管壳式换热器管板与换热管连接制造工艺探讨

孙琼华　李　玲

[摘要]针对换热器管板与换热管连接的失效进行分析，并提出控制其连接质量的方法。

[关键词]换热管 管板 连接

中图分类号：TS91文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0510097－01

换热管与管板的连接质量是换热器质量的最重要标志。管壳式换热器主要失效为管板与换热管的连接失效。对于压力高、直径大、管束长的重型换热器，一旦出现泄漏其直接及间接损失则更为严重。因此，合理选用安全可靠的管接头型式，使用相应的加工设备与技术是换热器制造的关键。

管壳式换热器中由于壳程流体垂直于管子轴线方向流过管束时有可能透发管束振动，所以管子与管板的连接处不仅要承受管程和壳程的压力差和由于它们热膨胀而产生的应力，同时还要承受管束振动所产生的应力。GB151-1999标准中规定，对于设计压力小于等于4Mpa，设计温度低于300℃，操作中无剧烈振动，无过大温度变化及无明显的应力腐蚀的换热器可以采用胀接结构；对于振动较小和无间隙腐蚀的场合可采用焊接接构。由此可见，单纯胀接或焊接结构的连接方式使用条件受到限制，胀焊并用结构能有效地阻尼管束振动对焊口的损伤，避免间隔腐蚀，有比单纯胀接或焊接结构具有更高的强度和密封性而得到广泛采用。胀焊并用按胀接与焊接在工序中的先后次序分为先胀后焊和先焊后胀两种。

一、先胀后焊

管子与管板胀接后，在管端应留有15mm长的未胀管腔，以避免胀接应力与焊接应力的迭加，减少焊接应力对胀接的影响。15mm的未胀管段与管板孔之间存在一个间隙，在焊接时，由于高温熔化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀，据国外资料介绍，间隙腔内压力在焊接收口时，可达到200～300Mpa的超高压状态，间隙腔的高温高压气体在外泄时对强度胀的密封性能造成致命的损伤。当采用不会污染管孔的方法进行先胀接后施焊时，应特别注意缝隙间的排气问题，当采用会因润滑油污染管孔的方法进行先胀后焊时，要用特制的胀管器。

二、先焊后胀

在制造过程中，一台换热器中有相当数量的换热管，其外径与管板管孔间隙之间存在着较大的间隔，且每根换热管其外径与管板管孔间隙沿周向是不均匀的，当焊接完成后胀接时，管子中心必须与管板管孔中心线相重合，当间隙很大时，上端15mm的未胀管段将可以减轻胀接变形对焊接的影响，当间隙较大时，由于管子的刚性较大，过大的胀接变形将越过15mm未胀区的缓冲而对焊接接头产生损伤，甚至造成焊后脱焊。所以对于先焊后胀工艺，须控制管子与管板孔的精度及其配合，当管子与管板腔的间隙小到一定值后，胀接过程将不至于损伤到焊接接头质量。采用先焊后胀或先胀后焊，并没有统一规定，应根据各制造厂的加工工艺，设备条件以及施工经验而定。

三、合理的制造工艺

1．管子与管板的选材。管子与管板宜有一定的硬度差，即管板比换热管的硬度应稍高。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处理或换成10换热管。

2．管子与管孔的公差控制。

（1）换热管。在采购换热管时要求每台换热器所使用的换热管必须是同一坯料（炉批次）的原料冷拔加工，并在同一台经校验合格的拉管机上生产，从而保证每根换热管具有相同材质、规格与精度，其外径的均匀一致能保证管子与管板管孔的间隙，一般管子与管板管孔间隙要求控制在0.3±0.05mm范围内。

（2）管板。为使换热器管板管孔与管子外径在同一公差范围内，首先必须根据到货换热管外径的实际尺寸决定管板管孔的加工精度。如上所述，管板管孔的加工精度为已到货换热管实际均匀外径0.3±0.05mm。

3．换热管与管板的加工及验收要点。按采购要求进厂的换热管入库前应按相关标准逐项验收，精确测量内外及其公差范围。换热管穿管前按实际测量管壳程长度一次性切好换热管，避免穿管用角向砂轮机修磨，当采用砂轮机修磨时，砂轮磨粒易溅入管子与管板管孔的间隙中，硅酸盐磨粒在焊接时将会产生夹渣，给焊接接头造成隐患，换热管穿管前胀管范围内管区应进行除锈处理，管端除去内外毛刺。管板应是合格的锻件，内部材质应均匀，胀接面上无影响胀接质量的缺陷，管板与折流板上管孔加工必须保证同轴度，采用同一模板钻孔，确保每根换热管所通过的管板与折流板上的管孔在同一中心线上。否则将使穿管发生很大困难，管板的钻削加工粗糙度，管板的管桥宽度均按GB151-1999要求验收，管孔精度以自制的通规和止规来检验，并作记录。如为强度胀，胀槽深度应确保0.5±0.05mm范围，胀接前应严格清洁管孔，除去槽边毛刺，不允许有影响胀接紧密性的杂质存在。

4．管子与管板的连接。

（1）胀接。无论是强度胀或者贴胀，胀接方法分为机械胀接和柔性胀接。由于机械胀接操作简便，许多厂家广泛使用，在中薄管板的胀接上，为确保胀接质量，应确定合适的胀管率，通常用胀紧程度与管板孔原有直径，换热管内径或换热管壁厚的百分率来表示胀管率。若换热管材料为铜、铜合金及不锈钢时，胀管率一般控制在0.5％～12％范围内，换热管材料为10钢或20钢时，胀管率一般控制在0.7％～21％范围内，换热管材料为黄铜时，胀管率一般控制在1％～18％范围内。

（2）焊接。一般采用氩弧焊，焊缝高度H确保不小于管壁厚度的1.4倍。采用双层氩弧焊，且第二层焊道起弧处至少要偏离第一层焊道起弧点15度，以消除第一层焊道中特别是起弧和收弧点处可能产生的缺陷。

（3）连接方式。图纸设计为贴胀+强度焊时，可采用如下两种方式：贴胀（盛水试漏）+强度焊（水压试验）；强度焊（压力试验）+贴胀（水压试验）。当采用不会污染管孔的方法进行先胀接后施焊时，应特别注意缝隙间的排气问题，也可以考虑胀接时，管端满胀，不留空隙。当采用会因润滑油污染管孔的方法进行先胀后焊时，要用特制的胀管器。离焊缝15mm后开始胀接，以保护焊接管接头。图纸设计为强度胀+密封焊时，建议采用如下方式：贴胀（盛水试漏）；强度焊（压力试验）；强度胀（水压试验）。

许多实验资料表明，无论采用那种胀焊连接形式，其接头处的抗拉强度和密封性能较单独胀接或焊接为高，在某些和程度上甚至超过管子材料强度。

四、结束语

经过实践证明，管板与换热管胀焊并用连接的制造工艺，通过一系列的质量控制措施，可以制造出高质量、寿命

长、用户满意的产品。

参考文献：

[1]王元文、陈连，管壳式换热器的优化设计[J].贵州化工，2005,(01).

[2]陈姝、高学农、徐娓、王端阳，管壳式换热器壳侧在强化传热方面的进展[J].广东化工，2006,(05).

[3]王建国，管壳式换热器结构型式及传热性能[J].天津建设科技，2007,(S1).

[4]董舒民、姜德林，管壳式换热器壳侧强化传热技术的研究进展[J].广州化工，2006,(03).

作者简介：

孙琼华，女，云南个旧人，工程师，从事压力容器设计与制造工艺工作。