管板與管子脹焊結(jié)合時的施工順序.doc

1、淺析換熱器管板與換熱管連接方式及選擇摘要：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，主要通過對換熱器管板和換熱管的各種連接方式的具體分析，以及對換熱器在運行過程中換熱管連接處常發(fā)生的一些問題的分析，確定了最佳的換熱管連接方式為強度焊加貼脹，并指出換熱器換熱管與管板連接方式的設(shè)計沒有標(biāo)準(zhǔn)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)等多方面考慮，確定合適的結(jié)構(gòu)方案。關(guān)鍵字：換熱器 換熱管 管板 強度脹 強度焊在管殼式換熱器的設(shè)計中，換熱管與管板的連接是一個比較重要的結(jié)構(gòu)部分。不僅加工工作量大，而且必須使每一個連接處在設(shè)備運作過程中能保證介質(zhì)無泄漏及承受介質(zhì)壓

2、力的能力。換熱管與管板的連接質(zhì)量是換熱器質(zhì)量的最重要的標(biāo)志，換熱器的失效大多數(shù)集中在管接頭上，因此合理選用安全可靠的管接頭方式，并使用相應(yīng)的加工設(shè)備與技術(shù)是管殼式換熱器設(shè)計、制造技術(shù)的關(guān)鍵。根據(jù)管殼式換熱器的使用條件不同,加工條件不同，管子與管板的連接方式有以下幾種：強度脹、強度焊、強度脹+密封焊及強度焊+貼脹，其差異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。筆者將這幾種連接方式及其

3、優(yōu)缺點作以下分析。一、脹接脹接包括貼脹和強度脹。貼脹是指為了消除換熱管與管板之間縫隙的輕度脹接；強度脹是為保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的脹接。二者在結(jié)構(gòu)上的最主要區(qū)別是貼脹的管板管孔是光滑的，而強度脹的管孔帶環(huán)形槽，環(huán)形槽距管板上表面的距離應(yīng)取8mm。 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(yán)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(kuò)大產(chǎn)生塑性變形而管板只達(dá)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)，與管板緊緊地貼在一起，達(dá)到密封緊固連接的目的

4、。 脹接結(jié)構(gòu)設(shè)計中的注意事項主要有以下幾個方面：1、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，如16mn管板與10#換熱管之間的脹接是合適的，但與20換熱管脹接時，20管則應(yīng)進(jìn)行管端軟化退火（當(dāng)有應(yīng)力腐蝕要求時，應(yīng)整根進(jìn)行軟化處理或換成10換熱管）。2、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(zhǔn)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。3、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

5、向或螺旋狀刻痕等。4、應(yīng)嚴(yán)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，gb1511999中級管束的脹接質(zhì)量肯定比級的好，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，例如不銹鋼換熱管與不銹鋼管板脹接時，應(yīng)采用“特殊緊配合”，即小間隙彌補無硬度差。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，要求在操作中無劇烈的震動，無過大的溫度變化、無交變載荷、無明顯的應(yīng)力腐蝕，且該連接形式不能用于d14mm的

6、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，脹接一般用于管殼之間介質(zhì)滲漏不會引起不良后果的情況，特別適用于材料可焊性差及制造廠的工作量過大的情況。二、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(dāng)焊接接頭有泄漏、換熱管有裂紋或賭賽時，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p35mpa，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

7、向剪切載荷和密封要求的焊縫高度l1l2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。對19x2、25x2的換熱管，gb1511999規(guī)定強度焊換熱管伸出管板的長度不小于1.5mm，但筆者認(rèn)為為了保證換熱管與管板間的焊縫焊肉不被介質(zhì)沖蝕，臥式換熱器，在設(shè)計換熱管伸出管板的長度時可取不小于3mm。如果管箱介質(zhì)不是純凈的氣體或液體，或為大流速的氣液混合相，換熱器在運行過程中常會出現(xiàn)換熱管與管板間的焊縫焊肉被介質(zhì)沖蝕,例如2008年我廠造氣b套洗滌水預(yù)熱器靠管箱進(jìn)口端管板與換熱管間的焊縫焊肉已被介質(zhì)大面積沖蝕，在管束更新設(shè)計時，將換熱管伸出管板的長度由原來的1.5mm改為

8、3mm，就解決了這一難題。對于立式換熱器,若沒有停車期間管板上不允許有殘液存在的要求時,換熱管伸出管板的長度可取不小于1.5mm;若要求停車期間管板上不允許有殘液存在時，換熱管的管端應(yīng)與管板面平齊或低于管板面，可適當(dāng)加大管板破口深度或改變結(jié)構(gòu)形式，但不論焊接接頭的結(jié)構(gòu)尺寸如何調(diào)整，焊縫的剪切斷面不應(yīng)低于換熱管橫截面面積的1.25倍。通過焊接，使管子對管板有較好的增強作用，并且還具有可降低管孔加工要求，節(jié)約加工工時，檢修方便等優(yōu)點，故應(yīng)優(yōu)先采用。此外，當(dāng)介質(zhì)毒性很大、介質(zhì)和大氣混合易發(fā)生爆炸、介質(zhì)有放射性或管內(nèi)外物料混合會產(chǎn)生不良影響時，為確保接頭密封，也常采用焊接法。三、強度焊+貼脹焊接法雖然

