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換熱管和管板的連接方式
2024-11-03
鋼制管殼式換熱器在化工生產中應用十分普遍，不管是固定管板還是浮頭管板、U形管殼式換熱器，管子與管板的連接是換熱器中十分重要的結構和環節。
由于換熱管和管板是換熱器管程和殼程之間的唯一屏障，因此換熱管與管板連接接頭質量的好環是管殼式換熱器失效最主要的因素。
換熱器管板與管子的連接接頭型式，根據換熱器的使用條件不同，分為脹接、焊接、脹接加焊接。
首先將脹管器放入管子內，使管子徑口變大，發生塑性形變，緊緊貼合在管板上。而與管口接觸的管板由于管口變大也會隨著變大，從而發生彈性形變。
當脹管器拔出之后，管板的彈性形變會恢復之前的大小，但是發生塑性形變之后的管口仍然保持變大的狀態，不會恢復原狀，從而兩者緊緊連接在一起。
脹口質量的好壞主要取決于管端上徑向殘余壓縮應力，其值同管子與管板的材料及尺寸是否開槽、脹管率、管子與管板的徑向間隙，表面粗糙度等因素有關。
為了得到良好和穩定的脹口性能，除了嚴格控制管板的加工精度，保證管板材料與管子材料適當的硬度差，還需正確選用脹管器、脹管動力和控制手段，保證合適的脹度及采取合理的脹接順序等。
傳統脹接工藝
滾柱脹管法
在一個構架上嵌入三個小直徑的滾子,中間有一根錐型心軸的脹管器，脹管時將脹管器的圓柱部分塞入管孔內,利用電動、風動等動力旋轉心軸,通過滾子沿心軸周向旋轉,使心軸擠入管內面并強迫管子擴大,達到一定的脹緊度,使管子緊緊地脹接于管板的孔上。
示意圖如下：
脹管操作可分為前進式和后退式兩種,前進式是將構架插入管內,旋轉心軸,前進擠大,達到所定的緊固程度后電動機反轉,由管中拔出完成脹管過程。
反轉式和前進式一樣旋轉心軸前進,達到原定的緊固程度后電動機停止,同時后退裝置的離合器嚙合反轉,滾子和心軸的相對位置保持不變,一邊反轉一邊由該深度到入口處連續均勻地進行平行脹管。
由于這種脹接過程是由里至外,管子的伸長,發生在管板外側,可以消除管束的受力狀態,提高產品質量,故用于脹接長度大于60cm的連接。
爆炸脹管工藝
利用高能源的炸 藥,使其在爆炸瞬間(10×10-6～12×10-6s)所產生沖擊波的巨大壓力,迫使管子產生高速塑性變形,從而把管子與管板脹接在一起,實現管子與管板的連接。
工藝示意圖如下：
圖中柱狀炸藥放置于管端的中心,為防止沖擊波對管壁的損傷,炸 藥的周圍有一管狀緩沖填料(粘性物或者塑料),使壓力能均勻地傳遞到管壁上。
脹接新工藝
液壓脹管工藝
液壓脹管是一種新的脹接技術,它是通過對管子內表面施加高的液壓力,使管子塑性變形而脹接于板孔內表面的。
液壓脹接的脹管頭是直徑略小于管子內徑的一段芯棒,芯棒兩端的外圓表面上有多個密封件,在芯棒中部設有進油孔,在兩段密封件之間的管段內施以高壓,使管子發生塑性脹大變形而實現脹接。
示意圖如下：
在高加制造中采用液壓脹管比采用機械脹管具有明顯的優越性，特別是對產品只要密封性貼脹要求的脹接，不僅有效的提高工效，更主要的是脹接質量得到了明顯改善，在電廠運行時，避免或減少管端泄露，降低了高加停機給電廠造成的經濟損失，其社會效益顯著。
橡膠脹管工藝
橡膠脹壓新技術是在橡膠受力變形的基礎上發展起來的,它是利用橡膠彈性體的軸向壓縮產生的徑向壓力將管子脹接于管板上的。
當加載拉桿施加拉力時,脹管橡膠便受到軸向壓縮,并同時產生徑向擴展,該擴展力足以使管子材料發生變形,從而實現管子與管板間的連接。
工藝示意圖如下：
脹管橡膠采用彈性大,強度高的材料制成。為防止橡膠在高壓下的軸向移動,在脹管頭的兩端裝有特殊的硬橡膠密封環。
橡膠脹管的拉桿是用高強度鋼做成的。它是通過約20MPa的壓力水或油加載于拉桿上,由于拉力是背靠壓環達到平衡的,故組成了一個內力系統,而不需要其他支撐或約束。
焊接分強度焊和密封焊兩種。
焊接加工簡單、連接強度好，在高溫高壓時能保證連接處的緊密性與抗拉脫能力，管子與薄管板的固定更應采用焊接方法。當連接處焊接之后，管板與管子中存在的殘余熱應力與應力集中，在運行時可能引起應力腐蝕與疲勞破壞。
