一种用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法.pdf

本发明公开了一种用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，主要工艺过程包括：精密整型工装加工、换热组件外筒的成型、将皮囊放入外筒的内部、将换热组件外筒以及皮囊一起放入精密整型工装、工装的两端进行封口、对皮囊打压使换热组件外筒的筒壁全部发生屈服、保持一定时间后进行泄压、打开精密整型工装的两端、取出换热组件的外筒以及皮囊、从外筒中取出皮囊。这样便完成了一个换热组件外筒的精密整型过程。本发明的整型方法，可以彻底解决换热组件外筒由于尺寸大、厚度小、长度长带来的无法实现精密整型的问题，进而使得换热组件外筒的内径和直线度满足设计的高精度要求，以确保换热组件各层管束换热的均匀性。

权利要求书
1.  一种用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其特征在于，对于经过初成型得到的换热组件外筒的胚料，采用液压成型或气压成型的方式将所述胚料整型至需要的精度。

2.  如权利要求1所述的用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其特征在于所述胚料的壁厚均匀，所述胚料的外径略小于螺旋管式换热组件外筒的设计外径，所述胚料的内径略小于螺旋管式换热组件外筒的设计内径。

3.  如权利要求1或2所述的用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其特征在于所述胚料通过板材卷板加焊接、并对焊接后的焊缝表面打磨使得焊缝与母材齐平的方式来初成型。

4.  如权利要求1或2所述的用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其特征在于所述胚料通过制管的方式来初成型。

5.  如权利要求1或2所述的用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其特征在于所述采用液压成型或气压成型的方式将所述胚料整型至需要的精度包括以下步骤：
步骤1：精密整型工装的加工；
步骤2：将皮囊放入所述胚料的内部再将放有皮囊的胚料放入所述精密整型工装，或者，将胚料放入所述精密整型工装再将皮囊放入所述胚料；
步骤3：对所述精密整型工装的两端进行封口；对所述皮囊充入液体或气体进行打压；
步骤4：当所述皮囊的压力升高至设定的压力之后进行保压，保压进行一定时间使所述胚料的筒壁全部发生屈服，从而将所述胚料经过液压成型或气压成型得到换热组件外筒；在保压所述一定时间之后再进行泄压；
步骤5：打开所述精密整型工装的两端；
步骤6：从所述精密整型工装中取出含有所述皮囊的所述换热组件外筒再从所述换热组件外筒中取出所述皮囊，或者，从所述换热组件外筒中取出所述皮囊再从所述精密整型工装中取出所述换热组件外筒。

6.  如权利要求5所述的用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其中所述精密整型工装为两端开口的厚壁管，其内壁的圆柱度和轴线的直线度满足螺旋管式换热组件外筒的设计要求，其内径根据换热组件外筒的设计理论尺寸以及被整型胚料的材料特性曲线理论计算获得，或者，通过试验方法获得。

7.  如权利要求6所述的用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其中所述精密整型工装的内径通过考虑泄压后被整型胚料的回弹量来确定，即所述精密整型工装的内径等于所述螺旋管式换热组件外筒的设计理论尺寸加所述回弹量来确定；泄压后的所述回弹量通过理论计算确定，或者，通过试验的方法确定。

8.  如权利要求5所述的用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其中对所述精密整型工装的两端进行封口是利用法兰或者其他的形式进行封口。

9.  如权利要求2所述的用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其中所述胚料的内径小于螺旋管式换热组件外筒的设计内径1-10mm。

10.  如权利要求5所述的用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其中对所述皮囊充入液体或气体进行打压时设置压力表用于检测相应的液体或气体压力；打压过程中升压的速度不超过5MPa/S。

11.  如权利要求5所述的用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其中所述保压进行一定时间是进行5-60min。

12.  如权利要求5所述的用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法，其中在泄压后取出皮囊前先排出相应的液体介质或气体介质。

13.  一种用于权利要求1-12之一方法的精密整型工装，其特征在于，其为两端开口的厚壁管；其内壁的圆柱度和轴线的直线度满足螺旋管式换热组件外筒的设计要求；其内径根据换热组件外筒的设计理论尺寸以及被整型胚料的材料特性曲线理论计算获得，或者，通过试验方法获得；其材料为与所述换热组件外筒相同的材料，或者，选用不锈钢。

