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导语
换热管管板和管子的连方式，你知道吗？不同的接方式有
小七给大家整理了几种用的换热器管板与管子的接方式，
钢制管壳式换热器在化工生产中应用十分普遍，不管是固定管板还是浮头板、U形管式换热器，管子与板的连接是换热器
由于换热管和管板是换热器管程和壳程间的唯一屏障，因此换热管与管连接接头质量的环是管壳式换热
换热器管板与管子的连接接头式，根据换热器的使用条件不同，为胀接、焊
胀接
首先将胀管器放入管子内，使管子径口变大，生塑性形变，紧紧贴合在板上。而管口接触的管板由管口变大也会随着
当胀管器拔出之后，管板的弹性形变会恢复之的大小，但是发生塑性形之后的管仍然保持变大的状，不会恢复原状，而
小七笔记
胀口质量的好坏主要取决于管端上径向残余压应力，其值同管子与管板的料及尺寸否开槽、胀管率、管与管板的径向间隙，
为了得到良好和稳定的胀口性能，除了严格控制管板的加工度，保证管板材料与管子材料适的硬度差，还正确选用胀器、胀管动和控制手段，保证合适胀及采
传统胀接工艺
滚柱胀管法
在一个构架上嵌入三个小直径的滚子,中间有一根锥型心轴的胀管，胀管时胀管器的圆柱部分塞入管孔内,利用电动、风等动力旋转心轴,通滚子沿心轴周向转,使心轴挤入内面并强迫管子扩大,达一定的紧,使子
示意图如下：
胀管操作可分为前进式和后退式两种,前进式将构架插入管内,旋转心,前进挤,达到所定的紧固度后电动机反转,管
反转式和前进式一样旋转心轴前进,达到原定的紧固程度后动机停止,同时后退装置的离合器合反转,滚子心轴的相对置保持不变,一边反转一边由该深度到口连续
小七笔记
由于这种胀接过程是由里至外,管子的伸长,发生在管板外侧,可以除管束的力状态,提高产品量,故用于胀接长
爆炸胀管工艺
利用高能源的炸 药,使其在爆炸瞬间(10×10-6～12×10-6s)所产生冲击的巨大压力,使管子产生高塑性变形,从而把管子与管板胀接在,实现
工艺示意图如下：
小七笔记
图中柱状炸药放置于管端的中心,为防止冲击对管壁的损伤,炸 药周围有一管缓冲填料(粘性物者塑料),使压能
胀接新工艺
液压胀管工艺
液压胀管是一种新的胀接技术,它通过对管子内表面施加高的压力,使管塑性变形而胀
液压胀接的胀管头是直径略小于管子内径的一段芯棒,芯棒端的外圆表面上有多个密封件,芯棒中部设有油孔,在两密封件之间管段内施以高压,使管发塑性
示意图如下：
小七笔记
在高加制造中采用液压胀管比采用机械胀管具有明显的优越性，特是对产品只密封性贴胀要求的胀接，不仅有效的提高工效，更主要的是胀接质得到了明显改善，电厂运行时，避或减少管端泄露，降低高加停机电造成经
橡胶胀管工艺
橡胶胀压新技术是在橡胶受力变形的基上发展起来的,它是利用橡胶性体的轴向压缩生的径向压力将
当加载拉杆施加拉力时,胀管橡胶便受到轴压缩,并同时产生径向展,该扩力足以使管子材发生变形,从而实
工艺示意图如下：
小七笔记
胀管橡胶采用弹性大,强度高的材料成。为防止橡胶在高压下的向移动,在胀头的两端装有特
橡胶胀管的拉杆是用高强度钢做成的。它是通过约20MPa的压力水或油加载于拉上,由于拉是背靠压环达到平衡的,故组成了一个内力系统,不需
焊接
焊接分强度焊和密
焊接加工简单、连接强度好，在高温高压时能保证连接处的紧密性与拉脱能力，管子与薄管板的固定更应采焊接方法。当连处焊接之后，管与管子中存的残余热应力与应力中，在行可能
此外，管子与管板孔之间的间隙中存在的不流动液体与间隙外的液体有着度上的差别，还容易产生间隙腐，目前在工况要求较场合
强度焊接
强度焊指保证换热管与管板连接的密封性能及拉脱强
当换热管与管板连接处焊接之后，管板与管子中存在的残余热应力与力集中，在运行时可能引起应力腐蚀与劳。此外，管子管板孔之间的间中存在的不动的液体与间隙外的体有着度的差
除有较大振动及有间隙腐蚀的场合，要材料可焊性好，强度焊可用其他任何场合。子与薄管板的
强度焊接的示意
密封焊接
蜜蜂焊接指保证换热管与管板连接封性能
密封焊使换热管与管板的连接有效密，并以适当的焊接方法、焊工艺参数加强缝熔深，使之具
密封焊接的示意
小七笔记
换热管与管板采用焊接连接时，由于对管板加工要求较低，制工艺简单，有较好的密封性，并且接、外观检查、维修都很方便，是目前管壳换热器中换热管与管板连用最
在采用焊接连接时，有保证焊接接头密封性及抗拉脱强的强度焊和仅保证换热管和管板接密封性的密焊。对于强焊其使用能有所限制，仅适用于较小和
采用焊接连接时，换热管间距离不能太近，否则受热影响，焊缝质不易得到保证，同时管端应留有一的距离，以利于少相互之间的焊应力。换热伸出管板的长度要满足规定要，以
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。对于换热管与管板连接要求高的换热，如设计压力大、设计温度高、度变化大，以及承受交载荷的热、薄管
