幾類有色金屬換熱管與管板管孔的尺寸偏差分析

冀雪，王引，段毅毅

西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院（陜西 西安 710065）

0 引言

換熱器是煉油、化工、食品、制藥等行業(yè)中廣泛使用的熱交換設(shè)備，其接觸介質(zhì)復(fù)雜且腐蝕性強(qiáng)，若在生產(chǎn)過程中換熱器管板與換熱管連接處發(fā)生腐蝕泄漏，將會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器管程和殼程的介質(zhì)混合，輕者會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，危及人的生命安全。通過查閱文獻(xiàn)，縫隙腐蝕發(fā)生的間隙寬度為0.025～0.100 mm[1]，因此研究換熱器管板與換熱管連接處的縫隙腐蝕，需要對(duì)換熱管與管板的連接方式以及連接處間隙的尺寸大小進(jìn)行分析，進(jìn)而才能考慮間隙內(nèi)介質(zhì)的性質(zhì)，得出縫隙腐蝕對(duì)換熱管與管板連接質(zhì)量的影響。與黑色金屬相比，有色金屬具有許多優(yōu)良的特性：如鋁、鈦等金屬及其合金具有密度小、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)；銅、鋁等金屬及其合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好；鈦及其合金是理想的耐腐蝕材料等[2]。雖然有色金屬使用量少，但由于它們具有鋼鐵材料所沒有的許多特殊性能，因而在現(xiàn)代工業(yè)中是不可缺少的材料。

這里主要針對(duì)有色金屬鋁、銅、鈦、鎳制成的換熱管和管板管孔直徑的允許偏差對(duì)換熱管與管板連接質(zhì)量的影響以及縫隙腐蝕進(jìn)行分析。

1 換熱管與管板的連接方式

管殼式換熱器是化工企業(yè)常用的設(shè)備之一，是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。管子與管板的連接是管殼式換熱器設(shè)計(jì)、制造最關(guān)鍵的技術(shù)之一，是換熱器事故率最多的部位，換熱管與管板連接質(zhì)量的好壞，直接影響換熱器的使用壽命[3]。在不考慮材料的情況下，影響換熱管與管板連接質(zhì)量的主要因素尺寸偏差，換熱管與管板的連接方法主要有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接和脹焊并用[4]。

1.1 強(qiáng)度脹接

強(qiáng)度脹接是將脹管器插入管口，并施加脹管力，使管子達(dá)到塑性變形，同時(shí)管板孔也被脹大，產(chǎn)生彈性變形，脹管器退出后，管板產(chǎn)生彈性恢復(fù)，使得管子與管板的接觸表面產(chǎn)生很大的擠壓力。脹接壓力受到材料性能、接頭強(qiáng)度要求、管子與管板幾何尺寸等多種因素的影響，一般適用于無(wú)劇烈振動(dòng)、無(wú)過大溫度變化、無(wú)嚴(yán)重應(yīng)力腐蝕的場(chǎng)合[5-6]。當(dāng)換熱管膨脹后，產(chǎn)生了塑性變形，外徑就會(huì)出現(xiàn)尺寸偏差，管板孔產(chǎn)生彈性變形前后內(nèi)徑也會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)則要求變化的范圍在所規(guī)定的允許偏差之內(nèi)。當(dāng)材料一定時(shí)，影響脹接質(zhì)量的唯一因素是管板管孔與換熱管外徑之間的間隙，當(dāng)間隙過大時(shí)，換熱管由于冷作用硬化容易產(chǎn)生裂縫；間隙過小時(shí)，換熱管僅產(chǎn)生彈性變形就與管孔緊密貼合，當(dāng)退出脹管后，管端彈性變形消失而恢復(fù)原狀，使脹接失效[7]。

1.2 強(qiáng)度焊接

強(qiáng)度焊接是指換熱管與管板的焊接連接強(qiáng)度滿足換熱管軸向機(jī)械和溫差載荷設(shè)計(jì)要求并保證密封性能的焊接，該方法加工方便、連接強(qiáng)度好，除有較大振動(dòng)及有縫隙腐蝕的場(chǎng)合，只要材料可焊性好，強(qiáng)度焊接可用于其他任何場(chǎng)合。當(dāng)材料一定時(shí)，尺寸偏差對(duì)焊接質(zhì)量影響的關(guān)鍵因素在于管板管孔與換熱管之間的最大間隙，如果最大間隙過大，會(huì)造成難以焊接或焊接質(zhì)量較低，容易導(dǎo)致?lián)Q熱管與管板連接處出現(xiàn)泄漏失效等問題。

