增加而增大，但應(yīng)力變化穩(wěn)定，趨于平衡。脹接質(zhì)量穩(wěn)定，合格率高，適合雙管板結(jié)構(gòu)中不便檢漏的內(nèi)管板的脹接。但對(duì)脹管器和脹管機(jī)的磨損嚴(yán)重，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，經(jīng)濟(jì)效益差。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于小型單管板換熱器，脹接率可以控制在4%～4.5%區(qū)間內(nèi)。在此區(qū)間內(nèi)，管板完全處于彈性變形，變形小，各管孔間脹后相互影響小。脹管器使用壽命高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，經(jīng)濟(jì)效益好。

（2）隨著管板結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化（管板結(jié)構(gòu)為雙管板，管板面積變大，管板孔增多）脹接后產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性隨之下降，需要增加脹接率來(lái)保證密封性要求。脹接率控制在6.5%～14%之間，脹接率應(yīng)隨著管板結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化而增大。