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换热管与管板的常用连接方法


换热管与管板的常用连接方法
摘要:换热器中管子与管板的焊接直接影响换热器的制造和使用。连接强度 和密封性能又直接关系到使用时间和是否泄漏。对常用的强度胀接、强度焊接和 胀焊并用等 3 种方法进行了介绍。 关键词:换热器;管板;胀接;焊接;内孔焊 在化工、石油、医药、原子能和核工业中,换热器的应用十分广泛,其类型与 结构也很多。其中管壳式换热器是使用最普遍的。在管壳式换热

器的设计、制造 过程中,换热管与管板之间的连接问题直接影响工艺操作的正常进行,也是整个 生产制造的重点之一。因此,换热器管子与管板的接头型式的技术研究一直是国 内外技术人员关注的焦点。 1 换热管与管板常用连接方法

换热管与管板的连接方法主要有强度胀接、强度焊接和胀焊并用。 1.1 强度胀接

强度胀接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。 利用胀管器插入管口旋转,将穿入管板孔内的管端部胀大,使管子达到塑性变 形,同时管板孔被胀大,产生弹性变形。 胀管器退出后,管板弹性恢复,管子与管板 的接触表面产生很大的挤压力,使管子与管板牢固地结合在一起,达到既密封又 能抗拉脱力两个目的。 管板上的管孔,有孔壁开槽和孔壁不开槽 2 种,如图 1 所示。

目前采用的胀管工艺主要有滚压、水压胀接、爆炸胀接 3 种。 胀接适用于设计压力≤4 MPa,设计温度≤300℃,无剧烈振动,无过大 的温度变化,无明显的应力腐蚀的场合。 由于管子与管孔紧密贴合,可使管接头减 少介质腐蚀,且能承受拉脱力。 1.2 强度焊接

换热管和管板之间的焊接有端面焊接和内孔焊接两种结构类型。端 面焊接典型结构如图 2 所示。

管束与管板焊接连接的适用场合主要是: (1)管间距太小或薄管板无法 采用胀接时; (2)热循环剧烈和温差较高时; (3)压力较高或连接紧密性有严格要 求时。它能保证焊接接头达到抗拉脱强度;(4)维护有困难时,像原子能过程和某 些化工过程中的换热器。

端面焊属于不完全熔焊,按其使用要求不同,其施焊深度分为: (1)强 度焊接(保证换热管和管板之间的连接强度); (2)密封焊接(仅在于起到密封作 用)。 端面焊接接头具有焊接、外观检查与维修方便等优点,应用最为广 泛。但管子与管板之间存在间隙,不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。 1.3 胀焊并用

当密封性能要求较高、承受振动或疲劳载荷或有间隙腐蚀、采用复 合管板时应该选择胀焊并用。 温度和压力较高,且在热变形、 热冲击、 热腐蚀和流体压力的作用下, 换热管与管板连接处极易被破坏,采用胀接或焊接均难以保证连接强度和密封性 的要求。目前较广泛采用的是胀焊并用的方法。试验证明,胀焊并用提高了接头 的抗疲劳性能,可以有效地消除应力腐蚀和间隙腐蚀,提高其使用寿命。 另外胀焊 结合,管程介质对管板的传热面积比壳程介质对管板的传热面积大许多倍,尤其 是厚管板的情况。 这可减少管板两侧的温度差,减少管板翘曲,利于管板密封的可 靠性。 胀焊连接按胀接和焊接要求不同,可分为强度焊+贴胀、强度焊+强度 胀、强度胀+密封焊、强度胀+贴胀+密封焊、强度焊+强度胀+贴胀等。 2〃换热器换热管与管板内孔焊 内孔焊将换热管与管板的端部焊接改为管束内孔焊接。国外在 20 世 纪 60 年代末开始研究内孔焊,并于 20 世纪 70 年代开始应用于核设备上。 国内在 20 世纪 70 年代中期开始对内孔焊进行试验研究,并于 70 年代末期开始应用于核 设备、电站设备上。 2.1 内孔焊的接头型式

内孔焊的接头型式大致分为两类:一类是对接式,一类是搭接式。 图3 中(a)-(e)型属于内孔对接。(a)、(b)、(c)型基本相同。都有一个锁边,管子安 装容易对中定位,且焊缝具有加强高,与管板接头呈平滑过渡,提高了接头的静载 和动载强度; (a)和(b)型管板接头与管板齐平,在管板孔外周边加工一应力缓冲 槽,这种接头加工成本较高。其中(b)型管板接头处开有坡口,因此熔透性得到改 善;(c)、(d)和(e)型管板接头伸出了管板平面,有利于焊缝的射线检测。其中(d) 型采用开坡口对接,适合于换热管直径较大、管壁较厚的场合。(e)型管板接头削 薄,保证与管束等厚连接,改善了接头受力状况,并使焊缝离开边缘区; (f)-( j) 型属于内孔搭接。其中(f)型所需焊接电流较小,易施焊。(g)型所需焊接电流较 大,但加工简单。(h)和( i)型接头处填加了垫圈,其作用是控制焊缝成分,提高接 头性能( j)型适用于电子束焊接。焊接时电子枪在管板外面,电子束直接射入接 头连接处,所以接头可不受管径的限制; (k)型是插座接头,它介于搭接和对接之 间,既有搭接的优点又有对接的优点。 以上几种接头型式在国外已得到推广使用,全对接内孔焊,接头力学 性能较好。 但由于装配较难,只在美国比较盛行。准对接内孔焊接头焊缝受剪切, 接头力学性能不如全对接式.但由于装配较易,在西欧和日本很盛行。 考虑到制造 的难易程度和成本的高低,国内目前采用比较多的接头型式是(a)和(f)。 2.2 内孔焊的主要优点 (1)消除了端部焊的缝隙,提高了抗间隙腐蚀和抗应力腐蚀能力; (2) 是一种全焊透的接头型式,其抗振动疲劳强度高,能承受高温、高压; (3)对接内 孔焊的管板孔径可以比端部焊的孔径小,从而增加了管板刚度; (4)接头开孔处

