管殼式換熱器管板與換熱管連接制造工藝探討

孫瓊?cè)A　李　玲

[摘要]針對換熱器管板與換熱管連接的失效進(jìn)行分析，并提出控制其連接質(zhì)量的方法。

[關(guān)鍵詞]換熱管 管板 連接

中圖分類號：TS91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0510097－01

換熱管與管板的連接質(zhì)量是換熱器質(zhì)量的最重要標(biāo)志。管殼式換熱器主要失效為管板與換熱管的連接失效。對于壓力高、直徑大、管束長的重型換熱器，一旦出現(xiàn)泄漏其直接及間接損失則更為嚴(yán)重。因此，合理選用安全可靠的管接頭型式，使用相應(yīng)的加工設(shè)備與技術(shù)是換熱器制造的關(guān)鍵。

管殼式換熱器中由于殼程流體垂直于管子軸線方向流過管束時(shí)有可能透發(fā)管束振動(dòng)，所以管子與管板的連接處不僅要承受管程和殼程的壓力差和由于它們熱膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)還要承受管束振動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力。GB151-1999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對于設(shè)計(jì)壓力小于等于4Mpa，設(shè)計(jì)溫度低于300℃，操作中無劇烈振動(dòng)，無過大溫度變化及無明顯的應(yīng)力腐蝕的換熱器可以采用脹接結(jié)構(gòu)；對于振動(dòng)較小和無間隙腐蝕的場合可采用焊接接構(gòu)。由此可見，單純脹接或焊接結(jié)構(gòu)的連接方式使用條件受到限制，脹焊并用結(jié)構(gòu)能有效地阻尼管束振動(dòng)對焊口的損傷，避免間隔腐蝕，有比單純脹接或焊接結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度和密封性而得到廣泛采用。脹焊并用按脹接與焊接在工序中的先后次序分為先脹后焊和先焊后脹兩種。

一、先脹后焊

管子與管板脹接后，在管端應(yīng)留有15mm長的未脹管腔，以避免脹接應(yīng)力與焊接應(yīng)力的迭加，減少焊接應(yīng)力對脹接的影響。15mm的未脹管段與管板孔之間存在一個(gè)間隙，在焊接時(shí)，由于高溫熔化金屬的影響，間隙內(nèi)氣體被加熱而急劇膨脹，據(jù)國外資料介紹，間隙腔內(nèi)壓力在焊接收口時(shí)，可達(dá)到200～300Mpa的超高壓狀態(tài)，間隙腔的高溫高壓氣體在外泄時(shí)對強(qiáng)度脹的密封性能造成致命的損傷。當(dāng)采用不會污染管孔的方法進(jìn)行先脹接后施焊時(shí)，應(yīng)特別注意縫隙間的排氣問題，當(dāng)采用會因潤滑油污染管孔的方法進(jìn)行先脹后焊時(shí)，要用特制的脹管器。

二、先焊后脹

在制造過程中，一臺換熱器中有相當(dāng)數(shù)量的換熱管，其外徑與管板管孔間隙之間存在著較大的間隔，且每根換熱管其外徑與管板管孔間隙沿周向是不均勻的，當(dāng)焊接完成后脹接時(shí)，管子中心必須與管板管孔中心線相重合，當(dāng)間隙很大時(shí)，上端15mm的未脹管段將可以減輕脹接變形對焊接的影響，當(dāng)間隙較大時(shí)，由于管子的剛性較大，過大的脹接變形將越過15mm未脹區(qū)的緩沖而對焊接接頭產(chǎn)生損傷，甚至造成焊后脫焊。所以對于先焊后脹工藝，須控制管子與管板孔的精度及其配合，當(dāng)管子與管板腔的間隙小到一定值后，脹接過程將不至于損傷到焊接接頭質(zhì)量。采用先焊后脹或先脹后焊，并沒有統(tǒng)一規(guī)定，應(yīng)根據(jù)各制造廠的加工工藝，設(shè)備條件以及施工經(jīng)驗(yàn)而定。

三、合理的制造工藝

1．管子與管板的選材。管子與管板宜有一定的硬度差，即管板比換熱管的硬度應(yīng)稍高。如16Mn管板與10換熱管之間的脹接是合適的，但與20換熱管脹接時(shí)，20管則應(yīng)進(jìn)行管端軟化處理或換成10換熱管。

2．管子與管孔的公差控制。

（1）換熱管。在采購換熱管時(shí)要求每臺換熱器所使用的換熱管必須是同一坯料（爐批次）的原料冷拔加工，并在同一臺經(jīng)校驗(yàn)合格的拉管機(jī)上生產(chǎn)，從而保證每根換熱管具有相同材質(zhì)、規(guī)格與精度，其外徑的均勻一致能保證管子與管板管孔的間隙，一般管子與管板管孔間隙要求控制在0.3±0.05mm范圍內(nèi)。

