探究空冷式換熱器管與管板連接形式的設計要點

段瑞嬌

1 概述

空冷式換熱器廣泛應用于石油、化工、冶金等行業，隨著近年來制造業技術的突破發展，推動設計水平不斷提高，然而在整個空冷器設計中，管與管連接為其中重要環節之一。因此對其設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保證良好的連接強度和密封性，防止發生泄漏，造成系統停車，甚至危及人身與設備的安全；同時還應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度脹接、強度焊接和脹焊并用形式。

2.1 強度脹接

強度脹接是通過脹管器膨脹使鋼管產生塑性變形，而管板產生彈性變形，當脹接力撤除后，管板由彈性變形狀態預恢復至初始狀態，但此時鋼管塑性變形無法回彈，使得鋼管與管板之間產生一定的擠壓力，使其緊密貼合，達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腐蝕，且能承受拉脫力。一般適用于：①設計壓力小于等于4MPa；②設計溫度小于等于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力腐蝕。

2.2 強度焊接

強度焊是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉強度的焊接。適用范圍：①管間距太小或薄管板無法采用脹接時；②熱循環劇烈和溫差較高時；③壓力較高或連接緊密性有嚴格要求時。它能保證焊接接頭達到抗拉脫強度；④可適用于GB151標準規定的設計壓力，但不適用于有較大振動及有間隙腐蝕的場合。當焊縫H值大于或等于2/3管壁厚時，稱強度焊，否則為密封焊。即強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

連接形式設計方案有：強度焊加貼脹、密封焊加強度脹。密封焊是指單純防止泄露而實行的焊接，不保證管端連接強度，而強度焊既可以保證焊縫的嚴密性，又能夠保證抵抗翅片管受熱變形所受到的拉脫力的能力。強度脹是指滿足一般脹接強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，并不承擔拉脫力的脹接。然而在實際生產制造中為保證管端連接的密封性能與連接強度，往往采用強度焊加強度脹接方法，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，采用強度脹接會使鋼管產生一定量的軸向伸長，因此管端焊縫會收到一定應力作用，而不銹鋼換熱器一般不進行消應力熱處理，應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，會使管端焊縫產生氣孔、夾渣。

當密封性能要求較高、承受振動或疲勞載荷或有間隙腐蝕、采用復合管板時應該選擇脹焊并用。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，可以有效地消除應力腐蝕和間隙腐蝕，提高其使用壽命。

3 管孔結構設計

由于鋼管需先插入管孔內方可進行脹接，因此管孔合理的尺寸、公差設計，才能夠保證鋼管裝配以及后續脹接質量，以φ25mm管為例，依照國內熱交換器標準要求，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，在此范圍內可保證鋼管順利裝配，但對于屈服強度較大、硬度較高材料鋼管脹接會導致脹后脹度超差或浮動較大，因此參照選取國外API標準中緊配合要求，管孔直徑為φ25.25mm，公差為±0.05mm。

對于國內換熱器制造廠一般在管孔設有加強槽，以適當提高脹接密封性，根據脹接方式不同加強槽寬度、深度均不同，常用的有：機械脹加強槽：寬度3mm、深度0.5mm，數量為1～2個，液壓脹加強槽：寬度8mm、深度0.3mm，數量為1個，對于高強度材料，脹接僅能使其在局部略微變形，加入加強槽可適當提高密封性能。

管孔倒角尺寸對管端焊接有直接影響，對于密封焊結構管孔采用2×45°結構形式，強度焊結構采用3×60°結構形式；對于管端采用自動焊工藝方法，應在焊接前將管孔焊接面采用機械方法加工直徑約為管直徑1.5倍的平面，以提高焊接質量。

4 管與管板連接技術要求

在管與管板連接形式技術要求中，應注明具體連接形式，焊接、脹接方法，以及檢測方法。常用的脹接方法按使用設備可分為：機械脹、液壓脹等，其中機械脹適用高強度材料脹接，對于管端采用強度脹時首選機械脹，液壓脹為柔性脹接，對管壁不會產生劃痕、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量；②通過目視檢查與脹度推倒計算檢測脹接質量；③利用液壓試驗和氣壓試驗檢查管端連接強度與密封性。

5 結語

通過合理的設計選用管與管板連接形式與管孔結構形式，可有效提高管與管板連接可靠性，以保證空冷換熱器安全、穩定運行。