關于低壓鍋爐對流管脹接技術規(guī)范的探討

魯永學

(渤海造船廠集團有限公司 葫蘆島 125004)

關于對流管脹接技術在GB 50273—2009《工業(yè)鍋爐安裝工程施工與驗收規(guī)范》中進行了闡述，主要是對流管管材材質(zhì)及外觀檢查、對流管預制后的檢查、脹管端退火處理與打磨、對流管安裝就位與配合的尺寸偏差要求、脹管器要求、脹管率的控制、補脹與過脹相關要求等。本文從對流管與汽包管孔的間隙與脹管率的關系提出了一些建議以供探討。

1 問題的提出

脹管率是管孔在外力作用下產(chǎn)生的相對殘余變形。一般通過管子內(nèi)徑在脹接前后的變化量來進行計算的。脹管率的測量方法有兩種：內(nèi)徑控制法和外徑控制法。規(guī)范中明確規(guī)定：采用內(nèi)徑控制法，累計脹管率控制在1．3%～2．1%；采用外徑控制法，累計脹管率控制在1．0%～1．8%；現(xiàn)以內(nèi)徑控制法脹接φ60對流管為例談筆者觀點。首先，規(guī)范中關于脹管的各項規(guī)定僅對新安裝鍋爐具有指導意義，對舊鍋爐的對流管大修更換來講指導意義不夠。規(guī)范中僅要求脹接管與管孔的最大間隙為1．5mm，沒有明確兩者間隙的最小值。因為管與管孔的間隙大小與脹管率直接關聯(lián)，對于新安裝鍋爐來講，汽包管孔在制作技術條件中已有規(guī)定，為也就是說管孔內(nèi)徑與管外徑都能夠確定，并且兩者的間隙符合規(guī)范要求，這個間隙是指最大值與最小值，最大值≤0．9mm。然后按照脹管率控制就能保證對流管的施工質(zhì)量。但是對于舊鍋爐的對流管大修，規(guī)范的指導意義就明顯不夠，因為對于脹管率的要求是在一個范圍內(nèi)的數(shù)值，與之相對應，管與管孔的間隙也應該包括一個范圍，明確這個范圍對鍋爐的檢修的指導意義非常大。

另外從脹接過程看，目前脹接施工的一般步驟是：管子放樣、管端退火、管端打磨、管子試脹、管子脹接。準備階段中的管子試脹是以新管和新鍋筒為前提的，試脹的質(zhì)量控制是以控制脹管率為依據(jù)的，按照脹管技術規(guī)范要求，脹管率控制在1．3%～2．1%之間。在這里，大家需要了解一下脹管率，脹管率是指管孔在外力作用下產(chǎn)生的相對殘余變形，鍋爐鋼管一般是低碳鋼，其塑性性能較好，通過脹管器的脹珠對它產(chǎn)生一定的壓力，管子的直徑就會脹大、變形，另一方面鍋筒的管孔也要被脹大。由于管壁較薄，硬度較小，在脹管過程中容易變形，而鍋筒的壁厚，管孔硬度較大，相比較不易變形。在脹管過程中由于受到同樣大小的作用力，管子產(chǎn)生了塑性變形，而鍋筒的管孔只能產(chǎn)生彈性變形，這樣就會利用兩者之間的相互作用力來達到密封作用。由此可知，能夠保證脹接質(zhì)量的前提是必須保證管孔與管子之間的作用力滿足脹管要求。而保證這個前提是管子必須產(chǎn)生塑性變形和管孔產(chǎn)生彈性變形。但是在實際鍋爐的檢修中，對流管的脹接與規(guī)范中所要求的內(nèi)容不能滿足檢修需要，表現(xiàn)在三個方面的變化：1）管孔尺寸的偏差發(fā)生變化。2）管孔在多次脹接后鍋筒的強度發(fā)生變化。3）管孔的彈性模量改變。由于上述三條變化，均對舊爐檢修中脹接質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。再綜合分析上述三個因素，鍋筒由于不受熱（與煙氣基本不接觸），金屬力學性能改變的可能性不大，并且每年檢驗部門都對鍋爐進行檢查檢測，所以綜合考慮，第一條因素的影響最大。主要是：由于管孔尺寸的偏差超限，以φ60管為例，規(guī)范中要求：管子外徑φ60，管孔最大允許直徑φ61．1。以某臺鍋爐為例（1970年安裝），汽包管孔實測數(shù)據(jù)為φ61．1-61．95。其中大于φ61．1的管孔數(shù)量占到 100%，φ61．2-61．5 占 88．5%， 大于等于φ61．5的管孔數(shù)量占8%。 按照新爐管孔加工尺寸的要求為即管子外徑與管孔直徑的標準間隙應該在0．5～0．9mm，規(guī)范要求的最大間隙為1．5mm。實際數(shù)據(jù)大于標準，在1．1～1．95mm，規(guī)范中只是要求最大間隙不超過1．5mm。筆者通過調(diào)整管外徑尺寸進行脹接。

