论文部分内容阅读
摘 要：本文分析了换热器管板与换热管连接失效原因，并提出了控制其质量的方法。管壳式换热器主要失效部位为管板与换热管的连接接头，因此如何控制管板与换热管的连接接头质量，是管壳式换热器制造中都必须重视的关健部位。特别在关键工位的高压、大直径、长管束的重型换热器，管板与换热管的连接接头质量必须给予特别关注，否则一旦发生泄露其损失可谓惨重。
关键词：管壳式换热器；换热管；质量控制；先胀后焊；制造工艺
一、先胀后焊
管子与管板胀接后，在管端应留有15mm 长的未胀管以避免胀接应力与焊接应力迭加，减少焊接应力对胀接的影响，15mm 长的未胀管段与管板孔之间存在间隙。在焊接时，由于焊接高温的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀。据国外资料介绍，间隙腔内气体压力在焊接收口时可达200 一300MPa ， 属超高压状态。间隙腔的高温高压气体在外泄时，对强度胀的密封性能会造成致命损伤，并且焊缝收口处亦将留下肉眼难以察觉的微孔。目前通常采用的机械胀，由于对焊接裂纹、气孔等敏感性很强的润滑油渗透进人了这些间隙，焊接时产生缺陷的现象就更为严重。这些渗透进入间隙的油污很难清除干净，所以采用先胀后焊工艺，不宜采用机械胀方式。由于贴胀是不耐压的，但可以消除管子与管板管孔之间的间隙，所以能有效地阻尼管束振动到管口的焊接部位。但是采用常规的手工或机械控制的机械胀无法达到均匀贴胀要求，而采用电脑控制胀接压力的液袋式胀管机胀接时可方便地均匀实现贴胀要求。采用液袋式胀管机胀接时，为了使胀接结果达到理想效果，胀接前管子与管板孔的尺寸配合在设计制造上必须符合较为严格的要求，只有这样才可采用常规设计的贴胀加强度焊方法；而对特殊设计的强度胀加强度焊则可采用：胀贴 强度焊 强度胀步骤次序。
二、先焊后胀
在制造过程中，每台换热器中都有相当数量的换热管，其外径与管板管孔之间存大较大间隙，且每根换热管与管板管孔之间间隙沿周向分布是不均匀的。当焊接完成后胀接时，管子中心线必须与管孔中心线重合。当间隙很小时，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，过大的胀接变形将超越15mm 未胀区的缓冲而对焊接接头产生损伤，甚至焊口开裂。所以对于先焊后胀工艺，控制管子与锈处理，管端除去内外毛刺，这对采用液压袋式胀管板孔的精度及配合为首要问题。当管子与管板管孔间隙小到一定值时，胀接过程将不损伤焊接接头质量。从有关部门曾经多次试验的结果证实，管口的焊接接头可以承受的轴向应力相当大，即使是密封焊，在做静态拉力试验时，管子拉断了，焊口拉脱。然而计算表明，焊口承受的剪切应力能力相对较差，所以强度焊后，由于控制达不到要求，可能造成过胀失效或胀接对焊接接头的伤害。
三、制造工艺
1、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在冷拔工时同一炉批次坯料，并在同一台经校并验合格的拉管机上生产，这样的换热管才能保证每根具有相同的材质、规格与精度。换热管外径的均匀一致，保证换热管与管板管孔间的间隙；换热管内径的均匀一致，保证与液压袋式胀管机胀头的匹配性，从而延长了胀头的使用寿命。一般管子与管孔间隙要求控制在0.3土0.05mm 范围内，而液压袋式胀管机胀头的外径与换热管内径的公差也应控制在0.3土0.05mm 范围内。
（2）管板
为使换热器管板管孔与换热管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精度尺寸，决定管板管孔的加工精度，如上所述，管板管孔的加工尺寸精度为已到货换热管外径的实际均0.3土0.05mm 。
2、换热管与管板的加工及验收要点
（1）换热管加工与验收要点
按采购要求进厂的换热管人库前应按相关标准逐项验收，精确测量内外径及其公差范围；换热管穿管前按实际测量管壳程长度一次性切好换热管，避免穿管后用角向砂轮机修磨。否则砂轮磨粒易嵌人管子与管孔的间隙中，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，这对采用液压袋式胀管机胀头时尤为重要。
