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 機械工程學院（陜西 西安 710065）

0 引言

換熱器是煉油、化工、食品、制藥等行業中廣泛使用的熱交換設備，其接觸介質復雜且腐蝕性強，若在生產過程中換熱器管板與換熱管連接處發生腐蝕泄漏，將會導致換熱器管程和殼程的介質混合，輕者會降低產品質量，為企業帶來一定的經濟損失，嚴重時會發生爆炸，危及人的生命安全。通過查閱文獻，縫隙腐蝕發生的間隙寬度為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，需要對換熱管與管板的連接方式以及連接處間隙的尺寸大小進行分析，進而才能考慮間隙內介質的性質，得出縫隙腐蝕對換熱管與管板連接質量的影響。與黑色金屬相比，有色金屬具有許多優良的特性：如鋁、鈦等金屬及其合金具有密度小、比強度高的特點；銅、鋁等金屬及其合金的導電、導熱性能好；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，因而在現代工業中是不可缺少的材料。

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

1 換熱管與管板的連接方式

管殼式換熱器是化工企業常用的設備之一，是目前世界上應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計、制造最關鍵的技術之一，是換熱器事故率最多的部位，換熱管與管板連接質量的好壞，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度脹接、強度焊接和脹焊并用[4]。

1.1 強度脹接

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

1.2 強度焊接

強度焊接是指換熱管與管板的焊接連接強度滿足換熱管軸向機械和溫差載荷設計要求并保證密封性能的焊接，該方法加工方便、連接強度好，除有較大振動及有縫隙腐蝕的場合，只要材料可焊性好，強度焊接可用于其他任何場合。當材料一定時，尺寸偏差對焊接質量影響的關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，會造成難以焊接或焊接質量較低，容易導致換熱管與管板連接處出現泄漏失效等問題。

1.3 脹焊并用

換熱管與管板的連接處，在操作中受到反復熱變形、熱沖擊、腐蝕及介質壓力的作用，工作環境極其苛刻，很容易發生破壞，無論單獨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“強度脹+密封焊、強度焊+貼脹、強度焊+強度脹”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、承受振動或循環載荷、有縫隙腐蝕傾向的場合[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GB 151—2014《熱交換器》[11]換熱管外徑允許偏差相關數據，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系繪制成點線圖，如圖1、圖2所示，進而分析允許偏差隨換熱管外徑的變化規律。

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、負允許偏差的變化趨勢。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、負允許偏差隨換熱管外徑的變化趨勢相同；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系

圖2 換熱管外徑與負允許偏差的關系

對比得知，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，對管板管孔精度以及換熱管與管板連接質量的要求較高，以避免出現泄漏失效、縫隙腐蝕等問題。雖然鎳制換熱管具有耐腐蝕性強、力學性能好、耐高溫等特點，但由于其換熱管外徑允許偏差變化較大，若采用強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量。而銅制換熱管除了重量較輕、導熱性好及耐腐蝕性好等優點之外，它既具有一般金屬的高強度，又比一般金屬易彎曲、易扭轉、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性能不太好，不適合用在對強度要求較高的地方；而鈦金屬的加工性不太好，鈦制換熱管的制造代價相對較高。因此可以看出，在換熱器生產過程中，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連接質量的影響最小[12]。

2.2 管板管孔直徑與尺寸偏差

根據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

根據表2～表5 數據，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點線圖，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、負允許偏差不隨管孔直徑發生變化，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，最大負允許偏差與最小負允許偏差相差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，其負允許偏差不隨管孔直徑發生改變，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、負允許偏差與最小正、負允許偏差均相差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系

圖4 銅制管板管孔直徑與允許偏差關系

圖5 鈦制管板管孔直徑與允許偏差關系

圖6 鎳制管板管孔直徑與允許偏差關系

從以上數據結果得知，鎳制管板管孔的正、負允許偏差變化較大，這是因為管板管孔是通過鉆削工藝得到的，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比較低，進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較小，這是因為有色金屬鋁具有強度低、熔點低的特點，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，鋁制管板管孔對換熱管與管板連接質量的影響最小。

3 換熱管與管板間隙大小

由于加工精度及生產環境等多方面因素的影響，換熱管與管板尺寸會存在偏差，在二者完成裝配后，肯定會有間隙存在，一定條件下就會發生縫隙腐蝕，并且會降低換熱管與管板的連接質量。因此，為了確定間隙的大小范圍以及尺寸偏差對換熱管與管板連接質量的影響，需對上述兩種偏差的結果進一步進行研究。

3.1 換熱管與管板間隙

觀察圖3～圖6 可以發現，不同的有色金屬對于給定的換熱管外徑，總存在一個與其相對應的管板管孔直徑，二者的差值滿足標準換熱管與管板管孔配合時應該具有的間隙大小，再結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的最大間隙和最小間隙范圍。因此，根據圖3～圖6結果，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，數據分別見表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

根據以上數據，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出增大的趨勢。通過繪制各金屬換熱管與管孔配合時的平均間隙大小與管孔直徑關系的點線圖（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個方面進行分析。

圖7 管板管孔與換熱管平均間隙與管孔直徑關系

分析：由圖7 觀察發現，鈦、鎳制管板管孔與換熱管之間的平均間隙變化趨勢比其他兩種金屬大，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平緩，因此若采用強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，制造廠需要進一步提高加工精度。而由前述數據得知，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，焊接的難度相對較大。

由前述結果分析得知：①材料本身的強度、切削性等特性會影響換熱管與管板的加工制造，進而影響其尺寸偏差。對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，對換熱管與管板連接質量的影響也較小。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范圍也較小，因此換熱管與管板連接的配合度就相對較高，連接質量好，因此出現泄漏失效、縫隙腐蝕問題的可能性就較小，在換熱器的生產制造過程中對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。已知縫隙腐蝕的發生范圍是0.025～0.100 mm，如果按照各個金屬制成管板管束的平均間隙來看，它們都不會發生縫隙腐蝕；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，但不能排除發生局部腐蝕的可能，例如坑蝕、點蝕、電偶腐蝕等。除此之外，僅僅討論尺寸偏差對換熱管與管板連接質量以及縫隙腐蝕的影響是不夠的，因為尺寸偏差還會影響換熱管和管板管孔的形狀偏差（如圓度、圓柱度等），在實際生產過程中還需根據實際選用的換熱管與管板材料、加工方式等因素來進一步分析和討論。

4 總結與展望

1）從換熱管與管板配合間隙變化的數據得出，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小；而鎳制、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較小，在脹接過程中脹接力變化較小，對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較小，若采用強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，其連接方式可根據具體情況進行選擇。

3）從縫隙腐蝕的角度來看，鎳制管板管束發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，不會發生縫隙腐蝕，但不能排除發生局部腐蝕的可能，例如坑蝕、點蝕、電偶腐蝕等。

4）按照GB/T 151—2014《熱交換器》內的要求和相關參數，對換熱管外徑允許偏差和管板管孔允許偏差進行了分析。根據此次分析結果，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量；而鎳制換熱管外徑允許偏差相對較小，可根據具體加工方式進一步降低尺寸偏差。