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换热器管头“先胀后焊”与“先焊后胀”的优缺点比较及选用方法分析


换热器在高温高压条件下,不论是胀接还是焊接(爆炸焊接除外)成的管接头,均难满足其使用要求,虽然对其接头拉脱力的测定结果都证明它们有很高的连接强度,但是引起换热器接头失效的主要原因并非是强度问题,而是接头处的密封性能。例如胀接接头,当温度高于200℃以上时,对于10或20钢管来说,材料的屈服极限有所下降,易发生局部泄漏;当温度高于350℃时,又将会发生蠕变松弛,面是连接完全失效。焊接法虽然可以使接头承受较高的温度和压力,但在高温循环应力作用下,易发生疲劳裂纹。管程介质对管板的传热面积比壳程介质对管板的传热面积大得多,而当管板较厚时,管板两侧产生较大的温度差,严重时管板可能会发生翘曲变形而影响了连接处的密封性。胀接由于在一定长度范围内管子与孔壁贴紧,因此可以减小管板两侧的温度差,有利于管板的密封性。此外还可使管程侧不存在管子与管板间的间隙,消除了因介质浓缩而引起的缝隙腐蚀。焊接则又有较高的连接强度和高温连接性能,密封可靠。管接头的胀焊并用连接就是充分发挥了胀接、焊接各自优点的管子管板间的连接接头形式。无论是承受高温高压、热冲击和热剧变等苛刻条件,还是抵抗疲劳、防止应力腐蚀和缝隙腐蚀上,胀焊并用连接都比单独的胀、焊连接接头优越得多。


根据胀接、焊接连接要求的不同,可以将胀焊并用连接分为以下几种,即强度焊+贴胀、强度焊+强度胀,强度胀+密封焊等。这里所说的强度焊系指不仅保证焊缝的致密性,而且承担管子管板间的全部连接强度。密封焊则单纯是为了防止介质的泄漏作用。有的规定,当焊缝抗剪面的长度大于管子实际壁厚的I. 4倍者,称为强度焊,反之称为密封焊。强度胀的作用与强度焊相同,而贴胀仅仅是消除管子管孔间的间隙,目的是为了防止缝隙腐蚀。按胀焊并用的次序的不同,胀焊连接又可分为先胀后焊和先焊后胀两种工艺。究竟何种工艺更为实用,目前还没有明确的结论。虽然大量的报导表明,世界许多国家采用的是先焊后胀的施工工艺,但具体的情况还应根据制造厂的加工工艺、设备条件以及施工经验而定。


GB151-2014《热交换器》中介绍了管头胀焊并用的几种接头形式,如图一和图二所示,那么应该如何选用“先胀后焊”与“先焊后胀”,其优缺点又各是什么呢?



图一  机械强度胀接加密封焊管孔结构




图二 强度焊接加贴胀管孔结构

1)先胀后焊

胀接后再焊接时,应特别注意焊接时缝隙间的排气问题,由于机械胀管的润滑油难以用经济的方法进行清除,这在焊接温度下常常形成气孔。

为了消除气孔,胀接时最好采用其他润滑剂如二硫化铝+水等无机润滑工剂。除此以外,焊接前还应干燥和净化管接头的焊接部位。最简便的办法是用程割炬烘烤来蒸发缝隙中的水分,而净化用丙酮等较为有效。

强度焊接可以采用与单独的管子管板焊接连接相同的焊接种类方法;密封焊则通常采用气体保护焊接,如氢弧焊和CO2 气体保护焊等(前者多用于不锈钢的管接头的焊接)。

先胀后焊具有以下的优点:

(I) 强度胀+密封焊时,由于密封焊仅能起辅助性的止漏作用,先胀后焊可

以在胀接后穿插中间的强度试验(如水压试验)和致密性试验,以保证胀接连接的可靠性。

(2) 先胀后焊,管子不仅可对管孔定位对中,而且可以紧贴孔壁,对于薄壁管子厚管板的连接易于得到质量可靠的焊缝。

(3) 小管径的胀后焊接,可提高管子管板连接接头的抗疲劳性能。

(4) 适用千机械胀管的后退式胀接,爆炸胀管及橡胶胀管。


2) 先焊后胀

焊后胀接不存在润滑脂对接头焊缝的污染,对润滑剂没有严格的限制,而且省去了胀后脱脂、净化的工艺程序,有较好的经济性。

由于胀接是在焊接后进行的,管子管板连接接头的设计应便于施胀而又不至于影响焊缝质量。为了使胀接残余应力不在焊缝区造成焊缝质量的恶化,管孔开槽设计应距管板外侧表面保持稍大的距离。

焊后胀接的质量因不便进行检漏而主要是靠胀接工艺进行保证的,特别适宜于柔性胀管(如液压胀管和橡胶胀管等)。倘若采用机械胀管则受胀管器及其操作者熟练程度的影响,胀接质量不易得到保证。

先焊后胀具有以下的优点:

(1)  工艺简便、成本低廉。

(2) 无胀接对焊接接头的污染,焊接质县易于保证,尤其适宜于强度焊接。

(3)焊接接头可能存在的隐患性缺陷少、抗疲劳性能高。

(4)适用于对胀接无强度连接要求(如强度焊+贴胀)的场合。


对于复合金属管板的管子管板连接,可以区别不同情况进行设计和施工。若管板为堆焊复层工艺时,管板孔的开槽尺寸与上述要求亦相同;管板为轧制或爆炸复合工艺时,还应考虑到孔槽对复合层界面结合强度的影响。倘若将孔槽开设在基复层金属的界面上,当管壁金属在胀接压力下塑性流动挤进孔槽时,使基复层受到分离力的作用而恶化了结合界面。因此,对千薄复层管板,开孔槽位置应设置在基层金属上,对于厚复层管板,可在基复层金属上各开一个孔槽。

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