CN102441616A - 管壳式换热器及其铝换热管与钢管板的胀接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法，在铝换热管和钢管板的管孔之间加上一铜管；胀接时先对铜管和钢管板进行第一次胀接，然后对铝换热管和铜管进行第二次胀接，所述铜管的长度与钢管板的厚度相同。本发明还公开了上述胀接方法得到的管壳式换热器。本发明工艺简单，采用本发明可实现在保证胀接的密封性能和紧密性的前提下减少铜在换热器中的使用，节约资源，降低生产成本。

Description

管壳式换热器及其铝换热管与钢管板的胀接方法
技术领域
本发明涉及换热器的设计制造领域，特别涉及管壳式换热器及其铝换热管与钢管板的胀接方法。
背景技术
管壳式换热器是石油、化工部门广泛应用的化工单元设备。它的结构、计算、制造一直为化工设备设计、制造与使用部门所重视。这类换热器一般都具有数百根乃至数千根换热管，使得管子与管板的连接成为换热器制造过程中最为频繁的操作，成为对整个换热器的可靠性影响最大的工序。选择适当的连接方式和加工方法，保证每一个连接接头都满足质量要求，是换热器制造厂和使用厂所迫切希望解决的问题。
目前，换热管与管板的联接，主要有三种方法：胀接、焊接和胀焊并用，此外还有粘胀联接法和螺纹联接法。胀接法具有结构简单，管子修补容易，更换方便的特点，被广泛使用。
胀接结构受到一定的限制。我国GB151-1999(管壳式换热器)规定：强度胀接适用于设计压力≤4MPa，设计温度≤300℃，操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀，但对胀接所使用的材料未做限制。国外不少标准都规定管板的硬度值应大于管子的硬度，一般控制硬度差在HB20～30。
铜管由于其优良的导热性能，而在空调制冷、热泵机组、油冷却器中被大量使用。但由于铜价格昂贵，在地壳中的含量低，在我国已成为严重短缺的9种矿产之一，因此，须用其它金属来取代铜。不少厂家用导热性能同样优良的铝管代替铜管，不仅价格低廉、质量轻，导热性能上也差别不大。问题随之产生，一方面，铝与钢两种材料物理化学性能差异很大，难以采用焊接连接；另一方面，铝管和钢管板硬度相差太大，直接用胀接的方法，则其接头强度和紧密性很难达到要求。
为此，一些研究人员尝试过不同的解决办法，有的取得了不错的效果。四川省自贡市高压容器厂潘忠良和黎永桃采用双槽孔粘胀加锥管的方法，有效解决铝管与碳钢管板连接的不相容性，只要操作条件允许，用该结构可大大提高设备的使用寿命。南京工业大学的朱跃钊和桑芝富提出了一种在铝管内内衬一薄壁钢管再与管板胀接的连接结构，并通过理论分析和试验的结果表明，这种结构在一般的胀度下接头的禁固拉脱力能超过铝管本身材质的抗拉强度，良好的高温性能可满足工业生产的使用要求。也有些厂家用铝合金管板来代替钢管板，但是在满足相同机械性能的情况下，铝合金管板比钢管板厚得多，当管板直径较大时，加工铝合金管板很困难。
以上方法都在一定程度上解决了铝管和钢管板的胀接问题，但是各自也有缺陷。第一种方法工艺较复杂，速度慢，生产效率低，不适于大规模生产；第二种方法中仍然是铝管和钢管板的直接胀接，密封性能和紧密性难以保证。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法。
本发明的另一目的在于提供一种按上述方法得到的管壳式换热器。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法，在铝换热管和钢管板的管孔之间加上一铜管；胀接时先对铜管和钢管板进行第一次胀接，然后对铝换热管和铜管进行第二次胀接。
所述铜管的长度与钢管板的厚度相同。
所述铜管的壁厚为0.1～10mm。
第一次胀接之前钢管板的管孔孔径与铜管的外径之差满足GB151-1999标准的规定；第二次胀接前铜管的内径与铝换热管的外径之差满足GB151-1999标准的规定。
在进行第一次胀接前，将铜管在磨管机上进行加工，使其粗糙度Ra≤6.3μm，钢管板管孔壁在钻孔后粗糙度Ra≤12.5μm。
铜管和钢管板的胀接采用全长胀接。
铜管和钢管板的胀接采用机械法胀接或液压法胀接。
