液壓脹接技術(shù)的應(yīng)用進展與發(fā)展趨勢

【摘? 要】脹接技術(shù)是電力、化工等設(shè)備制造中連接管子與管板的關(guān)鍵技術(shù)，對設(shè)備的性能和安全性具有重要的影響。其中，液壓脹接技術(shù)憑借其適用性強、效率高、效果好等優(yōu)勢被廣泛用于當前的電力和化工行業(yè)。論文對液壓脹接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)特點以及研究進展進行了闡述，并基于實際應(yīng)用情況和文獻研究分析，就液壓脹接技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了預(yù)測，對液壓脹接技術(shù)的理論發(fā)展具有參考意義。

【關(guān)鍵詞】液壓脹接;脹管;脹接技術(shù)

【中圖分類號】TQ051.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）05-0139-03

1 引言

脹接技術(shù)是指通過一定的方式對管子內(nèi)部施壓，使其擴張而產(chǎn)生塑形形變直至與管板孔貼合，同時，在彈性允許范圍內(nèi)，管板孔壁隨之形變，而在壓力撤銷后，管板孔壁回彈，管子與管板孔內(nèi)外壁實現(xiàn)緊密接觸的過程[1]。在電力、化工行業(yè)當中，傳統(tǒng)的管子管板脹接方法主要是機械脹接法，這種方法已經(jīng)比較成熟和完善，具有相關(guān)的參考標準，然而其劣勢也非常明顯，如連接強度不均勻、接口表面容易硬化、對管子管板材料要求較高、生產(chǎn)效率低，等等[2]。尤其是隨著電力、化工裝備不斷向大型化、連續(xù)化方向發(fā)展，這種方法逐漸無法滿足生產(chǎn)需要。為了克服機械脹接的弊端，液壓脹接技術(shù)、爆炸脹接技術(shù)、橡膠脹接技術(shù)等被開發(fā)[3]，其中液壓脹接技術(shù)憑借其獨特優(yōu)勢，在我國電力、化工裝備等領(lǐng)域的生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀70年代后期，Krips等人開發(fā)了液壓脹接法[4]，很快這項技術(shù)就被繼續(xù)研究和應(yīng)用于各個國家的換熱器制造當中：20世紀90年代美國西屋公司研制的蒸汽發(fā)生器、德國BDT公司研制的汽水分離再熱器都使用了液壓脹接技術(shù)，我國也在1995年開始運用該技術(shù)。液壓脹接技術(shù)發(fā)展至今已得到了廣泛的應(yīng)用，全球范圍內(nèi)壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管和管板脹接，基本上都在使用液壓脹接技術(shù)。

液壓脹接技術(shù)克服了傳統(tǒng)機械脹接技術(shù)的弊端，但這項技術(shù)也需要進行不斷的優(yōu)化與創(chuàng)新，以應(yīng)對工程裝備的快速發(fā)展。液壓脹接根據(jù)其脹接兩側(cè)密封形式的不同，分為“O”形環(huán)法和液袋方法[5]。Krips等人開發(fā)的方法就屬于“O”形環(huán)法，這種方法對換熱管內(nèi)外直徑的橢圓度、光滑程度和尺寸精度要求較高，而由于國內(nèi)外換熱管尺寸精度存在偏差，以及進口換熱管成本過高，這種方法并沒有得到廣泛的應(yīng)用。液袋式技術(shù)則突破了這一限制，通過利用彈性液壓袋將液壓脹接介質(zhì)和管子進行隔離，在擴大適用范圍的同時，能夠避免對管口造成污染。針對國內(nèi)換熱管的特征，同時吸取國外經(jīng)驗，我國科學(xué)家在液袋式技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新研發(fā)出適合國內(nèi)使用的液壓脹接技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力等行業(yè)。

3 技術(shù)特點

3.1 優(yōu)勢

①脹接壓力均勻。

液壓脹接采用液體加壓的方式，這種方式可以對管子內(nèi)壁均勻施壓（見圖1），使得管子膨脹后與管板均勻接觸，液體介質(zhì)的流動性使該方法不受入口時管子與管板間縫隙是否均勻的限制，因此，接觸點的強度是均勻的，從而達到較好的密封效果。脹后產(chǎn)品在進行試樣解剖檢查和產(chǎn)品水壓試驗時，都能達到密封性要求。同時，這種加壓方式也能大大增強管子管板接頭的防震動能力和防腐蝕能力，進一步保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