2 試驗方法

對于上述符合尺寸要求的，即管孔尺寸≤φ61．5的情況，仍然選用φ60的管子，對管孔尺寸≥φ61．5的管子，選用φ61的管子比較合適。這樣，每個管孔與管子的配合間隙都能在0．5～1．5mm之間。針對該舊鍋爐的管孔尺寸實際情況，只有8%的管子采用φ61的尺寸即可。試驗方法如下：

按照鍋爐管孔的實際尺寸加工管孔和試脹板（見圖1）。將試脹板四周焊上與試脹板等厚的鋼板上。管子選配分三種情況：

1）全部選用φ60的管子。

2） 全部選用φ61的管子。

3）管孔尺寸≤φ61．5的情況，選用φ60的管子；管孔尺寸≥φ61．5的情況，選用φ61的管子。

全部脹接程序嚴格按照規(guī)范要求進行，脹管率定為1．65%。脹完之后分別進行水壓試驗，試驗壓力3．12MPa（1．25倍工作壓力）。檢查統(tǒng)計如下：第一種情況，有2根管子輕微滲漏；第二種情況，有5根管子漏水；第三種情況，有1根管子含淚。

圖1 管孔和試脹板的示意圖

3 分析討論與總結

由試驗可知，最佳的脹管工藝方案應該是第三種。其中有一根管含淚的情況，應該是脹管率大小不太合適，補脹后就完全合格。由此可以解釋得出結論，控制住管與管孔的合理間隙和合理的脹管率是脹接質(zhì)量的必要條件。這也就可以解釋某鍋爐所出現(xiàn)的脹接質(zhì)量事故了，當時由于施工方的疏忽，在測量管孔尺寸大部分超差的情況下，全部選用了φ61的管子，結果導致約92%的管子與管孔配合間隙過小，而脹接過程中控制的脹管率又相同，結果造成管孔所受應力過大，脹管率實際是脹管殘余應力的表現(xiàn)，雖然相同的脹管率，但是殘余應力卻相差甚遠，直接導致新脹接管孔周圍的4個管孔的變形，對依靠管孔與管子之間的殘余應力來保持密封的脹接工藝來說，顯然是不利的，對脹接的對流管進行水壓試驗，將近50%的脹接管系漏水，脹接失敗，其結果也證明了這一點。按照規(guī)程，所有管子的脹接都滿足脹管率要求，但是質(zhì)量卻不合格。由此可見，對流管脹接的規(guī)范只是對正常間隙配合的描述，對于舊鍋爐的維修指導意義明顯不夠。實際上，脹管率控制的是管與管孔的變形程度，體現(xiàn)的是脹管后的應力大小，只要能夠保證三個條件即可保證脹接的質(zhì)量：一是管子發(fā)生塑性變形；二是管孔發(fā)生彈性變形；三是脹接的應力值。尤其是對于舊鍋爐，汽包金屬的彈性模量等力學性能會隨著使用發(fā)生變化，到底選用多大的脹管率合適，對于施工單位，得不到數(shù)據(jù)支持，完全按照施工經(jīng)驗施工，必然會產(chǎn)生脹接質(zhì)量問題。因此提出三條建議：

1）對現(xiàn)有的鍋爐脹接工藝規(guī)范進行補充，指導舊鍋爐的維修。

2）針對不同的鍋爐鍋筒的管孔情況，提出有針對性的施工工藝，不能再完全按照新爐的規(guī)范進行。

3）建議研制新型脹管器，對脹管質(zhì)量的控制方法回歸到脹管率的本質(zhì)含義上去，利用脹接的應力進行控制。畢竟脹管率與脹接應力之間存在的數(shù)學關系在某些情況下存在一定偏差。