一、概述
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換熱器作為將物料之間熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的傳熱設(shè)備，在人們?nèi)粘Ｉ罴笆?、化工、?dòng)力、醫(yī)藥、原子能和核工業(yè)等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。它可作為獨(dú)立的設(shè)備，如加熱器、凝汽器、冷卻器等；也可作為某些工藝設(shè)備的組成部分，如一些化工設(shè)備中的熱交換器等。尤其在耗能用量較大的化工行業(yè)中，換熱器在化工生產(chǎn)的熱量交換和傳遞過程中是不可缺少的設(shè)備，在整個(gè)化工生產(chǎn)設(shè)備中也占有相當(dāng)?shù)谋壤?/p>
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換熱器從其功能上來看，一方面是保證工業(yè)過程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，另一方面也是提高能源利用率的主要設(shè)備。按其結(jié)構(gòu)形式主要有板式換熱器、浮頭式換熱器、固定管板式換熱器和U形管式換熱器等等。其中除板式換熱器外，其余幾種屬于管殼式換熱器。由于管殼式換熱器具有單位體積上較大的換熱面積，而且換熱效果好，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、適應(yīng)性強(qiáng)、制造工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，已成為最為普遍使用的一種典型的換熱器。
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二、管殼式換熱器中換熱管與管板的連接
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在管殼式換熱器中換熱管和管板是換熱器管程和殼程之間的惟一屏障，換熱管與管板之間的連接結(jié)構(gòu)和連接質(zhì)量決定了換熱器的質(zhì)量?jī)?yōu)劣和使用壽命，是換熱器制造過程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。大多數(shù)換熱器的破壞及失效都發(fā)生在換熱管與管板的連接部位，其連接接頭的質(zhì)量也直接影響著化工設(shè)備及裝置的安全可靠性，因此對(duì)于管殼式換熱器中換熱管與管板的連接工藝就成為了換熱器制造質(zhì)量保證體系中最關(guān)鍵的控制環(huán)節(jié)。目前在換熱器制造過程中，換熱管與管板的連接主要有：焊接、脹接、脹接加焊接以及膠接加脹接等方法。
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1.焊接
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換熱管與管板采用焊接連接時(shí)，由于對(duì)管板加工要求較低，制造工藝簡(jiǎn)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(yīng)用最為廣泛的一種連接方法。在采用焊接連接時(shí)，有保證焊接接頭密封性及抗拉脫強(qiáng)度的強(qiáng)度焊和僅保證換熱管和管板連接密封性的密封焊。對(duì)于強(qiáng)度焊其使用性能有所限制，僅適用于振動(dòng)較小和無間隙腐蝕的場(chǎng)合。
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采用焊接連接時(shí)，換熱管間距離不能太近，否則受熱影響，焊縫質(zhì)量不易得到保證，同時(shí)管端應(yīng)留有一定的距離，以利于減少相互之間的焊接應(yīng)力。換熱管伸出管板的長度要滿足規(guī)定的要求，以保證其有效的承載能力。在焊接方法上，根據(jù)換熱管和管板的材質(zhì)可以采用焊條電弧焊、TIG焊、CO2焊等方法進(jìn)行焊接。對(duì)于換熱管與管板間連接要求高的換熱器，如設(shè)計(jì)壓力大、設(shè)計(jì)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。
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常規(guī)的焊接連接方法，由于管子與管板孔之間存在間隙，易產(chǎn)生間隙腐蝕和過熱，并且焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力也可能造成應(yīng)力腐蝕和破壞，這些都會(huì)使換熱器失效。目前在國內(nèi)核工業(yè)、電力工業(yè)等行業(yè)使用的換熱器中，換熱管與管板的連接已開始使用內(nèi)孔焊接技術(shù)，這種連接方法將換熱管與管板的端部焊接改為管束內(nèi)孔焊接，采用全熔透形式，消除了端部焊的縫隙，提高了抗間隙腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕的能力，其抗振動(dòng)疲勞強(qiáng)度高，能承受高溫、高壓，焊接接頭的力學(xué)性能較好；對(duì)接頭可進(jìn)行內(nèi)部無損探傷，焊縫內(nèi)部質(zhì)量可得到控制，提高了焊縫的可靠性。但內(nèi)孔焊接技術(shù)裝配較難，對(duì)焊接技術(shù)要求高，制造和檢驗(yàn)復(fù)雜，并且制造成本相對(duì)較高。隨著換熱器向高溫、高壓和大型化發(fā)展，對(duì)其制造質(zhì)量要求越來越高，內(nèi)孔焊接技術(shù)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。
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2.脹接