1.3 脹焊并用

換熱管與管板的連接處，在操作中受到反復(fù)熱變形、熱沖擊、腐蝕及介質(zhì)壓力的作用，工作環(huán)境極其苛刻，很容易發(fā)生破壞，無(wú)論單獨(dú)采用焊接或是脹接都難以解決問題[8]。脹焊并用的方法，從加工工藝過程來看，主要有“強(qiáng)度脹+密封焊、強(qiáng)度焊+貼脹、強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹”等幾種形式，采用脹焊并用的方法，不僅能改善連接處的抗疲勞性能，而且還可以減少應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕，提高使用壽命。脹焊并用主要用于密封性能要求較高、承受振動(dòng)或循環(huán)載荷、有縫隙腐蝕傾向的場(chǎng)合[9-10]。

2 換熱器管孔配合尺寸

2.1 換熱管外徑允許偏差及分析

根據(jù)GB 151—2014《熱交換器》[11]換熱管外徑允許偏差相關(guān)數(shù)據(jù)，整理得到有色金屬鋁、銅、鈦、鎳換熱管外徑允許偏差與換熱管外徑的變化關(guān)系，見表1。

表1 鋁、銅、鈦、鎳換熱管外徑允許偏差 /mm

將表1各有色金屬換熱管外徑允許偏差與換熱管外徑的關(guān)系繪制成點(diǎn)線圖，如圖1、圖2所示，進(jìn)而分析允許偏差隨換熱管外徑的變化規(guī)律。

圖1、圖2分別為給定范圍的換熱管外徑及各有色金屬換熱管外徑正允許偏差、負(fù)允許偏差的變化趨勢(shì)。從圖1、圖2 中可以看出，各有色金屬的換熱管外徑正允許偏差、負(fù)允許偏差隨換熱管外徑的變化趨勢(shì)相同；鎳制換熱管外徑的正允許偏差隨換熱管外徑的變化最大，其最大正允許偏差與最小正允許偏差相差0.06 mm；銅制換熱管外徑的正允許偏差隨換熱管外徑的變化最小，其最大正允許偏差與最小正允許偏差只相差0.01 mm；鋁、鈦制換熱管的最大正允許偏差與最小正允許偏差相差值分別為0.02 mm和0.03 mm。

圖1 換熱管外徑與正允許偏差的關(guān)系

圖2 換熱管外徑與負(fù)允許偏差的關(guān)系

對(duì)比得知，鎳制換熱管外徑允許偏差變化范圍最大。因此在換熱管與管板配合時(shí)，對(duì)管板管孔精度以及換熱管與管板連接質(zhì)量的要求較高，以避免出現(xiàn)泄漏失效、縫隙腐蝕等問題。雖然鎳制換熱管具有耐腐蝕性強(qiáng)、力學(xué)性能好、耐高溫等特點(diǎn)，但由于其換熱管外徑允許偏差變化較大，若采用強(qiáng)度脹接的方法連接換熱管與管板，就要求制造廠提高換熱管的加工精度，避免偏差變化過大造成換熱管與管板之間的平均間隙過大而影響脹接質(zhì)量。而銅制換熱管除了重量較輕、導(dǎo)熱性好及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)之外，它既具有一般金屬的高強(qiáng)度，又比一般金屬易彎曲、易扭轉(zhuǎn)、不易裂縫、折斷，易于加工成型，其換熱管允許偏差變化范圍相對(duì)較小。鋁、鈦換熱管允許偏差變化范圍介于鎳和銅之間，但是由于鋁金屬的力學(xué)性能不太好，不適合用在對(duì)強(qiáng)度要求較高的地方；而鈦金屬的加工性不太好，鈦制換熱管的制造代價(jià)相對(duì)較高。因此可以看出，在換熱器生產(chǎn)過程中，銅制換熱管外徑允許偏差變化范圍最小，在換熱管與管板連接的過程中對(duì)連接質(zhì)量的影響最小[12]。

2.2 管板管孔直徑與尺寸偏差

根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》得到有色金屬鋁、銅、鈦、鎳的管板管孔直徑及允許偏差，詳見表2、表3、表4、表5。

表2 鋁制管板管孔直徑及允許偏差 /mm

表3 銅制管板管孔直徑及允許偏差 /mm

表4 鈦制管板管孔直徑及允許偏差 /mm

表5 鎳制管板管孔直徑及允許偏差 /mm

根據(jù)表2～表5 數(shù)據(jù)，繪制各有色金屬的管板管孔直徑允許偏差隨著管孔直徑的變化趨勢(shì)點(diǎn)線圖，如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