焊接加胀接
当温度和压力较高，且在热变形、热冲击、热腐和流体压力的作用下，换热与管板连处极易被破坏，采用接或焊接均难以保证强度
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振动对焊缝的损伤，可以有效地消除应力蚀和间隙腐蚀，高了接头的抗疲性能，从而提了换热器的使用寿命，单纯接强度焊
对普通的换热器通常采用“贴胀%强度焊”的形式；而使用件苛刻的换热器则要求采用“强胀%密封焊”形式。胀接加接按胀接焊接在工序中的先后次序分先胀
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、气孔等有很强的敏性，从而使焊时产生缺陷的现象更加严重。这些渗透进入间隙的油污难清除干净，所以采用先后焊工艺，不宜用机胀接的方式。采用贴虽不耐压，但可以消除管子与板管孔的隙，以有的尼
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，而采由电脑控制接压力的液袋式胀接方法可方便、均匀地实现贴胀求。在焊接时，由于温熔化金属的影响，隙内气体被加热急剧膨胀，这些具有高温高的气体在泄对强度密封
示意图如下：
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。当管子与管管孔的间隙小到一定值后，胀接过程将不至于伤焊接接头的质量。是焊口承受剪切力能力相对较差，以强度焊时，若控制达不要求，能成过胀或
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，且每根换管的外径与管管孔间隙沿轴向是不均匀的。当焊接完成后胀接时，子中心线必须与管板管中心线相重合，才能证接头质量，若间较大，由于管子的刚性较大，大的胀接形对焊接头生
示意图如下：
小七笔记
焊接加胀接根据加工件可分为先焊后胀、先胀焊，其优
先胀后焊制造工艺对管子和管板的清程度要求较高，否则极易产生造缺陷。而先焊胀对管板和管
先胀后焊工艺其焊接对胀接有不利影响，易造胀接部位松驰。焊接时产的气体不易除，易出现焊缝缺，而先焊后胀可以
从焊缝质量和使用效果面来看，先焊后胀工艺亦大优于先
本文内容来源：化工707所著电书、
换热器管板与管子的连接方法与原理
管板与换热管的连接方式要胀接、焊接、胀
胀接分强度胀和贴胀两种，胀的方法要有滚胀、液压胀管、爆胀管，胀接是利用电动或风动等动力使心旋转挤入管迫使管子扩张产塑性变形而与管板贴，为了提高胀的质量，管端材的硬度应比管板低。若一使用胀接，一般使用条件为压力不超过4MPa，温不超过350℃。带槽孔的结构用于抗拉脱能力与密封性要求高的场合，管板中开的环小槽深为0.4～0.5mm，管子材料被胀挤槽内，可防止介质外泄，管板厚度小于30mm时，槽数为1，度大于30mm，数为2。液压胀、爆破具有劳动强度低、密封性能好，一般推荐在高温高压的工况下采用液
焊接分强度焊和封焊两种，焊加工简单、连强度好，在高温高压时能保连处的密性与抗脱能力，管子薄管板的定更应采用焊接方法。当接处焊接之后，管板与管子中存在残余热应力与应力集中，在运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破坏，此外，子与管板孔之间的间隙中存在的不流动的液体与间隙外的液有着浓度差别，还容产生隙腐蚀，目前在工况要求较高的场合推荐采
采用胀焊结合的方法，不仅能提高连接处的抗疲性能，还可消除力腐蚀和间隙蚀，
采用强度胀+密封焊的结合方式，胀接承受拉脱力，焊接证紧密性，采用强度焊+贴胀的结合式，焊接承受拉脱力，接消除
提高换热器管板与管子连接接头质量浅谈
提高换热器管板与管子连接接头质
摘要 通过分析换热器管板与管子连接头的接头型式及相关要素，提
中的控制环节、控制方
关键词 连接接头 胀接 焊 胀接加焊接 胀管率
Discussion of Enhancing Tube and Tubesheet Joint Quality in
Heat Exchangers
Cai Renlong
Saint Nuo Jiang Nan Chemical Machinery Co. Ltd. Zhangjiagang 215600
Abstract:In this article, after the analysis of the type of the joint between the tube and
tubesheet and relevant factors, the key stage in the fabrication and appropriate method for
controlling the quality of the joint were presented.
