管板与换热管之间的胀焊接技术

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—1999 I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1 10—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)。

1、管板与换热管焊接常存在问题

2、 在实际生产过程中曾发现有很多数量的自制管壳式换热器经常发生泄漏。尤其介质为循环水等水和有机物混合物的碳钢换热器, 泄漏频繁。经现场观察和分析,主要是管板与换热管焊接存在质量问题, 其次水和有机物混合物有较强腐蚀也是促进因素。常见的焊接质量问题有:

(1) 焊接长度不符合规定制造时管板加工坡口常偏小, 例如普通换热管<19 ×2、<25 ×2 国标规定l 3 须不小于2mm, <32 ×2. 5 以上不小于2. 5mm, 当壁厚增加还须适当增大。而实际却往往达不到。另外普通换热管<19 ×2、<25 ×2 伸出长度l 1 不小于1. 5mm,压力高时伸出长度l 2 加长到2. 5mm; <32 ×2. 5 换热管伸出长度l 1 不小于2. 5mm, 压力高时伸出长度l 2 加长到3. 0mm。而实际由于组装、下料控制不好等因素,甚至有些焊工焊接习惯原因, 也经常达不到所要求尺寸。这样焊接长度必然小于规定要求, 其承载能力下降, 按GB151 计算采用拉脱应力q =δt •a/ πdl 虽然在设计合格,但在实际却可能超标。

3、(2) 焊接前处理方法不好在制造过程中常见碳钢换热管管端清理不净或管头清理后较长时间未组装又生锈; 管板加工后长时间放置而生锈或涂防锈油,组装时均难清理。从而导致焊肉中杂质多。

(3) 焊接方法不当采用手工电弧焊时,引弧和熄弧直接在联接的角焊缝上,管板垂直位置焊接,焊缝一次成形,都较易导致夹渣和气孔。

4、2、分析和措施

换热管和管板焊接接头受载较特殊, 除了受管程和壳程压力差外,还有管板变形,特别是固定管板换热器还有温差应力。另外由于角焊接头本身具有应力集中, 存在焊接热应力, 虽有自限性, 但管板为密集开孔, 焊接时热影响大, 应力集中点多, 微裂纹产生可能性大。制造时虽有一段时间超压试验检漏,但在实际使用中, 承受管程和壳程升卸压等压力波动和温度变化, 焊接产生的气孔、夹渣、微裂纹在类似疲劳载荷作用下, 会迅速扩展, 造成泄漏, 特别当焊缝厚度薄时,承受能力更为不足。我公司曾有一台固定管板换热器在使用一个月后停车检修, 修补—试漏合格—开车又泄漏, 连续多次, 不断有新的换热器和管板焊接接头漏点出现。

针对上述情况, 我们采用合理的加工工艺和时间按排: 首先, 管板加工时间紧接在换热器组装前,管孔坡口尺寸加工到位; 换热管管端打磨后立即组装, 并检查伸出长度, 不合格者调整更换; 将换热器吊立, (可在车间地面挖建深井, 便于换热器放置) ,管板水平放置,对U型管束可支撑其管板,尽量使管板接近水平; 在焊前用钢丝刷清理, 压缩空气吹净等方法使见金属光泽; 在焊接过程中, 采用合理焊接工艺和速度, 使每根焊条焊完整个管的焊缝后在四孔中间三角区引弧和熄弧。对于碳钢换热器采用双道焊接: 先将管板和换热管先焊接一道; 然后, 用钢丝刷等清理干净; 根据现场情况采用试压检查或着色等方法检查, 有经验也可直接用肉眼检查; 对漏点和裂纹要打磨后补焊; 在以上工序所有完成后再焊接一道, 使焊接接头尺寸达到设计要求; 通过中间检查, 有效地消除了焊接缺陷, 从而保证换热器和管板焊接接头质量。对于一些耐蚀性能好的不锈钢材质且采用氩弧焊等来保证焊缝质量的换热器, 则可视情况采用一道或二道焊接, 但也应采用合理焊接工艺和速度来充分保证焊接接头尺寸。

经过上述措施后, 有效提高换热器和管板焊接接头的质量, 近几年来我公司制造的管壳式换热器在使用中没有出现管板泄漏事故, 节省了维修费用,减少生产损失。