此外，管子與管板孔之間的間隙中存在的不流動的液體與間隙外的液體有著濃度上的差別，還容易產生間隙腐蝕，目前在工況要求較高的場合推薦采用內孔焊。
強度焊接
強度焊指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的焊接。
當換熱管與管板連接處焊接之后，管板與管子中存在的殘余熱應力與應力集中，在運行時可能引起應力腐蝕與疲勞。此外，管子與管板孔之間的間隙中存在的不流動的液體與間隙外的液體有著濃度大的差別，還容易產生間隙腐蝕。
除有較大振動及有間隙腐蝕的場合，只要材料可焊性好，強度焊可用于其他任何場合。管子與薄管板的連接應采用焊接方法。
強度焊接的示意圖如下：
密封焊接
蜜蜂焊接指保證換熱管與管板連接密封性能的焊接。
密封焊使換熱管與管板的連接有效密封，并以適當的焊接方法、焊接工藝參數加強焊縫熔深，使之具備一定的焊縫強度。
密封焊接的示意圖如下：
換熱管與管板采用焊接連接時，由于對管板加工要求較低，制造工藝簡單，有較好的密封性，并且焊接、外觀檢查、維修都很方便，是目前管殼式換熱器中換熱管與管板連接應用最為廣泛的一種連接方法。
在采用焊接連接時，有保證焊接接頭密封性及抗拉脫強度的強度焊和僅保證換熱管和管板連接密封性的密封焊。對于強度焊其使用性能有所限制，僅適用于振動較小和無間隙腐蝕的場合。
采用焊接連接時，換熱管間距離不能太近，否則受熱影響，焊縫質量不易得到保證，同時管端應留有一定的距離，以利于減少相互之間的焊接應力。換熱管伸出管板的長度要滿足規定的要求，以保證其有效的承載能力。
在焊接方法上，根據換熱管和管板的材質可以采用焊條電弧焊、TIG焊、CO2焊等方法進行焊接。對于換熱管與管板間連接要求高的換熱器，如設計壓力大、設計溫度高、溫度變化大，以及承受交變載荷的換熱器、薄管板換熱器等宜采用TIG焊。
焊接加脹接
當溫度和壓力較高，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。
目前廣泛采用的是脹焊并用的方法。脹接加焊接結構能夠有效地阻尼管束振動對焊縫的損傷，可以有效地消除應力腐蝕和間隙腐蝕，提高了接頭的抗疲勞性能，從而提高了換熱器的使用壽命，比單純脹接或強度焊具有更高的強度和密封性。
對普通的換熱器通常采用“貼脹%強度焊”的形式；而使用條件苛刻的換熱器則要求采用“強度脹%密封焊”的形式。脹接加焊接按脹接與焊接在工序中的先后次序可分為先脹后焊和先焊后脹兩種。
先脹后焊
脹接時使用的潤滑油會滲透進入接頭間隙，而它們對焊接裂紋、氣孔等有很強的敏感性，從而使焊接時產生缺陷的現象更加嚴重。這些滲透進入間隙的油污很難清除干凈，所以采用先脹后焊工藝，不宜采用機械脹接的方式。采用貼脹雖不耐壓，但可以消除管子與管板管孔的間隙，所以能有效的阻尼管束振動到管口的焊接部位。
但是采用常規手工或機械控制的脹接方法無法達到均勻的貼脹要求，而采用由電腦控制脹接壓力的液袋式脹接方法可方便、均勻地實現貼脹要求。在焊接時，由于高溫熔化金屬的影響，間隙內氣體被加熱而急劇膨脹，這些具有高溫高壓的氣體在外泄時對強度脹的密封性能會造成一定的損傷。
示意圖如下：
先焊后脹
對于先焊后脹工藝，首要的問題是控制管子與管板孔的精度及其配合。當管子與管板管孔的間隙小到一定值后，脹接過程將不至于損傷焊接接頭的質量。但是焊口承受剪切力的能力相對較差，所以強度焊時，若控制達不到要求，可能造成過脹失效或脹接對焊接接頭的損傷。
在制造過程中，換熱管的外徑與管板管孔之間存在著較大的間隙，且每根換熱管的外徑與管板管孔間隙沿軸向是不均勻的。當焊接完成后脹接時，管子中心線必須與管板管孔中心線相重合，才能保證接頭質量，若間隙較大，由于管子的剛性較大，過大的脹接變形將對焊接接頭產生損傷，甚至造成焊口脫焊。
示意圖如下：
焊接加脹接根據加工條件可分為先焊后脹、先脹后焊，其優缺點如下：
先脹后焊制造工藝對管子和管板的清潔程度要求較高，否則極易產生制造缺陷。而先焊后脹對管板和管子的清潔度要求不高。
焊縫質量和使用效果方面來看，先焊后脹工藝亦大大優于先脹后焊工藝。
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