（2）管板
管板应是合格锻件，希望内部材质均匀，胀接面上无影响胀接质量的缺陷。对于装置中关键位置的换热器，尽量采用高级别锻件。锻件除按相关标准验收外，还应做超声波复查；管板与折流板上管孔加工必须保证同轴度，采用同一块模板钻孔，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，否则将在穿管时发生很大困难；管板的钻削加工粗糙度、管板的管桥宽度GB151一1999 I级要求验收；管孔精度以自制的通轨和止规来检验，并做记录。如要求钻小φ25.4士0.05mm，即选用中φ25.45mm为止规，φ25.3 mm为通规。可以逐孔检查，对于超差管孔作出标记，以便采取特殊措施进行弥补；如为强度胀，胀槽深度应确保0.5 士0.05mm。对于采用液压袋式胀接的，根据目前科研试验结果，建议槽宽8mm ，槽间距为8 mm ，通常采用双槽结构；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。
四、管子与管板的链接
1、胀管
推荐采用液压袋式胀接方式，以保证胀接紧密程度均匀一致。因为液压袋式胀管机胀接压力是由人工设定、电脑控制操作的，精度较高。如φ25X2.5mm 的碳钢换热管其贴胀压力通常为110 一120MPa ，强度胀压力通常为170 一18oMPa 。当采特殊规格换热管时先进行理论计算，然后通过模拟试验，确认其贴胀及强度胀的适宜液压范围，以保证胀接连接的可靠性。
2、焊接
一般采用氢弧焊。焊缝高度H 值确保不小于管壁厚度的1.4 倍。采用双层氢弧焊，且第二层焊道的起弧处至少要偏离第一层焊道的起弧点90 ，以消除第一層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
图纸设计为贴胀十强度焊时，可采用如下两种拭：
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）。
当管板孔超标时，应先贴胀，再强度焊，以避免胀接时影响焊缝质量。
图纸设计为强度胀十强度焊时，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）
强度胀：系指为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。
五、结束语
综上所述，管壳式换热器中管程和壳程的主要分隔界面为管板与换热管的连接。由于壳程流体垂直于管子轴线方向流过管束时有可能诱发管束振动，因此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的热膨胀差而产生的应力，同时还要承受管束振动所产生的应力。CBI51 一1999《 管壳式换热器》中规定，对于设计压力小于等于4MPa ，设计温度低于300℃ 的换热器可采用胀接结构；而对于振动较小和无间隙腐蚀场合的可采用焊接结构；而对于密封性能较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板场合的，要采用胀焊结构。由此可见，单纯的胀接或焊接结构连接方式，其使用条件受到限制。胀焊并用结构由于能有效地阻尼管束振动对焊口的损伤、避免间隙腐蚀，并且有比单纯的胀接或焊接结构连接方式具有更高的强度和密封性，因而得到广泛应用。目前，对常规换热器通常采用的贴胀加强度焊的模式；而重要的或者使用条件要求苛刻的换热器则要求采用强度胀加强度焊结构模式。
参考文献
[1] 陶申昌. 管壳式换热器管板与换热管的连接[J]. 压力容器. 2002（04）
[2] 周朝剛，夏成君. 浅析换热器管板与换热管连接质量控制[J]. 石油和化工设备. 2014（12）
[3] 李小芹，申晓明. 换热器管板与换热管连接质量控制[J]. 化学工程与装备. 2009（05）
