管子与管板“胀、焊、胀”连接工法

YJGF25—94

作者：李念慈（四川省工业设备安装公司）

摘要：管子与管板的连接方式有数种，如焊接、胀接和胀、焊并用连接等。尽管它们各具优点，但对运行条件苛刻的大型换热器来讲，若采用上述管、板连接方法，则会因连接处难以避免和处理的应力腐蚀，疲劳断裂，脆性断裂等致命缺陷，无法保证其使用寿命和安全运行。管、板胀、焊、胀连接工艺就是为了获得理想的低应力接头而进行研究的课题。此项成果已成功地应用于我国第一套高空台排气冷却装置的大型薄板换热器的现场加工上，1990 年11 月被建设部评为全国施工新技术优秀项目含胀、焊、胀工艺技术在内的大型压力容器现场组装技术获四川省1990 年度科技进步一等奖；1991 年又被评为全国安装行业科技进步一等奖。

一、原理及适用条件

本工艺的实施步骤是胀-焊-胀。它巧妙地运用胀接过程的超压过载技术，通过对管与管板的环形焊缝进行复胀，造成应变递增而应力不增加，即让该区域处于屈服状态，在焊缝的拉伸残余应力场中，留下一个压缩残余应力体系。两种残余应力相互叠加的结果，使其拉伸残余应力的峰值大减；二次应变又引起应力的重新分布，结果起到调整和均化应力场的效果，最终将残余应力的峰值削弱到预定限度以下。

本工法适用于管子与管板的胀、焊并用连接型列管式换热器的工厂或现场加工。管板厚度范围为16～50mm，材质为碳钢者，应符合GB150-89 第二章2.2 条的规定；若采用16Mn 时，应分别符合GB3274-88 和GBI591-79 中的有关规定；换热管束应符合GB8163-87、GB9948-88、GB6479-86、GB5310-85 的规定。

二、胀、焊、胀工艺

（一）准备工作

1.对换热管和管板的质量检查

（1）管子内外表面不允许有重皮、裂纹、砂眼及凹痕。管端头处不得有纵向沟纹，横向沟纹深度不允许大于壁厚的1／10。管子端面应与管子轴线垂直，其不垂直度不大于外径的2％。

（2）换热管的允许偏差应符合表25-1 要求。

（3）管孔表面粗糙度Ra 值不大于12.5μm，表面不允许有纵向或螺旋状刻痕。 管孔壁面不得有毛刺、铁屑、油污。

（4）管孔的直径允许偏差应符合表25-2 规定。

抽查区域应不小于管板中心角60°范围内管孔孔径，允许抽查区域内有4％管孔直径偏差比表25-2 中数值大0.15mm。

2.对工艺评定的要求

实施本工法时，必须按照正确方法完成下列工艺评定： （1）换热管与管板接头贴胀工艺评定。 （2）换热管与管板接头焊接工艺评定。 （3）换热管与管板低应力接头复胀工艺评定。 3.对管子与管板结合部位的清理

（1）换热管管身应清理干净，保证在穿管时不污损管孔壁画。

换热管管端外表面应除锈至呈金属光泽（但不得出现棱角），其长度不小于二倍管板厚度。

（2）管板孔壁应清除干净，不得有油渍、污物，并将管孔壁除锈至呈金属光泽。 必要时可用有机溶剂清洗管板孔壁。

4.对工具、机械的要求

（1）使用的电子扭矩搬手应调走在规定的扭矩值上，并经标准测力计校核。 （2）胀管器应选用前进式不带翻边胀珠的直边胀管器。胀管器尺寸应与管板厚度和管子内径相适应。

（3）胀管器胀杆和胀珠的直度；胀杆和胀珠圆锥度配合；胀珠在巢孔中的间隙； 测量胀珠的位移应符合其产品说明书上的要求。

（二）工艺程序

1. 主要工艺程序（见图25-1）

2.穿管和贴胀不论是采用边穿边贴胀，还是穿完全部管子后再贴胀，都要预先设计贴胀顺序，以防止管子由于轴向积累伸长而引起管板变形。

贴胀顺序设计的原则是：轴向对称，分区定点，定距定心，区内反阶，间隔跳动。管子与管板放射式胀接程序见图25-2，管子与管板跳跃式程序见图25-3。

对于管板较大的换热器。首先应按上述原则，按板中心作二条互相垂直的轴线，并沿轴线把管板划分为若干个小区，这些小区一定要以中心轴对称。在对称的小区中先选

有代表性的点（即在管板上均布的点）先在那里完成胀接固定，实现二个管板间的走距和定心，在这些点进行胀按时，可以由内向外，或由外向内，原点向四周放射，但一定要按原点对称进行。

