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1、浅析换热器管板与换热管连接方式及选择摘要：本论文阐述了在管壳式换热器的设计中换热管与管板的连接结构形式如何确定，主要通过对换热器管板和换热管的各种连接方式的具体分析，以及对换热器在运行过程中换热管连接处常发生的一些问题的分析，确定了最佳的换热管连接方式为强度焊加贴胀，并指出换热器换热管与管板连接方式的设计没有标准的统一结构，不能一概而论，应根据设备的使用环境，流通介质等多方面考虑，确定合适的结构方案。关键字：换热器 换热管 管板 强度胀 强度焊在管壳式换热器的设计中，换热管与管板的连接是一个比较重要的结构部分。不仅加工工作量大，而且必须使每一个连接处在设备运作过程中能保证介质无泄漏及承受介质压
2、力的能力。换热管与管板的连接质量是换热器质量的最重要的标志，换热器的失效大多数集中在管接头上，因此合理选用安全可靠的管接头方式，并使用相应的加工设备与技术是管壳式换热器设计、制造技术的关键。根据管壳式换热器的使用条件不同,加工条件不同，管子与管板的连接方式有以下几种：强度胀、强度焊、强度胀+密封焊及强度焊+贴胀，其差异主要反映在管孔是否开槽和焊接坡口及管子伸出长度等方面，对一些比较苛刻的使用场合也有用强度焊强度胀的管接头连接方式，如双管板换热器设计要求采取强度焊+强度胀。我们在设计换热器时无论采取哪种方式，其要求满足的基本条件有两条：一是良好的气密性；二是足够的结合力。笔者将这几种连接方式及其
3、优缺点作以下分析。一、胀接胀接包括贴胀和强度胀。贴胀是指为了消除换热管与管板之间缝隙的轻度胀接；强度胀是为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。二者在结构上的最主要区别是贴胀的管板管孔是光滑的，而强度胀的管孔带环形槽，环形槽距管板上表面的距离应取8mm。 胀接是一个连续的弹塑性力学过程，胀管时管子产生了严重的塑性变形，管板则主要处于弹性状态，卸载时由于回弹管孔将管子压紧而形成胀接接头。强度胀是利用胀管器，使伸到管板中的管子端部直径扩大产生塑性变形而管板只达到弹性变形，因而胀管后管板与管子间就产生一定的挤压力，使管子能嵌入到管孔的环形槽内，与管板紧紧地贴在一起，达到密封紧固连接的目的
4、。 胀接结构设计中的注意事项主要有以下几个方面：1、采用胀接时要求管板硬度较换热管硬度高，这样可免除在胀接时因管孔产生塑性变形而影响胀接的紧密性，如16Mn管板与10#换热管之间的胀接是合适的，但与20换热管胀接时，20管则应进行管端软化退火（当有应力腐蚀要求时，应整根进行软化处理或换成10换热管）。2、胀接要求换热管伸出管板的长度应不小于3mm，是保证管板与换热管始胀处不受冲刷，同时无论是强度胀还是贴胀，胀接长度不准超出管板背面，并应离开3mm，是为了避免换热管被胀接碾成环装压痕而产生破坏。3、胀接联接时，管孔表面粗糙度Ra值不大于12.5uM，管孔表面不应有影响胀接紧密性的缺陷，如贯通的纵
5、向或螺旋状刻痕等。4、应严格控制管孔与换热管的径向间隙，径向间隙是影响管接头胀接质量的最重要因素，间隙大易造成过胀，GB1511999中级管束的胀接质量肯定比级的好，而且在换热管与管板不存在硬度差时，间隙的大小是至关重要的，例如不锈钢换热管与不锈钢管板胀接时，应采用“特殊紧配合”，即小间隙弥补无硬度差。由于胀接靠的是管板孔收缩所产生的残余应力，这一应力会随着温度的升高而松弛，这样会致使管端处密封和结合力的降低，所以该结构受到压力和温度的限制，一般适用于设计压力4Mpa，设计温度300场合，要求在操作中无剧烈的震动，无过大的温度变化、无交变载荷、无明显的应力腐蚀，且该连接形式不能用于d14mm的