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脹接是一種傳統(tǒng)的換熱管與管板的連接方法，利用脹管器械使管板與管子產(chǎn)生彈塑性變形而緊密貼合，形成牢固連接，達(dá)到即密封又能抗拉脫的目的。在換熱器的制造過程中，脹接適用于無劇烈的振動(dòng)，無過大的溫度變化，無嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕的場(chǎng)合。目前采用的脹接工藝主要有機(jī)械滾脹和液壓脹接。機(jī)械滾脹脹接不勻，一旦管子與管板連接失效再用脹管來修復(fù)十分困難；采用液袋式液壓脹接由電腦控制操作，精度較高，并能保證脹接緊密程度均勻一致，連接的可靠性比機(jī)械脹接要好。但對(duì)加工精度要求嚴(yán)格，對(duì)密布的接頭要保證脹接成功也有一定困難，如果失效再脹接修復(fù)也較為困難。
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3.脹接加焊接
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當(dāng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)能夠有效地阻尼管束振動(dòng)對(duì)焊縫的損傷，可以有效地消除應(yīng)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(qiáng)度焊具有更高的強(qiáng)度和密封性。對(duì)普通的換熱器通常采用“貼脹%強(qiáng)度焊”的形式；而使用條件苛刻的換熱器則要求采用“強(qiáng)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。
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?。?）先脹后焊脹接時(shí)使用的潤滑油會(huì)滲透進(jìn)入接頭間隙，而它們對(duì)焊接裂紋、氣孔等有很強(qiáng)的敏感性，從而使焊接時(shí)產(chǎn)生缺陷的現(xiàn)象更加嚴(yán)重。這些滲透進(jìn)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(jī)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(dòng)到管口的焊接部位。但是采用常規(guī)手工或機(jī)械控制的脹接方法無法達(dá)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(shí)現(xiàn)貼脹要求。在焊接時(shí)，由于高溫熔化金屬的影響，間隙內(nèi)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(shí)對(duì)強(qiáng)度脹的密封性能會(huì)造成一定的損傷。
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?。?）先焊后脹對(duì)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(dāng)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(zhì)量。但是焊口承受剪切力的能力相對(duì)較差，所以強(qiáng)度焊時(shí)，若控制達(dá)不到要求，可能造成過脹失效或脹接對(duì)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(dāng)焊接完成后脹接時(shí)，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(zhì)量，若間隙較大，由于管子的剛性較大，過大的脹接變形將對(duì)焊接接頭產(chǎn)生損傷，甚至造成焊口脫焊。
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4.膠接加脹接
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采用膠接和脹接的工藝有助于解決換熱器中換熱管與管板連接處經(jīng)常出現(xiàn)的泄漏和滲漏的問題，重要的是根據(jù)被膠接件的工作條件正確選擇膠接劑。在工藝實(shí)施過程中要結(jié)合換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸選擇好工藝參數(shù)，主要包括固化壓力、固化溫度、脹緊力等，并在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格進(jìn)行控制。此工藝簡(jiǎn)單、易行、可靠，在企業(yè)的實(shí)際使用中已得到了認(rèn)可，具有推廣價(jià)值。
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三、結(jié)語
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?。?）在管殼式換熱器換熱管與管板的連接方法中，單獨(dú)采用常規(guī)的焊接或脹接都難以保證連接強(qiáng)度和對(duì)密封性的要求。
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?。?）采用脹接加焊接的方法有利于保證換熱管與管板間的連接強(qiáng)度和密封性，提高換熱器的使用壽命。
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?。?）采用膠接加脹接的方法有助于解決換熱管與管板連接時(shí)出現(xiàn)的泄漏和滲漏問題，工藝簡(jiǎn)單易行可靠。
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?。?）內(nèi)孔焊接技術(shù)作為一種全熔透的焊接方法，抗間隙腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕的能力、抗振動(dòng)疲勞強(qiáng)度、焊接接頭的力學(xué)性能都很好；焊縫內(nèi)部質(zhì)量可得到控制，提高了焊縫的可靠性，首先更適宜在高端產(chǎn)品中推廣應(yīng)用。