管板在定距定心后，即可开展大面积的胀接。作业时，分成若干组（按作业面大小而定），同时在相互对称的小区内作业，小区内则应按反阶式顺序进行。

3.贴胀

（1）贴胀要求的环境条件：环境气温不应低于5℃，不应受雨、雪侵袭。 （2）将电子扭矩搬手调走在规定的扭矩值上，并予以锁定。电子扭矩搬手应在规定的校验期内使用。

（3）作业人员应注意搬手的声光报警，报警后应立即停止作业。 4.焊接

（1）焊接要求的环境条件：

环境气温应符合设计要求，如设计无规定时，其环境气温不低于5℃。手工焊时，其环境风速应小于10m／s，相对湿度小于90％，且无雨、雪侵袭。

如上述条件不能满足时，应采取措施，否则应停止作业。

（2）焊工必须持有锅炉压力容器焊工考试合格证。其合格项目应与实际位置相符，并应按本工法的工艺评定试验考试合格，方可上岗。

（3）焊接前应确认贴胀已完成。焊区内的一切浮锈、抽污、杂物已清除干净。 （4）焊接顺序应与贴胀顺序相同。但在每个小区内直按照反阶式顺序间隔跳动进行。手工焊时，若管桥间距较小，应考虑将相邻二管口焊缝的起弧和收弧点错开。不允许在坡口外引弧。

（5）焊渣及突出于管内壁的焊瘤和飞溅物均应清除干净。 （6）焊缝返修应按返修工艺评定进行。 4.复胀

（1）复胀的环境条件：复胀时环境温度应不低于5℃。且胀接处的管板温度不低于该管板材料的FTE 温度。

（2）复胀前焊缝应经VT，MT（或PT）探伤合格。 （3）复胀时使用的电子扭矩搬手必须在校验期内。

使用前应先完成复胀工艺评定，再将电子搬手的扭矩值调定在工艺评定所选走的值上，并予锁定。

（4）复胀的作业顺序可参照焊接的顺序进行。

（5）作业时当电子扭矩搬手发出报答信号时，应立即停止作业。

三、质量控制、标准及主要措施

（一） 主要质量控制流程（见表25-3） （二）主要的质量标准 1.外观检查

（1）换热管的胀接部位和非胀接部位手感检查应过渡圆滑，不得有棱角。 （2）胀接长度应符合图纸要求。

（3）用10 倍放大镜检查焊缝外观，应符合下列要求：

1）焊缝尺寸应符合图纸及规范要求。

2）表面不允许有裂纹、气孔、弧坑、夹渣等缺陷，并不得保留有溶渣和飞溅

物。

3）在图纸对咬边缺陷无特殊规定时，咬边深度不大于0.5mm，咬边总长度不大

于焊缝总长的10％。

4）焊缝应向母材圆滑过渡。如设计需要打磨焊缝时，不得损伤管板母材，且

打磨处不得凹陷，局部凹陷不允许超过管板厚度的负偏差。

4）管板的最终不平度应符合设计要求。 2.无损探伤

（1）完成焊接24h 后，用PT（MT）探伤进行检查，无裂纹为合格。

PT 探伤应符合GB150 一89（压力容器》规范附录H“钢制压力容器渗透探伤”。 MT 探伤应符合JB3965 一85《钢制压力容器磁粉探伤》。

（2）复胀完成后应进行PT 或MT 探伤，探伤标准，合格要求同焊后探伤。 （3）如认为有必要，可以在水压试验完成后再进行一次抽查性PT 或MT 探伤，标准同前。抽查部位由设计部门指定，元裂纹为合格。若发现裂纹，应全部进行PT 或MT探伤。

3.水压试验及煤抽渗漏试验 （1）煤油渗漏试验：

对于不能用水压试验检验其强度及严密性的换热器，应用煤油渗漏试验进行检查，无渗漏为合格。

（2）水压试验：

所有能够进行水压试验的换热器，都应进行水压试验。

水压试验的压力PT 设计要求确定，当设计无规定时，按下式计算： 式中 [σ]——试验温度下材料许用应力（MPa）；

[σ]t——设计温度下材料许用应力（MPa）； P——设计压力（MPa）。

若[σ]／[σ]t 值大于1.8 时，按1.8 计。

试验水温一般不低于5℃，对于σs>4MPa 的低合金钢材料的壳体或管板，在水压试验时，试验水温不低于15℃，如图纸另有特殊规定，则按其规定执行。

试验时，应缓慢升压至试验压力，稳压30min，然后缓慢降压至试验压力的80％， 对全部焊缝进行检查，无渗漏为合格。

（三）控制质量的主要措施

（1）为了保证管板的不平度，应设置若干个监测点，用百分表对管板进行动态监测，根据检测数据，调整作业顺序。监测点应均匀分布于管板上，而且每次作业时的监测点应在同一部位。

