低合金钢管板管孔加工技术.pdf

压 力 容 器第 41 卷第 1 期2024 年 1 月 83 收稿日期：2023-11-18 修稿日期：2023-12-24基金项目：中国石油化工股份有限公司技术开发项目（322114）doi：10 3969/j issn 1001-4837 2024 01 010制 造 与 安 装低合金钢管板管孔加工技术刁晓丹1，高 磊1，张迎恺2（1.抚顺化工机械设备制造有限公司，辽宁抚顺113122；2.中国石化工程建设有限公司，北京 100101）摘 要：针对低合金钢管板的管孔加工，对比分析了目前国内常用管孔加工机具一次加工成型管孔质量的差异，试验对比了相同液压胀力下初始间隙0.36mm 和0.26mm 的10#+16Mn 胀接接头的密封性和拉脱力变化。指出 GB/T1512014中对管板孔桥宽度 B 值随管板厚度变化的限定值已经落后，应在该标准修订时进行调整。研究发现，管孔表面粗糙度应根据换热管外表面粗糙度、管束密封性和拉脱力的设计要求进行调整，随着装备制造加工技术的提高，管板孔的加工机具应在数控钻、加工中心、数控深孔钻中进行选择，逐步淘汰摇臂钻。关键词：管板管孔加工；孔桥宽度；管孔粗糙度；胀接接头；密封性能；拉脱力中图分类号：TH49；TH162.1；TG52 文献标志码：B Study on hole processing technology of low alloy steel tube-sheetDIAOXiaodan1，GAOLei1，ZHANGYingkai2（1.FushunChemicalMachineryEquipmentManufactureCo.，Ltd.，Fushun 113122，China；2.SINOPECEngineeringIncorporation，Beijing 100101，China）Abstract：Inviewoftheholeprocessingoflowalloysteeltube-sheet，thequalitydifferenceoftubeholesformedbyonetimeinthecommontubeholeprocessingmachineinChina，thechangesinsealingpropertyandpull-outforceof10#+16Mnexpansionjointswithinitialclearanceof0 36mmand0 26mmunderthesamehydraulicexpansionforcewerecomparedbytests ItispointedoutthatthelimitvalueBofthewidthbetweencontinuousholeswithchangesinthethicknessoftubesheetinGB/T1512014hasbeenbackward，andshouldbeadjustedwhenthestandardisupdated Itisfoundthatthesurfaceroughnessoftheholeshouldbeadjustedaccordingtotheoutersurfaceroughnessoftheexchangetube，thedesignrequirementsforthetubebundlesealingperformanceandthepullingforce WiththeimprovementofprocessingtechnologyinChineseequipmentmanufacturingindustry，theprocessingmachinesfortubesheetholesshouldbeselectedfromCNCdrillingmachine，machiningcenterandCNCdeepholedrillingmachine，andtheradialdrillingmachineshouldbephasedoutgraduallyKey words：holeprocessingoftube-sheet；widthbetweencontinuousholes；tubeholeroughness；expansionjoints；sealingperformance；pull-outforce0 引言热交换器是实现物料之间热量传递过程的设备，在石油化工行业用途广泛。换热管与管板连接是管壳式热交换器制造过程中的主要控制环节，其中管板加工需要控制管板孔的尺寸精度及粗糙度、管板孔与管板密封面的垂直度、孔桥的宽度，加工超差将影响管板强度、穿管进度、管板与管子焊接、胀接质量1-3。管孔质量对胀接的质量影响很大，特别是管孔直径公差的控制和管孔表面质量，管孔表面的任何缺陷都会导致胀接缺陷，影响设备的使用寿命4-7。