[4] 于彬，杨洪兰. 管壳式换热器中换热管与管板连接的工艺研究[J]. 金属加工（热加工）. 2010（06）
[5] 时黛，谢禹钧，林国庆. 固定管板式换热器管板与换热管的可靠性分析[J]. 当代化工. 2011（09）
关键词：管壳式换热器；换热管；质量控制；先胀后焊；制造工艺
一、先胀后焊
管子与管板胀接后，在管端应留有15mm 长的未胀管以避免胀接应力与焊接应力迭加，减少焊接应力对胀接的影响，15mm 长的未胀管段与管板孔之间存在间隙。在焊接时，由于焊接高温的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀。据国外资料介绍，间隙腔内气体压力在焊接收口时可达200 一300MPa ， 属超高压状态。间隙腔的高温高压气体在外泄时，对强度胀的密封性能会造成致命损伤，并且焊缝收口处亦将留下肉眼难以察觉的微孔。目前通常采用的机械胀，由于对焊接裂纹、气孔等敏感性很强的润滑油渗透进人了这些间隙，焊接时产生缺陷的现象就更为严重。这些渗透进入间隙的油污很难清除干净，所以采用先胀后焊工艺，不宜采用机械胀方式。由于贴胀是不耐压的，但可以消除管子与管板管孔之间的间隙，所以能有效地阻尼管束振动到管口的焊接部位。但是采用常规的手工或机械控制的机械胀无法达到均匀贴胀要求，而采用电脑控制胀接压力的液袋式胀管机胀接时可方便地均匀实现贴胀要求。采用液袋式胀管机胀接时，为了使胀接结果达到理想效果，胀接前管子与管板孔的尺寸配合在设计制造上必须符合较为严格的要求，只有这样才可采用常规设计的贴胀加强度焊方法；而对特殊设计的强度胀加强度焊则可采用：胀贴 强度焊 强度胀步骤次序。
二、先焊后胀
在制造过程中，每台换热器中都有相当数量的换热管，其外径与管板管孔之间存大较大间隙，且每根换热管与管板管孔之间间隙沿周向分布是不均匀的。当焊接完成后胀接时，管子中心线必须与管孔中心线重合。当间隙很小时，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，过大的胀接变形将超越15mm 未胀区的缓冲而对焊接接头产生损伤，甚至焊口开裂。所以对于先焊后胀工艺，控制管子与锈处理，管端除去内外毛刺，这对采用液压袋式胀管板孔的精度及配合为首要问题。当管子与管板管孔间隙小到一定值时，胀接过程将不损伤焊接接头质量。从有关部门曾经多次试验的结果证实，管口的焊接接头可以承受的轴向应力相当大，即使是密封焊，在做静态拉力试验时，管子拉断了，焊口拉脱。然而计算表明，焊口承受的剪切应力能力相对较差，所以强度焊后，由于控制达不到要求，可能造成过胀失效或胀接对焊接接头的伤害。
三、制造工艺
1、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在冷拔工时同一炉批次坯料，并在同一台经校并验合格的拉管机上生产，这样的换热管才能保证每根具有相同的材质、规格与精度。换热管外径的均匀一致，保证换热管与管板管孔间的间隙；换热管内径的均匀一致，保证与液压袋式胀管机胀头的匹配性，从而延长了胀头的使用寿命。一般管子与管孔间隙要求控制在0.3土0.05mm 范围内，而液压袋式胀管机胀头的外径与换热管内径的公差也应控制在0.3土0.05mm 范围内。
（2）管板
为使换热器管板管孔与换热管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精度尺寸，决定管板管孔的加工精度，如上所述，管板管孔的加工尺寸精度为已到货换热管外径的实际均0.3土0.05mm 。
2、换热管与管板的加工及验收要点
（1）换热管加工与验收要点
按采购要求进厂的换热管人库前应按相关标准逐项验收，精确测量内外径及其公差范围；换热管穿管前按实际测量管壳程长度一次性切好换热管，避免穿管后用角向砂轮机修磨。否则砂轮磨粒易嵌人管子与管孔的间隙中，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，这对采用液压袋式胀管机胀头时尤为重要。
（2）管板