14.  如权利要求13所述的精密整型工装，其中所述精密整型工装的内径等于所述螺旋管式换热组件外筒的设计理论尺寸加泄压后被整型胚料的回弹量来确定；泄压后的所述回弹量通过理论计算确定，或者，通过试验的方法确定。

15.  一种螺旋管式换热组件外筒，其特征在于通过权利要求1-12之一的方法加工得到。

说明书一种用于螺旋管式换热组件外筒的精密整型方法
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，特别是涉及一种用于螺旋管式换热组件外筒精密整型的方法。
背景技术
对于螺旋管式的换热组件，换热组件的外筒、中心筒和螺旋换热管束之间的环形间隙构成了壳侧流体介质的流道。由于换热组件的外筒，只起到组织流道的作用，从节约成本的角度考虑，可以采用薄壁圆筒。对于螺旋式换热组件，每根螺旋管的总长一般很长，导致了换热管束出口介质的温度对螺旋管束的层间距都很敏感，为了保证不同换热管束的壁温以及出口介质温度一致，就对换热管束的螺旋直径以及中心筒的内径和外筒的内径提出了很高的要求。以20万千瓦级高温气冷堆示范电站(HTR-PM)蒸汽发生器的换热组件为例，要求不同层换热管束的螺旋直径以及中心筒的外径和外筒的内径的圆柱度不超过0.5，轴线的直线度不能超过0.5。同时为了降低换热组件制造的成本，HTR-PM蒸汽发生器换热组件外筒的壁厚为5mm(外径为590mm)，而换热组件外筒的高度达到8.8米。如何制造出如此大直径薄壁的高精度外筒，将是一个不得不面对的问题。如果采用普通无缝管的制造方式，即精拔或者精拔，则无法解决坯料问题，而且制造的成本将会非常高。如果采用焊接管的制造方式，即采用板材进行卷板加焊接的制造方式，又很难满足外筒的几何尺寸要求。
正是基于上述的实际工程需要，申请者提出了一种用于换热组件外筒精密整型的方法，可以在焊接管的基础之上或者其他粗加工管材的基础之上，通过精密整型来确保换热组件外筒的几何尺寸满足设计的高精度。由于此生产工艺可以采用焊接管，且精密整型的方法又极 为简单，可以大幅降低换热组件的制造难度，进而降低外筒的制造成本。同时，精密整型的过程有非常的快，这样为大规模的工业化生产提供了方便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在工业化制造的环境下，如何能够简易地制造出换热组件所要求的大口径的薄壁高精度外筒，以满足实际工程的需要。具体而言，换热组件的外筒具有以下的要求特点：
1)换热组件的外筒直径很大，直径多大500mm以上。
2)换热组件外筒的厚度很薄，一般都不超过10mm。
3)换热组件外筒的长度都比较长，长度会达到几米或数十米。
4)换热组件的尺寸尺寸偏差要求很高。以HTR-PM蒸发器换热组件外套为例，其圆柱度与轴线直线度均不超过0.5。
为了解决上述加工制造问题，本发明提供了一种通过精密整型当时加工换热组件外筒的方法，其中主要的加工工序包括：
对于经过初成型得到的换热组件外筒的胚料，采用液压成型或气压成型的方式将所述胚料整型至需要的精度。
其中，所述胚料的壁厚均匀，所述胚料的外径略小于螺旋管式换热组件外筒的设计外径，所述胚料的内径略小于螺旋管式换热组件外筒的设计内径；优选的，小于1-10mm。胚料可以通过板材卷板加焊接、并对焊接后的焊缝表面打磨使得焊缝与母材齐平的方式来初成型；也可以通过制管的方式来初成型。
更进一步的，采用液压成型或气压成型的方式将所述胚料整型至需要的精度包括以下步骤：
步骤1：精密整型工装的加工；
步骤2：将皮囊放入所述胚料的内部再将放有皮囊的胚料放入所述精密整型工装，或者，将胚料放入所述精密整型工装再将皮囊放入所述胚料；
步骤3：对所述精密整型工装的两端进行封口；对所述皮囊充入液体或气体进行打压；
