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。連接強度和密封性能又直接關系到使用時間和是否泄漏。對常用的強度脹接、強度焊接和脹焊并用等3種方法進行了介紹。

    關鍵詞:換熱器;管板;脹接;焊接;內孔焊

    中圖分類號:　TQ 050. 1　　文獻標識碼:　A　　文章編號:　1004 0935(2010)09 0993 04

    在化工、石油、醫(yī)藥、原子能和核工業(yè)中,換熱器的應用十分廣泛,其類型與結構也很多。其中管殼式換熱器是使用最普遍的。在管殼式換熱器的設計、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行,也是整個生產(chǎn)制造的重點之一。因此,換熱器管子與管板的接頭型式的技術研究一直是國內外技術人員關注的焦點。

    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度脹接、強度焊接和脹焊并用。

    1.1　強度脹接

    強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度的脹接。利用脹管器插入管口旋轉,將穿入管板孔內的管端部脹大,使管子達到塑性變形,同時管板孔被脹大,產(chǎn)生彈性變形。脹管器退出后,管板彈性恢復,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合在一起,達到既密封又能抗拉脫力兩個目的。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。

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

    1.2　強度焊接

    換熱管和管板之間的焊接有端面焊接和內孔焊接兩種結構類型。端面焊接典型結構如圖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; (2)熱循環(huán)劇烈和溫差較高時; (3)壓力較高或連接緊密性有嚴格要求時。它能保證焊接接頭達到抗拉脫強度;(4)維護有困難時,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)強度焊接(保證換熱管和管板之間的連接強度); (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,應用最為廣泛。但管子與管板之間存在間隙,不適用于有較大振動及有間隙腐蝕的場合。

    1.3　脹焊并用

    當密封性能要求較高、承受振動或疲勞載荷或有間隙腐蝕、采用復合管板時應該選擇脹焊并用。

    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,可以有效地消除應力腐蝕和間隙腐蝕,提高其使用壽命。另外脹焊結合,管程介質對管板的傳熱面積比殼程介質對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,可分為強度焊+貼脹、強度焊+強度脹、強度脹+密封焊、強度脹+貼脹+密封焊、強度焊+強度脹+貼脹等。
    2·換熱器換熱管與管板內孔焊

    內孔焊將換熱管與管板的端部焊接改為管束內孔焊接。國外在20世紀60年代末開始研究內孔焊,并于20世紀70年代開始應用于核設備上。國內在20世紀70年代中期開始對內孔焊進行試驗研究,并于70年代末期開始應用于核設備、電站設備上。

    2.1　內孔焊的接頭型式

    內孔焊的接頭型式大致分為兩類:一類是對接式,一類是搭接式。圖3中(a)-(e)型屬于內孔對接。(a)、(b)、(c)型基本相同。都有一個鎖邊,管子安裝容易對中定位,且焊縫具有加強高,與管板接頭呈平滑過渡,提高了接頭的靜載和動載強度; (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,它介于搭接和對接之間,既有搭接的優(yōu)點又有對接的優(yōu)點。

    以上幾種接頭型式在國外已得到推廣使用,全對接內孔焊,接頭力學性能較好。但由于裝配較難,只在美國比較盛行。準對接內孔焊接頭焊縫受剪切,接頭力學性能不如全對接式.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,國內目前采用比較多的接頭型式是(a)和(f)。
             
    2.2　內孔焊的主要優(yōu)點

    (1)消除了端部焊的縫隙,提高了抗間隙腐蝕和抗應力腐蝕能力; (2)是一種全焊透的接頭型式,其抗振動疲勞強度高,能承受高溫、高壓; (3)對接內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)接頭開孔處應力集中小,不易產(chǎn)生接頭根部裂紋; (5)對接接頭可以進行內部無損探傷,焊縫內部質量可得到監(jiān)督和控制,提高了焊縫的可靠性; (6)內孔焊的施焊空間雖然很小,但易于實現(xiàn)自動化。(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。

    內孔焊雖從結構上優(yōu)于端面焊,但也存在著缺陷:

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

    2.3　焊接設備

    內孔焊設備必須采用脈沖電流鎢極氬弧焊,需要相應的脈沖電流鎢極氬弧焊機,并且能對焊接過程進行程序控制。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間; (2)能改變并精確地控制提前送氣、滯后送氣的時間; (3)能改變并精確地控制焊接行程,并在完成焊接后自動衰減; (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,能精確定位,焊完后能順利取出槍頭; (6)鎢極與焊槍的相對位置可調節(jié);(7)槍頭與工件接觸處具有良好的絕緣性。近年來,國內對內孔焊接專用設備進行了研制。如上海華東電焊機廠生產(chǎn)的NZA4-250型管板自動脈沖鎢極旋轉氬弧焊機,配備有可用于管內徑15~100 mm(對接)、10~100 mm(搭接)的內孔焊槍;大連五二三廠研制的JM-200型晶體管脈沖鎢極氬弧焊機,配有可焊管徑φ13 mm~φ25 mm的內孔焊槍;昆山市華恒焊接設備技術有限責任公司研研制的EWA程控焊接電源,配有可滿足最小內徑中19 mm的管板焊接。

    從焊接設備來看,提高焊接電源規(guī)范調節(jié)的精度、電流的穩(wěn)定性、焊接機具的可靠性,仍然是今后研究試驗的課題。
    2.4內孔焊技術的應用

    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。開發(fā)新材料、新鋼種等相關的焊接技術,得到越來越廣泛的應用。提高焊接質量,無論是工藝設備還是焊接材料的研制方面,都取得了長足的進步。

    國內,目前內孔焊接技術主要應用于核工業(yè)、電力工業(yè),化工行業(yè)也已經(jīng)開始使用。例如: (1)西安核設備有限公司換熱器管束與管板的接頭采用內孔焊技術,提高了設備的使用壽命; (2)上海電站輔機廠采用上海華東電焊機廠制造的脈沖鎢極氬弧焊機及焊接機頭,在高壓加熱管與管板的焊接上實現(xiàn)了內孔焊接; (3)哈爾濱鍋爐廠、上海鍋爐廠先后將內孔焊接推廣、應用于鍋爐聯(lián)箱和鍋爐汽包管座接頭的內孔封底焊,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; (4)哈爾濱焊接研究所研究了內孔等離子弧焊工藝,為內孔焊增添了一種新的焊接工藝。(5)化學工業(yè)第二設計院給某項目設計的低壓反應水冷器也應用了內孔焊。

    2.5　焊縫質量檢驗

    焊接接頭需要進行外觀檢查、著色檢測、壓力試驗、氮氣檢漏、射線探傷、超聲波探傷、渦流探傷等無損檢驗。此外,還要進行金相檢查、機械性能和腐蝕試驗。國外已研制出射線、超聲波探傷的相應設備,并已掌握了上述檢驗技術。國內還未解決內孔焊接頭的射線探傷和超聲波探傷的關鍵問題。主要依靠嚴格控制焊接規(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、氣密性試驗和試樣性能試驗來保證焊縫質量。
    3·結　語
    基于上述原因,目前內孔焊已成為核工業(yè)和電力工業(yè)中必不可少的一項制造技術,而在高溫高壓及強腐蝕性或放射性介質的換熱器中呈待推廣應用。隨著石油、化工工業(yè)及其他領域的工藝技術不斷進步,換熱器將向高溫、高壓和大型化發(fā)展,對其制造質量的要求也會越來越高,內孔焊技術將會在這些行業(yè)中得到更加廣泛的應用。

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