换热管与管板的连接方式浅析解析.docx
《换热管与管板的连接方式浅析解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《换热管与管板的连接方式浅析解析.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
换热管与管板的连接方式浅析解析
换热管与管板的连接方式浅析
一、强度胀接—系指为保证换热器与管板连接的密封性能及抗拉强度的胀接；
1.适用范围：
1.1设计压力小于等于4Mpa；
1.2设计温度小于等于300℃；
1.3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。
1.4换热管的硬度值一般要求低于管板的硬度值；
1.5有应力腐蚀时，不应采用管端局部退火的方式来降低换热管的硬度；
1.6强度胀接的最小胀接长度应取管板的名义厚度减去3㎜或50㎜二者的最小值。
1.7当有要求时，管板的名义厚度减去3㎜或50㎜之间的差值可采用贴胀；或管板名义厚度减去3㎜全长胀接。
二、强度焊—系指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉强度的焊接。
1.适用范围：
1.1可适用于本标准（GB151）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。
三、胀焊并用--强度胀加密封焊（系指保证换热管与管板连接密封性能的焊接）、强度焊加贴胀（系指为消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接）两种方法；
1.适用范围：
1.1密封性能要求较高的场合；
1.2承受振动或疲劳载荷的场合；
1.3有间隙腐蚀的场合；
1.4采用复合管板的场合。
四、强度焊、强度胀、强度焊+贴胀、强度胀+密封焊。
这四种连接型式的差异主要反映在管孔是否开槽和焊接坡口及管子伸出长度（见151第69页表33的规定）等方面。
1.1焊接。
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。
1.2强度焊适用于压力较高的工况，形成焊缝强度较大又不损伤管头。
但这种焊接难度较大，手工氩弧焊时较慢，且一般不用于立式换热器的上管板。
1.3胀接。
换热管与管板的胀接有非均匀胀接（机械滚珠胀）和均匀胀接（液压胀接、液袋胀接、橡胶胀接、爆炸胀接）两大类。
1.4机械胀接是最早的胀接方法，也是目前使用最广泛的胀接方法。
这种方法简捷方便，需使用油润滑，油的污染使胀后的焊接质量得不到保障；且该方法使管径扩大产生较大的冷作应力，不适用于应力腐蚀场合。
五、除本标准规定的连接型式及尺寸外，当有成熟使用经验或操作需要时，也可采用其他结构型式和尺寸（即我们现在应用广泛的密封焊+贴胀）。
1.1密封焊—使换热管与管板的连接有效密封，并以适当的焊接方法、焊接工艺参数加强焊缝熔深，使之具备一定的焊缝强度。
1.2贴胀—尽量消除换热管与管孔之间的间隙，使两者紧密结合，起到一定的抗拉强度，减小设备运行时对密封焊缝的损伤。
同时通过控制胀接力，减小冷作应力，避免应力腐蚀。
六、换热管与管板连接方式的示意图：
1.1强度焊、强度胀：
1.2密封焊、贴胀：
浅谈换热器管板与换热管胀焊并用连接的制造工艺
GBl5l—l999标准中规定，强度胀接适用于设计压力~<4MPa、设计温度≤300℃、无剧烈振动、无过大温度变化及无应力腐蚀的场合；强度焊接适用于振动较小和无间隙腐蚀的场合；胀、焊并用适用于密封性能较高、承受振动或疲劳载荷、有间隙腐蚀、采用复合管板的场合。
由此可见，单纯胀接或强度焊接的连接方式使用条件是有限制的。
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，并且有比单纯胀接或强度焊具有更高的强度和密封性，因而得到广泛采用。
目前对常规的换热管通常采用“贴胀+强度焊”的模式；而重要的或使用条件苛刻的换热器则要求采用“强度胀+密封焊”的模式。
胀、焊并用结构按胀接与焊接在工序中的先后次序可分为先胀后焊和先焊后胀两种。
1先胀后焊
管子与管板胀接后，在管端应留有15ram长的未胀管腔，以避免胀接应力与焊接应力的迭加，减少焊接应力对胀接的影响，15ram的未胀管段与管板孔之间存在一个间隙（见图1）。
在焊接时，由于高温熔化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀。
据国外资料介绍，间隙腔内压力在焊接收口时可达到200～300MPa的超高压状态。
