換熱管與管板的常用連接方法

換熱管與管板的常用連接方法

楊　林,鄭秀芳,曹鳳玲

(沈陽陸正重工集團(tuán)有限公司,遼寧沈陽110144)

    摘要:換熱器中管子與管板的焊接直接影響換熱器的制造和使用。連接強(qiáng)度和密封性能又直接關(guān)系到使用時(shí)間和是否泄漏。對(duì)常用的強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接和脹焊并用等3種方法進(jìn)行了介紹。

    關(guān)鍵詞:換熱器;管板;脹接;焊接;內(nèi)孔焊

    中圖分類號(hào):　TQ 050. 1　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:　A　　文章編號(hào):　1004 0935(2010)09 0993 04

    在化工、石油、醫(yī)藥、原子能和核工業(yè)中,換熱器的應(yīng)用十分廣泛,其類型與結(jié)構(gòu)也很多。其中管殼式換熱器是使用最普遍的。在管殼式換熱器的設(shè)計(jì)、制造過程中,換熱管與管板之間的連接問題直接影響工藝操作的正常進(jìn)行,也是整個(gè)生產(chǎn)制造的重點(diǎn)之一。因此,換熱器管子與管板的接頭型式的技術(shù)研究一直是國內(nèi)外技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

    1　換熱管與管板常用連接方法

    換熱管與管板的連接方法主要有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接和脹焊并用。

    1.1　強(qiáng)度脹接

    強(qiáng)度脹接是為保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的脹接。利用脹管器插入管口旋轉(zhuǎn),將穿入管板孔內(nèi)的管端部脹大,使管子達(dá)到塑性變形,同時(shí)管板孔被脹大,產(chǎn)生彈性變形。脹管器退出后,管板彈性恢復(fù),管子與管板的接觸表面產(chǎn)生很大的擠壓力,使管子與管板牢固地結(jié)合在一起,達(dá)到既密封又能抗拉脫力兩個(gè)目的。管板上的管孔,有孔壁開槽和孔壁不開槽2種,如圖1所示。

              
    目前采用的脹管工藝主要有滾壓、水壓脹接、爆炸脹接3種。

    脹接適用于設(shè)計(jì)壓力≤4 MPa,設(shè)計(jì)溫度≤300℃,無劇烈振動(dòng),無過大的溫度變化,無明顯的應(yīng)力腐蝕的場合。由于管子與管孔緊密貼合,可使管接頭減少介質(zhì)腐蝕,且能承受拉脫力。

    1.2　強(qiáng)度焊接

    換熱管和管板之間的焊接有端面焊接和內(nèi)孔焊接兩種結(jié)構(gòu)類型。端面焊接典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

              
    管束與管板焊接連接的適用場合主要是: (1)管間距太小或薄管板無法采用脹接時(shí); (2)熱循環(huán)劇烈和溫差較高時(shí); (3)壓力較高或連接緊密性有嚴(yán)格要求時(shí)。它能保證焊接接頭達(dá)到抗拉脫強(qiáng)度;(4)維護(hù)有困難時(shí),像原子能過程和某些化工過程中的換熱器。

    端面焊屬于不完全熔焊,按其使用要求不同,其施焊深度分為: (1)強(qiáng)度焊接(保證換熱管和管板之間的連接強(qiáng)度); (2)密封焊接(僅在于起到密封作用)。

    端面焊接接頭具有焊接、外觀檢查與維修方便等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用最為廣泛。但管子與管板之間存在間隙,不適用于有較大振動(dòng)及有間隙腐蝕的場合。

    1.3　脹焊并用

    當(dāng)密封性能要求較高、承受振動(dòng)或疲勞載荷或有間隙腐蝕、采用復(fù)合管板時(shí)應(yīng)該選擇脹焊并用。

    溫度和壓力較高,且在熱變形、熱沖擊、熱腐蝕和流體壓力的作用下,換熱管與管板連接處極易被破壞,采用脹接或焊接均難以保證連接強(qiáng)度和密封性的要求。目前較廣泛采用的是脹焊并用的方法。試驗(yàn)證明,脹焊并用提高了接頭的抗疲勞性能,可以有效地消除應(yīng)力腐蝕和間隙腐蝕,提高其使用壽命。另外脹焊結(jié)合,管程介質(zhì)對(duì)管板的傳熱面積比殼程介質(zhì)對(duì)管板的傳熱面積大許多倍,尤其是厚管板的情況。這可減少管板兩側(cè)的溫度差,減少管板翹曲,利于管板密封的可靠性。

    脹焊連接按脹接和焊接要求不同,可分為強(qiáng)度焊+貼脹、強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹、強(qiáng)度脹+密封焊、強(qiáng)度脹+貼脹+密封焊、強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹+貼脹等。
    2·換熱器換熱管與管板內(nèi)孔焊