步骤4：当所述皮囊的压力升高至设定的压力之后进行保压，保压进行一定时间使所述胚料的筒壁全部发生屈服，从而将所述胚料经过液压成型或气压成型得到换热组件外筒；在保压所述一定时间之后再进行泄压；优选的，保压进行5-60min；
步骤5：打开所述精密整型工装的两端；
步骤6：从所述精密整型工装中取出含有所述皮囊的所述换热组件外筒再从所述换热组件外筒中取出所述皮囊，或者，从所述换热组件外筒中取出所述皮囊再从所述精密整型工装中取出所述换热组件外筒。
其中，所述精密整型工装为两端开口的厚壁管，其内壁的圆柱度和轴线的直线度满足螺旋管式换热组件外筒的设计要求，其内径根据换热组件外筒的设计理论尺寸以及被整型胚料的材料特性曲线理论计算获得，或者，通过试验方法获得；具体的，所述精密整型工装的内径通过考虑泄压后被整型胚料的回弹量来确定，即所述精密整型工装的内径等于所述螺旋管式换热组件外筒的设计理论尺寸加所述回弹量来确定；泄压后的所述回弹量通过理论计算确定，或者，通过试验的方法确定。所述精密整型工装的两端可以是利用法兰或者其他的形式进行封口。
优选的，打压时设置压力表用于检测相应的液体或气体压力；打压过程中升压的速度不超过5MPa/S。
优选的，在泄压后取出皮囊前先排出相应的液体介质或气体介质。
本发明还提供了一种用于上述方法的精密整型工装，其为两端开口的厚壁管；其内壁的圆柱度和轴线的直线度满足螺旋管式换热组件外筒的设计要求；其内径根据换热组件外筒的设计理论尺寸以及被整 型胚料的材料特性曲线理论计算获得，或者，通过试验方法获得；其材料为与所述换热组件外筒相同的材料，或者，选用不锈钢。具体的，所述精密整型工装的内径等于所述螺旋管式换热组件外筒的设计理论尺寸加泄压后被整型胚料的回弹量来确定；泄压后的所述回弹量通过理论计算确定，或者，通过试验的方法确定。
本发明还提供了根据如上整型方法加工得到的螺旋管式换热组件外筒。
上述换热组件外筒的制造方案，可以彻底的解决换热组件外筒的加工问题。允许换热组件外筒在初成型精度要求不高的情况下，通过精密的整型来保证最终外筒的精度要求。该工艺方案不但加工成本较低，而且整个的制造过程简单，易于实施，很适合进行工业化的推广与应用。目前，该制造工艺已经应用于HTR-PM蒸汽发生器换热组件外筒的加工中，并取得了非常好的经济效益和市场效果。
附图说明
附图给出了换热组件外筒进行精密整型的原理示意图，在实际的工业生产中，可以根据实际的生产情况，可以对局部的结构设计进行修改，但其整型的基本原理不会发生变化，即通过施加内压使得换热组件的外筒发生屈服来实现精密整型。
图1为换热组件外筒精密整型的原理图。1为精密整型工装，2为整型的换热组件外筒，3为加压皮囊，4为精密整型工装双端的连接螺栓，5为精密整型工装的端盖，6为皮囊充排口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参照附图1，本实施例具体流程如下：精密整形工装的加工、换热组件外筒的成形、将皮囊放入外筒的内部、将换热组件外筒以及皮囊一起放入精密整型工装、工装的两端进行封口、对皮囊打压使换热 组件外筒的筒壁全部发生屈服、保持一定时间后进行泄压、打开精密整型工装的两端、取出换热组件的外筒以及皮囊、从换热组件外筒的内部取出皮囊。
首先需要按照精度的要求加工好精密整型工装1(包含精密整型工装的端盖5和精密整型工装双端的连接螺栓4)，同时配备合适的加压皮囊3。同时，换热组件的外筒2的胚料已经经过初成型得到。
本领域技术人员可以理解，精密整型工装1的加工和换热组件的外筒2的初成型可以同时进行，也可以先进行任何一个。