（2）管板。為使換熱器管板管孔與管子外徑在同一公差范圍內(nèi)，首先必須根據(jù)到貨換熱管外徑的實(shí)際尺寸決定管板管孔的加工精度。如上所述，管板管孔的加工精度為已到貨換熱管實(shí)際均勻外徑0.3±0.05mm。

3．換熱管與管板的加工及驗(yàn)收要點(diǎn)。按采購要求進(jìn)廠的換熱管入庫前應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)逐項(xiàng)驗(yàn)收，精確測量內(nèi)外及其公差范圍。換熱管穿管前按實(shí)際測量管殼程長度一次性切好換熱管，避免穿管用角向砂輪機(jī)修磨，當(dāng)采用砂輪機(jī)修磨時(shí)，砂輪磨粒易濺入管子與管板管孔的間隙中，硅酸鹽磨粒在焊接時(shí)將會產(chǎn)生夾渣，給焊接接頭造成隱患，換熱管穿管前脹管范圍內(nèi)管區(qū)應(yīng)進(jìn)行除銹處理，管端除去內(nèi)外毛刺。管板應(yīng)是合格的鍛件，內(nèi)部材質(zhì)應(yīng)均勻，脹接面上無影響脹接質(zhì)量的缺陷，管板與折流板上管孔加工必須保證同軸度，采用同一模板鉆孔，確保每根換熱管所通過的管板與折流板上的管孔在同一中心線上。否則將使穿管發(fā)生很大困難，管板的鉆削加工粗糙度，管板的管橋?qū)挾染碐B151-1999要求驗(yàn)收，管孔精度以自制的通規(guī)和止規(guī)來檢驗(yàn)，并作記錄。如為強(qiáng)度脹，脹槽深度應(yīng)確保0.5±0.05mm范圍，脹接前應(yīng)嚴(yán)格清潔管孔，除去槽邊毛刺，不允許有影響脹接緊密性的雜質(zhì)存在。

4．管子與管板的連接。

（1）脹接。無論是強(qiáng)度脹或者貼脹，脹接方法分為機(jī)械脹接和柔性脹接。由于機(jī)械脹接操作簡便，許多廠家廣泛使用，在中薄管板的脹接上，為確保脹接質(zhì)量，應(yīng)確定合適的脹管率，通常用脹緊程度與管板孔原有直徑，換熱管內(nèi)徑或換熱管壁厚的百分率來表示脹管率。若換熱管材料為銅、銅合金及不銹鋼時(shí)，脹管率一般控制在0.5％～12％范圍內(nèi)，換熱管材料為10鋼或20鋼時(shí)，脹管率一般控制在0.7％～21％范圍內(nèi)，換熱管材料為黃銅時(shí)，脹管率一般控制在1％～18％范圍內(nèi)。

（2）焊接。一般采用氬弧焊，焊縫高度H確保不小于管壁厚度的1.4倍。采用雙層氬弧焊，且第二層焊道起弧處至少要偏離第一層焊道起弧點(diǎn)15度，以消除第一層焊道中特別是起弧和收弧點(diǎn)處可能產(chǎn)生的缺陷。

（3）連接方式。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)為貼脹+強(qiáng)度焊時(shí)，可采用如下兩種方式：貼脹（盛水試漏）+強(qiáng)度焊（水壓試驗(yàn)）；強(qiáng)度焊（壓力試驗(yàn)）+貼脹（水壓試驗(yàn)）。當(dāng)采用不會污染管孔的方法進(jìn)行先脹接后施焊時(shí)，應(yīng)特別注意縫隙間的排氣問題，也可以考慮脹接時(shí)，管端滿脹，不留空隙。當(dāng)采用會因潤滑油污染管孔的方法進(jìn)行先脹后焊時(shí)，要用特制的脹管器。離焊縫15mm后開始脹接，以保護(hù)焊接管接頭。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)為強(qiáng)度脹+密封焊時(shí)，建議采用如下方式：貼脹（盛水試漏）；強(qiáng)度焊（壓力試驗(yàn)）；強(qiáng)度脹（水壓試驗(yàn)）。

許多實(shí)驗(yàn)資料表明，無論采用那種脹焊連接形式，其接頭處的抗拉強(qiáng)度和密封性能較單獨(dú)脹接或焊接為高，在某些和程度上甚至超過管子材料強(qiáng)度。

四、結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)踐證明，管板與換熱管脹焊并用連接的制造工藝，通過一系列的質(zhì)量控制措施，可以制造出高質(zhì)量、壽命

長、用戶滿意的產(chǎn)品。

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作者簡介：

孫瓊?cè)A，女，云南個(gè)舊人，工程師，從事壓力容器設(shè)計(jì)與制造工藝工作。