    內(nèi)孔焊將換熱管與管板的端部焊接改為管束內(nèi)孔焊接。國外在20世紀(jì)60年代末開始研究內(nèi)孔焊,并于20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用于核設(shè)備上。國內(nèi)在20世紀(jì)70年代中期開始對(duì)內(nèi)孔焊進(jìn)行試驗(yàn)研究,并于70年代末期開始應(yīng)用于核設(shè)備、電站設(shè)備上。

    2.1　內(nèi)孔焊的接頭型式

    內(nèi)孔焊的接頭型式大致分為兩類:一類是對(duì)接式,一類是搭接式。圖3中(a)-(e)型屬于內(nèi)孔對(duì)接。(a)、(b)、(c)型基本相同。都有一個(gè)鎖邊,管子安裝容易對(duì)中定位,且焊縫具有加強(qiáng)高,與管板接頭呈平滑過渡,提高了接頭的靜載和動(dòng)載強(qiáng)度; (a)和(b)型管板接頭與管板齊平,在管板孔外周邊加工一應(yīng)力緩沖槽,這種接頭加工成本較高。其中(b)型管板接頭處開有坡口,因此熔透性得到改善;(c)、(d)和(e)型管板接頭伸出了管板平面,有利于焊縫的射線檢測。其中(d)型采用開坡口對(duì)接,適合于換熱管直徑較大、管壁較厚的場合。(e)型管板接頭削薄,保證與管束等厚連接,改善了接頭受力狀況,并使焊縫離開邊緣區(qū); (f)-( j)型屬于內(nèi)孔搭接。其中(f)型所需焊接電流較小,易施焊。(g)型所需焊接電流較大,但加工簡單。(h)和( i)型接頭處填加了墊圈,其作用是控制焊縫成分,提高接頭性能( j)型適用于電子束焊接。焊接時(shí)電子槍在管板外面,電子束直接射入接頭連接處,所以接頭可不受管徑的限制; (k)型是插座接頭,它介于搭接和對(duì)接之間,既有搭接的優(yōu)點(diǎn)又有對(duì)接的優(yōu)點(diǎn)。

    以上幾種接頭型式在國外已得到推廣使用,全對(duì)接內(nèi)孔焊,接頭力學(xué)性能較好。但由于裝配較難,只在美國比較盛行。準(zhǔn)對(duì)接內(nèi)孔焊接頭焊縫受剪切,接頭力學(xué)性能不如全對(duì)接式.但由于裝配較易,在西歐和日本很盛行?？紤]到制造的難易程度和成本的高低,國內(nèi)目前采用比較多的接頭型式是(a)和(f)。
             
    2.2　內(nèi)孔焊的主要優(yōu)點(diǎn)

    (1)消除了端部焊的縫隙,提高了抗間隙腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕能力; (2)是一種全焊透的接頭型式,其抗振動(dòng)疲勞強(qiáng)度高,能承受高溫、高壓; (3)對(duì)接內(nèi)孔焊的管板孔徑可以比端部焊的孔徑小,從而增加了管板剛度; (4)接頭開孔處應(yīng)力集中小,不易產(chǎn)生接頭根部裂紋; (5)對(duì)接接頭可以進(jìn)行內(nèi)部無損探傷,焊縫內(nèi)部質(zhì)量可得到監(jiān)督和控制,提高了焊縫的可靠性; (6)內(nèi)孔焊的施焊空間雖然很小,但易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。(7)適合于換熱器的管子與管板的各種材料的焊接。如碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和鎳基合金等。

    內(nèi)孔焊雖從結(jié)構(gòu)上優(yōu)于端面焊,但也存在著缺陷:

    (1)內(nèi)孔焊要求管板的加工精度和裝配精度很高,提高了設(shè)備的造價(jià); (2)要求采用專用焊接設(shè)備和自動(dòng)化程度很高的焊接技術(shù); (3)焊縫出現(xiàn)不合格時(shí),返修十分困難。

    2.3　焊接設(shè)備

    內(nèi)孔焊設(shè)備必須采用脈沖電流鎢極氬弧焊,需要相應(yīng)的脈沖電流鎢極氬弧焊機(jī),并且能對(duì)焊接過程進(jìn)行程序控制。要求是:

    (1)能輸出焊接所需的脈沖電流,并能精確控制電流的大小和輸出時(shí)間; (2)能改變并精確地控制提前送氣、滯后送氣的時(shí)間; (3)能改變并精確地控制焊接行程,并在完成焊接后自動(dòng)衰減; (4)焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定性、可靠性、重現(xiàn)性好; (5)槍頭要能順利地插入管板孔內(nèi),能精確定位,焊完后能順利取出槍頭; (6)鎢極與焊槍的相對(duì)位置可調(diào)節(jié);(7)槍頭與工件接觸處具有良好的絕緣性。近年來,國內(nèi)對(duì)內(nèi)孔焊接專用設(shè)備進(jìn)行了研制。如上海華東電焊機(jī)廠生產(chǎn)的NZA4-250型管板自動(dòng)脈沖鎢極旋轉(zhuǎn)氬弧焊機(jī),配備有可用于管內(nèi)徑15~100 mm(對(duì)接)、10~100 mm(搭接)的內(nèi)孔焊槍;大連五二三廠研制的JM-200型晶體管脈沖鎢極氬弧焊機(jī),配有可焊管徑φ13 mm~φ25 mm的內(nèi)孔焊槍;昆山市華恒焊接設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司研研制的EWA程控焊接電源,配有可滿足最小內(nèi)徑中19 mm的管板焊接。