9、優(yōu)點甚多，但不能完全避免縫隙腐蝕和焊接節(jié)點的應(yīng)力腐蝕，而且薄管壁和厚管板之間也很難得到可靠的焊縫。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(dāng)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時長的多。當(dāng)在壓力和溫度都很高、有一般應(yīng)力和間隙腐蝕、有過大溫度變化的情況下，可采用強度焊+貼脹，強度焊既可以使焊縫有嚴(yán)密性，又能保證接頭具有較大的拉脫力，貼脹的作用主要是消除縫隙腐蝕和提高焊縫的抗疲勞性能。但在有較大振動情況下不宜

10、用強度焊+貼脹。先焊后脹的工序，焊前管板坡口容易清洗干凈，焊接時管子與管板間隙處的空氣可以從正、反兩側(cè)排除，對于防止焊縫產(chǎn)生氣孔及保證焊接接頭的質(zhì)量十分有益。同時，后脹可以使脹口脹后的殘余應(yīng)力不會松馳，避免了因焊接高溫的影響而發(fā)生松弛。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15 mm不脹，使脹接部位避開焊道，從而減小脹接對焊道的影響，這也是先焊后脹工藝的最大不足之處。經(jīng)調(diào)查表明，采用先脹后焊工藝，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)計中多采用先焊后脹工序。有些換熱器需

11、作焊后整體熱處理或其管板因材料規(guī)定需作焊后熱處理，若脹接采用機械脹，則在熱處理前先脹一次，熱處理之后再輕脹一次；若采用柔性脹接（液袋脹接等），則可在熱處理之后脹一次即可。但當(dāng)換熱管為不銹鋼而管板為必須進(jìn)行焊后熱處理的材料時（如15crmo鍛件、15crmor等），則先對管板管箱側(cè)進(jìn)行a022a302堆焊，堆焊完畢熱處理管板，而后再焊接換熱管。所以這種情況只能采用柔性脹接。四、強度脹+密封焊換熱管與管板的連接也可以采用強度脹密封焊，強度脹接是保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度，密封焊保證換熱管與管板連接密封性更好。采用先脹后焊工序，由于脹接時在管端及坡口處將留下大量油污及鐵銹等雜物，盡管

12、焊前要進(jìn)行清洗，但由于管橋較窄，加之管子伸出管板等原因，難以保證坡口的徹底清洗。當(dāng)焊接時，這些遺留雜物將發(fā)生巨烈的化學(xué)變化，水分和空氣因受熱而局部膨脹，并在管子與管孔的間隙內(nèi)形成壓力，由于脹后背面堵死，這些帶壓氣體只能從焊道一側(cè)排除，焊接時處于熔融狀態(tài)下的金屬無強度可言，氣體便很容易穿過焊道，尤其在收弧處多發(fā)生。氣體沖出焊道使焊縫金屬呈沸騰狀，造成焊縫高低不平，甚至呈蜂窩狀。同時，還使焊縫表面氧化，造成未熔合等缺陷。在焊縫冷卻過程中，有的氣體未能及時逸出焊縫表面，從而在焊縫內(nèi)部形成氣孔。另外，焊接時產(chǎn)生的高溫會導(dǎo)致已脹接的部位變形，使脹接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和彈性變形有所松弛，從而可能使脹緊力

13、減小甚至消失。我們長期的大量生產(chǎn)實踐也證明，先脹后焊確實存在著許多不足，尤其是在焊接工藝性能較差的情況下問題更為嚴(yán)重，如20mnmo、15crmo的管板與奧氏體不銹鋼管的焊接就屬于這種情況。強度脹+密封焊一般用在要求高的密封性能，p4mpa，t300，無嚴(yán)重應(yīng)力腐蝕，無劇烈振動，無過大溫度變化的場合，不適用于有間隙腐蝕情況。換熱管與管板的連接在什么場合下采用何種形式，目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，綜合以上各種連接方式優(yōu)缺點的分析，盡管也可以采用脹接、焊接、強度脹密封焊這三種形式，但筆者以為，在設(shè)計和制造時，應(yīng)優(yōu)先考慮先焊后脹的加工工序，選擇強度焊+貼脹的連接形式，對于要求高的連接，如雙管板或復(fù)合板可采用強度焊+強度脹的形式，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(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，不