铝换热管和铜管的胀接采用机械法胀接或液压法胀接。
所述钢管板上设有开槽。
管壳式换热器，包括铝换热管和钢管板，还包括铜管，所述铜管与钢管板胀接，所述铜管与铝换热管胀接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和技术效果：
本发明不对铝换热管和钢管板进行直接胀接，而是在铝换热管和钢管板孔之间加上一铜管，先将铜管和钢管板胀接，然后再对铝换热管与铜管进行胀接；而铜管与钢管板的胀接技术已经很成熟，在生产中被大量运用了很多年，对于工人来说是一步熟练的工艺操作；对于铝换热管和铜管的胀接，只要选择适当型号的管材，作适当的热处理，可使其硬度和塑性满足胀接要求。本发明工艺简单，采用本发明可实现在保证胀接的密封性能和紧密性的前提下减少铜在换热器中的使用，节约资源，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明的实施例1中的管壳式换热器的局部剖面图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例中管壳式换热器作为碳化塔使用，碳化塔是化肥生产中用于热交换的重要设备。该碳化塔的管板材料为碳钢，厚度b＝40mm；铝换热管的规格为φ25mm×3mm，即外径d＝25mm，内径d1＝19mm。钢管板的管孔孔径D取为30.30mm；铜管的管材为紫铜，规格为30mm×2.8mm，即胀接之前外径d3＝30mm，内径d30＝24.4mm，壁厚为2.8mm，长度等于管板的厚度。
进行第一次胀接前，铜管的外径与钢管板管孔直径之差为0.30mm，满足GB151-1999标准中的相关规定，见表1(此时铜管视为换热管)。
表1铜和铜合金换热管的管板管孔直径及允许偏差(mm)
Figure BDA0000114587300000031
进行铜管和钢管板的胀接前，对铜管进行预处理：将铜管在磨管机上进行加工，使其粗糙度Ra≤6.3μm，同时清除铜管管端表面及管孔表面的附着物、锈斑、油污及氧化层，使铜管端表面呈现金属光泽。钢管板管孔孔壁在钻孔后其粗糙度Ra≤12.5μm，管孔表面无影响胀接连接紧密性的缺陷。这样既保证了胀接的牢固性，又满足了严密性的要求。
将铜管装入钢管板的管孔中，直至铜管两端与管板内外表面平齐，对钢管板和铜管采用机械法胀接，开双槽孔，槽孔的位置及尺寸采用GB151-1999中8-3-6-3的结构，槽孔深度取0.6mm，胀管率为1.8％；第一次胀接后铜管的内径为d4为25.25mm。GB151-1999规定开槽尺寸和数目：槽孔宽度为3mm，深度根据换热管的外径而定，具体见表2；管板厚度小于14mm时，不开槽；管板厚度在16mm到25mm之间时，开一个槽孔；管板厚度大于25mm时，开两个槽孔。
表2换热管的直径与伸出长度的关系(mm)
Figure BDA0000114587300000041
第二次胀接前，铜管的内径d4为25.25mm，铝换热管的外径为25mm，两者之差为0.25mm，满足GB151-1999标准中的相关规定，见表3(此时钢管板与铜管一体视为管板)。
表3铝换热管的管板管孔直径及允许偏差(mm)
Figure BDA0000114587300000042
进行第二次胀接前，对铝换热管进行与铜管相同的预处理后，将其装入铜筒中，按照GB151-1999标准的规定(此时钢管板与铜管一体视为管板)，选择伸出管板的长度l为9mm。铜管与铝换热管采用机械法，不开槽孔进行第二次胀接。胀管率为2.2％，胀接以后铝换热管的内径d2为19.8mm，翻边角度为30°。胀接后的铝换热管3、铜管2、钢管板1及钢管板上的槽孔4如图1所示。通过检验，其拉脱力和密封性满足GB151-1999中对紧密性的要求。
换热管与钢管板直接胀接时，GB151-1999规定：胀接长度取为管板的名义厚度减去3mm的值与50mm的较小者，装管时管子伸出管板的外表面一定长度，具体见表2。胀接长度按GB151-1999选取，即靠近内表面的3mm不胀接，其后的部分全长胀接。本发明中铜管是中间管，起过渡作用，故第一次胀接宜全长胀接，且无须伸出管板。
实施例2
