管殼式換熱器管板與換熱管連接制造工藝探討

孫瓊華　李　玲

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

[關鍵詞]換熱管 管板 連接

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

換熱管與管板的連接質量是換熱器質量的最重要標志。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，一旦出現泄漏其直接及間接損失則更為嚴重。因此，合理選用安全可靠的管接頭型式，使用相應的加工設備與技術是換熱器制造的關鍵。

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有可能透發管束振動，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生的應力，同時還要承受管束振動所產生的應力。GB151-1999標準中規定，對于設計壓力小于等于4Mpa，設計溫度低于300℃，操作中無劇烈振動，無過大溫度變化及無明顯的應力腐蝕的換熱器可以采用脹接結構；對于振動較小和無間隙腐蝕的場合可采用焊接接構。由此可見，單純脹接或焊接結構的連接方式使用條件受到限制，脹焊并用結構能有效地阻尼管束振動對焊口的損傷，避免間隔腐蝕，有比單純脹接或焊接結構具有更高的強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，在管端應留有15mm長的未脹管腔，以避免脹接應力與焊接應力的迭加，減少焊接應力對脹接的影響。15mm的未脹管段與管板孔之間存在一個間隙，在焊接時，由于高溫熔化金屬的影響，間隙內氣體被加熱而急劇膨脹，據國外資料介紹，間隙腔內壓力在焊接收口時，可達到200～300Mpa的超高壓狀態，間隙腔的高溫高壓氣體在外泄時對強度脹的密封性能造成致命的損傷。當采用不會污染管孔的方法進行先脹接后施焊時，應特別注意縫隙間的排氣問題，當采用會因潤滑油污染管孔的方法進行先脹后焊時，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數量的換熱管，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，當焊接完成后脹接時，管子中心必須與管板管孔中心線相重合，當間隙很大時，上端15mm的未脹管段將可以減輕脹接變形對焊接的影響，當間隙較大時，由于管子的剛性較大，過大的脹接變形將越過15mm未脹區的緩沖而對焊接接頭產生損傷，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量。采用先焊后脹或先脹后焊，并沒有統一規定，應根據各制造廠的加工工藝，設備條件以及施工經驗而定。

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，20管則應進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，并在同一臺經校驗合格的拉管機上生產，從而保證每根換熱管具有相同材質、規格與精度，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。

（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，首先必須根據到貨換熱管外徑的實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際均勻外徑0.3±0.05mm。

3．換熱管與管板的加工及驗收要點。按采購要求進廠的換熱管入庫前應按相關標準逐項驗收，精確測量內外及其公差范圍。換熱管穿管前按實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修磨，當采用砂輪機修磨時，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將會產生夾渣，給焊接接頭造成隱患，換熱管穿管前脹管范圍內管區應進行除銹處理，管端除去內外毛刺。管板應是合格的鍛件，內部材質應均勻，脹接面上無影響脹接質量的缺陷，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。否則將使穿管發生很大困難，管板的鉆削加工粗糙度，管板的管橋寬度均按GB151-1999要求驗收，管孔精度以自制的通規和止規來檢驗，并作記錄。如為強度脹，脹槽深度應確保0.5±0.05mm范圍，脹接前應嚴格清潔管孔，除去槽邊毛刺，不允許有影響脹接緊密性的雜質存在。

4．管子與管板的連接。

（1）脹接。無論是強度脹或者貼脹，脹接方法分為機械脹接和柔性脹接。由于機械脹接操作簡便，許多廠家廣泛使用，在中薄管板的脹接上，為確保脹接質量，應確定合適的脹管率，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，脹管率一般控制在0.5％～12％范圍內，換熱管材料為10鋼或20鋼時，脹管率一般控制在0.7％～21％范圍內，換熱管材料為黃銅時，脹管率一般控制在1％～18％范圍內。

（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15度，以消除第一層焊道中特別是起弧和收弧點處可能產生的缺陷。

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

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

四、結束語

經過實踐證明，管板與換熱管脹焊并用連接的制造工藝，通過一系列的質量控制措施，可以制造出高質量、壽命

長、用戶滿意的產品。

參考文獻：

[1]王元文、陳連，管殼式換熱器的優化設計[J].貴州化工，2005,(01).

[2]陳姝、高學農、徐娓、王端陽，管殼式換熱器殼側在強化傳熱方面的進展[J].廣東化工，2006,(05).

[3]王建國，管殼式換熱器結構型式及傳熱性能[J].天津建設科技，2007,(S1).

[4]董舒民、姜德林，管殼式換熱器殼側強化傳熱技術的研究進展[J].廣州化工，2006,(03).

作者簡介：

孫瓊華，女，云南個舊人，工程師，從事壓力容器設計與制造工藝工作。