分析：由圖3可以得到鋁制管板管孔的正、負(fù)允許偏差不隨管孔直徑發(fā)生變化，且鋁制換熱管外徑允許偏差變化范圍在0.05～0.07 mm；由圖4 可以得到銅制管板管孔的最大正允許偏差與最小正允許偏差相差0.02 mm，最大負(fù)允許偏差與最小負(fù)允許偏差相差0.03 mm，換熱管外徑允許偏差變化范圍為0.05～0.06 mm；由圖5可以得到鈦制管板管孔的最大正允許偏差與最小正允許偏差相差0.05 mm，其負(fù)允許偏差不隨管孔直徑發(fā)生改變，換熱管外徑允許偏差變化范圍為0.10～0.13 mm；由圖6 可以得到鎳制管板管孔的最大正、負(fù)允許偏差與最小正、負(fù)允許偏差均相差0.05 mm，換熱管外徑允許偏差變化范圍為0.04～0.15 mm。

圖3 鋁制管板管孔直徑與允許偏差關(guān)系

圖4 銅制管板管孔直徑與允許偏差關(guān)系

圖5 鈦制管板管孔直徑與允許偏差關(guān)系

圖6 鎳制管板管孔直徑與允許偏差關(guān)系

從以上數(shù)據(jù)結(jié)果得知，鎳制管板管孔的正、負(fù)允許偏差變化較大，這是因?yàn)楣馨骞芸资峭ㄟ^鉆削工藝得到的，有色金屬鎳的切削性不好，加工制造相比于其他有色金屬較為困難，因此其管板管孔的制造精度相對(duì)比較低，進(jìn)而其允許偏差的變化范圍就比較大。而鋁制管板管孔的正、負(fù)允許偏差不隨著管孔直徑的變化而變化，其換熱管外徑允許偏差變化范圍也相對(duì)較小，這是因?yàn)橛猩饘黉X具有強(qiáng)度低、熔點(diǎn)低的特點(diǎn)，在拉拔和鉆削的過程中易于加工成形且加工精度較高，因此其允許偏差變化較小。銅制管板管孔和鈦制管板管孔的允許偏差介于鋁和鎳之間，二者的換熱管外徑變化范圍也相對(duì)較小。因此在只考慮管板管孔允許偏差的條件下，鋁制管板管孔對(duì)換熱管與管板連接質(zhì)量的影響最小。

3 換熱管與管板間隙大小

由于加工精度及生產(chǎn)環(huán)境等多方面因素的影響，換熱管與管板尺寸會(huì)存在偏差，在二者完成裝配后，肯定會(huì)有間隙存在，一定條件下就會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕，并且會(huì)降低換熱管與管板的連接質(zhì)量。因此，為了確定間隙的大小范圍以及尺寸偏差對(duì)換熱管與管板連接質(zhì)量的影響，需對(duì)上述兩種偏差的結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行研究。

3.1 換熱管與管板間隙

觀察圖3～圖6 可以發(fā)現(xiàn)，不同的有色金屬對(duì)于給定的換熱管外徑，總存在一個(gè)與其相對(duì)應(yīng)的管板管孔直徑，二者的差值滿足標(biāo)準(zhǔn)換熱管與管板管孔配合時(shí)應(yīng)該具有的間隙大小，再結(jié)合換熱管外徑與管板管孔直徑所具有的允許偏差，就可以確定出二者在配合時(shí)的最大間隙和最小間隙范圍。因此，根據(jù)圖3～圖6結(jié)果，可以得到各有色金屬在不同管板管孔直徑下的最大間隙和最小間隙，數(shù)據(jù)分別見表6、表7、表8、表9。

表6 鋁制管束管板管孔直徑與間隙大小 /mm

表7 銅制管束管板管孔直徑與間隙大小 /mm

表8 鈦制管束管板管孔直徑與間隙大小 /mm

表9 鎳制管束管板管孔直徑與間隙大小 /mm

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，得出鋁制管板管孔與換熱管配合間隙變化范圍在0.2～0.5 mm；銅制管板管孔與換熱管配合間隙變化范圍在0.16～0.37 mm；鈦制管板管孔與換熱管配合間隙變化范圍在0.18～0.55 mm；鎳制管板管孔與換熱管配合間隙變化范圍在0.08～0.5 mm，且各有色金屬管板管孔與換熱管配合間隙均隨管孔直徑的增大呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。通過繪制各金屬換熱管與管孔配合時(shí)的平均間隙大小與管孔直徑關(guān)系的點(diǎn)線圖（圖7），從換熱管與管板的連接方式、換熱管與管板的加工制造以及縫隙腐蝕3個(gè)方面進(jìn)行分析。

