管殼式換熱管焊接工藝的探究

王柏興 王柳款 陳才綱

紹興市上虞聯(lián)豐壓力容器有限公司 浙江紹興 312300

1 管殼式換熱器

管殼式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、流通截面較寬、易于清洗水垢；管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換熱器的熱力性能，管殼式換熱器是是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、造價(jià)低廉、用材廣泛、清洗方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛，在換熱設(shè)備中占據(jù)主導(dǎo)地位，流體每通過(guò)管束一次稱為一個(gè)管程；每通過(guò)殼體一次稱為一個(gè)殼程。

管殼式換熱器按結(jié)構(gòu)分固定管板換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、填料函式的浮頭換熱器等結(jié)構(gòu)型式，各有優(yōu)勢(shì)。

固定管板換熱器，其由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件組成。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：兩塊管板分別焊于殼體的兩端，管束兩端固定在管板上。換熱管束可做成單程、雙程或多程。它適用于殼體與管子溫差小的場(chǎng)合，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。在相同的殼體直徑內(nèi)，排管數(shù)最多，旁路最少；每根換熱管都可以進(jìn)行更換，且管內(nèi)清洗方便。

浮頭式換熱器適用于殼體和管束壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端管板之一不與殼體固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，稱為浮頭，具有當(dāng)換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時(shí)，互不約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于管內(nèi)和管間的清洗。

U形管式換熱器只有一個(gè)管板，換熱管為U型，管子兩端固定在同一管板上。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U型換熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力?？蓮浹a(bǔ)浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，同時(shí)又保留換熱管束可以抽出，熱應(yīng)力可以消除的優(yōu)點(diǎn)。

填料函式換熱器是浮頭式換熱器的一種改型結(jié)構(gòu)，它把原置于殼程內(nèi)部的浮頭移至體外，用填料函來(lái)密封殼程內(nèi)介質(zhì)的外泄。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。

2 換熱管與管板之間的焊接工藝

換熱器在使用過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)管板與換熱管焊接處出現(xiàn)泄露現(xiàn)象，特別是還含有爆炸性、放射性或腐蝕性的物質(zhì)泄露，不僅損失了產(chǎn)品和熱量，甚至還會(huì)威脅到人身安全。因此換熱管與管板之間的連接結(jié)構(gòu)是否合理，焊接質(zhì)量有無(wú)缺陷就顯得至關(guān)重要。

換熱管和管板之間的連接關(guān)系有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接和脹焊結(jié)合，根據(jù)換熱器使用條件的不同，按需求選擇。

2.1 脹接

首先將脹管器放入管子內(nèi)，使管子徑口變大，發(fā)生塑性形變，緊緊貼合在管板上。而與管口接觸的管板由于管口變大也會(huì)隨著變大，從而發(fā)生彈性形變。當(dāng)脹管器拔出之后，管板的彈性形變會(huì)恢復(fù)之前的大小，但是發(fā)生塑性形變之后的管口仍然保持變大的狀態(tài)，不會(huì)恢復(fù)原狀，從而兩者緊緊連接在一起。

傳統(tǒng)的焊接工藝有滾柱脹管法、爆炸脹管工藝，新脹接工藝有液壓脹管工藝，通過(guò)對(duì)管子內(nèi)表面施加高的液壓力，使管子塑性變形而脹接于板孔內(nèi)表面的；橡膠脹管工藝，通過(guò)利用橡膠彈性體的軸向壓縮產(chǎn)生的徑向壓力將管子脹接于管板上的。

2.2 焊接分強(qiáng)度焊和密封焊兩種

焊接加工簡(jiǎn)單、連接強(qiáng)度好，在高溫高壓時(shí)能保證連接處的緊密性與抗拉脫能力，管子與薄管板的固定更應(yīng)采用焊接方法。當(dāng)連接處焊接之后，管板與管子中存在的殘余熱應(yīng)力與應(yīng)力集中，在運(yùn)行時(shí)可能引起應(yīng)力腐蝕與疲勞破壞。

密封焊接指保證換熱管與管板連接密封性能的焊接。密封焊使換熱管與管板的連接有效密封，并以適當(dāng)?shù)暮附臃椒?、焊接工藝參?shù)加強(qiáng)焊縫熔深，使之具備一定的焊縫強(qiáng)度。

2.3 焊接加脹接

能夠有效地阻尼管束振動(dòng)對(duì)焊縫的損傷，因此廣泛采用的是脹焊并用的方法。

3 結(jié)語(yǔ)

換熱管是換熱器的核心部分，不同的管徑、形狀、排列形式的換熱管等都會(huì)影響換熱器的效率，換熱管的排列形式有：三角形排列、正方形排列、正三角形排列和轉(zhuǎn)角正方形排列。

管殼式換熱器雖然在傳熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性、金屬消耗量等方面不及其他結(jié)構(gòu)的換熱器，但其在高溫、高壓和大型換熱器中占較大優(yōu)勢(shì)。