间隙腔的高温高压气体在外泄时对强度胀的密封性能造成致命的损伤，且焊缝收口处亦将留下肉眼难以觉察的针孔。
目前通常采用的机械胀接，由于对焊接裂纹、气孔等敏感性很强的润滑油渗透进入了这些间隙，焊接时产生缺陷的现象就更加严重。
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，不宜采用机械胀的方式。
由于贴胀是不耐压的，但可以消除管子与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼管束振动到管口的焊接部位。
但是采用常规手工或机械控制的机械胀接无法达到均匀的贴胀要求，而采用由电脑控制胀接压力的液袋式胀管机胀接时可方便、均匀地实现贴胀要求。
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。
只有这样对于常规设计的“贴胀+强度焊”可采用先胀后焊的方式，而对特殊设计的“强度胀+强度焊”则可采用先贴胀，再强度焊，最后强度胀的方法。
2先焊后胀
在制造过程中，一台换热器中有相当数量的换热管，其外径与管板管孔孔径之间存在着较大的间隙，且每根换热管其外径与管板管孔间隙沿轴向是不均匀的（见图2）。
当焊接完成后胀接时，管子中心线必须与管板管孔中心线相重合。
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，过大的胀接变形将越过15mm未胀区的缓冲而对焊接接头产生损伤，甚至造成焊口脱焊。
所以对于先焊后胀工艺，控制管子与管板孔的精度及其配合为首要的问题。
当管子与管板腔的间隙小到一定值后，胀接过程将不至于损伤到焊接接头的质量。
有关资料显示，管口的焊接接头承受轴向力的能力是相当大的，即使是密封焊，焊接接头在做静态拉脱试验时，管子拉断了，焊口将不会拉脱。
然而焊口承受切向剪力的能力相对较差，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损伤。
3合理的制造工艺
3.1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加工时应采用同一坯料（炉批次）的原料，并在同一台经校验试验合格的拉管机上生产，这样才能保证每根换热管具有相同的材质、规格与精度。
换热管外径的均匀一致能保证管子与管板管孔的间隙，内径的均匀一致能保证与液袋式胀管机胀头的匹配性，从而延长胀头的使用寿命。
一般管子与管板管孑L间隙要求控制在（O.3±O.05）mm范围内，而液袋式胀管机胀头外径与管子内径的公差也应控制在（O.3±0.05）ram范围内。
（2）管板
为使换热器管板管孔与管子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，管板管孔与已到货换热管实际均匀外径间隙仍应控制在（O.3±0.05）EITI范围内。
3.2换热管与管板的加工及验收
（1）换热管
①按要求采购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。
②换热管穿管前按实际测量壳程长度一次性切好换热管，避免穿管后用脚向砂轮机修磨。
当采用砂轮机修磨时，砂轮磨粒易溅人管子与管板管孔的间隙中，硅酸盐磨粒在焊接时将会产生夹渣，给焊接接头造成隐患。
③换热管穿管前胀接范围内管区应进行除锈处理，管端除去内外毛刺，这对采用液袋式胀头时尤为重要。
（2）管板
①管板应是合格的锻件，内部材质应均匀，胀接面上无影响胀接质量的缺陷。
对于装置中关键的换热器，尽量采用高级别锻件，锻件除按相关标准验收后，应做超声波复查。
②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，否则将使穿管发生很大的困难。
③管板的钻削加工粗糙度、管板的管桥宽度均按GB151—1999I级要求验收。
④管孔精度以自制的通规和止规来检验，并作记录。
如要求钻孔（25.4±0.05）mm，即选25.45mm为止规，25.3mm为通规，可以逐孔检查，对于超差孔应作出标记，以便采取特殊措施予以弥补。
⑤如为强度胀，胀槽深度应确保（O.5±O.05）InlTl范围。
对于液袋式胀接的方式，根据目前科研试验的结果，建议槽宽为8mm，槽间距为8mm，通常采用双槽结构。
⑥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。
3.3管子与管板的连接
（1）胀接
推荐采用液袋式液压胀接方式，以保证胀接紧密程度均匀一致。