6、换热管。胀接连接具有生产简单、效率高、连接可靠的优点，在换热器实际制造过程中，胀接一般用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况，特别适用于材料可焊性差及制造厂的工作量过大的情况。二、强度焊管板与换热管的焊接，也是我们在设计中常采用的方式，因为换热管端部无需退火，管孔不需开槽，管孔的表面粗糙度Ra值也没有胀接时要求高，不大于35uM即可，所以制造加工简便。焊接结构强度高，抗拉脱力强，且当焊接接头有泄漏、换热管有裂纹或赌赛时，其修补或更换换热管都比胀接方式容易。强度焊一般使用于P35MPa，T不限制，换热管直径（d）不限制的情况，但不适用于有振动或有间隙、应力腐蚀的场合。强度焊管接头承受换热管轴
7、向剪切载荷和密封要求的焊缝高度L1L2应大于或等于1.4倍的管壁厚，且强度焊必须是填丝的氩弧焊，否则只作为密封焊。对19X2、25X2的换热管，GB1511999规定强度焊换热管伸出管板的长度不小于1.5mm，但笔者认为为了保证换热管与管板间的焊缝焊肉不被介质冲蚀，卧式换热器，在设计换热管伸出管板的长度时可取不小于3mm。如果管箱介质不是纯净的气体或液体，或为大流速的气液混合相，换热器在运行过程中常会出现换热管与管板间的焊缝焊肉被介质冲蚀,例如2008年我厂造气B套洗涤水预热器靠管箱进口端管板与换热管间的焊缝焊肉已被介质大面积冲蚀，在管束更新设计时，将换热管伸出管板的长度由原来的1.5mm改为
8、3mm，就解决了这一难题。对于立式换热器,若没有停车期间管板上不允许有残液存在的要求时,换热管伸出管板的长度可取不小于1.5mm;若要求停车期间管板上不允许有残液存在时，换热管的管端应与管板面平齐或低于管板面，可适当加大管板破口深度或改变结构形式，但不论焊接接头的结构尺寸如何调整，焊缝的剪切断面不应低于换热管横截面面积的1.25倍。通过焊接，使管子对管板有较好的增强作用，并且还具有可降低管孔加工要求，节约加工工时，检修方便等优点，故应优先采用。此外，当介质毒性很大、介质和大气混合易发生爆炸、介质有放射性或管内外物料混合会产生不良影响时，为确保接头密封，也常采用焊接法。三、强度焊+贴胀焊接法虽然
9、优点甚多，但不能完全避免缝隙腐蚀和焊接节点的应力腐蚀，而且薄管壁和厚管板之间也很难得到可靠的焊缝。焊接法虽然较胀接可以耐更高的温度，但是在高温循环应力的作用下，焊口极易发生疲劳裂纹，列管与管孔存在间隙，当受到腐蚀介质的侵蚀时，也会加速接头的损坏。因此，就产生了焊接和胀接同时使用的方法。这样不但能提高接头的抗疲劳性能，同时可以降低缝隙腐蚀倾向，因而其使用寿命比单用焊接时长的多。当在压力和温度都很高、有一般应力和间隙腐蚀、有过大温度变化的情况下，可采用强度焊+贴胀，强度焊既可以使焊缝有严密性，又能保证接头具有较大的拉脱力，贴胀的作用主要是消除缝隙腐蚀和提高焊缝的抗疲劳性能。但在有较大振动情况下不宜