Keywords:joint, expanding, welding, expanding plus welding, tube expanding
efficiency, joint quality
1 前言
钢制管壳式换热器在化工生产中应用分普遍，不管固定管板还浮
壳式换热器，管子与管板的连接是换热器十分重要的结和环节。由换
热器管程和壳程之间的唯一屏障，因此换管与管板连接头质量的好是
效最主要的因素，也因此成为户和制造单位共同关注
2 管板与管子连接接头
换热器管板与管子的连接接头型式，据换热器的使条件不同，为
接加焊接。
2.1 胀接
胀口质量的好坏主要取决于管端上径残余压缩应力，其值同管子管
是否开槽、胀管率、管子与管板的径向间，表面粗糙度因素有关。了
的胀口性能，除了严格控制管板的加工精，保证管板材与管子材料当
正确选用胀管器、胀管动力和控制手段，保证合适的胀度及采取合理胀
2.2 焊接
管子和管板焊接最主要的问题是焊接陷。预防措施打磨管端防结
接过程使不发生烧穿或未焊透等现象外，某些容易产生纹的材料，可
的办法，以减小管子与管孔的间隙。焊接为防止焊接变和减少残余
分成若干区，焊接时由中央开放射形地在对角区域顺
2.3 焊接加
焊接加胀接根据加工条件可分先焊后胀、先胀后焊，其
? 先胀后焊制造工艺对管子和管板的清洁程要求较高，否则极易产生制造缺陷。而先焊后胀对管和子的
? 先胀后焊工艺其焊接对接有不利影响，易造成胀接位松驰。焊时产生的气体不易排除，易现焊缝缺陷，而先焊后以根本
? 从焊缝质量和使用效果方面来看，先焊后胀艺亦大大优于先后焊工艺。 3 制
在管壳式换热器制造过程中应采用管子管板全自动弧焊，采用先焊后胀制造工艺等，具牢抓
(1) 严把原材料入
尽量订购较高级冷拔管，对每批换热管，检验派人到换热管生厂监督试压，管外
(2) 严格把好管板加工
管板管孔的加工用二次钻孔，保证管孔尺寸度表面粗糙度要求。管孔在加工时高尺精度都I级换热管孔尺寸要求加工。管孔壁不能砂眼、坑痕、边缘毛刺、纵向刻(当图样结构为强度胀不焊接时，为保证接万无一失管孔加工增加铰孔工序。检验员在对管板检验时，要求每一个孔都要测量，掌握各区域管孔尺寸范围做好记录。对尺寸处于上限的管孔选配外径上偏差的子，以弥子与管孔的间隙，并且好标记，在胀接时特别注意，且胀管率取上限，以保证
(3) 控制管板管子的硬
管板与管子的连接用胀接工艺，管硬度应于管板硬。度差控制在HB 20,30 以上，则应管子两退火处理，火长度一般取200,250mm，热燃料用木炭焦炭等。碳素钢管加的温度取600,650?，合金钢管加热温度取650,700?，加热时管子的另一端必须堵死，避免因空气对流而影响加热，加热时应经常转动管子，管壁各处的受热均匀，免局部过热。保温时间10,15min，取出后埋在温热干燥的砂子或用保温材料(石)包，慢慢冷却。当采用胀接工艺时，管端须检查，如有纵向伤痕
(4) 正确选用管器，控制合适的
胀接中必须保持合适的胀紧度。欠胀能保证胀口的封性，过胀因
导致管子断裂和管板变形，胀度可用胀管率来表示，根据规，当采用内控制法时，强度胀胀管率控制在1,2.1,范，胀管
H={(d1，2t),d,1}×100,
其中:
d1 胀管完后管子实测内
t 未胀时管子实测壁
d 未胀时管孔实测直
经换算得公
?d=(1，H)d,d3
其中:
?d 换热管胀前后内径的增
d 未胀时管孔实测直
d3 未胀时管子外