随着炼油、化工、核电装置的大型化，管板直径、厚度及管孔数量均大幅增加，且管孔的尺寸精度、位置精度、垂直精84PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.1，2024度和孔径表面粗糙度的要求也越来越高，摇臂钻床受自身装配精度、操作工技能的限制，生产效率低、误差大，已无法满足管孔钻削的需求，而数控钻铣床、加工中心、数控深孔钻床等先进设备不仅能提高生产效率，而且可提升管孔的加工质量，使用越来越广泛。1 管板孔尺寸精度管板孔尺寸精度直接影响管板孔与换热管间的初始间隙。胀接时管子被胀大，首先要消除此间隙，然后才能与管板接触，故间隙的大小直接影响换热管与管板的贴合程度。段明德等8模拟研究发现，Ti31管接头在不同初始间隙（0.10，0.15，0.20mm）、相同液压胀力下，卸载后残余接触应力无明显变化。钛管容易胀接开裂，需要较小的初始间隙，而一般管子与管孔间隙要求控制在0.300.05mm，所以文献8中初始间隙对胀接结果影响较小的模拟结果对10#管子与16Mn管板接头可能并不适用。李涛9通过有限元计算得出，开槽胀接头，相同胀力下接头的残余接触压力随初始间隙的增大而减小。段成红10认为，对于理想弹塑性材料，残余接触压力与初始间隙无关；对于应变硬化材料，残余接触压力与初始间隙呈线性减小，而且影响较大。目前尚未发现有关初始间隙对胀接接头性能影响的试验验证，本文试验对比10#管子与16Mn 管板接头在不同初始间隙、相同液压胀力下的拉脱力和密封性变化，以验证是否要提高低合金钢管板的管孔尺寸精度、控制管子与管板初始间隙。1.1 试验条件（1）管板：材料为16Mn，厚度90mm；加工中心钻孔，管孔直径25.250.10mm，管孔中心距32mm，管孔不开槽。（2）换热管：材料为10#光亮管，25mm2.5mm150mm；管子外径250.08mm。（3）液压胀：采用 YZL-5型350MPa 液压胀管机，橡胶液袋胀管器，胀接长度72mm。1.2 试验结果及分析1.2.1 拉脱力拉脱力反映换热管与管板的胀紧程度。管孔不开槽的胀接接头只能承担较小的拉脱力，但是也会随液压胀力的增加发生变化。开槽强度胀的拉脱力会大幅提高，可与管子管板焊缝共同承担轴向载荷、吸收设备运行时换热管的振动。试件H1，H2的接头初始间隙及拉脱力见表1，拉脱力对比曲线见图1。表1 初始间隙及拉脱力Tab.1 Initialclearanceandpull-outforce试件项目胀力/MPa100110120130140180H1初始间隙/mm 0.360.360.360.370.360.37拉脱力/kN9.08 11.06 12.33 11.37 12.69 32.43H2初始间隙/mm 0.260.260.270.270.250.25拉脱力/kN14.76 16.54 15.63 15.10 15.99 33.55注：初始间隙为实际测量得到的管孔直径与管子外径的差值。图1 拉脱力对比曲线Fig.1 Pull-outforcecomparisoncurves由于上述拉脱力为单个接头的拉脱数据（若每个液压胀力试验多个接头取平均值，结果应该更理想），因此图1中未完全呈现拉脱力随液压胀力线性增加的趋势，但从表1数据及图1明显可见，相同液压胀力下初始间隙小的接头拉脱力更大，与文献 10中结论相近，但又不完全相同，由图1可见，胀接压力较低时，初始间隙对接头强度影响较大，随胀力增大，这种影响逐渐减小。胀接压力并不是越大越好，胀力大不仅延长了胀接时间，还增大了胀管器爆裂几率，降低生产效率；更重要的是大胀力可能使管板孔发生塑性变形，造成胀接失效。为了达到适当的管子管板胀接结合，胀接压力应大于消除换热管和管板间隙所需的压力，同时小于达到管板弹性极限所需的压力，但胀接压力的上限不能超过使管板孔发生屈服所需要的压力11-12。1.2.2 密封性管孔不开槽的贴胀接头主要作用是消除换热管与管板孔的间隙，防止壳程流体渗入间隙，侵蚀管端焊缝，密封性检测可展现胀接接头的贴合程度。GB/T1512014热交换器 表7-12要求：管85刁晓丹，等：低合金钢管板管孔加工技术孔不开槽胀接接头的拉脱应力 q 应不小于2MPa。拉脱应力计算公式如下：q=F/dl（1）式中，q 为拉脱应力，MPa；F 为拉脱力，N；d 为换热管外径，mm；l 为胀接长度，mm。将表1中拉脱力数值代入公式（1）计算得出：H1胀力小于120MPa 时，拉脱应力不合格；胀力120MPa 时，两组接头的拉脱应力分别为2.18MPa和2.77MPa，均合格。考虑实际生产中管孔数量颇多，甚至一块管板会有成千上万个管孔，在拉脱应力合格范围内选择低胀力，会大大提高胀接效率，因此本次密封性试验的胀接压力选择120MPa。