②脹管長度無限制。

液壓脹管對脹管的長度無限制，能夠?qū)崿F(xiàn)管子管板在整個厚度范圍內(nèi)進行脹接，保證連接的緊密性，從而確保脹接的質(zhì)量。

③應(yīng)力和拉脫力值均勻。

由于液壓脹接可以實現(xiàn)管子的全長度脹接，這也使得應(yīng)力和拉脫力值均勻，且拉脫力有效增強，而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，開槽脹管的創(chuàng)新可以切實加大脹接力度來承受更強的拉脫力。

④管子管板殘余應(yīng)力小。

管子管板使用液壓脹接技術(shù)連接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，相對使用傳統(tǒng)機械脹接技術(shù)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力更小，因此，能夠更好地保證管子管板的強度和穩(wěn)定性。

3.2 不足

①脹接規(guī)律不明確。

目前，無論是在學(xué)界還是實際應(yīng)用上，液壓脹接的規(guī)律還沒有明確的研究，因為其過程受到多種因素的影響，尚未建立配套的基準和運算方程。想要獲得適合的脹接數(shù)據(jù)，前期的模擬和計算不僅效率低，而且成本較高。

②適用情境嚴格。

液壓脹接過程對管子內(nèi)徑與管板孔的加工尺寸公差要求較高，需要公差處于一個較小的范圍，因此，這種方法比較適用于精拔管和數(shù)控機床的管板。

③介質(zhì)泄漏風(fēng)險。

用于加壓的液體介質(zhì)存在泄漏的風(fēng)險，這種情況一旦發(fā)生，除了脹接失敗，還會對其他管孔造成污染，影響脹管的質(zhì)量。

④加工費用較高。

由于加工成本較高，液壓脹接技術(shù)一般用于對密封性、安全性要求嚴格，工作參數(shù)高的換熱器的生產(chǎn)。

4 研究進展

國內(nèi)外關(guān)于液壓脹接技術(shù)的理論和計算研究不斷發(fā)展、進步，并取得了很多成果，同時，在實踐中得到了應(yīng)用。作為一種柔性的加工手段，液壓脹接的效果受到很多因素的影響，包括管子管板的材質(zhì)、脹接狀態(tài)，等等。因此，關(guān)于液壓脹接技術(shù)的研究是一個不斷突破挑戰(zhàn)、完善精益技術(shù)的過程。國外的相關(guān)研究起步較早，研究方法和內(nèi)容至今已經(jīng)比較全面。雖然我國的研究相對國外來說起步較晚，但國內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國的實際情況解決了很多問題，大力推動了具有我國特色的液壓脹接技術(shù)的發(fā)展?？偨Y(jié)國內(nèi)外研究情況，研究內(nèi)容主要集中于理論試驗、數(shù)值模擬，或者運用計算機技術(shù)將二者結(jié)合起來?？偨Y(jié)其研究成果，可以分為以下幾個方面。

4.1 脹后接頭殘余接觸應(yīng)力研究

殘余應(yīng)力是表征接頭性能的重要參數(shù)，建立科學(xué)有效的方法對脹接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進行較為準確的評估，對于技術(shù)本身及其使用效果的衡量都具有重要作用。早期較具代表性的方法是1943年美國學(xué)者Goodier和Schoessow[6]創(chuàng)建的脹接理論，他們將脹管過程形象化，將管子管板連接變成擁有孔洞的無限大的平板，對殘余應(yīng)力和形變的研究變得相對簡單。這一理論對后期的理論研究產(chǎn)生了較大的影響和作用，Krips和Podhorsky的等效套筒理論將有限圓環(huán)結(jié)構(gòu)看作當量套筒[7]，Yokell的管子外壁無限厚度假設(shè)等理論將管子管板的材質(zhì)當作理想材料[8]，均是通過理想假設(shè)和等效替代的方式，簡化殘余應(yīng)力的衡量過程。此后，學(xué)者在這些理論的基礎(chǔ)上，運用有限元分析[9]、基于彈塑性理論的液壓脹接模型[10]等方法對液壓脹接脹后接頭殘余應(yīng)力的大小和分布情況進行分析，得出的結(jié)論均較為統(tǒng)一，即基于液壓脹接技術(shù)的脹后殘余應(yīng)力較小，接點更為穩(wěn)定。