    從焊接設(shè)備來看,提高焊接電源規(guī)范調(diào)節(jié)的精度、電流的穩(wěn)定性、焊接機(jī)具的可靠性,仍然是今后研究試驗(yàn)的課題。
    2.4內(nèi)孔焊技術(shù)的應(yīng)用

    國際上,以日本和歐洲為代表。在壓力容器焊接方面,主要以容器大型化為目標(biāo)。開發(fā)新材料、新鋼種等相關(guān)的焊接技術(shù),得到越來越廣泛的應(yīng)用。提高焊接質(zhì)量,無論是工藝設(shè)備還是焊接材料的研制方面,都取得了長足的進(jìn)步。

    國內(nèi),目前內(nèi)孔焊接技術(shù)主要應(yīng)用于核工業(yè)、電力工業(yè),化工行業(yè)也已經(jīng)開始使用。例如: (1)西安核設(shè)備有限公司換熱器管束與管板的接頭采用內(nèi)孔焊技術(shù),提高了設(shè)備的使用壽命; (2)上海電站輔機(jī)廠采用上海華東電焊機(jī)廠制造的脈沖鎢極氬弧焊機(jī)及焊接機(jī)頭,在高壓加熱管與管板的焊接上實(shí)現(xiàn)了內(nèi)孔焊接; (3)哈爾濱鍋爐廠、上海鍋爐廠先后將內(nèi)孔焊接推廣、應(yīng)用于鍋爐聯(lián)箱和鍋爐汽包管座接頭的內(nèi)孔封底焊,保證了管座接頭完全焊透,消除了原來手工弧焊焊縫根部未焊透和夾渣等缺陷,并有可能取消水壓試驗(yàn); (4)哈爾濱焊接研究所研究了內(nèi)孔等離子弧焊工藝,為內(nèi)孔焊增添了一種新的焊接工藝。(5)化學(xué)工業(yè)第二設(shè)計(jì)院給某項(xiàng)目設(shè)計(jì)的低壓反應(yīng)水冷器也應(yīng)用了內(nèi)孔焊。

    2.5　焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)

    焊接接頭需要進(jìn)行外觀檢查、著色檢測、壓力試驗(yàn)、氮?dú)鈾z漏、射線探傷、超聲波探傷、渦流探傷等無損檢驗(yàn)。此外,還要進(jìn)行金相檢查、機(jī)械性能和腐蝕試驗(yàn)。國外已研制出射線、超聲波探傷的相應(yīng)設(shè)備,并已掌握了上述檢驗(yàn)技術(shù)。國內(nèi)還未解決內(nèi)孔焊接頭的射線探傷和超聲波探傷的關(guān)鍵問題。主要依靠嚴(yán)格控制焊接規(guī)范參數(shù),保證焊接裝配精度,以及外觀檢查、著色、螢光探傷、水壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)和試樣性能試驗(yàn)來保證焊縫質(zhì)量。
    3·結(jié)　語
    基于上述原因,目前內(nèi)孔焊已成為核工業(yè)和電力工業(yè)中必不可少的一項(xiàng)制造技術(shù),而在高溫高壓及強(qiáng)腐蝕性或放射性介質(zhì)的換熱器中呈待推廣應(yīng)用。隨著石油、化工工業(yè)及其他領(lǐng)域的工藝技術(shù)不斷進(jìn)步,換熱器將向高溫、高壓和大型化發(fā)展,對(duì)其制造質(zhì)量的要求也會(huì)越來越高,內(nèi)孔焊技術(shù)將會(huì)在這些行業(yè)中得到更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
[1]黃旭升.換熱器管子與管板連接接頭技術(shù)研究[J].石油和化工設(shè)備, 2006(6): 25-28.
[2]T.Kuppan.錢頌文,譯.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國石化出版社, 2004.
[3]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.
[4]蘭州石油機(jī)械研究所.換熱器(上)[M].北京:中石化出版社,1986.
[5]谷興年.國外換熱器管子與管板內(nèi)孔焊的進(jìn)展[J].化工煉油機(jī)械, 1983, 12(2): 23-31.[6]江浩.內(nèi)孔焊分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù), 1996, 17(3): 45-47.
[7]金燕,桑芝富,湯成亮.硝酸裝置冷凝器的換熱管與管板內(nèi)孔全對(duì)接焊的實(shí)施[J].化工設(shè)備與管道, 2004, 41(6): 57-59.
[8]GB151-1999.管殼式換熱器[S].