我公司通过多年实践，原则强度时胀管率制在1.8,左右,贴时控制在0.9,。体控制办法是根据换热管的直径、壁厚，按控制的胀管率计胀接后热管的内径，用控制胀接后管子径的办法来控制胀管率。根据板、换热管接头的构式来选择胀管率的类、滚柱长度、位置等结构尺寸，保胀接起始位置(管板外侧)与焊缝有足够的距离(原则上15mm)不致胀裂头焊缝，同时要保证胀接不超过管板内侧，且与管板内侧端面有3mm距离以防胀接过渡区管子的应力集中。在正胀接前行试胀，试胀管板的厚度取产管板厚度小5mm，以检查胀管器的量和管的胀接性能，同时根据试胀结果确定胀管器胀柱在什么置时，胀管率达到控制，并做好胀杆的最位标记，在实际胀接时供操作使。强度胀一般分二遍胀，并且注意胀接顺序，中心区先胀，然放形地胀周边区，以减小管板变形，
(5) 采用先焊后胀的制
管板管孔换热管管端清洁程度对头的焊接质量影响很大，管在钻时由润滑油和冷却液管孔周留下的油污、水份用高蒸汽来冲洗干净，然后再用压空气吹干。换热管的管端长度二倍的管板厚度，采用布砂轮抛,去除管端及外表面的铁锈和污物。换热管与管板装后，规定的时间内成
(6) 采用管子管板全自动
管板与换热管接头的焊接采用管子管全自动氩弧焊，由专职的焊施
备、熟练的术、高度的工作任心保证焊接质。施焊时每个接头焊道，且第二道收弧处过第一道起弧处15?,使起弧点与收弧点处相对薄弱的部位并重叠，这些措施不仅提高焊缝内在质，且能够保证
(7) 采用切实有效的检
我公采用胀接前胀后壳程二次试的办法来检验焊接、胀接质量。焊接胀接前壳程以0.6MPa表压压缩空气气密性试验检接头质量,然后再按要求胀接，胀按图样要
4 结语
综上所,钢制管壳式换热器加工制作,只要格理,保证焊接质量，证合适的胀管率及采取合的胀接顺序,采用切实效的检测手段,完全能够为用户制造出优质的产品。 作者单位:蔡仁龙(江苏张家港市圣江南工机械有限公
,1,GB151,89 《钢制管壳式换
,2,化工设备设计书《换热器设
,3,孙祥升，换热器管子与管板接头连接方
,4,《热水锅炉安全监察
双壳程U型管换热器管子与管板连接失效分析
收稿日期 :2004201224
作者简介 :陈 凤 (19782) , , 江苏京人 , 硕士研究 , 主要研究方过程设
文章编号 :100027466(2004) 0120011204
双壳程 U 型管换热管子与管板连接
陈 凤 1, 刘桐生 1, 桑
(11南京工业大学 机械与动力工程学院 , 江苏 南京 210009; 21
公司金陵分公司 机动处 , 江苏 南京 210033)
摘要 :介绍了壳程 U 管换热器的 1种极为少见的失效形 , 并失效原因进行了初步分析 , 从而为这种结构型式换器的设计 、 制造和使用提供依据和注意事项 。 关 键 词 :换热器 ; 轴力 ; 有限元模拟 ; 断裂 ; 应力集中 ; 腐蚀疲
F ailure analysis of tube 2to 2tubesheet joints of dual 2shell U 2tube heat CHE N Feng 1, LI U T ong 2sheng 1, S ANG Zhi 2fu 1, C AO Lin 2rong 2, G U Xun 2
(1. C ollege of Mechanical Engineering , Nanjing University of T , ;
2. Mechanic and P ower Division , Jinling , , Abstract :In the present w ork , a rarely exchanger was studied , and the prelimi 2
nary reas on of the failure was to and notew orthy items during designing , manu facturing and using the kind of K ey w ; ; finite element simulation ; cracking ; stress concentration ; corrosion fatigue
