换热器管子-管板液压胀接中影响因素分析

管壳式换热器换热管与管板胀管率的确定刘敏(大连冷冻机股份有限公司,辽宁大连116033)摘要:对胀管率的控制进行了详细的论述,并对胀管率的计算方法进行了比较,从而提出了不同材料的胀管率的控制范围;同时对影响胀接质量的因素作了总结。

关键词:胀管率;强度胀;贴胀;内径控制法由国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》第104条、第105条对换热管与管板的胀接方法及胀接的基本要求做出了原则性的规定,但对胀管率没有具体的规定,目前也没有国家标准可依。

而胀接又是管壳式换热器制造中的重要工序之一,所以为保证胀接质量,如何确定胀接方法及合适的胀管率尤显重要。

1胀接方法换热管与管板的胀接方法有机械胀接和柔性胀接(或称均匀胀接)。

机械胀接的方法为非均匀性的胀接,一般在胀接过程中需要加油润滑(由于油的污染造成胀接后不能保证焊接质量和污染胀接处的表面质量),并且机械滚珠在碾轧中使管径扩大产生较大的冷作应力,因此机械胀接不利于有应力腐蚀的场合。

但是由于它的操作简便,直到目前许多厂家仍然广泛地使用在中、薄管板的胀接上。

本文将着重对不同材料的换热管采用机械胀接方法的胀管率作以介绍。

2胀管率的确定2 1胀管率为确保胀接质量,应确定合适的胀管率,通常用胀紧程度与管板孔原有直径、换热管内径或换热管壁厚的百分比来表示胀管率,胀紧程度可以用公式(1)表示:Ｈ=ｄ12-ｄ11-ｂ(1)式中Ｈ———换热管胀紧程度,ｍｍｄ11,ｄ12———换热管胀前、后的内径,ｍｍｂ———胀前换热管与管板孔的双边间隙量,ｍｍ胀管率是以胀紧度对换热管内径、管板孔直径或换热管壁厚的百分率来表示。

2.2常见材料的胀管率表1为常见材料的胀管率参考值,利用公式(1)可以换算出换热管胀后的内径范围。

胀管率的确定,除了要考虑胀接方法(强度胀与贴胀的胀紧程度区别较大),同时还应考虑管板孔的公差范围、换热管外径及壁厚的公差等因素。

2 3胀管率的计算方法胀管率的计算方法有多种形式,以下为国内外常见的几种计算公式。

探讨管壳式换热器换热失效的原因及应对措施管壳式换热器被工业生产广泛应用，它可以单独使用，也可以通过与各类压缩机配合使用来发挥作用。

为满足工艺工况的需要并实现连续稳定的生产，保持良好的管壳式换热器换热效果是相当有必要的。

本文对管壳式换热器换热效果失效的原因进行分析，并根据失效原因提出相应的解决措施。

一、管壳式换热器结构管壳式换热器主要包括管束、管板、外壳、封头以及折流板等部件，通过胀接、焊接、以及胀焊接等方式可以将管束与管板牢牢固定在一起，而与管板连接的是外壳。

封头上装有流体的出、入口，需要进行热质交换时，一种流体可通过管程流进换热器的管内流动，而另外一种流体则通过壳接管流进壳体与管束间隙内流动。

管束的换热面积为管束的表面积，流进换热器的两种流体温差可通过管壁实现换热。

二、换热器失效的原因管壳式换热器结构较为复杂，且使用条件多样，造成多种形式的换热器失效，本文主要从以下两个方面介绍换热器失效的原因：1.换热管与管板连接失效换热管与管板之间的连接可以根据使用条件的不同分为胀接、焊接以及胀焊接，不同的连接方法可能导致不同形式的失效：（1）胀接。

