探究空冷式換熱器管與管板連接形式的設(shè)計要點

段瑞嬌

1 概述

空冷式換熱器廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等行業(yè)，隨著近年來制造業(yè)技術(shù)的突破發(fā)展，推動設(shè)計水平不斷提高，然而在整個空冷器設(shè)計中，管與管連接為其中重要環(huán)節(jié)之一。因此對其設(shè)計方案的研究具有較重要意義。

2 換熱管與管板的連接形式

管子與管板的連接處應(yīng)保證良好的連接強(qiáng)度和密封性，防止發(fā)生泄漏，造成系統(tǒng)停車，甚至危及人身與設(shè)備的安全；同時還應(yīng)保證能承受一定的軸向力，避免管子從管板中脫出。換熱管與管板常用連接方法有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接和脹焊并用形式。

2.1 強(qiáng)度脹接

強(qiáng)度脹接是通過脹管器膨脹使鋼管產(chǎn)生塑性變形，而管板產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)脹接力撤除后，管板由彈性變形狀態(tài)預(yù)恢復(fù)至初始狀態(tài)，但此時鋼管塑性變形無法回彈，使得鋼管與管板之間產(chǎn)生一定的擠壓力，使其緊密貼合，達(dá)到既密封又能抗拉脫力兩個目的。由于管子與管孔緊密貼合，可使管接頭減少介質(zhì)腐蝕，且能承受拉脫力。一般適用于：①設(shè)計壓力小于等于4MPa；②設(shè)計溫度小于等于300℃；③操作中無劇烈的振動，無過大的溫度變化及無明顯的應(yīng)力腐蝕。

2.2 強(qiáng)度焊接

強(qiáng)度焊是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉強(qiáng)度的焊接。適用范圍：①管間距太小或薄管板無法采用脹接時；②熱循環(huán)劇烈和溫差較高時；③壓力較高或連接緊密性有嚴(yán)格要求時。它能保證焊接接頭達(dá)到抗拉脫強(qiáng)度；④可適用于GB151標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計壓力，但不適用于有較大振動及有間隙腐蝕的場合。當(dāng)焊縫H值大于或等于2/3管壁厚時，稱強(qiáng)度焊，否則為密封焊。即強(qiáng)度焊必須是填絲的氬弧焊，而不填絲的熔化焊最多只能作為密封焊。

2.3 脹焊并用

連接形式設(shè)計方案有：強(qiáng)度焊加貼脹、密封焊加強(qiáng)度脹。密封焊是指單純防止泄露而實行的焊接，不保證管端連接強(qiáng)度，而強(qiáng)度焊既可以保證焊縫的嚴(yán)密性，又能夠保證抵抗翅片管受熱變形所受到的拉脫力的能力。強(qiáng)度脹是指滿足一般脹接強(qiáng)度的合適脹度的密封脹接，而貼脹是只為消除鋼管與管板之間的間隙，并不承擔(dān)拉脫力的脹接。然而在實際生產(chǎn)制造中為保證管端連接的密封性能與連接強(qiáng)度，往往采用強(qiáng)度焊加強(qiáng)度脹接方法，此方法在碳鋼換熱器中特定情況下使用會獲得較好的管端連接可靠性，但在不銹鋼換熱器中，此方法會適得其反，因為不銹鋼管管端連接一般采用先焊后脹順序，采用強(qiáng)度脹接會使鋼管產(chǎn)生一定量的軸向伸長，因此管端焊縫會收到一定應(yīng)力作用，而不銹鋼換熱器一般不進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，應(yīng)力會使得管端焊縫收到影響。若改為先脹后焊順序，脹接會堵塞焊接排氣、排渣通道，會使管端焊縫產(chǎn)生氣孔、夾渣。

當(dāng)密封性能要求較高、承受振動或疲勞載荷或有間隙腐蝕、采用復(fù)合管板時應(yīng)該選擇脹焊并用。溫度和壓力較高，且在熱變形、熱沖擊、熱腐蝕和流體壓力的作用下，換熱管與管板連接處極易被破壞，采用脹接或焊接均難以保證連接強(qiáng)度和密封性的要求。脹焊并用提高了接頭的抗疲勞性能，可以有效地消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕，提高其使用壽命。

3 管孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于鋼管需先插入管孔內(nèi)方可進(jìn)行脹接，因此管孔合理的尺寸、公差設(shè)計，才能夠保證鋼管裝配以及后續(xù)脹接質(zhì)量，以φ25mm管為例，依照國內(nèi)熱交換器標(biāo)準(zhǔn)要求，管孔直徑為φ25.25mm，公差為0-0.15mm，即鋼管與管孔間隙為0.25-0.4mm，在此范圍內(nèi)可保證鋼管順利裝配，但對于屈服強(qiáng)度較大、硬度較高材料鋼管脹接會導(dǎo)致脹后脹度超差或浮動較大，因此參照選取國外API標(biāo)準(zhǔn)中緊配合要求，管孔直徑為φ25.25mm，公差為±0.05mm。

對于國內(nèi)換熱器制造廠一般在管孔設(shè)有加強(qiáng)槽，以適當(dāng)提高脹接密封性，根據(jù)脹接方式不同加強(qiáng)槽寬度、深度均不同，常用的有：機(jī)械脹加強(qiáng)槽：寬度3mm、深度0.5mm，數(shù)量為1～2個，液壓脹加強(qiáng)槽：寬度8mm、深度0.3mm，數(shù)量為1個，對于高強(qiáng)度材料，脹接僅能使其在局部略微變形，加入加強(qiáng)槽可適當(dāng)提高密封性能。

管孔倒角尺寸對管端焊接有直接影響，對于密封焊結(jié)構(gòu)管孔采用2×45°結(jié)構(gòu)形式，強(qiáng)度焊結(jié)構(gòu)采用3×60°結(jié)構(gòu)形式；對于管端采用自動焊工藝方法，應(yīng)在焊接前將管孔焊接面采用機(jī)械方法加工直徑約為管直徑1.5倍的平面，以提高焊接質(zhì)量。

4 管與管板連接技術(shù)要求

在管與管板連接形式技術(shù)要求中，應(yīng)注明具體連接形式，焊接、脹接方法，以及檢測方法。常用的脹接方法按使用設(shè)備可分為：機(jī)械脹、液壓脹等，其中機(jī)械脹適用高強(qiáng)度材料脹接，對于管端采用強(qiáng)度脹時首選機(jī)械脹，液壓脹為柔性脹接，對管壁不會產(chǎn)生劃痕、且不需要使用潤滑液。常用的焊接方法有：焊條電弧焊、手工氬弧焊與自動鎢極氬弧焊等，不同材料其焊接方法不同。對于管端連接檢測方法通常有：①采用滲透與泄露試驗檢測管端焊縫質(zhì)量；②通過目視檢查與脹度推倒計算檢測脹接質(zhì)量；③利用液壓試驗和氣壓試驗檢查管端連接強(qiáng)度與密封性。

5 結(jié)語

通過合理的設(shè)計選用管與管板連接形式與管孔結(jié)構(gòu)形式，可有效提高管與管板連接可靠性，以保證空冷換熱器安全、穩(wěn)定運行。