接接头处 , 其质量好直接影响到化装置生产的 安全可靠性 。 对于力高 、 直径大 、 束长的型换 热器 , 一旦出泄漏其直接及间接损失则更为严重 。 因此 , 对管子与管板连接结构进行研究 , 制订出详尽 合理设计 、 制造及质量控制措施 , 延长设备的操作 期和使命 , 对于
在管壳式换热器中 , 管程壳程主要分界 为管板与热的连接处 。 由于壳程流体垂直于 子轴线向 , 流过管束时有能诱发管束振动 , 所 以管子管板的连接处仅要承受管程和壳程的 力差以及由于它们热膨胀差而产生的应力 , 同还 要承受管束振动所产生的应力 。 G B 151-1999中规 定 , 对于设计压力小于等 4MPa , 设计度低于 300℃ 的换热器可以采用胀接结构 ; 对于振较小 和无腐的场合可以采用接结 ; 而对于密 封性能较高 、 承受振动或疲劳载荷 、
选用复合管板的场合就
见 , 单纯胀接或焊接结构连接式使用条件受 到制 。 胀焊并用的结构由于能效地尼管束 动对焊的损伤 , 避免隙腐蚀 , 并且比单纯接或 焊接结构具更高的强度和密封性 , 因而得到广泛 用 。 胀焊并用结构按胀接与焊接在工序中的先后 次序可以分为先胀后焊和先焊后胀 2种 [2]。 但论 是先焊后胀或者是先胀后焊 , 只要工艺得当 , 均可 保证管板与管子连接
某厂的锅炉给水预热 (E 21253) 是一双壳 U 型管换热器 , 其总长为 4273mm , 直径为 1250mm 。 管程与壳的设计压力分为 3. 5MPa 和 11MPa , 设计温度分别为 450℃ 和 350℃ , 介质分别为工艺 气与 锅 炉 给 水 。 U 型 管 为 32mm ×3. 5mm 的 0Cr18Ni9无缝钢管 , 管板料为 20MnM o Ⅱ 级件 , 并在管程侧堆焊 8mm 的 0Cr18Ni9。
第 33卷 第 4期 2004年 7月 石 油 化 工
设 备 PETRO 2CHE MIC A L E QUIP ME NT V ol 133 N o 14 July 2004
上部分处于高温区 ,
程隔板以下部分 , 因处于较低的温度 , 故管子管 板的连仅
该设备在运一段时间以后发生了漏事故 。 经拆检发 , 壳程隔板上的部换热管管头 与管脱开伸出管板 , 管伸出最长的约 200mm , 断裂位置主要在管与管板的连接焊缝处 , 见图 1所示 。 时观察到部分
值得注意的是 :① 管口连接缝断裂 , 子伸 出的情况仅出现在壳隔以上换热管 。 而壳程 板以下的热管管口 , 虽然未贴仅强度焊 , 但仍 完好无损 。 壳程隔板上部共 312个管口 , 断裂并脱 出计 87个 , 27. 88%。 ②管口出现断裂的换热管 大都集中壳程隔上 , 且位左 、 右折流板的重 叠区 , 即支撑跨距
。
图 1 断裂位置
2 结构分析 211 受
[7]
21111 操作压力 U 型管产生的
因壳程内 U 型管内 、 外侧的投影面积不
壳程操作压较高 , 故产生轴力 (图 2) 。 作在 U 型管外投影面积上的轴向力为 p (2R +d o ) d o , 作 用在 U 型管内侧投影面上的轴向力为 p (2R -d o ) d o , 因
F 1=p (2R +d o ) d o -p (2R -d o ) d o =2pd o
2
将 p =11MPa d o =32mm 代入 , 可得到 F 1=22528N 。 如此推力均匀作用于 U 型管的 2根管子 上 , 则每根管受
图 2 压力使 U 型管产生
21112 温差引 U 型管产生
因该换热器为一双壳程 U 型管换热器 , 壳程隔