在9孔试件 H3，H4换热管尾部焊接堵头，管板背面焊接密封箱，如图2所示。箱内充入0.12MPa 氦 氮 混 合 气（25%He+75%N2），采 用A100推车氦质谱检漏仪按 NB/T47013.82012承压设备无损检测 第8部分：泄漏检测标准附录 D 逐个接头扫查检测，合格指标设定为110-6（Pa m3）/s。每个接头的初始间隙、氦检漏最大泄漏率及箱内压力值变化见表2。氦检漏结果对比曲线见图3。图2 密封性能检测试件Fig.2 Testspecimenforsealperformance表2 初始间隙及密封性能Tab.2 Initialclearanceandsealingperformance试件项目接头编号123456789H3初始间隙/mm0.380.350.360.390.360.370.390.350.34氦检漏最大漏率（10-6Pa m3 s-1）77.863.753.214988.870.846.643.027.0箱内压力变化40min 后压力表读数0.10MPaH4初始间隙/mm0.270.270.260.270.250.280.280.260.29氦检漏最大漏率（10-6Pa m3 s-1）2.583.573.448.8218.29.0316.019.68.56箱内压力变化120min 后压力表读数0.10MPa图3 氦检漏对比曲线Fig.3 Comparisoncurvesofheliumleakagedetection由表2及图3可见，胀力120MPa 时，初始间隙小的接头密封性更好，初始间隙相差0.10mm，氦检漏结果相差10倍以上；整组试件的压力降低速度差异也很明显，初始间隙大的 H3组泄漏得更快，降到相同的压力只用了初始间隙小的 H4组的1/3的时间。于洪杰等13提出了“防漏残余接触压力”的概念，用以表征接头的紧密性，并模拟得出结论：（1）初始间隙太大或太小对接头的紧密性都是不利的；（2）防漏残余接触压力随胀力的增加而增加，但并不是线性增加。防漏残余接触压力取决于接头材料、规格、工作参数、胀接压力等因素，需要在胀接工艺评定时，采用胀接试验确定一个最佳的密封间隙、适当的胀接压力，使接头获得更优的密封性能。1.3 试验结论（1）相同液压胀力下，初始间隙小的接头拉脱力更大；随胀力增加，初始间隙对接头拉脱力的影响变得不明显。（2）在120MPa 的低胀力下，初始间隙小的接头密封性更好，间隙相差0.10mm，氦检漏结果相差一个数量级。（3）为保证换热管与管板连接接头的胀接质量，提高管孔尺寸精度、控制换热管与管板的初始间隙是有必要的。2 管板孔桥宽度 GB/T151中第8.4.5条给出了钢制，级管86PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.1，2024束管板孔桥宽度 B 值随管板厚度变化的限定值，并要求管板终钻面抽查不小于60管板中心角区域内的孔桥宽度，允许孔桥宽度 B 值的合格率不应小于96%，最小孔桥宽度 Bmin值的数量应控制在4%之内。管板孔桥偏差的大小直接影响管子管板焊接、胀接的制造质量，尤其是对厚管板更为重要。管板孔与管板平面的垂直度是与管板孔桥偏差相关联的参数，一般通过孔桥尺寸偏差进行间接检查。垂直度误差不但会给穿管带来困难；而且还会因换热管弯曲变形给胀管带来附加应力，使换热管与管孔贴合不均匀，进而影响接头连接质量14。蒋金荣等15发现，数控点窝、摇臂钻床钻孔的最大垂直度偏差约为1.5mm/100mm；GB/T11841996形状和位置公差未注公差值表 B3中9级要求厚度100mm 管板的管孔垂直度为0.10mm，显然摇臂钻床已不能满足要求。数 控 加 工 按 AutoCAD 放 样 图 精 准 定 位，定位精度可达0.015mm；且数控加工可借助寻边器确定工件的加工中心，其定位精度可达到0.005mm。管板中心的定位是否准确，是确保管板上管孔形位尺寸正确的基础16。文中收集6组不同厚度管板的孔桥宽度，以对比数控钻与摇臂钻一次加工成型的管板孔桥宽度的差异。表3示出图纸要求，表4示出实测数据，管板孔终钻面随机抽检10个孔桥宽度值。