换热组件外筒胚料的初成型可以采用比较成熟的各种制造工艺，但应保证外筒的壁厚均匀，其壁厚的偏差不超过0.3mm。为了可以进行外筒的精密整型，初成型的外筒外径应比名义的外径略小，最好控制在1-10mm。为了降低换热组件外筒的制造成本，换热组件外筒的初始成型方法可通过板材卷板加焊接的方式制造，也可以采用制管的方式成形。如果采用卷板加焊接的方式，需合理的布局焊缝，使得焊缝的长度竟可能的小。而且，焊接之后需对焊缝表面打磨，使得焊缝与母材齐平。
精密整型工装1参见图1可知为两端开口的厚壁管或厚壁筒，其内壁的圆柱度和轴线的直线度满足螺旋管式换热组件外筒的设计要求，其内径根据换热组件外筒的设计理论尺寸以及被整型胚料的材料特性曲线理论计算获得，或者，通过试验方法获得。具体的，精密整型工装1的内径通过考虑泄压后被整型胚料的回弹量来确定，即精密整型工装1的内径等于螺旋管式换热组件外筒的设计理论尺寸加整型过程中泄压后胚料的回弹量来确定。本领域技术人员利用本领域常规的知识可知，泄压后的回弹量即可以通过被整型胚料的材料特性曲线经由理论计算确定，或者更简单的，还可以通过试验的方法确定。
而为了在随后的整型过程中不对换热组件的外筒产生污染，精密整型工装的材料最好选用与换热组件外筒相同的材料或者不锈钢。
在精密整型工装1加工完成后，且经过初成型得到的换热组件外筒的胚料之后，开始进行精密整型。整型前需要在换热组件外筒的内部设置一个加压皮囊3。本发明中的皮囊3是一个重要部件，其作用在于确保在打压过程中，液体的压力仅仅作用于换热组件外筒的内侧，同时保证换热组件内筒的干燥，不浸润在液体介质中。精密整型时，先将加压皮囊3放入到换热组件外筒2中，然后连同换热组件外筒2一起放入到精密整型工装1中。当然，也可以先将换热组件外筒2放入精密整型工装1中，再将皮囊3放进换热组件外筒2之中。
接着，将精密整型工装的端盖5与精密整型工装1通过双端的连接螺栓4连接成为一个承压封闭体。本发明中，由于存在皮囊，对精密整型工装密封的要求不高，但需要承受液体的压力。为了方便起见，本实施例中采用法兰进行连接，采用连接螺栓4紧固。
接着通过皮囊的充排口6向皮囊内充入液体，并升压至设定的压力值，然后保压一段时间。充入液体的压力可以通过压力表进行测量，压力表可以设置在管道上。为了方便，充入的液体可以选用水。为了安全起见，升压的速度不能太快，不能超过5MPa/S。
为了保证整型之后外筒的尺寸稳定，要求液体压力达到设定的压力之后，需要保压一定的时间使胚料的筒壁全部发生屈服。保压的时间最好在进行5-60min，优选30min左右。
在保压完成之后，通过皮囊充排口6将液体排出加压皮囊3。为了便于外筒从精密整型工装中取出，液体的压力最好全部泄掉，且液体最好排光。
待液体压力降至大气压后，便可打开精密整型工装的端盖5。然后将换热组件外筒2和加压皮囊3一起从精密整型工装1中取出，接着将加压皮囊3从换热组件外筒2中取出，便完成了换热组件外筒2的精密整型。当然，也可以先将将加压皮囊3从换热组件外筒2中，再将换热组件外筒2从精密整型工装1中取出。
如此便完成了对换热组件外筒2的精密整型。由于再精密整型工装1的内径时已经考虑了换热组件外筒胚料在泄压后的回弹，因此得到的换热组件外筒2不仅圆柱度、轴线的直线度满足设计要求，内外径也满足设计要求。
以上实施例中是采用液压整型的方式，即向皮囊内充入液体来升压。也可以采用气压整型的方式，向皮囊内充入气体来升压。气压整型的整个流程和液压整型完全相同，在此不再赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，例如是常规手段进行替换，对一个或多个从属权利要求进行重新组合，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。