板上 、 下的壳侧流体较大的温差 , 造成 U 型管上 、 下部分之产生较大温差 , 从而使 U 型管两管之间 产生形差 。 当变形受约束后 , 产生方向
。
图 3 温差使 U 型管产生
, 温度约 360℃
(450296℃ ) , :
1t 1
,
t 1。备安装时 20℃ , 在 360℃ 时 , 管
下部换热管因处于壳程隔
℃ (管程出口温度 296℃ , 壳程出口温度 350℃
) , 则 自由膨胀
δ2=α2L Δt 2
式中 , Δt 2为下部换热管实际增温 。在 310℃ 时 , 料线膨胀系
10-6/℃ , Δt 2=310℃ -20℃ =290℃ , 则 δ2=17. 74mm 。
实际上 、 下换热管由 U 部分联接在一起而 能由膨胀 , 加折流板的作用相互产生束 。假 设这种约束刚性 , 因而相互间产生作用力 F 2(图 3) , 对于上 、 下换热管 , 作用 F 2大小
δ1-δ2=F 2L A 1E 1+A 2E 2
其中
F 2=
δδ2L/A E
≈ 25724N
式中 , A 1、 A 2为上、 下换热管的截面积 , A 1=A 2=A =π(d o 2-d i 2) /4=313. 2mm 2, d i
E 为换热管材料的弹性模
MPa 。
21113 压力温度产生的轴
对上部换热管 :
F 1/2+F 2=36988N
? 21? 石 油
化 工 设 备 2004
对下部换热管 :
F 1/2-F 2=-14460N
由上述计结果可知 , 板上部的换热管推 力后使换热管管板中向管程侧脱出 。 而且隔板下 的换热管受力后被拉向管板内侧即壳程侧 。 因而 前者管子与管板的角焊受 , 而后
212
管口焊缝处应力集中及变形 按照上述计结果 , 采用 Ansys
拟软件 , 建管子与管板二维模型 , 对于管子与管 板连接缝的应集中及变形进行分析 , 即上 和下部换热管在压力温度的作用下所产生的轴向 力换热器管子与管板连接焊缝处的影响 , 其结果 见图 4所示 。 其中图 4a 是对应于换热器壳程隔板 以上的子在轴力作用下焊处
管口向外出呈喇叭口状 , 与现场破时的变形状况一致 。图 4b 为换器壳 程隔板以下管子在轴向拉力作用下管口焊缝处的 力及变形 , 下部管口最大力小于上部管
图 4 管子与管板接焊缝处的应力集
2. 3
U 型管工状态下的数值模 [8]对于 U 型管 , 采用 Ansys 有限元数模拟软件 , 对其上述计算中的工况进行数值分析 。 当程压 力为 3. 5MPa , 程
换热管壁温温差为 50℃
310℃
) , 果下端管口完好 , 而上部管的焊缝断 裂 , 弯曲半径 R =250mm 的上部换管会伸出管 板之外 111. 5mm 。 这与该换热器破坏时 , 管实际 伸出
为查找引起管口裂的主要成 , 对厂方供 的管束失效残骸进失效的观形貌分析和失效 部微观金分析 , 并运用扫描电显微镜分别对 管口与管板联接缝处的断口 、 管板孔口直管段的 裂纹断口进行形貌分析 , 选取无污染和有代表性的 二次裂纹 , 将其打开用 X 2RAY 能谱分二
所检查的 8联接焊缝上 45°, 刚好
(即壳程一侧 ) 裂 , 向侧 (即管程一侧 ) 发展 。对 提供的 8个试样进行仔细检查 , 无
对割取的断口试样用扫描电镜进行了断口形貌 分 。 管子管板联接焊缝处的断形貌照片见图 5, 为典型
, 有非常清的疲劳 纹 。 因 , 管子与管板联接处的裂是腐蚀 疲劳破 。管孔口处的断口扫描电照片见图 6, 在断口表都能看到清晰的腐蚀疲劳指纹形貌 — — — 腐蚀产物 +疲劳辉纹 。因此 , 管子与管板联接 焊 、 管板孔口内侧直
图 5 管子与管板连接焊
断口扫描电镜照片 (400×
) 在用扫描电镜观察分
?
