熱交換器の拡管とは何ですか?

石油化学処理用のシェルアンドチューブ熱交換器の構築、発電所の蒸気復水器の保守、HVAC システム用のフィンコイル アセンブリの製造のいずれの場合でも、拡管は、精密に制御された塑性変形によってチューブ壁をチューブ シートまたはフィン カラーに接着するプロセスです。このガイドでは、チューブ エキスパンダー マシンの仕組み、利用可能な主なカテゴリ、適切な構成の選択方法、および信頼性の高いメカニカル シールをコストのかかる故障から切り離すためのベスト プラクティスについて説明します。

熱交換器の拡管とは何ですか?

拡管は、管の外径を管板の穴の内面に対して外側に押し出す冷間加工プロセスで、溶接や接着剤を使用せずに安全で漏れのない機械的接合を作成します。チューブエキスパンドは、チューブの端を冷間加工して、チューブの穴の金属に密着させ、漏れ防止のメカニカルシールおよび/またはジョイントを形成する技術として定義されます。これは、チューブとチューブの穴の間の接続を確立する機械的な方法です。

プロセスの物理学は、制御された材料変形に依存します。拡張中、チューブとチューブシートは、チューブがその塑性状態に達し、チューブシートの弾性特性によって保持されるまで拡張します。その結果、周囲のチューブシート材料のスプリングバックによって機械的に連結されたジョイントが得られます。シーラントは必要ありません。

HVAC や冷凍に使用されるフィンコイル熱交換器の場合、メカニズムは若干異なります。コイルの拡張では、マンドレルまたは弾丸を使用してチューブの直径を 2 ～ 5% 機械的に拡張し、フィン カラーに押し付けます。これにより、最適な熱伝達のための優れた熱接触、圧力、振動、熱サイクルに耐える構造的完全性、ろう付けや最終組み立てにすぐに使える漏れのない接合が実現します。

チューブエキスパンダーマシンの仕組み: ステップバイステップ

機械の種類に関係なく、チューブの拡張は、挿入から最終的な接合部の形成まで一貫した一連の機械的動作に従います。工具の選択とセットアップ

機械式チューブエキスパンダーの主要コンポーネント

チューブ エキスパンダー マシンの構造を理解することは、正しい選択、メンテナンス、トラブルシューティングを行うために不可欠です。チューブエキスパンダーにはさまざまなタイプがありますが、それらはすべてマンドレル、ロール、ケージという共通のコンポーネントを共有しています。各部分は、拡張プロセスの制御において異なる役割を果たします。

熱交換器用拡管機の種類

市場では、手持ち式の機械ロールツールから完全自動の CNC 生産システムに至るまで、幅広いチューブエキスパンダー機械が提供されています。適切な選択は、チューブの材質、チューブシートの厚さ、生産量、および現場の条件によって異なります。

機械的膨張と油圧膨張: 直接比較

機械的ロール拡張と油圧拡張のどちらを選択するかは、熱交換器の構築とメンテナンスにおいて最も議論される決定事項の 1 つです。各方法は、チューブの材質、チューブシートの形状、生産環境に応じて、明確な利点をもたらします。

油圧拡管プロセスは、管の内面に均一な油圧を加えて塑性変形を引き起こし、管と管板の接合を実現します。この方法は、可撓管拡張継手とも呼ばれます。この均一性は、機械的な圧延により急速に加工硬化するチタン、インコネル、二相ステンレス鋼などの合金にとって特に有益です。油圧伸縮継手後の残留応力が低く、隙間腐食が発生しにくい。さらに、伸縮継手は軸方向に伸びず、わずかに縮むため、動作音の低減に役立ちます。

業界用途別のチューブエキスパンダーマシン

拡張タイプ: パラレル vs. フレア vs. ビード

機械の種類を超えて、伸縮継手自体の形状が熱交換器の技術仕様に一致する必要があります。ジョイントの構成が異なれば、圧力や構造要件も異なります。

平行（ストレートロール）展開

シェルアンドチューブ熱交換器の最も一般的な方法。平行拡管は主に、熱交換器、蒸気凝縮器、ボイラー、その他同様の装置の管を拡張するときに使用されます。管壁は管板の厚さに沿って均一に拡張され、管端の形状を変えることなく耐圧接合部が形成されます。このような作業に使用されるチューブエキスパンダにはMB型、CB型、HB型があります。

フレアロール展開

フレアとビーディングにより、チューブ端の過熱や亀裂を防ぎます。水管ボイラーでは管をフレア状にしてからまっすぐに巻く必要がありますが、火管ボイラーでは出口側をフレアして火側をビード状にします。フレアエキスパンダーは、1 回の操作でチューブを平行に回転させ、突き出たチューブの端をフレア (通常はツールの中心線から 15° または 20°) することを同時に行うため、ボイラーおよび復水器の用途で時間を大幅に節約できます。

