段瑞嬌

1 概述

空冷式換熱器廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等行業(yè)，隨著近年來制造業(yè)技術(shù)的突破發(fā)展，推動(dòng)設(shè)計(jì)水平不斷提高，然而在整個(gè)空冷器設(shè)計(jì)中，管與管連接為其中重要環(huán)節(jié)之一。因此對(duì)其設(shè)計(jì)方案的研究具有較重要意義。

2 換熱管與管板的連接形式

管子與管板的連接處應(yīng)保證良好的連接強(qiáng)度和密封性，防止發(fā)生泄漏，造成系統(tǒng)停車，甚至危及人身與設(shè)備的安全；同時(shí)還應(yīng)保證能承受一定的軸向力，避免管子從管板中脫出。換熱管與管板常用連接方法有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接和脹焊并用形式。

2.1 強(qiáng)度脹接

強(qiáng)度脹接是通過脹管器膨脹使鋼管產(chǎn)生塑性變形，而管板產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)脹接力撤除后，管板由彈性變形狀態(tài)預(yù)恢復(fù)至初始狀態(tài)，但此時(shí)鋼管塑性變形無法回彈，使得鋼管與管板之間產(chǎn)生一定的擠壓力，使其緊密貼合，達(dá)到既密封又能抗拉脫力兩個(gè)目的。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。一般適用于：①設(shè)計(jì)壓力小于等于4MPa；②設(shè)計(jì)溫度小于等于300℃；③操作中無劇烈的振動(dòng)，無過大的溫度變化及無明顯的應(yīng)力腐蝕。

2.2 強(qiáng)度焊接

強(qiáng)度焊是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉強(qiáng)度的焊接。適用范圍：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可適用于GB151標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計(jì)壓力，但不適用于有較大振動(dòng)及有間隙腐蝕的場(chǎng)合。當(dāng)焊縫H值大于或等于2/3管壁厚時(shí)，稱強(qiáng)度焊，否則為密封焊。即強(qiáng)度焊必須是填絲的氬弧焊，而不填絲的熔化焊最多只能作為密封焊。

2.3 脹焊并用

連接形式設(shè)計(jì)方案有：強(qiáng)度焊加貼脹、密封焊加強(qiáng)度脹。密封焊是指單純防止泄露而實(shí)行的焊接，不保證管端連接強(qiáng)度，而強(qiáng)度焊既可以保證焊縫的嚴(yán)密性，又能夠保證抵抗翅片管受熱變形所受到的拉脫力的能力。強(qiáng)度脹是指滿足一般脹接強(qiáng)度的合適脹度的密封脹接，而貼脹是只為消除鋼管與管板之間的間隙，并不承擔(dān)拉脫力的脹接。然而在實(shí)際生產(chǎn)制造中為保證管端連接的密封性能與連接強(qiáng)度，往往采用強(qiáng)度焊加強(qiáng)度脹接方法，此方法在碳鋼換熱器中特定情況下使用會(huì)獲得較好的管端連接可靠性，但在不銹鋼換熱器中，此方法會(huì)適得其反，因?yàn)椴讳P鋼管管端連接一般采用先焊后脹順序，采用強(qiáng)度脹接會(huì)使鋼管產(chǎn)生一定量的軸向伸長(zhǎng)，因此管端焊縫會(huì)收到一定應(yīng)力作用，而不銹鋼換熱器一般不進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，應(yīng)力會(huì)使得管端焊縫收到影響。若改為先脹后焊順序，脹接會(huì)堵塞焊接排氣、排渣通道，會(huì)使管端焊縫產(chǎn)生氣孔、夾渣。

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。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。

3 管孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于鋼管需先插入管孔內(nèi)方可進(jìn)行脹接，因此管孔合理的尺寸、公差設(shè)計(jì)，才能夠保證鋼管裝配以及后續(xù)脹接質(zhì)量，以φ25mm管為例，依照國(guó)內(nèi)熱交換器標(biāo)準(zhǔn)要求，管孔直徑為φ25.25mm，公差為0-0.15mm，即鋼管與管孔間隙為0.25-0.4mm，在此范圍內(nèi)可保證鋼管順利裝配，但對(duì)于屈服強(qiáng)度較大、硬度較高材料鋼管脹接會(huì)導(dǎo)致脹后脹度超差或浮動(dòng)較大，因此參照選取國(guó)外API標(biāo)準(zhǔn)中緊配合要求，管孔直徑為φ25.25mm，公差為±0.05mm。

對(duì)于國(guó)內(nèi)換熱器制造廠一般在管孔設(shè)有加強(qiáng)槽，以適當(dāng)提高脹接密封性，根據(jù)脹接方式不同加強(qiáng)槽寬度、深度均不同，常用的有：機(jī)械脹加強(qiáng)槽：寬度3mm、深度0.5mm，數(shù)量為1～2個(gè)，液壓脹加強(qiáng)槽：寬度8mm、深度0.3mm，數(shù)量為1個(gè)，對(duì)于高強(qiáng)度材料，脹接僅能使其在局部略微變形，加入加強(qiáng)槽可適當(dāng)提高密封性能。

管孔倒角尺寸對(duì)管端焊接有直接影響，對(duì)于密封焊結(jié)構(gòu)管孔采用2×45°結(jié)構(gòu)形式，強(qiáng)度焊結(jié)構(gòu)采用3×60°結(jié)構(gòu)形式；對(duì)于管端采用自動(dòng)焊工藝方法，應(yīng)在焊接前將管孔焊接面采用機(jī)械方法加工直徑約為管直徑1.5倍的平面，以提高焊接質(zhì)量。

4 管與管板連接技術(shù)要求

在管與管板連接形式技術(shù)要求中，應(yīng)注明具體連接形式，焊接、脹接方法，以及檢測(cè)方法。常用的脹接方法按使用設(shè)備可分為：機(jī)械脹、液壓脹等，其中機(jī)械脹適用高強(qiáng)度材料脹接，對(duì)于管端采用強(qiáng)度脹時(shí)首選機(jī)械脹，液壓脹為柔性脹接，對(duì)管壁不會(huì)產(chǎn)生劃痕、且不需要使用潤(rùn)滑液。常用的焊接方法有：焊條電弧焊、手工氬弧焊與自動(dòng)鎢極氬弧焊等，不同材料其焊接方法不同。對(duì)于管端連接檢測(cè)方法通常有：①采用滲透與泄露試驗(yàn)檢測(cè)管端焊縫質(zhì)量；②通過目視檢查與脹度推倒計(jì)算檢測(cè)脹接質(zhì)量；③利用液壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)檢查管端連接強(qiáng)度與密封性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過合理的設(shè)計(jì)選用管與管板連接形式與管孔結(jié)構(gòu)形式，可有效提高管與管板連接可靠性，以保證空冷換熱器安全、穩(wěn)定運(yùn)行。