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摘 要：比较了几种胀接方法，并通过对液袋式胀接原理的介绍及胀接压力计算的推导，详细介绍了胀袋式胀管技术的优越性。
关键词：胀接；锅炉胀管；液压胀管；液袋式胀管
前言
管板胀接在锅炉行业应用十分普遍。研究表明：采用胀接方法连接后进行焊接，能使设备的制造质量明显提高。目前，行业中采用的胀接工艺有以下几种：机械滚柱胀管技术，传统液压胀管技术及液袋式胀管技术。其中，机械滚珠胀管由于滚子的滚压，造成管子内壁表面粗糙、残余应力大，材料强度、耐腐蚀性能降低，且胀紧程度不均匀，胀接质量难以保证，胀管效率低，劳动强度大等，特别在近代设备大型化、承受高压、高温、易燃易爆及强腐蚀介质的工况条件下，机械滚柱胀管法远远不能满足这些要求；传统液压胀管技术由于我国当前管子制造精度偏低，材质控制不均匀，导致管壁胀接变形不均匀，产生胀裂或局部胀大现象；液袋胀管方法是近几年新兴的一种液压胀管技术，它克服了前面几种胀管方法的缺点，有着很大的优越性，是一种值得推广的好技术。
1液袋胀接原理
液袋式胀接方法的基本原理是胀管机通过小面积的柱塞将高压水注入插在换热管里的胀头的液囊内，依靠高压水的压力将管子扩张并胀贴在管板中，胀管压力可以调节设定，当超压时水压自动泄放，完成一次胀接，等待下一循环，水的最高压力可达到500MPa，管子内径范围为10-110mm。
首先高压水将管子扩张，当管子的外层纤维达到塑性区后，在压力基本不增加的情况下，管子继续扩张，贴在管板内，当压力继续升高，管板孔开始变形，在孔的内纤维达到弹性极限时，压力不应再升高。管子和管板孔的弹性性能取决于他们的材料和二者的结构尺寸，当压力泄放后，二者以各自的弹性特性恢复，并由此产生过盈和贴紧力（PH）（见图1）。
2液袋胀接过程
利用与管径相近的胀袋套入相应胀枪中，在胀接处两端采用螺杆固定，根据管子的厚度及材质确定好胀接压力，设定相应压力后对管板处进行胀接。目前先进的液袋套管在水压力360MPa疲劳应力作用下，不破裂、不泄漏、不产生永久变形，始终保持弹性状态，卸载后能恢复原形，使用寿命超过100次。袋囊式胀头（见图2）是由胀轴和按胀接长度定制的袋囊组成。进口胀管机的袋囊是用某种高分子材料制成的套管，两端向内折叠，套在胀轴上形成一个密封腔，在袋囊两端配以垫圈、推环和保护环。液体通过进油孔进入袋囊，在增压器的作用下，囊内压力通过囊壁作用到管子内壁，使管子产生扩张变形。施胀液体始终被包裹在囊内不与管壁接触，克服了液体外流的缺陷，不会造成管口的污染。
3压力计算：
管板胀接的主要目的是使管子发生塑性变形，管板发生弹性变形，撤去压力后管板回复，与管子抱紧。因此，可用Mises推导的公式作为基础计算胀紧力大小：
该公式是假设圆筒受内压产生的应力为平面应力，材料在超过屈服极限后，以没有应变刚的形态产生塑性流动。管板是一假设的圆筒，其内半径为孔半径，外半径为其相邻各孔的分布内圆(见图3)，即管板孔间距与孔半径之差。
通过公式推导，得出管子外纤维达到塑性变形时的内压为：
Pia=σFR(μp2-1)/2 (1)
式中：σFR=管子材料的屈服极限
UR=rd/ri
在管板孔内壁和管子外壁扩张后弹性恢复值相同(即管子和管板孔此时间隙为零而无过剩的贴紧比压)的情况下，胀管压力为：
P0=2σFR(μp2-1)/[(3μr4+1)1/2μp2(1+μ)+1-μ]+σFR(μp2-1)/2 (2)
μp=Ra/Ri
μ=材料泊松比，一般取μ=0.3
为使管子在管板孔中进一步贴紧，必须增加胀管压力，为了避免过大的内压造成相邻管孔产生塑性变形，利用下述公式可以计算出胀管的极限内压：
P0（极限）=σFP(μp2-1)/(μp2+1)+σFR(μR2-1)/2 (3)
式中σFP=管板材料的屈服极限
其余与上式相同。
胀接后，管子与管板的贴紧比压力PH和管子的拉脱力PR可以通过式(4)和(5)计算：
PH=1/{1+[(μp2-1)/(μR2+1)][μp2(1-μ)+1+μ]/[μp2(1-μ)+1-μ](Pi-PO) (4)
式中：Pi=实际胀管压力
PR=2π·ra`·L·PH·f （5）
式中：L=胀接长度
f=材料间的摩擦系数