ロールビード拡張

特に防火管ボイラー用途で使用されるロール ビーディング エキスパンダーは、管の端に機械的なビードを形成しながら、管を管板内に拡張します。このビードは、高温サイクル条件下でのチューブの引き抜きに対する追加の抵抗を提供し、特定のチューブ構成に対する ASME ボイラー規定の標準要件です。

適切なチューブ エキスパンダー マシンの選択方法

油圧式チューブエキスパンダーマシン: 空気駆動式と電動式

油圧カテゴリ内で、エア駆動システムと電動システムのどちらを選択するかは、アプリケーションの規模とチューブの寸法によって決まります。

ボイラー、大型凝縮器、高圧ヒーターなど、管が厚く管板が大きいシェルアンドチューブ型熱交換器の場合、電動油圧拡管機は最大 500 MPa の圧力を出力できるため、要求の厳しい用途に最適です。電気システムは、タッチスクリーン圧力制御、デジタル表示、目標膨張値に達したときの自動圧力解放も提供します。これらはすべて、多数のチューブにわたって一貫した再現可能な結果に貢献します。

HVAC製造用の自動CNCチューブエキスパンダーマシン

空調および冷凍熱交換器の製造では、何千ものアルミニウムフィンを銅管アレイに接着する必要がありますが、根本的に異なるクラスの膨張機が必要です。全自動拡管機は、エアコンに使用される熱交換器の量産に最適です。拡張時には、拡張ロッドと拡張弾丸が銅管に入り、フィンにくっつくのに十分な幅の管を作り、管の拡張、オリフィスの拡張、フランジ加工をすべて 1 つの完全な作業サイクルで完了します。

最新のサーボ駆動 CNC エキスパンダーは、大量生産施設における従来の油圧式主力製品に大きく取って代わりました。サーボ駆動の機械の動作は非常にクリーンで、従来の油圧駆動のエキスパンダーと比べて非常に静かです。機械がアクティブにサイクリングしているときにのみ電力を消費するため、エネルギー消費も削減されます。さまざまなコイルタイプのパラメータを保存して即座に呼び出すことができるため、生産ラインの切り替え時間を大幅に短縮できます。

ゼロ収縮垂直エキスパンダーは、フィン付きコイル製造における永続的な課題の 1 つである拡張時のチューブの短縮に対処します。無収縮設計により、ワークピースの両端が固定位置に保持され、チューブが拡張されます。ワークピースの長さは変わらず、収縮もしないため、材料の無駄が 3 ～ 5% 削減されます。何千もの生産ユニットを製造する過程で、この材料の節約は経済的に重要になります。

熱交換器の拡管に関するベストプラクティス

チューブ拡張の一般的な問題と解決策

マシンを正しく選択した場合でも、拡張エラーが発生します。最も頻繁に発生する問題とその原因は、業界の実践で十分に文書化されています。

不完全な拡張 / チューブがターゲット ID に到達していない

原因としては、最小肉厚のチューブに大きすぎるエキスパンダーを使用していること、トルク設定が不十分であること、ロールが摩耗または汚れていること、または潤滑が不十分であることが挙げられます。解決策: 最小壁チューブが存在する場合は、BWG エキスパンダー サイズを 1 つ下げ、潤滑を確認し、続行する前にテストロール検証でトルクを段階的に増加します。

エキスパンダに引き込まれたチューブ (軸方向の移動)

突起部があり、凹部カラーのないチューブを拡張するときに発生します。解決策は、指定された突出長さに適した凹部カラーを備えたエキスパンダーを使用することです。可変の突出部を備えたコンデンサーの場合、伸縮式または完全な凹部カラーは、最大 1 つの完全なチューブ直径までの突出に対応します。

管板全体にわたる不均一な膨張

オペレータの疲労によりばらつきが生じる手動ローリングを使用するチューブ数が多い場合によく発生します。解決策は、オペレータの状態に関係なく一定の力を維持できる、トルク制御の電気または油圧機器に切り替えることです。過度の膨張はチューブを弱めます。膨張不足により熱伝達が減少します。データロギングを備えた最新のサーボマシンにより、拡張力の監視が簡単になります。

外周チューブのアクセス制限

チャンネルボックスまたは分割プレートを備えた熱交換器で、チューブの位置が壁に近すぎてエキスパンダーのカラーが外周チューブにアクセスできない場合は、摩擦カラーが必要になります。このカラーは標準カラーよりも直径が小さく、困難な領域により多くアクセスできます。摩擦カラーはベアリングカラーの代替品ではないため、必要な場合にのみ使用してください。