圖7 管板管孔與換熱管平均間隙與管孔直徑關(guān)系

分析：由圖7 觀察發(fā)現(xiàn)，鈦、鎳制管板管孔與換熱管之間的平均間隙變化趨勢(shì)比其他兩種金屬大，其中鈦制管板管孔與換熱管之間平均間隙隨著管孔直徑變化的范圍為0.230～0.475 mm；鎳制管板管孔與換熱管之間平均間隙隨著管孔直徑變化的范圍為0.155～0.375 mm，而鋁制管板管束和銅制管板管束間隙則變化相對(duì)平緩，因此若采用強(qiáng)度脹接來連接換熱管與管板，鈦、鎳制換熱管與管板在脹接的過程中脹接力變化較大，制造廠需要進(jìn)一步提高加工精度。而由前述數(shù)據(jù)得知，鈦、鎳制換熱管與管板之間的最大間隙變化范圍也較大，因此從強(qiáng)度焊接的角度來看，這兩種金屬制成的換熱管與管板若采用焊接來連接，焊接的難度相對(duì)較大。

由前述結(jié)果分析得知：①材料本身的強(qiáng)度、切削性等特性會(huì)影響換熱管與管板的加工制造，進(jìn)而影響其尺寸偏差。對(duì)于切削性較好且易于拉拔成型的材料，其允許偏差的變化幅度較小，對(duì)換熱管與管板連接質(zhì)量的影響也較小。例如鋁制管板管束和銅制管板管束的管板管孔偏差隨管孔直徑變化的幅度較小。并且換熱管外徑的允許偏差波動(dòng)范圍也較小，因此換熱管與管板連接的配合度就相對(duì)較高，連接質(zhì)量好，因此出現(xiàn)泄漏失效、縫隙腐蝕問題的可能性就較小，在換熱器的生產(chǎn)制造過程中對(duì)其的加工精度要求不高，能一定程度上減少換熱器的制造成本。②縫隙腐蝕問題。已知縫隙腐蝕的發(fā)生范圍是0.025～0.100 mm，如果按照各個(gè)金屬制成管板管束的平均間隙來看，它們都不會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕；但是如果按照最大間隙和最小間隙來看，鎳制管板管束發(fā)生縫隙腐蝕的可能性較大，其余換熱管與管板管孔之間的間隙雖然大于0.1 mm，但不能排除發(fā)生局部腐蝕的可能，例如坑蝕、點(diǎn)蝕、電偶腐蝕等。除此之外，僅僅討論尺寸偏差對(duì)換熱管與管板連接質(zhì)量以及縫隙腐蝕的影響是不夠的，因?yàn)槌叽缙钸€會(huì)影響換熱管和管板管孔的形狀偏差（如圓度、圓柱度等），在實(shí)際生產(chǎn)過程中還需根據(jù)實(shí)際選用的換熱管與管板材料、加工方式等因素來進(jìn)一步分析和討論。

4 總結(jié)與展望

1）從換熱管與管板配合間隙變化的數(shù)據(jù)得出，鋁制、銅制換熱管與管板的平均間隙分別變化了55%、30%，其最大間隙變化幅度也比較?。欢囍?、鈦制換熱管與管板的平均間隙和最大間隙變化幅度均大于1%。

2）從換熱管與管板的連接方式來看，鋁制和銅制換熱管與管板之間的平均間隙變化相對(duì)較小，在脹接過程中脹接力變化較小，對(duì)制造廠的加工精度要求不高，加工成本較小，并且其最大間隙的變化幅度也相對(duì)較小，若采用強(qiáng)度焊來連接換熱管與管板，比較容易焊接。而鎳制和鈦制換熱管與管板之間的平均間隙和最大間隙均變化較大，其連接方式可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

3）從縫隙腐蝕的角度來看，鎳制管板管束發(fā)生縫隙腐蝕的可能性較大，其余換熱管與管板之間的間隙都大于0.1 mm，不會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕，但不能排除發(fā)生局部腐蝕的可能，例如坑蝕、點(diǎn)蝕、電偶腐蝕等。

4）按照GB/T 151—2014《熱交換器》內(nèi)的要求和相關(guān)參數(shù)，對(duì)換熱管外徑允許偏差和管板管孔允許偏差進(jìn)行了分析。根據(jù)此次分析結(jié)果，建議將鋁制、銅制、鈦制換熱管外徑允許偏差降低10%～20%，以減小尺寸偏差，提高換熱管與管板的連接質(zhì)量；而鎳制換熱管外徑允許偏差相對(duì)較小，可根據(jù)具體加工方式進(jìn)一步降低尺寸偏差。