（2）考试合格的焊工在作业之前应进行适应性训练，训练时的管板孔几何尺寸（不含厚度尺寸）及管子直径，壁厚应与实物相同。

（3）为了保证管子与管板孔焊接质量，贴胀时胀管器不应用润滑脂润滑。 （4）焊条的保温筒应先进行预热，然后再装人焊条。使用时，不得使其处于敞口状况。

（5）管板背面一侧孔口，宜倒棱圆滑，倒棱尺寸为0.5mm×0.5mm，以为提高抗疲劳能力。

（6）管体和简体的水压试验应分别进行，不允许同时进行。试验时应注意排尽试压腔内的气体。放水时，应先打开放气阀，并应使放水速度不致过大。

四、机具设备

机具设备的型号和数量与设计、作业内容、工程规模等因素有关。对于焊接设备、 胀管机具、监测仪表的数量，还取决于实施本工艺中的规模、工期与劳动组合。

1.贴胀工艺评定的机具设备

（1）材料拉力试验机60～100t 1 台 （2）单管试压器9.80MPa 1 件 （3）轴承式胀管器ф19～ф50 1 件 （4）电子扭矩搬手DDB515 1 件

（5）电动试压泵泵14.7MPa 1 件 2.焊接工艺评定的机具设备 （1）焊接设备：

其型号取决于设计规定，如规定为手工电弧焊时： 直流电焊机Ax3 一300 一1 1 台 （2）试件加工设备：

铣床 1 台 平面磨床 1 台 （3）金相设备： 金相显微镜xJ16 1 台 （4）维氏硬度计 1 台 （5）10 倍放大镜 1 个 3.低应力接头工艺评定

（1）电阻应变仪YJD 一1 1 台（套） （2）电阻应变花TJ 一120-1.5 一ф1.5 15 片 （3）回转式喷吵打孔装置PSJ 一1 1 套 （4）残余应变花TJ 一120 一1.5 一ф1.5 15 片 （5）测力计CLJ 一1 1 台 （6）扭矩传感器 1 件 4.胀焊胀施工机具设备 （1）轴承式胀管器 1～20 件 （2）电子扭矩搬手DDB515 1～20 件 （3）焊接设备（型号由设计定） 1～6 台

五、劳动组织

一台换热器直径为ф57×3.5，管束为400 根的固定管板式换热器，其胀、焊、胀工艺的劳动组织如下：

管工 2 人 6 天 焊工 4 人 13 天

焊接技术人员 1 人 总工期15 天 质量检查员 1 人 无损探伤人员 1 人

六、安全措施

（1）加强安全教育，建立安全交底，检查制度，人人明确本工种的安全操作规程。 （2）电焊机、残余应力打孔机的空压机等用电设备必须有良好的接地或接零，电焊机的二次线路通过道路时应外加保护套管。用电设备应有防雨淋设施。

（3）单管水压试验时，压力表盘直径不小于φ100mm，精度为1.5 级，量程为试验压力的1.5 倍，压力表应经计量部门校验合格。试验压力必须小于试压器的允许工作压力。

（4）用铣刀铣削试件时，应穿好工作服，戴防护眼镜。

即消除残余应力后的最大允许裂纹尺寸比未消除残余应力的最大允许裂纹尺寸大1.5 倍，其允许使用寿命就长。

另外，从应力腐蚀角度而言，作用于构件的残余应力危害程度比外加荷载更为严重，故残余拉应力愈大，腐蚀速率愈快，因此，消除残余拉应力可以大大降低应力腐蚀的危害，延长使用寿命，这是显而易见的。

八、经济效益和社会效益

本工法采用了国内最新的管子与管板胀、焊、胀连接工艺，解决了大型高温热交换器早期损伤泄漏的难题，为我国第一一套高空台排气冷却装置的配套投入使用，发挥了极为关键的作用和效果。给国家节约了大量的外汇，并为我国般天科技的发展赢得了宝贵时间。今后若能在石油、化工和锅炉制造、安装等领域推行本工法，定会带来更大的经济效益和社会效益。

九、应用实例

本工法曾在我国目前最大直径的换热器上得到成功应用。

该换热器为排气冷却装置的第二冷却器，直径φ6140mm，长10850mm，总重386t，有4610 根换热管和支撑管。它的主要功能是将1000℃的高温燃气冷却到150℃。该换热器的管子与管板采用本工法的连接工艺进行连接，获得了满意效果，其达到的技术指标见表25-4。

经航空部六二四所、四川省建总公司、航空部第四设计院联合检查评定，质量优良。各方面都给于了高度评价。航空部六二四所认为：“该工艺应用于高空台的关键设备第

二冷却器，使管口附近的残余拉伸应力的峰值得到明显改善（峰值降率为71％），形成理想的均化了的低应力搂头，达到了设计要求和研究目的，将有效地延长设备的寿命”。

航空部六二四所还证明：按第二冷却器的设计概算与实际耗资按吨位折算，共节约投资133.8 万元。

本工艺研究经全国五位知名的教授、专家函审评定认为：本工艺研究的试验论证的方法和理论是严谨正确的，对午提高接头的抗应力腐蚀、抗缝隙腐蚀和抗疲劳的能力，在理论上合理实践上可行，有巨大的技术经济价值，利用扭矩控制胀管应力的作法，是结合我国国情，操作简便可靠，便于广泛推广应用，应该说本工艺是我国换热器生产技术中一项理论与实践结合上的突破，在国内属首创。 （执笔：李念慈）