机械胀接可能会导致换热管过胀或欠胀，致使换热管内壁加工硬化，且与管板连接处的应力分布与其整个连接不一致。

若是遇到应力作用或温差变化的情况，细微的加工缺陷都可能使换热管与管板之间的连接失去效用。

并且，要不及时发现机械胀接引起的连接失效，可能导致整个连接都失去效用。

（2）焊接。

焊接接头附近出现组织塑性变形会形成极大的残余应力以及应力集中，可致使管板与换热器连接失效。

（3）胀焊接。

胀焊接集中了胀接与焊接的优势，但其操作要求较高，操作条件也较为严苛，稍有不当就可能导致连接失效。

2.管束失效结垢为管束失效埋下隐患，基础油流动引起管束振动加速了管束的失效，而管束腐蚀及应力腐蚀直接导致管束失去效用。

进入管束内壁的烘烤废气中灰粉以及未燃尽颗粒沉积结垢，污垢热阻使得换热器传热能力下降，致使原料基础油的出口温度不能满足预订需要，为管束失效埋下隐患。

空调管翅式换热器液压胀接力的研究摘要：管翅式换热器是空调系统中的核心设备，其质量可以影响到空调使用寿命和性能。

传统的机械胀接方式因其稳定高效的优点被普遍使用，但换热管的内螺纹结构会受到破坏从而降低换热器传热性能，在如今小管径换热管胀接需求下，机械胀接更容易导致管体弯折破损。

本文通过液压胀接代替机械胀管方式对换热管与翅片进行胀接能有效的避免带来的弊端，并研究得出合理液压力大小，再通过金相显微镜观察翅片与换热管有效接触面积来判断其胀接质量。

结果表明，通过液压胀接方式能有效保护内部螺纹结构，且液压胀接力为10MPa时胀接质量最佳。

关键词：管翅式换热器；液压胀接；液压力随着人们对空调性能要求提高，空调行业也由传统的速度规模型向质量效益性转型升级[1]。

其中换热器是影响空调器耗能的核心部件，如图1所示它由换热管（无缝内螺纹铜管）与亲水铝箔翅片（铝箔）组成。

管内表面采用螺纹设计，不仅可以增加内表面的传热面积，还可以促进制冷剂的紊流，从而提高换热器的热传导效率[2]。

相较于无内螺纹的光面铜管，螺纹铜管换热效率可以提高20%-30%，并且降低15%的能耗。

图1管翅式换热器结构常见的换热管胀接方法主要有四种：机械胀接，爆炸胀接，液压胀接，橡胶胀接[3]。

机械胀接是通过带有锥度的胀接芯轴带动胀珠旋转，并在换热管内部碾压，使铜管膨胀，利用铜管与翅片之间的残余压力完成连接的过程[4-5]。

机械胀接由于技术成熟、生产效率高等优势，至今仍被国内外广泛应用[6]。

但在机械胀接过程中，会对内螺纹铜管的内壁带来加工硬化及一定的拉划破坏，可能会影响无缝内螺纹铜管的传热效率。

当换热管直径更小时（如小于5mm），机械胀接难以实现可靠的胀接。

管材液压胀形（Tube Hydroforming，简称THF）是一种利用液压流体作为均匀成形介质，将金属管加工成复杂空心件的非机械成形技术[7]。

现探究利用液压胀接来对管翅式换热器的内螺纹铜管与翅片进行连接，将均匀的液压力作用于内螺纹铜管的内表面，使铜管直径胀大而贴紧翅片内表面。

管板与换热管的连接方式主要胀接、焊接、胀焊结合;
胀接分强度胀和贴胀两种,胀接的方法主要有机械滚胀法、液压胀管、爆破胀管,胀接是利用电动或风动等动力使心轴旋转并挤入管内迫使管子扩张产生塑性变形而与管板贴合,为了提高胀管的质量,管端材料的硬度应比管板低;若单一使用胀接,一般使用条件为压力不超过4MPa,温度不超过350℃;带槽孔的结构用于抗拉脱能力与密封性要求高的场合,管板中开的环形小槽深为～,管子材料被胀挤进槽内,可防止介质外泄,管板厚度小于30mm 时,槽数为1,厚度大于30mm时,槽数为2;液压胀、爆破胀具有劳动强度低、密封性能好,一般推荐在高温高压的工况下采用液压胀和爆破胀;
焊接分强度焊和密封焊两种,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抗拉脱能力,管子与薄管板的固定更应采用焊接方法;当连接处焊接之后,管板与管子中存在的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,管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体有着浓度上的差别,还容易产生间隙腐蚀,目前在工况要求较高的场合推荐采用内孔焊;
采用胀焊结合的方法,不仅能提高连接处的抗疲劳性能,还可消除应力腐蚀和间隙腐蚀,提高使用寿命;
采用强度胀+密封焊的结合方式,胀接承受拉脱力,焊接保证紧密性,采用强度焊+贴胀的结合方式,焊接承受拉脱力,胀接消除管子与管板间的间隙;。