因为液袋式胀管机其胀接压力是由人工设定，电脑控制操作的，精度较高如+25×2.5的碳钢换热管其贴胀压力通常为110—120MPa，强度胀压力为170—180MPa。
当采用特殊规格换热管时可以先理论计算，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
一般采用填丝氩弧焊。
焊缝高度H确保不小于管壁厚度的1.4倍。
采用双层氩弧焊，且第二层焊道起弧处至少要偏离第一层焊道起弧点15。
，以消除第一层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+强度焊”时，可采用如下两种方式：
①贴胀（盛水试漏）；强度焊（水压试验）。
②强度焊（压力试验）；贴胀（水压试验）。
当管板孔超标时，应先贴胀，再焊接，以免胀接时影响焊缝质量。
图纸设计为“强度胀+密封焊”时，建议采用如下方式：
贴胀（盛水试漏）；密封焊（压力试验）；强度胀（水压试验）。
4结语
国产换热器由于基本材料、加工精度及加工工艺方法均未达到优化组合，导致换热器使用寿命的相对降低。
目前已大量使用的胀焊并用结构的换热器，结合我国的国情，通过一系列的质量控制措施，完全可以制造出高质量、寿命长、用户满意的换热器。
管壳式换热器管子与管板的连接方法有哪几种？
如何选择？
根据换热器使用条件、加工条件的不同，基本可分为胀接、焊接、胀焊并用三大类。
其中胀接又可分为：
机械胀管、液压胀管、液袋胀管、橡胶胀管、爆炸胀管、脉冲胀管、粘胀等。
焊接分为：
普通焊接、内孔焊接、高频焊接、摩擦焊接、钎焊和爆炸焊接。
胀焊并用分为：
强度焊+贴胀、强度焊+强度胀、强度胀+密封焊、强度胀+贴胀+密封焊、强度焊+强度胀+贴胀。
管壳式换热器中换热管与管板连接的工艺研究
摘要：
管壳式换热器中换热管与管板的连接质量直接影响着换热器的质量和使用寿命。
通过对换热管与管板连接的工艺方法进行系统的研究，并进行综合的评价，这些研究在实际生产中的应用具有一定的指导意义和适用价值。
一、概述
换热器作为将物料之间热流体的部分热量传递给冷流体的传热设备，在人们日常生活及石油、化工、动力、医药、原子能和核工业等行业中有着广泛的应用。
它可作为独立的设备，如加热器、凝汽器、冷却器等；也可作为某些工艺设备的组成部分，如一些化工设备中的热交换器等。
尤其在耗能用量较大的化工行业中，换热器在化工生产的热量交换和传递过程中是不可缺少的设备，在整个化工生产设备中也占有相当的比例。
换热器从其功能上来看，一方面是保证工业过程对介质所要求的特定温度，另一方面也是提高能源利用率的主要设备。
按其结构形式主要有板式换热器、浮头式换热器、固定管板式换热器和U形管式换热器等等。
其中除板式换热器外，其余几种属于管壳式换热器。
由于管壳式换热器具有单位体积上较大的换热面积，而且换热效果好，同时具有结构坚固、适应性强、制造工艺成熟等优点，已成为最为普遍使用的一种典型的换热器。
二、管壳式换热器中换热管与管板的连接
在管壳式换热器中换热管和管板是换热器管程和壳程之间的惟一屏障，换热管与管板之间的连接结构和连接质量决定了换热器的质量优劣和使用寿命，是换热器制造过程中至关重要的一个环节。
大多数换热器的破坏及失效都发生在换热管与管板的连接部位，其连接接头的质量也直接影响着化工设备及装置的安全可靠性，因此对于管壳式换热器中换热管与管板的连接工艺就成为了换热器制造质量保证体系中最关键的控制环节。
目前在换热器制造过程中，换热管与管板的连接主要有：
焊接、胀接、胀接加焊接以及胶接加胀接等方法。
1.焊接
换热管与管板采用焊接连接时，由于对管板加工要求较低，制造工艺简单，有较好的密封性，并且焊接、外观检查、维修都很方便，是目前管壳式换热器中换热管与管板连接应用最为广泛的一种连接方法。
在采用焊接连接时，有保证焊接接头密封性及抗拉脱强度的强度焊和仅保证换热管和管板连接密封性的密封焊。
对于强度焊其使用性能有所限制，仅适用于振动较小和无间隙腐蚀的场合。
采用焊接连接时，换热管间距离不能太近，否则受热影响，焊缝质量不易得到保证，同时管端应留有一定的距离，以利于减少相互之间的焊接应力。
换热管伸出管板的长度要满足规定的要求，以保证其有效的承载能力。
在焊接方法上，根据换热管和管板的材质可以采用焊条电弧焊、TIG焊、CO2焊等方法进行焊接。
对于换热管与管板间连接要求高的换热器，如设计压力大、设计温度高、温度变化大，以及承受交变载荷的换热器、薄管板换热器等宜采用TIG焊。
常规的焊接连接方法，由于管子与管板孔之间存在间隙，易产生间隙腐蚀和过热，并且焊接接头处产生的热应力也可能造成应力腐蚀和破坏，这些都会使换热器失效。
