关于换热管和管板的连接形式的讨论

Es前缘

换热管和管板的连接接头是管壳式热交换器设计、制造的关键点，
也是管壳式热交换器发生失效的主要部件之一，其可靠性直接影响管壳式热交换器的使用寿命。

在使用现场经常出现堵管，有些还要大面积堵管。

大面积堵管一般来说工艺条件有问题的可能性更大，尤其是带蒸发空间的固定管板换热器（有时间了再写遇到大面积堵管的小文章）。

换热管和管板的连接接头常见的是强度焊接，强度胀接和胀焊并用。

强度焊接里还有一类特殊的内孔焊；胀焊并用标准上分为强度胀接加密封焊，强度焊接加贴胀，实际使用中又出现了以为强度胀接加强度焊接的组合。

管头的密封最好的最有效的是焊接，焊接的质量再差密封的效果也比胀接强。






强度胀接方法常用的是机械胀接--非均匀胀接和柔性（液袋，橡胶等）胀接--均匀胀接。强度胀接是通过外力使换热管在管孔内膨胀并达到塑性变形，管板处于弹性或部分塑性变形（这就要求管板的强度要高于换热管的强度）；外力卸载后，管板弹性回弹大于换热管，管板抱紧换热管，可以承受换热管轴向机械和温差载荷且不泄漏。胀接可以消除换热管和管板的间隙，可以用于壳程有缝隙腐蚀倾向的场合，又由于连接形式不适用于存在振动或过大的温度波动的场合，由于暴力手段使换热管径扩大产生较大的冷作应力不适用于明显的应力腐蚀倾向的场合。机械胀可以称为机械滚珠胀，常用的是三滚柱，要求稍高可以要求用五滚柱胀。机械胀胀杆不能太细，胀接不能太长目前机械胀基本只用于管板比较薄的场合，管板稍厚基本都是用柔性胀接。因机械胀劳动强度大，效率低和效果操作者的经验挂钩。柔性胀接常用的是液袋胀接和橡胶胀接，液袋胀接工作原理见下图（优点胀后换热管干净，可用于先胀后焊），橡胶胀接（优点不用润滑剂，干净可用于先胀后焊）是利用机械力使特种橡胶长度缩短，直径增大从而带动换热管扩张达到胀接目的。标准规定的强度胀接适用范围：1）设计压力小于或等于4.0MPa；2）设计温度小于或等于300℃；3）操作中无振动，无过大的温度波动及无明显的应力腐蚀倾向。


液袋胀接工作原理




三滚柱机械胀
强度焊接是换热管与管板在换热管连接端部采用融化焊接的方法与管板形成焊接接头；在管程侧换热管端部连接就是我们常用的强度胀接，在壳程侧连接就是内孔焊（注意内孔焊只能是单侧管板，固定管板除非布管很少且换热管较短不然实现不了两侧管板与换热管接头都使用内孔焊）。同样的也可以承受换热管轴向机械和温差载荷且不泄漏。强度焊的单位面积承载能力高，致密性好，适用于压力和温度范围比强度胀接的宽，但接头的焊脚高度较小，易出现焊接缺陷，且换热管和管板存在间隙，不适用于有振动、有缝隙腐蚀倾向的场合。强度焊接的可靠性与焊缝形式和连接尺寸关系密切，原来国标只有完全强度焊，2014版算是出现了部分强度焊，对坡口和焊脚的要求不再一刀切那么高；组合焊脚高度由不小于1.4倍换热管壁厚改为按拉脱力校核计算确定并不小于1倍换热管壁厚。保证安全的前提下降低了组合焊脚高度，可避免对换热管端部产生损伤，还降低了焊接工作量，缩短了生产周期。内孔焊是标准新增的结构，但内孔焊在国内应用很早了三十年前我的老东家524厂（西安核设备）就开始用了。其特点：1）焊缝的温度接近于壳程介质温度；2）换热管与管孔间不存在间隙，不可能产生间隙腐蚀；3）焊接接头是对接形式，可以承受大载荷。因此内孔焊一般用在使用要求高，操作条件苛刻的场合，管程进口温度高时常在此侧管板上用内孔焊焊接接头。

由于单纯的强度焊接和强度胀接都有各自的短板，所以就产生了胀焊并用。胀接加焊接就客服了强度胀和强度焊的缺点，改善了可靠性，适用范围较广。对钢制管束一般采用强度焊加贴胀的组合连接；对于有色金属尤其是非镍基有色金属换热管和复合管板组合的场合，可以采用强度胀加密封焊的组合。但个人不推荐强度焊加强度胀的组合，由于位置关系接头最先受力的是强度胀，只有强度胀几乎遭到了破坏时才轮到强度焊的接头承受换热管的轴向载荷。如果要用强度焊加强度胀的所谓强强组合那么计算的时候就要强度胀和强度焊都要通过。注意贴胀的胀度一般是2%~4%，GB/T 151标准推荐是2%~3%。机械胀接的胀度在GB/T 151的表6-18.（吐槽一下这个表应该放在制造部分更合适，放在设计部分难道想要设计在图纸上表达胀度！）标准规定胀焊并用的适用范围：1）振动或循环载荷时；2）存在缝隙腐蚀倾向时；3）采用复合管板时。

上文多次提到缝隙腐蚀稍微解释一下：缝隙较小（0.025~0.1mm）再加上腐蚀介质是发生缝隙腐蚀的前提条件。壳程介质对管板或换热管有腐蚀时几乎都可能发生缝隙腐蚀，尤其是含氯离子的溶液。 就磨叽这么多吧！晚安！