浅析双相不锈钢管与管板的液压胀接作者：高靖来源：《农家致富顾问·下半月》2019年第06期摘要主要介绍换热器双相不锈钢换热管与管板之间的胀管工艺，用液袋式超高压液压胀管机进了行胀管试验，通过胀管后管外径与管板孔径之间的间隙值、胀管后检查以及拉脱力试验，从而确定了最佳的胀接工艺参数。

关键词双相不锈钢；换热器；拉脱力试验；管板1 引言换热器主要作用是将热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标要求，以满足工艺过程上需要，广泛应用于化工、炼油、核电和制药等领域。

因此选择适当的连接方式，使每一个管子与管板连接接头都能满足质量要求是换热器制造过程中的关键。

文中对双相不锈钢管和管板换热器进行液压胀管工艺试验，最终确定产品的最佳胀接压力和胀接时间等工艺参数。

2 换热管、管板材质及规格换热管材料为SA-789M，UNS S31803，规格为φ25.4mm×2.11mm，管板材料为SA-182M，F51.，厚度95mm。

以上两种材料均为双相不锈钢，这种材具有高强度、耐腐蚀和易于制造加工等诸多优点，物理性能介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间，但更接近于铁素体不锈钢和碳钢。

3 胀管设备选用及参数换热管与管板的管端连接图如图1所示。

由于胀接长度较长，根据胀接经验，选用YZJ-500F型超高液压胀管机。

液袋式液压胀管结构形式如图2所示。

4 胀管试验试验用的管板材料、厚度均与产品相同，尺寸为200mm×200mm，管孔呈矩形排布，孔距32mm，采用数控钻孔一次加工成品，编号1-10为胀管试验用，即只胀不焊接；11-25为焊接试验用，先焊后胀。

换热管规格与产品规格相同，尺寸为φ25.4mm×2.11mm。

4.1 胀接前准备（1）穿管前，对换热管端部以及管板孔用清洗剂进行清洗；（2）胀接前必须清除换热管端部的锐口或毛刺，以免损坏液袋；（3）胀管前测量管内、外径、管板内径，并做好记录，其数据见表2。

管壳式换热器的胀接工艺管板和换热管都是换热器的主要受压元件，两者之间的连接处是换热器的关键部位。

胀接是实现换热管与管板连接的一种方法，胀接质量的好坏对换热器的正常运行起着关键的作用。

因此，换热管与管板之间的胀接工艺技术就显得非常重要。

1胀接形式及胀接方法胀接形式按胀紧度可分为贴胀和强度胀。

贴胀是为消除换热管与管板孔之间缝隙的轻度胀接，其作用是可以消除缝隙腐蚀和提高焊缝的抗疲劳性能。

强度胀是为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。

贴胀后胀接接头的抗拉脱力应达到1MPa以上，强度胀后胀接接头的抗拉脱力应达到4MPa以上。

胀接方法按胀接工艺的不同可分为机械胀、爆炸胀、液压胀和脉冲胀等。

机械胀是用滚珠进行胀管的，具有操作简单方便、制造成本低等优点，因而得到了广泛应用。

2胀管器的选用胀管器的种类，有三槽直筒式、五槽直筒式、轴承式、调节式、翻边式。

它的选用主要根据换热管的内径、管板厚度、胀接长度及胀接特点而确定。

3换热管与管板硬度的测定换热管与管板材料应有适当的硬度差，管板硬度应当大于换热管的硬度，其差值最好达到HB30以上，否则胀接后管子的回弹量接近或大于管板的回弹量而造成胀接接头不紧。

胀接的原理是胀接时硬度较低的管子产生塑性变形，而硬度较高的管板产生弹性变形，胀接后塑性变形的管子受到弹性回复的管板孔壁的挤压而使管子和管板紧密地结合在一起。

因此在胀管之前应首先测定管子与管板的硬度差是否匹配。

如果两者硬度值相差很小时应对管子端部进行退火热处理。

管子端部退火热处理长度一般为管板厚度加100mm。

4试胀正式胀接之前应进行试胀。

试胀的目的是验证胀管器质量的好坏，验证预定的管子与管板孔的结构是否合理，检验胀接部位的外观质量及接头的紧密性能，测试胀接接头的抗拉脱力，寻找合适的胀管率，以便制定出合理的产品胀接工艺。

