钛管涨接工艺：与管板的连接方式及质量控制

钛管涨接工艺：与管板的连接方式及质量控制

在换热器、冷凝器等设备制造中，钛管与管板的连接质量直接决定了设备的密封性能和使用寿命。钛管与管板的连接通常采用胀接+焊接的组合工艺——胀接提供强度、焊接保证密封。

然而，钛材具有独特的物理特性：弹性模量低（约为钢的一半）、对表面污染敏感、高温下极易氧化。这些特性使得钛管的胀接工艺与普通钢管有显著区别。本文将从连接方式选择、胀接工艺参数、质量控制要点三个维度，系统解析钛管与管板连接的技术要点。

一、连接方式的选择：先胀后焊是优方案

钛管与管板的连接主要有三种工艺路线：强度胀接、强度焊、以及胀焊并用。对于钛制换热器，先胀后焊是行业公认的佳工艺方案。

1.1 为什么要“先胀后焊”？

核电和化工领域的工程实践表明，采用先胀后焊工艺具有以下优势：

| 优势 | 具体说明 |

| :--- | :--- |

| 消除间隙 | 胀接后消除钛管与管板孔之间的间隙，焊接时不会出现烧穿或未熔合 |

| 背面保护 | 胀紧后管孔被密封，无需从背面充氩即可保护焊缝背面不被氧化 |

| 防止移位 | 胀接固定管束，防止焊接时管端移动 |

| 强度保障 | 胀接承担主要载荷，焊缝主要起密封作用 |

1.2 “先胀后焊”的工艺路线

胀焊并用的常见结构形式有两种：

| 工艺路线 | 受力分配 | 适用场景 |

| :--- | :--- | :--- |

| 强度胀+密封焊 | 胀接承受拉脱力，焊缝保证密封 | 中低压换热器（常用） |

| 强度焊+贴胀 | 焊缝承受载荷，贴胀消除间隙 | 高温高压或剧烈振动工况 |

对于钛管凝汽器、化工换热器等设备，一般采用先强度胀、后密封焊的连接结构。胀接保证连接强度，焊接主要起密封作用。

二、胀接前的准备工作

2.1 管板孔与管端的清理

钛对污染极端敏感，胀接前的清理是保证质量的第一步。根据核电工程规范，清理要求如下：

| 清理部位 | 方法 | 验收标准 |

| :--- | :--- | :--- |

| 管板孔 | 用白布沾无水酒精或丙酮擦拭 | 无锈斑、油渍、污垢，呈金属光泽 |

| 管端（胀接段） | 同上 | 同上 |

| 严重氧化管端 | 酸洗处理（HF:HNO₃:H₂O=5:20:75，室温2-5分钟） | 呈银白色 |

操作人员须戴洁净棉布手套，严禁裸手接触清理后的表面。清洗后的工件必须在4小时内完成胀接，超过时间需重新清洗。

2.2 间隙控制

钛管与管板孔的配合间隙直接影响胀接质量。根据核电技术规范：

- 推荐间隙：0.2～0.3 mm

- 公差控制：±0.02 mm

间隙过小，穿管困难且易划伤管壁；间隙过大，胀接时管壁塑性变形不充分，接头强度不足。

2.3 管板硬度要求

钛材的屈服强度与管板材质存在差异，胀接时应遵循管板硬度应高于管材硬度的原则。对于钛-钢复合管板，钛覆层较薄，胀接时需特别注意胀接压力控制，避免损伤覆层。

三、胀接工艺参数的选择

3.1 胀管率控制

胀管率是衡量胀接质量的核心指标，指管壁厚度的减薄百分比。根据核电工程规范和制造经验：

推荐胀管率：6%～8%

这一范围的确定基于以下考虑：

- 胀管率过低（<6%）：残余接触压力不足，接头抗拉脱强度不够

- 胀管率过高（>8%）：管壁过度减薄，甚至产生裂纹

胀后管内径计算公式：

```

Da = D - 2t(1 - a)