目前在国内核工业、电力工业等行业使用的换热器中，换热管与管板的连接已开始使用内孔焊接技术，这种连接方法将换热管与管板的端部焊接改为管束内孔焊接，采用全熔透形式，消除了端部焊的缝隙，提高了抗间隙腐蚀和抗应力腐蚀的能力，其抗振动疲劳强度高，能承受高温、高压，焊接接头的力学性能较好；对接头可进行内部无损探伤，焊缝内部质量可得到控制，提高了焊缝的可靠性。
但内孔焊接技术装配较难，对焊接技术要求高，制造和检验复杂，并且制造成本相对较高。
随着换热器向高温、高压和大型化发展，对其制造质量要求越来越高，内孔焊接技术将会得到更加广泛的应用。
2.胀接
胀接是一种传统的换热管与管板的连接方法，利用胀管器械使管板与管子产生弹塑性变形而紧密贴合，形成牢固连接，达到即密封又能抗拉脱的目的。
在换热器的制造过程中，胀接适用于无剧烈的振动，无过大的温度变化，无严重的应力腐蚀的场合。
目前采用的胀接工艺主要有机械滚胀和液压胀接。
机械滚胀胀接不匀，一旦管子与管板连接失效再用胀管来修复十分困难；采用液袋式液压胀接由电脑控制操作，精度较高，并能保证胀接紧密程度均匀一致，连接的可靠性比机械胀接要好。
但对加工精度要求严格，对密布的接头要保证100%胀接成功也有一定困难，如果失效再胀接修复也较为困难。
3.胀接加焊接
当温度和压力较高，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。
目前广泛采用的是胀焊并用的方法。
胀接加焊接结构能够有效地阻尼管束振动对焊缝的损伤，可以有效地消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高了接头的抗疲劳性能，从而提高了换热器的使用寿命，比单纯胀接或强度焊具有更高的强度和密封性。
对普通的换热器通常采用“贴胀%强度焊”的形式；而使用条件苛刻的换热器则要求采用“强度胀%密封焊”的形式。
胀接加焊接按胀接与焊接在工序中的先后次序可分为先胀后焊和先焊后胀两种。
（1）先胀后焊胀接时使用的润滑油会渗透进入接头间隙，而它们对焊接裂纹、气孔等有很强的敏感性，从而使焊接时产生缺陷的现象更加严重。
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，不宜采用机械胀接的方式。
采用贴胀虽不耐压，但可以消除管子与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼管束振动到管口的焊接部位。
但是采用常规手工或机械控制的胀接方法无法达到均匀的贴胀要求，而采用由电脑控制胀接压力的液袋式胀接方法可方便、均匀地实现贴胀要求。
在焊接时，由于高温熔化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀，这些具有高温高压的气体在外泄时对强度胀的密封性能会造成一定的损伤。
（2）先焊后胀对于先焊后胀工艺，首要的问题是控制管子与管板孔的精度及其配合。
当管子与管板管孔的间隙小到一定值后，胀接过程将不至于损伤焊接接头的质量。
但是焊口承受剪切力的能力相对较差，所以强度焊时，若控制达不到要求，可能造成过胀失效或胀接对焊接接头的损伤。
在制造过程中，换热管的外径与管板管孔之间存在着较大的间隙，且每根换热管的外径与管板管孔间隙沿轴向是不均匀的。
当焊接完成后胀接时，管子中心线必须与管板管孔中心线相重合，才能保证接头质量，若间隙较大，由于管子的刚性较大，过大的胀接变形将对焊接接头产生损伤，甚至造成焊口脱焊。
4.胶接加胀接
采用胶接和胀接的工艺有助于解决换热器中换热管与管板连接处经常出现的泄漏和渗漏的问题，重要的是根据被胶接件的工作条件正确选择胶接剂。
在工艺实施过程中要结合换热器的结构、尺寸选择好工艺参数，主要包括固化压力、固化温度、胀紧力等，并在生产过程中严格进行控制。
此工艺简单、易行、可靠，在企业的实际使用中已得到了认可，具有推广价值。
三、结语
（1）在管壳式换热器换热管与管板的连接方法中，单独采用常规的焊接或胀接都难以保证连接强度和对密封性的要求。
（2）采用胀接加焊接的方法有利于保证换热管与管板间的连接强度和密封性，提高换热器的使用寿命。
（3）采用胶接加胀接的方法有助于解决换热管与管板连接时出现的泄漏和渗漏问题，工艺简单易行可靠。
（4）内孔焊接技术作为一种全熔透的焊接方法，抗间隙腐蚀和抗应力腐蚀的能力、抗振动疲劳强度、焊接接头的力学性能都很好；焊缝内部质量可得到控制，提高了焊缝的可靠性。
首先更适宜在高端产品中推广应用。
英制普通螺纹规格表
英制普通螺纹（惠氏螺纹）--小螺纹系列（BA）
名义尺寸
牙型代号