注：胀接压力的计算公式是以平面应力为基础，管板的形状被假定为带孔的圆环。实际上胀接长度一般均小于管板厚度，管桥处对圆环起支撑作用，以及材料应变刚等的影响，计算时引入一系数β，可以使计算结果更接近实际。β值一般在0.8-0.9之间选取，准确数值要经弹塑性有限元计算。
引入β后上述公式（2）将变为：
P0=2σFR(μp2-1)/β[(3μr4+1)1/2μp2(1+μ)+1-μ]+σFR(μp2-1)/2 （2’）
公式（3）变为：
P0（极限）=σFP(μp2-1)/β(μp2+1)+σFR(μR2-1)/2 （3’）
公式（4）变为：
PH=β/{1+[(μp2-1)/(μR2+1)][μp2(1-μ)+1+μ]/[μp2(1-μ)+1-μ](Pi-PO)（4’）
4液袋胀管优点
液袋式胀管方法应用于锅炉及换热器等设备的管板胀接，有以下几个优点：
一、机械胀管由于受到管径和胀管器长度的限制，胀接深度和胀管总的长度不易实现太大，而液压胀管却不受深度和长度的限制，可以实现整个管板厚度的全程胀接，使管子与管板整个形成一体，大大提高管子的抗振能力。机械胀管的胀接处管壁有明显的减薄现象，而液压胀管却没有这种减薄问题，管子壁厚基本没有变化。
二、可实现内管板的胀接，内管板强度胀接是管壳式换热器制造中的难点，机械滚柱胀管由于机械结构的限制，对内管板的胀接无法进行。液袋式胀管可采用智能液压自控远程传递技术将液袋套管插入管子内部，成功解决了内管板胀接问题。
三、所胀接管壁受力均匀，不损伤表面；没有油污染管头；保证焊接质量，可用于深孔胀接；胀接压力可通过理论计算得出，自动化程度高；不受人的因素影响，易保证质量；正常情况下每一分半钟可胀一个管头，提高了生产效率。
5结论
管板胀接在锅炉、换热器等领域应用十分广泛，液袋式液压胀管技术作为一种新型的管板连接技术，与传统的机械胀管相比，操作简单，生产效率高，胀接质量高，优势十分明显。在大批量胀接生产时，可同时投入几台设备进行生产，且维护方便，因此在生产中被广泛使用。
参考文献：
[1]曹宫衡 新型超高液压胀管技术的原理与实践 压力容器 2001.18（5）.
[2]周林云，马青年 液压胀管的原理与应用 压力容器 2002，19(5).
[3]徐佳，李国继 液压胀管与机械胀管技术对比 锅炉制造 2006.206（1）.
关键词：胀接；锅炉胀管；液压胀管；液袋式胀管
前言
管板胀接在锅炉行业应用十分普遍。研究表明：采用胀接方法连接后进行焊接，能使设备的制造质量明显提高。目前，行业中采用的胀接工艺有以下几种：机械滚柱胀管技术，传统液压胀管技术及液袋式胀管技术。其中，机械滚珠胀管由于滚子的滚压，造成管子内壁表面粗糙、残余应力大，材料强度、耐腐蚀性能降低，且胀紧程度不均匀，胀接质量难以保证，胀管效率低，劳动强度大等，特别在近代设备大型化、承受高压、高温、易燃易爆及强腐蚀介质的工况条件下，机械滚柱胀管法远远不能满足这些要求；传统液压胀管技术由于我国当前管子制造精度偏低，材质控制不均匀，导致管壁胀接变形不均匀，产生胀裂或局部胀大现象；液袋胀管方法是近几年新兴的一种液压胀管技术，它克服了前面几种胀管方法的缺点，有着很大的优越性，是一种值得推广的好技术。
1液袋胀接原理
液袋式胀接方法的基本原理是胀管机通过小面积的柱塞将高压水注入插在换热管里的胀头的液囊内，依靠高压水的压力将管子扩张并胀贴在管板中，胀管压力可以调节设定，当超压时水压自动泄放，完成一次胀接，等待下一循环，水的最高压力可达到500MPa，管子内径范围为10-110mm。
首先高压水将管子扩张，当管子的外层纤维达到塑性区后，在压力基本不增加的情况下，管子继续扩张，贴在管板内，当压力继续升高，管板孔开始变形，在孔的内纤维达到弹性极限时，压力不应再升高。管子和管板孔的弹性性能取决于他们的材料和二者的结构尺寸，当压力泄放后，二者以各自的弹性特性恢复，并由此产生过盈和贴紧力（PH）（见图1）。
2液袋胀接过程
利用与管径相近的胀袋套入相应胀枪中，在胀接处两端采用螺杆固定，根据管子的厚度及材质确定好胀接压力，设定相应压力后对管板处进行胀接。目前先进的液袋套管在水压力360MPa疲劳应力作用下，不破裂、不泄漏、不产生永久变形，始终保持弹性状态，卸载后能恢复原形，使用寿命超过100次。袋囊式胀头（见图2）是由胀轴和按胀接长度定制的袋囊组成。进口胀管机的袋囊是用某种高分子材料制成的套管，两端向内折叠，套在胀轴上形成一个密封腔，在袋囊两端配以垫圈、推环和保护环。液体通过进油孔进入袋囊，在增压器的作用下，囊内压力通过囊壁作用到管子内壁，使管子产生扩张变形。施胀液体始终被包裹在囊内不与管壁接触，克服了液体外流的缺陷，不会造成管口的污染。