```

其中：

- Da——胀后管内径（mm）

- D——管板孔径（mm）

- t——钛管壁厚（mm）

- a——胀管系数（6%～8%）

3.2 胀接长度

胀接长度是指管壁与管板孔紧密贴合的长度：

推荐胀接长度：管板厚度的75%～90%

例如，管板厚度为40mm时，胀接长度应在30-36mm范围内。

3.3 胀接顺序

胀接顺序影响管板变形和接头质量的均匀性。行业实践建议：

- 采用分组、分片、对角线或对称方式进行胀接

- 避免从一侧向另一侧顺序胀接，防止管板弯曲变形

- 分区对称胀接可有效控制管板变形

有限元研究还表明：后胀接的管孔会使先胀接管孔的残余接触压力升高。这一现象在制定胀接顺序时应予以考虑。

3.4 胀管器选用

钛管胀接应选用专用胀管器：

| 项目 | 要求 |

| :--- | :--- |

| 胀管器类型 | 三槽或五槽胀管器（质量可靠厂家提供） |

| 冷却润滑 | 酒精冷却（注意防火） |

| 强制报废条件 | 有划痕、打滑、胀壳前端顶起、胀杆灼伤、减薄率不均匀 |

采用酒精冷却既可润滑胀管器，又可防止管壁划伤，同时酒精挥发后不留残留物，不影响后续焊接质量。

四、胀后检验与质量控制

4.1 外观检查

胀接完成后，应对胀口进行100%外观检查：

| 检查项 | 合格标准 |

| :--- | :--- |

| 内壁质量 | 光滑圆整，无划伤、无裂纹 |

| 胀接均匀性 | 无欠胀或过胀现象 |

| 管端伸出长度 | 0.3～0.5 mm（焊接前须符合此要求） |

4.2 拉脱试验

拉脱试验是验证胀接强度的直接方法。根据胀接工艺评定标准：

- 试件要求：管子在管板壳程侧的伸出长度至少为100mm

- 合格标准：每个胀接试件的拉脱强度均不小于标准规定值

- 评定规则：正式胀接前必须进行试胀，验证胀管器质量和胀接参数

4.3 管端切平

胀接后，管端伸出管板面的长度需要控制在焊接要求的范围内。

根据行业规范：

- 胀后管端露出管板：0.3～0.5 mm（焊接前）

- 如超出长度：采用专用切管工具对多余管头进行管口内切

- 切后预留长度：0.5～1.0 mm

五、常见问题与对策

| 问题 | 可能原因 | 解决方案 |

| :--- | :--- | :--- |

| 欠胀 | 胀管率<6%；胀接管数过多导致后段压力不足 | 控制胀管率在6%-8%；控制一次胀接管数 |

| 过胀 | 胀管率>8%；胀接压力过大 | 严格按计算参数控制；更换胀管器 |

| 管端裂纹 | 胀管率过大；管材退火不充分 | 控制胀管率；排查管材状态 |

| 管板变形 | 胀接顺序不当 | 采用对称/对角线顺序，分区胀接 |

| 划伤管壁 | 胀管器磨损或润滑不足 | 检查胀管器状态；酒精充分冷却 |

| 胀后管端伸出不均 | 穿管定位不准 | 严格定位，胀后检查并切平 |

六、胀接+焊接的工艺配合

对于先胀后焊的工艺路线，胀接质量直接影响后续焊接质量：

1. 胀接消除间隙：焊接时不会出现烧穿或未熔合

2. 背面自动保护：胀紧后无需背面充氩，简化焊接工艺

3. 防止管端移位：固定管束便于焊机定位

需要注意的是，长期运行后，钛管的贴胀可能因钛的“记忆效应”而松弛。因此，在高温或压力波动较大的工况下，焊缝承担了长期密封的关键作用，焊接质量同样不容忽视。

焊接质量控制要点（参考行业规范）：

| 项目 | 要求 |

| :--- | :--- |

| 焊缝颜色 | 银白色或淡黄色（严禁蓝色/灰色） |

| 焊缝余高 | ≤0.5 mm |

| 焊缝宽度 | 2～4 mm |

| 无损检测 | 100%着色探伤（PT），无缺陷显示 |

七、工艺评定（PQR）的必要性

正式生产前，必须进行胀接工艺评定（与焊接工艺评定类似），以验证胀接参数的合理性。

胀接工艺评定的主要内容：

| 步骤 | 内容 |

| :--- | :--- |

| 制定胀接工艺指导方案 | 拟定胀接方法、工装、参数 |

| 准备胀接试件 | 按标准选择管材和模拟管板 |

| 施胀并记录参数 | 详细记录实际胀接数据 |

| 检验试件 | 宏观检验 |

| 拉脱试验 | 测定抗拉脱强度 |

| 解剖检查 | 检查接触状况 |

评定合格标准：

- 管内壁光整圆滑，无开裂、无挤压伤痕

- 拉脱强度≥标准规定值

- 非开槽段贴合良好，无明显间隙

- 槽边缘处紧密接触

结语

钛管与管板的胀接工艺，核心在于三个精确控制：

1. 胀管率精确控制：6%～8%是黄金窗口

2. 间隙精确控制：0.2～0.3mm是理想配合

3. 顺序精确控制：对称、分区、跳胀是防止变形的关键

“先胀后焊、强度胀保证连接、密封焊防止泄漏”是钛制换热器制造的标准工艺路线。严格执行焊前清理、规范胀接操作、充分进行工艺评定，是保证钛管换热器长期可靠运行的基础。

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参考资料

[1] 钛管和钛钢复合管板的制造技术浅析，中国有色网，2015

[2] 钛换热管胀接研究，华东理工大学硕士论文，2011

[3] 核电钛管口清洗、胀、切、削、焊接技术规范，2016

[4] 钛管凝汽器管口胀焊接头的质量控制，焊接技术，2021

[5] 一种管子-管板接头的胀接工艺评定方法，发明专利

[6] 钛换热管与钛钢复合管板连接研究，第五届全国压力容器学术会议，2001

[8] 钛管换热器管束一管板模块试验总结，2022

[9] 凝汽器钛管板密封焊接质控分析，商品与质量，2019