大径
螺距
每英寸牙数
中径
小径
牙型高
底孔直径
BA
mm
mm
tpi
mm
外螺纹
H1
mm
d=D
p
d2=D2
d3
No.14
BA
1
0.23
110.4
0.86
0.72
0.14
0.75
No.13
BA
1.2
0.25
101.6
1.05
0.9
0.15
0.95
No.12
BA
1.3
0.28
90.71
1.13
0.96
0.17
1
No.11
BA
1.5
0.31
81.93
1.315
1.13
0.185
1.2
No.10
BA
1.7
0.35
72.57
1.49
1.28
0.21
1.35
No.9
BA
1.9
0.39
65.12
1.665
1.43
0.235
1.5
No.8
BA
2.2
0.43
59.07
1.94
1.68
0.26
1.8
No.7
BA
2.5
0.48
52.92
2.21
1.92
0.29
2
No.6
BA
2.8
0.53
47.92
2.48
2.16
0.32
2.3
No.5
BA
3.2
0.59
43.05
2.845
2.49
0.355
2.6
No.4
BA
3.6
0.66
38.48
3.205
2.81
0.395
2.95
No.3
BA
4.1
0.73
34.79
3.66
3.22
0.44
3.4
No.2
BA
4.7
0.81
31.35
4.215
3.73
0.485
3.9
No.1
BA
5.3
0.9
28.22
4.76
4.22
0.54
4.4
No.0
BA
6
1
25.4
5.4
4.8
0.6
5
55°圆锥管螺纹型式和尺寸
（2006-03-1314:
38:
47）
螺纹代号
基本尺寸
大径
螺距
每英寸牙数
中径
小径
牙型高度
圆弧尺寸
底孔尺寸
英寸
mm
mm
tpi
mm
外螺纹
H1
r
mm
d=D
p
d2=D2
d3
R1/16
1/16＂
7.723
0.907
28
7.142
6.561
0.581
0.125
6.4
R1/8
1/8＂
9.728
0.907
28
9.147
8.566
0.581
0.125
8.4
R1/4
1/4＂
13.157
1.337
19
12.301
11.445
0.856
0.184
11.2
R3/8
3/8＂
16.662
1.337
19
15.806
14.95
0.856
0.184
14.75
R1/2
1/2＂
20.955
1.814
14
19.793
18.631
1.162
0.249
18.25
R3/4
3/4＂
26.441
1.814
14
25.279
24.117
1.162
0.249
23.75
R1
1＂
33.249
2.309
11
31.77
30.291
1.479
0.317
30
R11/4
11/4＂
41.91
2.309
11
40.431
38.952
1.479
0.317
38.5
R11/2
11/2＂
47.803
2.309
11
46.324
44.845
1.479
0.317
44.5
R2
2＂
59.614
2.309
11
58.135
56.656
1.479
0.317
56
R21/2
21/2＂
75.184
2.309
11
73.705
72.226
1.479
0.317
71
R3
3＂
87.884
2.309
11
86.405
84.926
1.479
0.317
85.5
R4
4＂
113.03
2.309
11
111.551
110.072
1.479
0.317
110.5
R5
5＂
138.43
2.309
11
136.951
135.472
1.479
0.317
136
R6
6＂
163.83
2.309
11
162.351
160.872
1.479
0.317
161.5
制惠氏螺纹的型式尺寸
英制普通螺纹（惠氏螺纹）--粗牙（BSW）
名义尺寸
牙型代号
大径
螺距
每英寸牙数
中径
小径
牙型高
底孔直径
Ww
mm
mm
tpi
mm
外螺纹
H1
mm
d=D
p
d2=D2
d3
1/16＂
BSW
1.587
0.423
60
1.315
1.05
0.27
1.15
3/32＂
BSW
2.381
0.529
48
2.041
1.703
0.338
1.9
1/8＂
BSW
3.175
0.635
40
2.768
2.362
0.406
2.5
5/32＂
BSW
3.969
0.793
32
3.459
2.952
0.507
3.2
3/16＂
BSW
4.76
升级会员 