浅谈换热器管束制作过程中的关键工序

摘 要：管壳式换热器属于多腔容器，且因含管板计算，因此设计复杂。本文就换热器管束制作过程中的关键工序进行了探讨，并针对关键工序提出了一些建议，以期能为更好地进行换热器管束的制作提供参考。

关键词：换热器；焊接方法；装配；胀管率的确定

中图分类号：TE96 文献标识码：B

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。而管束是换热器的重要组成部分，若换热器管束的制作不合理，很容易会导致换热管胀接失效、管板变形，严重时甚至使整台换热器报废，所以，做好管束制作过程中的控制对换热器的正常运行工作显得尤为重要。

1 选用合理的焊接方法

对比多个压力容器装置规程内要求可知，一般是均要求使用C类焊缝进行管板和筒体的焊接，且焊接时必须要进行全焊透结构焊接。为了能够真正做到规程要求，减少焊接时可避免的一些措施，防止额容器变形，提高其性能，在经过多个试验后认为可以采取如下方法进行：

1.1 确定焊接结构

在（45±2）°的坡口进行筒体端面加工时，一般需要将坡口钝边留出一个大约1mm至2mm的边。然后使用使用材料为16MnR、厚度为25mm至40mm的管板装修台阶。通常情况，台阶的直径4mm至5mm。筒体和管板之间需要留有约1mm至2mm的距离，如图1所示。

1.2 选择焊接方法

在总结规程内对焊接结构的要求和分析不同焊接方法之间的优劣势之后，本研究决定使用焊接成本非常低、质量极高、易成形且效率非常好的CO2气体保护焊作为主要焊接方法。

1.3 确定合理的焊接参数

确定焊接参数的目的主要是为了预防变形和提高质量。确定参数需要注意的事项：

（1）按照筒体厚度选择合理参数。若厚度在4.5mm至7mm以内，那么则选择一次成形方式；若厚度在7mm至11mm以内，那么则用二次成形方式。

（2）二次焊接成形第一层和第二层需先后间隔15min至20min，如此才可确保第一层的质量。

（3）需做好焊接面的清洁工作。包括清理杂物、擦除锈迹和油污等。

以上参数均经过解剖试验分析和技术监督局审核确定符合规范要求。

2 选取合理的管束装配

2.1 焊接热过程的特点

（1）局部集中性。一般焊接时焊接口一次性接触的面非常小，在焊接过程中，整个焊接面均有局部集中加温的特点。而这种特点也直接造成焊接对象整体的冷热不均。

（2）热源运动性。指的是焊接时需要慢慢移动焊接口，而随着移动，热源也会跟着移动，受热区也随之移动，形成一个移动的热源。

（3）过程瞬间性。指的是焊接的加热速度非常快，能够在瞬间就完成一个点的焊接。

由于，具有这种特点，因此寻找减少焊接变形的方法显得尤为重要。

2.2 管束装配

当前，大多数厂家在制作换热器管束的步骤均为：焊接板管穿插换热管胀接操作（涂密封胶机类型）。但是实践结果显示，这种操作方法难以满足规定的标准质量要求，且生产效率非常低，操作难度大。所以，必须要使用另一种更为高效且简便的管束装配工艺，如才才能够保障换热器质量。

现就以焊机直径为230mm，以及厚度分别为5mm和30mm的筒体和管板为实验例子。焊接检验具体情况对比见表2。

2.3 对比分析概况（见图2）

（1）焊接时会在短时间内产生大量的热量，且这些热量全部聚拢在筒体和管板中，而由于没有使用其他的散热设备，单纯依靠空气散热，难以迅速降低零件温度，使管孔一直处在高温状态，最后冷却后就非常容易出现焊接变形，如图2所示。

（2）换热管和受管板在进行热量传递时，一般最正常温度均可以到300℃～500℃，与胀管段退火处理时的温度差不多一致。

（3）受三角形排列管板孔的影响，施焊点和边缘排孔之间的空隙非常小，仅有大约10mm至15mm的距离，且一般孔桥尺寸最小为3.5mm，最大为5.5mm，因此在焊接时非常容易出现受热不均匀形成变形的现象。

（4）由于换热管的大热系数比较大，其吸热系数远远要大于钢板的吸热系数（将近10倍），所以当管板热量转到换热管上时，换热管能够非常快速的将管板上的热量吸收，使其热量迅速消散到空气中，降低温度。且整个过程中孔桥受热相对比较均匀，有利于接下来胀接工作的顺利进行。

3 胀管率的确定

确定胀管率是因为不同的胀管率会直接影响到换热器管束的质量。当前，工业上主要是有机械胀接和柔性胀接方法两种较为常见的胀接方法，两种方法均各有特点。但是相比较而言，机械胀接比较容易操作且耗能也少，所以，在胀接时本人较为推崇机械法。胀管率的确定公式如下：

（1）

其中，管板上管控直径以d表示，胀管前后管子内径分别以d1、d2表示，单位均为mm。

根据管壳式换热器使用特点及工况，并经过多台管孔试样胀接试验，笔者推荐GB10764—1989《汽轮机低压给水加热器》，胀管率H在1%～4%范围内，在拉脱力及密封性方面都经过验证。

胀接时应注意以下几点：

（1）管板材料硬度应高于换热管材料硬度，否则应在胀管段进行退火处理。对于制冷装置管壳式换热器设备推荐使用T2M状态换热管，无须热处理。

（2）管板孔与换热管外径之间间隙一定严格控制。

（3）管板孔内不允许有毛剌、锈迹、油污现象，开槽深度不能超过0.5mm。

（4）换热管不允许有起皮、裂纹、轴向伤痕等缺陷，采用全厚度常温胀接。

结语

综上所述，管束是换热器的重要组成部分，对换热器的稳定运行和工作起到相当大的作用。因此，做好管束制作过程的控制措施尤为重要。本文就换热器管束制作过程中的关键工序进行了探讨，总结了管束制作的要点，并提出了几点在胀管时要注意的要点，以期能为更好地进行换热器管束的制作提供参考。

参考文献

[1]吕延茂.换热器管束的组装工艺[J].化工炼油机械，1984（01）.

[2]陈孙艺.铜材换热器管束的制造技术[J].中国机械工程学会压力容器制造委员会2011年年会暨技术交流会论文集，2011.