淺析換熱器管板與換熱管脹焊脹工藝方法

萬詠知

摘要：本論文闡述了在管殼式換熱器的設(shè)計中換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)形式如何確定，確定了最佳的換熱管連接方式為貼脹+密封焊+消除應(yīng)力脹，防止換熱器管板裂紋的產(chǎn)生，在生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：換熱器；換熱管；管板；強度脹；強度焊

在管殼式換熱器中，換熱管與管板的連接是一個比較重要的結(jié)構(gòu)部分。根據(jù)管殼式換熱器的使用條件不同，加工條件不同，管子與管板的連接通常采用：脹接或焊接的連接方式，脹接連接運行一段時間，隨著冷熱交替管板和管子間容易發(fā)生泄露，增加了維修頻率；焊接連接的管子因過于密集，管孔橋間距較小，相鄰焊縫的焊接熱影響區(qū)疊加，容易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，焊后管板上易出現(xiàn)裂紋。

一、脹焊脹前準備

（一）材料準備：Q345鋼材，t=20，200×200（中間開φ32孔），一塊；20#管子，φ32×2.5，L=150，一段；

（二）設(shè)備、工具的準備：脹管器一個；WS-400氬弧焊一臺；焊接輔助工具若干；

（三）組對：將準備好的管子與管板組對起來，管子伸出長度4-5mm。

二、脹焊脹操作工藝要點

（一）貼脹

主要反映在管孔是否開槽和焊接坡口及管子伸出長度等方面，對一些比較苛刻的使用場合也有用強度焊+強度脹的管接頭連接方式，如雙管板換熱器設(shè)計要求采取強度焊+強度脹。我們在設(shè)計換熱器時無論采取哪種方式，其要求滿足的基本條件有兩條：一是良好的氣密性；二是足夠的結(jié)合力。

（二）脹接

脹接是一個連續(xù)的彈塑性力學(xué)過程，脹管時管子產(chǎn)生了嚴重的塑性變形，管板則主要處于彈性狀態(tài)，卸載時由于回彈管孔將管子壓緊而形成脹接接頭。強度脹是利用脹管器，使伸到管板中的管子端部直徑擴大產(chǎn)生塑性變形而管板只達到彈性變形，因而脹管后管板與管子間就產(chǎn)生一定的擠壓力，使管子能嵌入到管孔的環(huán)形槽內(nèi)，達到密封緊固連接的目的。

（三）采用脹接時要求管板硬度較換熱管硬度高，這樣可免除在脹接時因管孔產(chǎn)生塑性變形而影響脹接的緊密性。

（四）脹接要求換熱管伸出管板的長度應(yīng)不小于3mm，是保證管板與換熱管始脹處不受沖刷，同時無論是強度脹還是貼脹，脹接長度不準超出管板背面，并應(yīng)離開3mm，是為了避免換熱管被脹接碾成環(huán)裝壓痕而產(chǎn)生破壞。

（五）脹接聯(lián)接時，管孔表面粗糙度Ra值不大于12.5um，管孔表面不應(yīng)有影響脹接緊密性的缺陷，如貫通的縱向或螺施狀刻痕等。

（六）應(yīng)嚴格控制管孔與換熱管的徑向間隙，徑向間隙是影響管接頭脹接質(zhì)量的最重要因素，間隙大易造成過脹，GB151-1999中Ⅰ級管束的脹接質(zhì)量肯定比Ⅱ級的好，而且在換熱管與管板不存在硬度差時，間隙的大小是至關(guān)重要的。

由于脹接靠的是管板孔收縮所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，這一應(yīng)力會隨著溫度的升高而松弛，這樣會致使管端處密封和結(jié)合力的降低，所以該結(jié)構(gòu)受到壓力和溫度的限制，一般適用于設(shè)計壓力≤4Mpa，設(shè)計溫度≤300℃場合，且該連接形式不能用于d<14mm的換熱管。

脹接連接具有生產(chǎn)簡單、效率高、連接可靠的優(yōu)點，在換熱器實際制造過程中，脹接特別適用于材料可焊性差及制造廠的工作量過大的情況。

三、強度焊

管板與換熱管的焊接，也是我們在設(shè)計中常采用的方式，因為換熱管端部無需退火，管孔不需開槽，管孔的表面粗糙度Ra值也沒有脹接時要求高，不大于35uM即可，所以制造加工簡便。焊接結(jié)構(gòu)強度高，抗拉脫力強，且當焊接接頭有泄漏、換熱管有裂紋或堵塞時，其修補或更換換熱管都比脹接方式容易。強度焊一般使用于P≤35MPa，T不限制，換熱管直徑（d）不限制的情況，但不適用于有振動或有間隙、應(yīng)力腐蝕的場合。強度焊管接頭承受換熱管軸向剪切載荷和密封要求的焊縫高度L1+L2應(yīng)大于或等于1.4倍的管壁厚，且強度焊必須是填絲的氬弧焊，否則只作為密封焊。

四、貼脹+密封焊+消除應(yīng)力脹

焊接法雖然較脹接可以耐更高的溫度，但是在高溫循環(huán)應(yīng)力的作用下，焊口極易發(fā)生疲勞裂紋，列管與管孔存在間隙，當受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕時，也會加速接頭的損壞。因此，就產(chǎn)生了焊接和脹接同時使用的方法。這樣不但能提高接頭的抗疲勞性能，同時可以降低縫隙腐蝕傾向，因而其使用壽命比單用焊接法時長的多。

先脹后焊再脹的工序，焊前管板坡口清洗干凈，貼脹時管子與管板間隙處的空氣可以從正、反兩側(cè)排除，對防止后密封焊產(chǎn)生氣孔及保證焊接接頭的質(zhì)量提供保障。但是對于焊接性較差的管子與管板接頭，脹接時焊道容易產(chǎn)生微裂紋，甚至于將焊道脹裂。對于這種情況，應(yīng)采用深度脹，即距管口15mm不脹，使脹接部位避開焊道，從而減小脹接對焊道的影響，這也是先脹后焊再脹工藝的最大不足之處。采用先脹后焊再脹工藝，管子與管板焊后的泄漏率比采用先焊后脹工藝要高出10倍左右，因此，國內(nèi)外管殼式換熱器的設(shè)計中多采用先脹后焊再脹工序。

五、結(jié)語

綜合以上各種連接方式優(yōu)缺點的分析，盡管也可以采用貼脹、脹接、焊接這三種形式，在設(shè)計和制造時，應(yīng)優(yōu)先考慮先脹后焊再脹的加工工序，選擇貼脹+密封焊+消除應(yīng)力脹的連接形式，對于要求高的連接，如雙管板或復(fù)合板可采用貼脹+密封焊+消除應(yīng)力脹的形式，這樣既能保證良好的氣密性、又能保證足夠的結(jié)合力，可以使所設(shè)計的換熱器長周期運行。不過在換熱管與管板連接形式的設(shè)計中并沒有標準的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，不能一概而論，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的使用環(huán)境、流通介質(zhì)及管板材料和結(jié)構(gòu)等多方面考慮，確定合適的連接結(jié)構(gòu)方案。