关于低压锅炉对流管胀接技术规范的探讨

鲁永学

(渤海造船厂集团有限公司 葫芦岛 125004)

关于对流管胀接技术在GB 50273—2009《工业锅炉安装工程施工与验收规范》中进行了阐述，主要是对流管管材材质及外观检查、对流管预制后的检查、胀管端退火处理与打磨、对流管安装就位与配合的尺寸偏差要求、胀管器要求、胀管率的控制、补胀与过胀相关要求等。本文从对流管与汽包管孔的间隙与胀管率的关系提出了一些建议以供探讨。

1 问题的提出

胀管率是管孔在外力作用下产生的相对残余变形。一般通过管子内径在胀接前后的变化量来进行计算的。胀管率的测量方法有两种：内径控制法和外径控制法。规范中明确规定：采用内径控制法，累计胀管率控制在1．3%～2．1%；采用外径控制法，累计胀管率控制在1．0%～1．8%；现以内径控制法胀接φ60对流管为例谈笔者观点。首先，规范中关于胀管的各项规定仅对新安装锅炉具有指导意义，对旧锅炉的对流管大修更换来讲指导意义不够。规范中仅要求胀接管与管孔的最大间隙为1．5mm，没有明确两者间隙的最小值。因为管与管孔的间隙大小与胀管率直接关联，对于新安装锅炉来讲，汽包管孔在制作技术条件中已有规定，为也就是说管孔内径与管外径都能够确定，并且两者的间隙符合规范要求，这个间隙是指最大值与最小值，最大值≤0．9mm。然后按照胀管率控制就能保证对流管的施工质量。但是对于旧锅炉的对流管大修，规范的指导意义就明显不够，因为对于胀管率的要求是在一个范围内的数值，与之相对应，管与管孔的间隙也应该包括一个范围，明确这个范围对锅炉的检修的指导意义非常大。

另外从胀接过程看，目前胀接施工的一般步骤是：管子放样、管端退火、管端打磨、管子试胀、管子胀接。准备阶段中的管子试胀是以新管和新锅筒为前提的，试胀的质量控制是以控制胀管率为依据的，按照胀管技术规范要求，胀管率控制在1．3%～2．1%之间。在这里，大家需要了解一下胀管率，胀管率是指管孔在外力作用下产生的相对残余变形，锅炉钢管一般是低碳钢，其塑性性能较好，通过胀管器的胀珠对它产生一定的压力，管子的直径就会胀大、变形，另一方面锅筒的管孔也要被胀大。由于管壁较薄，硬度较小，在胀管过程中容易变形，而锅筒的壁厚，管孔硬度较大，相比较不易变形。在胀管过程中由于受到同样大小的作用力，管子产生了塑性变形，而锅筒的管孔只能产生弹性变形，这样就会利用两者之间的相互作用力来达到密封作用。由此可知，能够保证胀接质量的前提是必须保证管孔与管子之间的作用力满足胀管要求。而保证这个前提是管子必须产生塑性变形和管孔产生弹性变形。但是在实际锅炉的检修中，对流管的胀接与规范中所要求的内容不能满足检修需要，表现在三个方面的变化：1）管孔尺寸的偏差发生变化。2）管孔在多次胀接后锅筒的强度发生变化。3）管孔的弹性模量改变。由于上述三条变化，均对旧炉检修中胀接质量产生明显影响。再综合分析上述三个因素，锅筒由于不受热（与烟气基本不接触），金属力学性能改变的可能性不大，并且每年检验部门都对锅炉进行检查检测，所以综合考虑，第一条因素的影响最大。主要是：由于管孔尺寸的偏差超限，以φ60管为例，规范中要求：管子外径φ60，管孔最大允许直径φ61．1。以某台锅炉为例（1970年安装），汽包管孔实测数据为φ61．1-61．95。其中大于φ61．1的管孔数量占到 100%，φ61．2-61．5 占 88．5%， 大于等于φ61．5的管孔数量占8%。 按照新炉管孔加工尺寸的要求为即管子外径与管孔直径的标准间隙应该在0．5～0．9mm，规范要求的最大间隙为1．5mm。实际数据大于标准，在1．1～1．95mm，规范中只是要求最大间隙不超过1．5mm。笔者通过调整管外径尺寸进行胀接。

2 试验方法

对于上述符合尺寸要求的，即管孔尺寸≤φ61．5的情况，仍然选用φ60的管子，对管孔尺寸≥φ61．5的管子，选用φ61的管子比较合适。这样，每个管孔与管子的配合间隙都能在0．5～1．5mm之间。针对该旧锅炉的管孔尺寸实际情况，只有8%的管子采用φ61的尺寸即可。试验方法如下：

按照锅炉管孔的实际尺寸加工管孔和试胀板（见图1）。将试胀板四周焊上与试胀板等厚的钢板上。管子选配分三种情况：

1）全部选用φ60的管子。

2） 全部选用φ61的管子。

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

全部胀接程序严格按照规范要求进行，胀管率定为1．65%。胀完之后分别进行水压试验，试验压力3．12MPa（1．25倍工作压力）。检查统计如下：第一种情况，有2根管子轻微渗漏；第二种情况，有5根管子漏水；第三种情况，有1根管子含泪。

图1 管孔和试胀板的示意图

3 分析讨论与总结

由试验可知，最佳的胀管工艺方案应该是第三种。其中有一根管含泪的情况，应该是胀管率大小不太合适，补胀后就完全合格。由此可以解释得出结论，控制住管与管孔的合理间隙和合理的胀管率是胀接质量的必要条件。这也就可以解释某锅炉所出现的胀接质量事故了，当时由于施工方的疏忽，在测量管孔尺寸大部分超差的情况下，全部选用了φ61的管子，结果导致约92%的管子与管孔配合间隙过小，而胀接过程中控制的胀管率又相同，结果造成管孔所受应力过大，胀管率实际是胀管残余应力的表现，虽然相同的胀管率，但是残余应力却相差甚远，直接导致新胀接管孔周围的4个管孔的变形，对依靠管孔与管子之间的残余应力来保持密封的胀接工艺来说，显然是不利的，对胀接的对流管进行水压试验，将近50%的胀接管系漏水，胀接失败，其结果也证明了这一点。按照规程，所有管子的胀接都满足胀管率要求，但是质量却不合格。由此可见，对流管胀接的规范只是对正常间隙配合的描述，对于旧锅炉的维修指导意义明显不够。实际上，胀管率控制的是管与管孔的变形程度，体现的是胀管后的应力大小，只要能够保证三个条件即可保证胀接的质量：一是管子发生塑性变形；二是管孔发生弹性变形；三是胀接的应力值。尤其是对于旧锅炉，汽包金属的弹性模量等力学性能会随着使用发生变化，到底选用多大的胀管率合适，对于施工单位，得不到数据支持，完全按照施工经验施工，必然会产生胀接质量问题。因此提出三条建议：

1）对现有的锅炉胀接工艺规范进行补充，指导旧锅炉的维修。

2）针对不同的锅炉锅筒的管孔情况，提出有针对性的施工工艺，不能再完全按照新炉的规范进行。

3）建议研制新型胀管器，对胀管质量的控制方法回归到胀管率的本质含义上去，利用胀接的应力进行控制。毕竟胀管率与胀接应力之间存在的数学关系在某些情况下存在一定偏差。