31? 第 4期 陈 凤 , 等 :双壳 U 型管换器子与
图 6 管板孔口处的断
扩展区的不部位也进行了疲劳辉统计 (因腐蚀 破纹遭破坏 , 以下能作似估算 ) , 得管 子与管板联接焊缝的疲劳辉纹平均密度为 5~ 6条 /μm , 缝断口的截面厚度为 4mm , 由此得扩 展破裂所需循
如上述估算结果可靠 , 则述的疲劳属于高周 疲
313 腐蚀疲劳破裂的应力
关于引起腐蚀疲劳破裂的应力来源 , 目前可以 提供分析的靠
可以知道 , 在工作状态
988,
子产生约 45. , 这个力与引起 , 而 且该应力强度尚足以起处发生过载破坏 。 显 然 , 一定还存在有某种未的波动外力没有被发现 。 但 , 在管口与管板联接焊缝处存在应力集中 , 此处 的最应力可达 247. 5MPa , 已经超过了材的屈服 应力 。 交
此外 , 管子受侧向力 , 在管子轴向导致 管子沿截面裂应力 。从工艺角度看 , 该水冷器 管走合成 , 度高达 450℃ 。 在服役条件下 , 管 外一侧冷却水处于亚临的水 2气状态 。 此 , 管 子外表面会出现大量的气泡核 。 由于水温达临界 (气化 ) 状态 , 因此形成的气泡核长大到一定尺寸即 破灭 。 文献 [9]称 , 气泡在崩时产生的冲击波将对 金表面起强烈的锤作用 , 这种锤击作用的压力 可高达 140MPa 。 应作于管子的外壁表 , 一侧向高频随机波动力 。它与轴向应力联合作用 , 即会造成
4 结论
(1) 壳程压力对 U 型管会产生轴向推力 , 于 壳程压较高 , 换热管直径大的 U 型管换
(2) 由于双程 U 型管热器管 、 程流体在 壳程隔板两侧具温 , 特别是如 E 21253逆流操作 的换热器 , 会使 U 型管两侧 (同一 U 型管位于程 隔板两侧 ) 的换热管产生温差 , 从而引起热变形差 。 若热管的自由变形受到约束 , 如折流板 、 支撑及 U 型弯头的 , 则壳上 、 下的 U 型管内会产生方 向相反的温
(3) 对于 E 21253锅炉水预热器 , 由于力 的轴向推力与温差生的轴力相迭加后 , 隔 板以上的换热管受到由程侧向管程侧的轴向推 力 。 而隔板以下的换热管到由管程侧向壳程侧的 轴向拉力 。 此力隔板上换热管造成管
(4) 在换热管受到轴向力 ) 及轴向
接 , ,
(拉力 ) 5~6倍 。这样的应力中 , 容易造成管口焊缝
(5) 口与管板联接焊的开裂起始于壳侧 , 腐蚀介质自冷却水 。 腐蚀槽 、 45°浅裂痕和由 此发展的多条平行裂纹 , 及微观腐蚀疲劳辉纹均 可以说明口管板联接焊
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管壳式换热器中换热管与管板连接的工艺
一、概述
换热器为将物料之间热体的部分热传递给冷流体的传热设备，在人们日常生活及石油、化、动力、药、原子能和核工业行中有着广泛的应用。它作独立的备，如加热器、凝汽器、冷却器等；也可为某些工艺设备的组部分，如一些化工设备中热交换器。尤其在耗能用量较大的工行业中，换热在化工生产的热量交换和
换热器其功能上来看，一面是保证业过程对介质所要求的特定温度，另一方面也是提高能源用率的主设备。按其结构形式要板式换热器、浮头式换器、固定管式换热器和U形管式换热器等等。其中除式换热器外，其余几种于管壳式换热器。由于管式换热器有单位体积上较大的换热积，而且换效果，同时具有结构坚固、
二、管壳式换热器中
在管壳式热器中换热管和管板换热器管程和程之间的惟一屏障，换管与管板之间的连接结构和连接质量决定了换器的质量优和使用寿命，是换热器制过程至关重要的一个环节。大数热器破坏及失都发生在换热管与管板的连接部位，其连接接头的量也直接影响着化工设备及置的安全可靠性，因此对于管壳换热器中换管与管板的连接工艺就成为了换器制造质量保体系中关键的控制环节。目前在换热制造过程中，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
1.焊接
换热管管板采用焊接接时，由对管板加工要求较低，制造工艺简单，有较好的密封，并且焊、外观检查、维都很方便，是目前管壳式热中换热与管板连接应用最为广泛的一种连接法。在采用焊接连接，有保证焊接接头密封及抗拉强度的强度焊和仅保证热管和管连接封性的密封焊。对于
采用焊接接时，换热管间距不能太近，否则受热影响，焊缝量不易得到保证，同时管端应留有一定的离，以利减少相互之间的焊接应。换管伸出管板的长度要满足定要求，保证其有效的承载能力。在焊接方法上，根据热管和管板的材质可以采焊条电弧焊、TIG焊、CO2焊等方进行焊接。对于换热管与管间连接要求的换热，如设计压力大、设计温