应力集中小,不易产生接头根部裂纹; (5)对接接头可以进行内部无损探伤,焊缝 内部质量可得到监督和控制,提高了焊缝的可靠性; (6)内孔焊的施焊空间虽然 很小,但易于实现自动化。(7)适合于换热器的管子与管板的各种材料的焊接。如 碳钢、低合金钢、不锈钢和镍基合金等。 内孔焊虽从结构上优于端面焊,但也存在着缺陷: (1)内孔焊要求管板的加工精度和装配精度很高,提高了设备的造价; (2)要求采用专用焊接设备和自动化程度很高的焊接技术; (3)焊缝出现不合格 时,返修十分困难。 2.3 焊接设备

内孔焊设备必须采用脉冲电流钨极氩弧焊,需要相应的脉冲电流钨 极氩弧焊机,并且能对焊接过程进行程序控制。要求是: (1)能输出焊接所需的脉冲电流,并能精确控制电流的大小和输出时 间; (2)能改变并精确地控制提前送气、滞后送气的时间; (3)能改变并精确地控 制焊接行程,并在完成焊接后自动衰减; (4)焊接工艺参数稳定性、可靠性、重现 性好; (5)枪头要能顺利地插入管板孔内,能精确定位,焊完后能顺利取出枪头; (6)钨极与焊枪的相对位置可调节;(7)枪头与工件接触处具有良好的绝缘性。近 年来,国内对内孔焊接专用设备进行了研制。如上海华东电焊机厂生产的 NZA4-250 型管板自动脉冲钨极旋转氩弧焊机,配备有可用于管内径 15~100 mm(对 接)、10~100 mm(搭接)的内孔焊枪;大连五二三厂研制的 JM-200 型晶体管脉冲钨 极氩弧焊机,配有可焊管径φ13 mm~φ25 mm 的内孔焊枪;昆山市华恒焊接设备技 术有限责任公司研研制的 EWA 程控焊接电源,配有可满足最小内径中 19 mm 的管 板焊接。 从焊接设备来看,提高焊接电源规范调节的精度、电流的稳定性、焊 接机具的可靠性,仍然是今后研究试验的课题。 2.4 内孔焊技术的应用

国际上,以日本和欧洲为代表。在压力容器焊接方面,主要以容器大 型化为目标。开发新材料、新钢种等相关的焊接技术,得到越来越广泛的应用。 提高焊接质量,无论是工艺设备还是焊接材料的研制方面,都取得了长足的进步。 国内,目前内孔焊接技术主要应用于核工业、电力工业,化工行业也 已经开始使用。例如: (1)西安核设备有限公司换热器管束与管板的接头采用内 孔焊技术,提高了设备的使用寿命; (2)上海电站辅机厂采用上海华东电焊机厂 制造的脉冲钨极氩弧焊机及焊接机头,在高压加热管与管板的焊接上实现了内孔 焊接; (3)哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂先后将内孔焊接推广、应用于锅炉联箱和 锅炉汽包管座接头的内孔封底焊,保证了管座接头完全焊透,消除了原来手工弧 焊焊缝根部未焊透和夹渣等缺陷,并有可能取消水压试验; (4)哈尔滨焊接研究 所研究了内孔等离子弧焊工艺,为内孔焊增添了一种新的焊接工艺。 (5)化学工业 第二设计院给某项目设计的低压反应水冷器也应用了内孔焊。 2.5 焊缝质量检验

焊接接头需要进行外观检查、着色检测、压力试验、氮气检漏、射 线探伤、超声波探伤、涡流探伤等无损检验。此外,还要进行金相检查、机械性 能和腐蚀试验。国外已研制出射线、超声波探伤的相应设备,并已掌握了上述检 验技术。 国内还未解决内孔焊接头的射线探伤和超声波探伤的关键问题。主要依 靠严格控制焊接规范参数,保证焊接装配精度,以及外观检查、着色、萤光探伤、 水压试验、气密性试验和试样性能试验来保证焊缝质量。 3〃结 语 基于上述原因,目前内孔焊已成为核工业和电力工业中必不可少的一项 制造技术,而在高温高压及强腐蚀性或放射性介质的换热器中呈待推广应用。随 着石油、化工工业及其他领域的工艺技术不断进步,换热器将向高温、高压和大 型化发展,对其制造质量的要求也会越来越高,内孔焊技术将会在这些行业中得 到更加广泛的应用。


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