试胀应在试胀工艺试板上进行。

试板应与产品管板的材料、厚度、管孔大小一致，试板上孔的数量应不少于5个，其管孔的排列形式见图1所示。

换热器失效的原因及常见故障分析摘要换热器的种类很多，操作方法大同小异，它们的共同点是利用两种物料间大量的接触面积进行热交换，以完成冷却、冷凝、加热和蒸发等化工过程。

而换热器的操作条件、换热介质的性质、腐蚀速度和运行周期决定了换热器操作维护的内容。

现以广泛使用的板式换热器为例，讨论其失效原因及常见故障。

关键词换热器；失效原因；故障分析1换热设备劣化和失效的主要形式及原因造成换热设备劣化和失效的主要形式及原因有以下几个方面：1.1腐蚀换热设备管束受到的腐蚀取决于管束内外侧介质的化学组分、浓度、压力、流速以及管束本身的材质性能。

1）介质引起的均匀腐蚀。

①硫及硫化物引起的均匀腐蚀。

硫及硫化物导致金属表面直接形成一层金属疏化物。

这种硫化物较厚而疏松对金属表面不能起保护作用。

因此，这种腐蚀是以一定的速率使管壁减薄。

②盐酸产生的均匀腐蚀。

介质中所含的氯化物遇到水时，形成盐水，加热到150-200℃以上时生成盐酸，有十分强烈的腐蚀作用，是一种“低温腐蚀”，主要发生在有冷凝产生的部位。

腐蚀的形态是均匀腐蚀，也可能随冷凝液的流向产生沟状腐蚀。

③其他强腐蚀性介质，如尿素甲胺液、硫酸、醋酸等也会引起管束的均匀腐蚀。

2）应力腐蚀开裂。

化工装置的换热设备常出现的应力腐蚀主要有两种：一种是奥氏体不锈钢管，由氯离子引起的应力腐蚀；另一种是铜管在氨环境下的应力腐蚀。

3）冷却水引起的各种腐蚀。

水冷却器占了换热设备中相当大的比例，在水冷却器的水侧，会产生各种形态的腐蚀。

①磨蚀与冲蚀。

冷却水流速高，并带有泥砂之类的固体顾粒，则在流速高，水冲击严重的局部部位易发生这种腐蚀。

②气烛。

当设计不合理，或实际的运行工况与设计工况不一致，引起水测局部管束的表面发生水的汽化时，容易在水测的管外壁发生气蚀。

③结垢引起的坑蚀。

冷却水流速过低，水质不好、水中含油污、泥垢、pH值过高，以及水中的菌藻等，都能使管束表面产生沉积物的堆积，并使沉积物覆盖下的管子金属的表面氧化膜因缺氧而破坏。

换热管与管板连接有限元分析
罗惠敏;谢阳紫;王蕾;张舒
【期刊名称】《当代化工》
【年(卷),期】2018(47)12
【摘要】使用ANSYS有限元模拟软件,通过计算确定高温工况下换热管液压胀接压力对换热管和管板连接处密封性能的影响,并给出其相互间的关系曲线.为预防换热器在换热管同管板连接处发生泄漏提供一种计算方法,为换热器的设计提供一定的参考.
【总页数】4页(P2630-2633)
【作者】罗惠敏;谢阳紫;王蕾;张舒
【作者单位】中国石油集团东北炼化工程有限公司沈阳分公司,辽宁沈阳110167;中国石油集团东北炼化工程有限公司沈阳分公司,辽宁沈阳110167;中国石油集团东北炼化工程有限公司沈阳分公司,辽宁沈阳110167;中国石油集团东北炼化工程有限公司沈阳分公司,辽宁沈阳110167
【正文语种】中文
【中图分类】TQ051.5
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胀管通用工艺规程一、胀接说明1 胀接胀接是换热管与管板的主要联接形式之一，它是利用胀管器伸入换热管管头内，挤压管子端部，使管端直径扩大产生塑性变形，同时保持管板处在弹性变形范围内。