3压力计算：
管板胀接的主要目的是使管子发生塑性变形，管板发生弹性变形，撤去压力后管板回复，与管子抱紧。因此，可用Mises推导的公式作为基础计算胀紧力大小：
该公式是假设圆筒受内压产生的应力为平面应力，材料在超过屈服极限后，以没有应变刚的形态产生塑性流动。管板是一假设的圆筒，其内半径为孔半径，外半径为其相邻各孔的分布内圆(见图3)，即管板孔间距与孔半径之差。
通过公式推导，得出管子外纤维达到塑性变形时的内压为：
Pia=σFR(μp2-1)/2 (1)
式中：σFR=管子材料的屈服极限
UR=rd/ri
在管板孔内壁和管子外壁扩张后弹性恢复值相同(即管子和管板孔此时间隙为零而无过剩的贴紧比压)的情况下，胀管压力为：
P0=2σFR(μp2-1)/[(3μr4+1)1/2μp2(1+μ)+1-μ]+σFR(μp2-1)/2 (2)
μp=Ra/Ri
μ=材料泊松比，一般取μ=0.3
为使管子在管板孔中进一步贴紧，必须增加胀管压力，为了避免过大的内压造成相邻管孔产生塑性变形，利用下述公式可以计算出胀管的极限内压：
P0（极限）=σFP(μp2-1)/(μp2+1)+σFR(μR2-1)/2 (3)
式中σFP=管板材料的屈服极限
其余与上式相同。
胀接后，管子与管板的贴紧比压力PH和管子的拉脱力PR可以通过式(4)和(5)计算：
PH=1/{1+[(μp2-1)/(μR2+1)][μp2(1-μ)+1+μ]/[μp2(1-μ)+1-μ](Pi-PO) (4)
式中：Pi=实际胀管压力
PR=2π·ra`·L·PH·f （5）
式中：L=胀接长度
f=材料间的摩擦系数
注：胀接压力的计算公式是以平面应力为基础，管板的形状被假定为带孔的圆环。实际上胀接长度一般均小于管板厚度，管桥处对圆环起支撑作用，以及材料应变刚等的影响，计算时引入一系数β，可以使计算结果更接近实际。β值一般在0.8-0.9之间选取，准确数值要经弹塑性有限元计算。
引入β后上述公式（2）将变为：
P0=2σFR(μp2-1)/β[(3μr4+1)1/2μp2(1+μ)+1-μ]+σFR(μp2-1)/2 （2’）
公式（3）变为：
P0（极限）=σFP(μp2-1)/β(μp2+1)+σFR(μR2-1)/2 （3’）
公式（4）变为：
PH=β/{1+[(μp2-1)/(μR2+1)][μp2(1-μ)+1+μ]/[μp2(1-μ)+1-μ](Pi-PO)（4’）
4液袋胀管优点
液袋式胀管方法应用于锅炉及换热器等设备的管板胀接，有以下几个优点：
一、机械胀管由于受到管径和胀管器长度的限制，胀接深度和胀管总的长度不易实现太大，而液压胀管却不受深度和长度的限制，可以实现整个管板厚度的全程胀接，使管子与管板整个形成一体，大大提高管子的抗振能力。机械胀管的胀接处管壁有明显的减薄现象，而液压胀管却没有这种减薄问题，管子壁厚基本没有变化。
二、可实现内管板的胀接，内管板强度胀接是管壳式换热器制造中的难点，机械滚柱胀管由于机械结构的限制，对内管板的胀接无法进行。液袋式胀管可采用智能液压自控远程传递技术将液袋套管插入管子内部，成功解决了内管板胀接问题。
三、所胀接管壁受力均匀，不损伤表面；没有油污染管头；保证焊接质量，可用于深孔胀接；胀接压力可通过理论计算得出，自动化程度高；不受人的因素影响，易保证质量；正常情况下每一分半钟可胀一个管头，提高了生产效率。
5结论
管板胀接在锅炉、换热器等领域应用十分广泛，液袋式液压胀管技术作为一种新型的管板连接技术，与传统的机械胀管相比，操作简单，生产效率高，胀接质量高，优势十分明显。在大批量胀接生产时，可同时投入几台设备进行生产，且维护方便，因此在生产中被广泛使用。
参考文献：
[1]曹宫衡 新型超高液压胀管技术的原理与实践 压力容器 2001.18（5）.
[2]周林云，马青年 液压胀管的原理与应用 压力容器 2002，19(5).
[3]徐佳，李国继 液压胀管与机械胀管技术对比 锅炉制造 2006.206（1）.