常规的焊接接方法，由于管子与管板孔之间在间隙，易产生间腐蚀和过热，并且焊接接头处产生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。目前在内核工业、电力工等业使用的换热器中，换热管与管的连接已始使用内孔焊接技术，这种连接方法换管与管的端部焊接改管束内孔焊接，采用全熔透形，消除了端部焊的缝隙，提高了间隙腐蚀抗应力腐蚀的能力，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；对接头可进行内部损探伤，焊缝内部质量可得到控制，提高了焊的可靠性。但内孔焊技装配难，对焊接技术求高，制造和检验复杂，并制造成本相对高。随着换热器向、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
2.胀接
胀接是一传统的换热管与管板的连方法，利用胀器械使管板与管子产生弹性变形而紧密贴合，形成牢固连接，达到即密封又能拉脱的目的。换器的制造过程中，胀接用于无烈的振动，无过大的温度变，严重应力腐蚀场合。目前采用的胀接工艺主要有机械滚胀和液压接。械滚胀胀接不匀，一旦管子与管连接失效再用胀管来修复十分困难；用液袋式液胀接由电脑控制操作，精度较高，并保证胀接紧密程匀一，连接的可靠性比机械胀接要好。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
3.胀接加焊接
当温度和力较高，且在热变形、热击、热腐蚀和体压力的作用下，换热管板连接处极易被破坏，采用胀接或焊接均难以保证连强度和密封求。目前广泛采用的是胀并用方法。胀接加焊接结构能够有地尼管振动对焊的损伤，可以有效地消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提了接的抗疲劳性能，从而提高了换热的使用寿命，比单纯胀接或强度焊具更高的强度和封性。对普通的换热器通常采用“胀%强度焊”的式；而用条件苛刻的换热器则要求采用“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
（1）先胀焊胀接时使用的润滑油会透进入接头间，而它们对焊接裂纹、气孔等很强的敏感性，从而使焊接时产生缺陷的现象更加严重。这些渗透进入油污很难清除干净，所以采先胀焊工艺，不宜采用机械胀接的方。用贴虽不耐压，可以消除管子与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼束振动管口的焊接部位。但是采用常规工或机械控制的胀接方法无法达到均匀贴胀要求，而用由电脑控制胀接压力的液袋式胀接方可方便、均匀地现胀要。在焊接时，由于高温熔化金属的影，间隙内气被加热而急剧膨胀，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
（2）先后胀对于先焊后胀工艺，要的问题是控管子与管板孔的精度及其合。当管子与管板管孔的间隙小到一定值后，胀接过将不至于损伤接头的质量。但是焊口承剪切力能力相对较差，所以强度焊，控制不到要求，能造成过胀失效或胀接对焊接接头的损伤。在制造程中，换热管的外径与管板管孔之间存着较大的间隙，且每根换热管的外与管板管孔间沿轴向是不均匀的。当焊接完成后胀时，管子中心线与管管孔中心线相重合，才能保证接头量，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
4.胶接加胀接
采用胶和胀接的工艺助于解换热器中换热管与管板连接处经常出现的泄漏和渗的问题，重要的是根据被接件的工作条件正确选胶剂。在艺实施过程中要结合换热器的结、尺寸选择好工艺参，主要包括固化压力、固化温、胀紧力等，并在生过程中严进控制。此工艺简单、
三、结语
（1）在管壳式换热器换热与管板的连接方法中，单独采常规焊接或接都难以保证
（2）采用胀接加焊接方法有利于保证换热管与管间的连接
（3）采用胶接加胀接的法有助于解决换热管与管连接时出现泄漏和渗漏
（4）内孔焊技术为一种全熔透的焊接方法，间隙腐蚀和抗应力腐蚀的能力、振动疲劳强度、焊接接的力学性能很好；焊缝部质量可得到控制，提高了
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