当取出胀管器后，管板孔弹性变形，管板对管子产生一定的挤紧压力，使管子与管板孔周边紧紧地贴合在一起，达到密封和固定连接的目的。

由于管板与管子的胀接消除了弹性板与塑性管头之间的间隙，可有效地防止壳程介质的进入而造成的缝隙腐蚀。

当使用温度高于300℃时，材料的蠕变会使挤压残余应力逐渐消失，连接的可靠性难以保证。

因此，在这种工况下，或预计拉脱力较大时，可采用管板孔开槽的强度胀接。

胀接又分为贴胀和强度胀。

2 胀管率胀管率是换热管胀接后，管子直径扩大比率。

贴胀与强度胀的主要区别在于对管子胀管率 (管子直径扩大比率) 的控制不同，对冷换设备换热管来说，强度胀要求的胀管率H为1～2.1%，而贴胀要求的胀管率H为0.3～0.7%。

3 贴胀贴胀是轻度胀接的俗称，贴胀是为消除换热管与管板孔之间的缝隙，以防止壳程介质进入缝隙而造成的间隙腐蚀。

由于贴胀时胀管器给管子的胀紧力较小，管子径向变形量也就比较小。

因此换热管与管板孔之间的相对运动的摩擦力就比较小，所以它不能承受较大的拉脱力，且不能保证连接的可靠性，仅起密封作用。

贴胀时，管孔不需要开槽。

4 强度胀强度胀是指管板与换热管连接处的密封性和抗拉脱强度均由胀接接头来保证的连接方式。

强度胀接的管板孔要求开胀管槽，一般开两道胀管槽。

以使管子材料在胀接时嵌入胀管槽内，由此来增加其拉脱力。

特别是当使用温度高于300℃时，材料的蠕变会使挤压残余应力逐渐消失，连接的可靠性下降，甚至发生管子与管板松脱，这时采用强度胀接，其抗拉脱力就比贴胀要大得多。

胀管前应用砂轮磨掉表面污物和锈皮，直至呈现金属光泽，清理锈蚀长度应不小于管板厚度的2倍。

管板硬度应比管子硬度高HB20～30，以免胀接时管板孔产生塑性变形，影响胀接的紧密性。

换热器管板与换热管焊接常见质量问题的防止在化工生产设备中,换热器占很大比例,约占设备投资的20%～40%;换热为化工最基本的单元操作,换热器完好与否对化工生产影响巨大。

管壳式换热器因其结构坚固、适应性大、制造工艺成熟等优点成为主要化工换热设备。

换热器由于处于受压、介质有腐蚀性、流动磨蚀,尤其是固定管板换热器,还有温差应力,管板与换热管连接处极易泄漏,导致换热器失效。

目前,管板与换热管连接有3种方式:焊接、胀接、胀接加焊接。

胀接有长久历史,已积累丰富经验,对管板变形等影响小,但制造工艺复杂,承受压力波动、温度变化差,在常见管壳式换热器应用已逐渐减少。

胀接加焊接结构虽然克服胀接强度不够和焊接存在应力腐蚀、破裂等缺点,但制造工艺更加复杂,且在制造过程中胀接和焊接过程会相互影响,难控制制作质量,成本高,仅用于特殊使用要求场合。

而焊接因管板加工要求低,制造工艺简便,有较好紧密性,应用最为普遍。

1、管板与换热管焊接常存在问题笔者所在单位是一家主要生产氮肥、液氨、有机胺化工产品兼有压力容器设计制造公司,有很多数量自制管壳式换热器,以前常发生换热器泄漏,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,给生产带来很大损失。

经现场察看及与制造部门共同分析,主要原因是由于制造时容易忽视一些细节,管板与换热管焊接存在常见质量问题,其次水和有机物混合物有较强腐蚀也是促进因素。

1.1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Φ19x2、Φ25x2国标规定I3须不小于2mm,Φ32x2.5以上不小于25mm,当壁厚增加还须适当增大。

而实际却达不到。

另外普通换热管Φ19x2、Φ25x2伸出长度l1不小于15mm,压力高工况时伸出长度l2加长为25mm;Φ32x25换热管伸出长度不小于25mm,压力高工况时伸出长度l2加强长达30mm。

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。