表3 孔桥宽度图纸要求Tab.3 Drawingrequirementsforwidthbetweencontinuousholes组别材料外圆尺寸/mm厚度/mm孔径/mm中心距/mm名义孔桥宽度/mm允许孔桥宽度/mm最小孔桥宽度/mmA16Mn 6905825.250.1032.00.36.755.794.05B16Mn +S30403221512619.300.1025.46.104.803.66C16Mn 159719025.250.1032.06.755.474.05D16Mn 试件31031054319.250.1025.05.754.303.45E16Mn+S3160381010525.400.3032.06.605.664.05F16Mn 5404019.250.1025.05.754.823.45表4 孔桥宽度实测数据Tab.4 Measureddataofwidthbetweencontinuousholes组别钻孔方式实测孔桥宽度/mm最大值-最小值/mm（均匀性）A加工中心6.746.716.776.676.706.706.756.746.646.730.13B6.156.096.096.126.116.176.166.126.176.140.08C数控深孔钻6.816.646.786.696.716.726.656.586.676.820.24D5.795.725.795.775.735.745.735.785.755.760.07E摇臂钻6.606.666.508.056.706.836.966.207.406.921.85F6.085.405.105.095.005.305.175.145.164.631.45从表4可以看出，加工中心及数控深孔钻床一次加工成型的管板孔桥宽度100%合格，完全满足图纸及 GB/T151标准要求，且非常接近表3中的名义孔桥宽度、均匀性很好。摇臂钻加工成型的管板孔桥宽度有一个值超出了允许值，即使管板厚度较薄，孔桥宽度均匀性相对数控加工也要差很多。数控加工定位精度高、效率高，大直径、厚管板应优先选择采用数控加工。随着数控加工设备的广泛使用，GB/T151中对管板孔桥宽度 B值随管板厚度变化的限定值已经落后，应在该标准修订时进行调整。3 管板孔表面粗糙度GB/T151中第8.4.6要求：胀接连接时，管板管孔表面粗糙度 Ra 值不大于12.5m。管板孔的粗糙度与胀接接头的连接强度及密封性能关系密切，一般情况下，表面粗糙的管板孔能提高接头处的连接强度；表面光滑的管板孔，则接头处的密封性能较好。换热管接头连接质量主要是指拉脱力和密封性能，在通常管孔粗糙度范围内，大多数接头在拉脱强度方面是有裕量的，而失效则多由泄漏所致。因此，根据介质特性使换热器管板孔表面具有更小的粗糙度，可提高管接头处的密封性能。在钻孔过程中，机床主轴的转速、进给速度、钻头的精度、切屑的长短、管板内部材质的不均匀性以及人为不确定因素都会影响管板孔的表面粗糙度。姚在山17研究发现，厚度为180mm 的不锈钢管板试件，在摇臂钻床一次加工成型，转87刁晓丹，等：低合金钢管板管孔加工技术速80r/min，进给量0.16mm，加工完成后管孔表面粗糙度均大于12.5m。摇臂钻床转速相对较低，排屑和退刀困难，切屑常为长卷屑，容易将管孔内壁划伤，使得管孔表面粗糙度加大。杨生元18 试验得出，在一般情况下，切屑的长短与转速成正比，与进给速度成反比，每转的进给量越大，就越容易断屑。数控钻孔设备主轴转速为30006000r/min，加工时，根据管板材质的切屑特点和孔径尺寸选择合适的钻头，设置合理的主轴转速、进给速度和冷却液流量等加工参数，既可提高刀具的加工耐用度；又可形成 C 形切屑，便于自由通过狭窄的切屑嘴和喉部排出，避免已加工完成的孔壁被切屑划伤，保证管孔表面粗糙度，提高加工效率19-22。某公司采用加工中心、数控深孔钻床一次加工成型的管板孔，表面粗糙度均不大于6.3m，如有要求也可达3.2m 及以下。通常壁厚薄的管子比厚的管子需要较小的管孔粗糙度，不锈钢、铜、铝等管子要求粗糙度更小，但管板孔内表面粗糙度也不是越小越好。盛青志23模拟发现：（1）拉脱力随摩擦因数增加、线性增加；（2）尽管残余接触应力随摩擦因数变化的幅度很小，但也呈现了随摩擦因数增大残余接触应力先减小、后增大的趋势，当摩擦因数0.07时，残余接触应力最小。但因缺少阐述粗糙度与摩擦因数之间关系的明确资料，管孔表面粗糙度对胀接质量的影响需进一步研究。4 结语（1）10#+16Mn 的胀接接头，低胀力时初始间隙对拉脱力、密封性影响明显，初始间隙小的接头拉脱强度及密封性能更优，随胀力增加，拉脱力受初始间隙的影响减小；低合金钢管板提高管孔尺寸精度、控制管子与管板初始间隙是有必要的。（2）数控加工设备一次加工成型的管板孔桥宽度接近名义孔桥宽度，均匀性很好，GB/T151中对管板孔桥宽度 B 值随管板厚度变化的限定值已经落后，应在该标准修订时进行调整。（3）管板孔的粗糙度与接头胀接强度及密封性能关系密切，粗糙度等级与材料、结构、实际工况等有较大关系，因此热交换器管板的管孔表面粗糙度应根据换热管外表面粗糙度、管束密封性和拉脱力的设计要求进行调整。（4）随着装备制造加工技术的提高，管板管孔的加工机具应根据管板厚度，在数控钻、加工中心、数控深孔钻中进行选择，逐步淘汰摇臂钻设备。参考文献：1 孙素梅 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