4.2 脹接接頭的影響因素研究

液壓脹接接頭的性能受到多方面因素的影響，本文綜合學(xué)者的研究成果對這些因素進行總結(jié)，具體包括：脹接壓力大小，溫度，管板孔開槽寬度和位置[11]，管子管板初始間隙[12]，管子管板材料、結(jié)構(gòu)和尺寸[13]等。但對于如何減少這些因素對接頭性能的負面影響，并沒有得到一個確定的結(jié)論，這是因為在不同的使用條件下，各種因素會對脹接接頭產(chǎn)生不同的影響效果，因此，無法建立標準化的控制方法。學(xué)者從多個角度進行建模，力求找到高效率、低成本的數(shù)值分析方式，為液壓脹接過程的安全高質(zhì)量實施奠定基礎(chǔ)。徐鴻以增量分析為基礎(chǔ)建立了針對彈性、塑性的二維模型[14]，研究了不同操作溫度對脹接效果的影響，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。顏惠庚等在彈性、塑性二維模型的基礎(chǔ)上，對管子受力形變單位的壓力、開槽、拉脫力進行了研究，建立了三維模型，同時，應(yīng)用彈性卸載方式對殘余應(yīng)力進行檢測并建立了相應(yīng)的運算方程。

4.3 接頭過渡段性能研究

對于管子管板的接頭來說，液壓脹接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相對傳統(tǒng)的機械脹接方式大大減小，但也引起了管子管板其他部位風(fēng)險的增加。實踐結(jié)果表明，液壓脹后過渡段的性能顯示出明顯的不穩(wěn)定性。因為液壓脹后過渡段的拉伸殘余應(yīng)力會引起脹區(qū)與不脹區(qū)之間的應(yīng)力腐蝕，液壓脹接接頭過渡段的殘余應(yīng)力有時甚至可達材料屈服應(yīng)力的90%，如果在實際的應(yīng)用中沒有得到有效的防范和控制，則會削弱液壓脹接的安全性能。

4.4 脹焊并用的影響研究

在實際工程應(yīng)用中，常采用脹焊結(jié)合的技術(shù)方式，先脹后焊、先焊后脹，抑或是脹-焊-脹等不同的結(jié)合方式，這會造成不同的拉脫力的變化及脹接接頭的破壞形式。根據(jù)管子管板的性質(zhì)和特征調(diào)整焊脹的結(jié)合方式，或者通過調(diào)整不脹區(qū)長度的比例可以在一定程度上控制這些影響因素[15]。

綜合液壓脹接技術(shù)的特征和文獻研究結(jié)果來看，液壓脹接技術(shù)在使用過程中影響因素較多，在不同的使用場景中有不同的技術(shù)要求，其技術(shù)實現(xiàn)效果也不盡相同，因此，難以形成統(tǒng)一的技術(shù)標準?？傮w來說，液壓脹接技術(shù)目前在我國已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，相關(guān)理論研究也比較全面，但仍處于探索階段，尚未形成較為成熟的理論和工具體系，仍有許多問題亟待解決。

5 發(fā)展趨勢

脹接技術(shù)發(fā)展至今，每種脹接技術(shù)本身也在不斷進步，而不同的脹接技術(shù)之間并非簡單更新?lián)Q代的替代關(guān)系。從實踐應(yīng)用情況來看，不同的產(chǎn)品或者設(shè)備制造中，兩種甚至多種脹接技術(shù)的結(jié)合使用，更能夠取長補短，滿足實際生產(chǎn)的需求?！皺C械+液壓”或者“橡膠+液壓”的脹接模式已廣泛應(yīng)用于換熱器的生產(chǎn)當中。同時，在文獻分析過程中發(fā)現(xiàn)，我國關(guān)于液壓脹接技術(shù)的相關(guān)研究的發(fā)文量相對穩(wěn)定，處于較低水平，由此可見，從單一的技術(shù)層面來看，很難在短時間內(nèi)取得較大的進展。然而從技術(shù)融合的角度來說，液壓脹接技術(shù)和其他脹接技術(shù)的相關(guān)文獻的關(guān)鍵詞共現(xiàn)情況顯示出研究增加的趨勢（見表1）。

因此，本文預(yù)測，液壓脹接技術(shù)未來的發(fā)展趨勢是在技術(shù)進步的同時開創(chuàng)與其他脹接技術(shù)的技術(shù)融合，無論是理論研究還是應(yīng)用試驗結(jié)果都顯示，這是一個值得探索的方向?；诖?，本文指出未來液壓脹接技術(shù)的關(guān)鍵研究方向包括以下幾個方面：

①進一步研究液壓脹接的影響因素，在現(xiàn)有三維理論的基礎(chǔ)上建立多維度的液壓脹接控制模型。

②研究液壓脹接-焊接結(jié)合方式的過程控制，形成脹焊結(jié)合標準化的控制規(guī)則。

③研究液壓脹接與機械脹接、橡膠脹接等混合脹接的過程控制，研究在充分發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢同時如何做好風(fēng)險防范和安全性保證。

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【作者簡介】崔瀟（1994-），男，山西長治人，助理工程師，從事機械設(shè)計與制造研究。