探究空冷式换热器管与管板连接形式的设计要点

段瑞娇

1 概述

空冷式换热器广泛应用于石油、化工、冶金等行业，随着近年来制造业技术的突破发展，推动设计水平不断提高，然而在整个空冷器设计中，管与管连接为其中重要环节之一。因此对其设计方案的研究具有较重要意义。

2 换热管与管板的连接形式

管子与管板的连接处应保证良好的连接强度和密封性，防止发生泄漏，造成系统停车，甚至危及人身与设备的安全；同时还应保证能承受一定的轴向力，避免管子从管板中脱出。换热管与管板常用连接方法有强度胀接、强度焊接和胀焊并用形式。

2.1 強度胀接

强度胀接是通过胀管器膨胀使钢管产生塑性变形，而管板产生弹性变形，当胀接力撤除后，管板由弹性变形状态预恢复至初始状态，但此时钢管塑性变形无法回弹，使得钢管与管板之间产生一定的挤压力，使其紧密贴合，达到既密封又能抗拉脱力两个目的。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。一般适用于：①设计压力小于等于4MPa；②设计温度小于等于300℃；③操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀。

2.2 强度焊接

强度焊是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉强度的焊接。适用范围：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可适用于GB151标准规定的设计压力，但不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。当焊缝H值大于或等于2/3管壁厚时，称强度焊，否则为密封焊。即强度焊必须是填丝的氩弧焊，而不填丝的熔化焊最多只能作为密封焊。

2.3 胀焊并用

连接形式设计方案有：强度焊加贴胀、密封焊加强度胀。密封焊是指单纯防止泄露而实行的焊接，不保证管端连接强度，而强度焊既可以保证焊缝的严密性，又能够保证抵抗翅片管受热变形所受到的拉脱力的能力。强度胀是指满足一般胀接强度的合适胀度的密封胀接，而贴胀是只为消除钢管与管板之间的间隙，并不承担拉脱力的胀接。然而在实际生产制造中为保证管端连接的密封性能与连接强度，往往采用强度焊加强度胀接方法，此方法在碳钢换热器中特定情况下使用会获得较好的管端连接可靠性，但在不锈钢换热器中，此方法会适得其反，因为不锈钢管管端连接一般采用先焊后胀顺序，采用强度胀接会使钢管产生一定量的轴向伸长，因此管端焊缝会收到一定应力作用，而不锈钢换热器一般不进行消应力热处理，应力会使得管端焊缝收到影响。若改为先胀后焊顺序，胀接会堵塞焊接排气、排渣通道，会使管端焊缝产生气孔、夹渣。

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。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。

3 管孔结构设计

由于钢管需先插入管孔内方可进行胀接，因此管孔合理的尺寸、公差设计，才能够保证钢管装配以及后续胀接质量，以φ25mm管为例，依照国内热交换器标准要求，管孔直径为φ25.25mm，公差为0-0.15mm，即钢管与管孔间隙为0.25-0.4mm，在此范围内可保证钢管顺利装配，但对于屈服强度较大、硬度较高材料钢管胀接会导致胀后胀度超差或浮动较大，因此参照选取国外API标准中紧配合要求，管孔直径为φ25.25mm，公差为±0.05mm。

对于国内换热器制造厂一般在管孔设有加强槽，以适当提高胀接密封性，根据胀接方式不同加强槽宽度、深度均不同，常用的有：机械胀加强槽：宽度3mm、深度0.5mm，数量为1～2个，液压胀加强槽：宽度8mm、深度0.3mm，数量为1个，对于高强度材料，胀接仅能使其在局部略微变形，加入加强槽可适当提高密封性能。

管孔倒角尺寸对管端焊接有直接影响，对于密封焊结构管孔采用2×45°结构形式，强度焊结构采用3×60°结构形式；对于管端采用自动焊工艺方法，应在焊接前将管孔焊接面采用机械方法加工直径约为管直径1.5倍的平面，以提高焊接质量。

4 管与管板连接技术要求

在管与管板连接形式技术要求中，应注明具体连接形式，焊接、胀接方法，以及检测方法。常用的胀接方法按使用设备可分为：机械胀、液压胀等，其中机械胀适用高强度材料胀接，对于管端采用强度胀时首选机械胀，液压胀为柔性胀接，对管壁不会产生划痕、且不需要使用润滑液。常用的焊接方法有：焊条电弧焊、手工氩弧焊与自动钨极氩弧焊等，不同材料其焊接方法不同。对于管端连接检测方法通常有：①采用渗透与泄露试验检测管端焊缝质量；②通过目视检查与胀度推倒计算检测胀接质量；③利用液压试验和气压试验检查管端连接强度与密封性。

5 结语

通过合理的设计选用管与管板连接形式与管孔结构形式，可有效提高管与管板连接可靠性，以保证空冷换热器安全、稳定运行。