10、用强度焊+贴胀。先焊后胀的工序，焊前管板坡口容易清洗干净，焊接时管子与管板间隙处的空气可以从正、反两侧排除，对于防止焊缝产生气孔及保证焊接接头的质量十分有益。同时，后胀可以使胀口胀后的残余应力不会松驰，避免了因焊接高温的影响而发生松弛。但是对于焊接性较差的管子与管板接头，胀接时焊道容易产生微裂纹，甚至于将焊道胀裂。对于这种情况，应采用深度胀，即距管口15 mm不胀，使胀接部位避开焊道，从而减小胀接对焊道的影响，这也是先焊后胀工艺的最大不足之处。经调查表明，采用先胀后焊工艺，管子与管板焊后的泄漏率比采用先焊后胀工艺要高出10倍左右，因此，国内外管壳式换热器的设计中多采用先焊后胀工序。有些换热器需
11、作焊后整体热处理或其管板因材料规定需作焊后热处理，若胀接采用机械胀，则在热处理前先胀一次，热处理之后再轻胀一次；若采用柔性胀接（液袋胀接等），则可在热处理之后胀一次即可。但当换热管为不锈钢而管板为必须进行焊后热处理的材料时（如15CrMo锻件、15CrMoR等），则先对管板管箱侧进行A022A302堆焊，堆焊完毕热处理管板，而后再焊接换热管。所以这种情况只能采用柔性胀接。四、强度胀+密封焊换热管与管板的连接也可以采用强度胀密封焊，强度胀接是保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度，密封焊保证换热管与管板连接密封性更好。采用先胀后焊工序，由于胀接时在管端及坡口处将留下大量油污及铁锈等杂物，尽管
12、焊前要进行清洗，但由于管桥较窄，加之管子伸出管板等原因，难以保证坡口的彻底清洗。当焊接时，这些遗留杂物将发生巨烈的化学变化，水分和空气因受热而局部膨胀，并在管子与管孔的间隙内形成压力，由于胀后背面堵死，这些带压气体只能从焊道一侧排除，焊接时处于熔融状态下的金属无强度可言，气体便很容易穿过焊道，尤其在收弧处多发生。气体冲出焊道使焊缝金属呈沸腾状，造成焊缝高低不平，甚至呈蜂窝状。同时，还使焊缝表面氧化，造成未熔合等缺陷。在焊缝冷却过程中，有的气体未能及时逸出焊缝表面，从而在焊缝内部形成气孔。另外，焊接时产生的高温会导致已胀接的部位变形，使胀接过程中产生的残余应力和弹性变形有所松弛，从而可能使胀紧力
13、减小甚至消失。我们长期的大量生产实践也证明，先胀后焊确实存在着许多不足，尤其是在焊接工艺性能较差的情况下问题更为严重，如20MnMo、15CrMo的管板与奥氏体不锈钢管的焊接就属于这种情况。强度胀+密封焊一般用在要求高的密封性能，P4MPa，T300，无严重应力腐蚀，无剧烈振动，无过大温度变化的场合，不适用于有间隙腐蚀情况。换热管与管板的连接在什么场合下采用何种形式，目前尚无统一标准，综合以上各种连接方式优缺点的分析，尽管也可以采用胀接、焊接、强度胀密封焊这三种形式，但笔者以为，在设计和制造时，应优先考虑先焊后胀的加工工序，选择强度焊+贴胀的连接形式，对于要求高的连接，如双管板或复合板可采用强度焊+强度胀的形式，这样既能保证良好的气密性、又能保证足够的结合力，可以使所设计的换热器长周期运行。不过在换热管与管板连接形式的设计中并没有标准的统一结构，不能一概而论，应根据设备的使用环境、流通介质及管板材料和结构等多方面考虑，确定合适的连接结构方案。【参考文献】1 国家质量技术监督局发布，GB1511999管壳式换热器，中国标准出版社，1999；2 董大勤 袁凤隐 压力容器设计手册，化工工业出版社，2005；3 中国五环化学工程总公司化工压力容器设计技术问答，氮肥设计编辑部，1993；4 叶文邦 张建荣 曹文辉压力容器设计指导手册（下），云南科技出版社，2006。