管板应是合格锻件，希望内部材质均匀，胀接面上无影响胀接质量的缺陷。对于装置中关键位置的换热器，尽量采用高级别锻件。锻件除按相关标准验收外，还应做超声波复查；管板与折流板上管孔加工必须保证同轴度，采用同一块模板钻孔，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，否则将在穿管时发生很大困难；管板的钻削加工粗糙度、管板的管桥宽度GB151一1999 I级要求验收；管孔精度以自制的通轨和止规来检验，并做记录。如要求钻小φ25.4士0.05mm，即选用中φ25.45mm为止规，φ25.3 mm为通规。可以逐孔检查，对于超差管孔作出标记，以便采取特殊措施进行弥补；如为强度胀，胀槽深度应确保0.5 士0.05mm。对于采用液压袋式胀接的，根据目前科研试验结果，建议槽宽8mm ，槽间距为8 mm ，通常采用双槽结构；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。
四、管子与管板的链接
1、胀管
推荐采用液压袋式胀接方式，以保证胀接紧密程度均匀一致。因为液压袋式胀管机胀接压力是由人工设定、电脑控制操作的，精度较高。如φ25X2.5mm 的碳钢换热管其贴胀压力通常为110 一120MPa ，强度胀压力通常为170 一18oMPa 。当采特殊规格换热管时先进行理论计算，然后通过模拟试验，确认其贴胀及强度胀的适宜液压范围，以保证胀接连接的可靠性。
2、焊接
一般采用氢弧焊。焊缝高度H 值确保不小于管壁厚度的1.4 倍。采用双层氢弧焊，且第二层焊道的起弧处至少要偏离第一层焊道的起弧点90 ，以消除第一層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
图纸设计为贴胀十强度焊时，可采用如下两种拭：
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）。
当管板孔超标时，应先贴胀，再强度焊，以避免胀接时影响焊缝质量。
图纸设计为强度胀十强度焊时，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）
强度胀：系指为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。
五、结束语
综上所述，管壳式换热器中管程和壳程的主要分隔界面为管板与换热管的连接。由于壳程流体垂直于管子轴线方向流过管束时有可能诱发管束振动，因此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的热膨胀差而产生的应力，同时还要承受管束振动所产生的应力。CBI51 一1999《 管壳式换热器》中规定，对于设计压力小于等于4MPa ，设计温度低于300℃ 的换热器可采用胀接结构；而对于振动较小和无间隙腐蚀场合的可采用焊接结构；而对于密封性能较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板场合的，要采用胀焊结构。由此可见，单纯的胀接或焊接结构连接方式，其使用条件受到限制。胀焊并用结构由于能有效地阻尼管束振动对焊口的损伤、避免间隙腐蚀，并且有比单纯的胀接或焊接结构连接方式具有更高的强度和密封性，因而得到广泛应用。目前，对常规换热器通常采用的贴胀加强度焊的模式；而重要的或者使用条件要求苛刻的换热器则要求采用强度胀加强度焊结构模式。
参考文献
[1] 陶申昌. 管壳式换热器管板与换热管的连接[J]. 压力容器. 2002（04）
[2] 周朝剛，夏成君. 浅析换热器管板与换热管连接质量控制[J]. 石油和化工设备. 2014（12）
[3] 李小芹，申晓明. 换热器管板与换热管连接质量控制[J]. 化学工程与装备. 2009（05）
[4] 于彬，杨洪兰. 管壳式换热器中换热管与管板连接的工艺研究[J]. 金属加工（热加工）. 2010（06）
[5] 时黛，谢禹钧，林国庆. 固定管板式换热器管板与换热管的可靠性分析[J]. 当代化工. 2011（09）