管壳式换热器中换热管与管板连接的工艺

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。