本实施例中管壳式换热器作为油冷却器使用。本实施例的钢管板材料为16MnR，厚度b＝25mm；铝换热管的规格为φ12.7mm×1.6mm，即外径d＝12.7mm，内径d1＝9.5mm。钢管板的管孔直径D取为D＝16.2mm；铜管的管材为紫铜，规格为16mm×1.8mm，即胀接之前铜管外径d3＝16mm，内径d30＝12.4mm，壁厚为1.8mm，长度等于管板的厚度。
进行第一次胀接前，铜管的外径与钢管板管孔的内径之差为0.2mm，满足GB151-1999标准中的相关规定(此时铜管视为换热管)。
进行铜管和钢管板的胀接前，对铜管进行预处理：将铜管在磨管机上进行加工，使其粗糙度Ra≤6.3μm，同时清除铜圆管管端表面及管孔表面的附着物、锈斑、油污及氧化层，使铜圆管端表面呈现金属光泽。钢管板孔壁在钻孔后其粗糙度Ra≤12.5μm，管孔表面无影响胀接连接紧密性的缺陷。这样既保证了胀接的牢固性，又满足了严密性的要求。
将铜管装入钢管板的管孔中，直至铜筒两端与管板内外表面平齐，对钢管板和铜管采用机械法胀接，开一个槽孔，槽孔的位置及尺寸采用GB151-1999中8-3-6-3的结构，槽孔深度为0.5mm，槽孔宽为3mm，胀管率为2.2％；第一次胀接后铜管的内径为d4为12.95mm。
第二次胀接前，铜管的内径d4为12.95mm，铝换热管的外径为12.7mm，两者之差为0.25mm，满足GB151-1999标准中的相关规定(此时钢管板与铜管一体视为管板)。
进行第二次胀接前，对铝换热管进行与铜管相同的预处理后，将其装入铜筒中，按照GB151-1999标准的规定(此时钢管板与铜管一体视为管板)，选择伸出钢管板的长度l为6mm。第二次胀接采用液压法胀接，不开槽孔。胀管率为2％，胀接以后铝换热管的内径d2为10mm，翻边角度为30°。通过检验，其拉脱力和密封性满足GB151-1999中对紧密性的要求。
实施例3
本实施例中管壳式换热器的钢管板材料为不锈钢，厚度b＝36mm；铝换热管的规格为φ20mm×2.5mm，即外径d＝20mm，内径d1＝15mm。钢管板的管孔直径D＝26mm；铜管的管材为紫铜，规格为25.7mm×3mm，即胀接之前外径d3＝25.7mm，内径d30＝19.7mm，壁厚为3mm，长度等于管板的厚度。
进行第一次胀接前，铜管的外径与钢管板管孔的内径之差为0.3mm，满足GB151-1999标准中的相关规定(此时铜管视为换热管)。
进行铜管和钢管板的胀接前，对铜管进行预处理：将铜管在磨管机上进行加工，使其粗糙度Ra≤6.3μm，同时清除铜圆管管端表面及管孔表面的附着物、锈斑、油污及氧化层，使铜圆管端表面呈现金属光泽。钢管板管孔壁在钻孔后其粗糙度Ra≤12.5μm，管孔表面不应有影响胀接连接紧密性的缺陷。这样既保证了胀接的牢固性，又满足了严密性的要求。
将铜管装入钢管板的管孔中，直至铜管两端与管板内外表面平齐，对钢管板和铜管采用液压胀接法，开两个槽孔进行第一次胀接，槽孔的位置及尺寸采用GB151-1999中8-3-6-3的结构，槽孔深度为0.6mm，槽宽为3mm，胀管率为1.5％；第一次胀接后铜管的内径为d4为20.3mm。
第二次胀接前，铜管的内径d4为20.3mm，铝换热管的外径为20mm，两者之差为0.3mm，满足GB151-1999标准中的相关规定(此时钢管板与铜管一体视为管板)。
进行第二次胀接前，对铝换热管进行与铜管相同的预处理后，将其装入短铜筒中，按照GB151-1999标准的规定(此时钢管板与铜管一体视为管板)，选择伸出钢管板的长度l为6mm。铜管与铝换热管采用液压胀接法，不开槽孔进行第二次胀接。胀管率为2％，胀接以后铝换热管的内径d2为15.7mm，翻边角度为30°。通过检验，其拉脱力和密封性满足GB151-1999中对紧密性的要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法，其特征在于，在铝换热管和钢管板的管孔之间加上一铜管；胀接时先对铜管和钢管板进行第一次胀接，然后对铝换热管和铜管进行第二次胀接。
2.根据权利要求1所述的管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法，其特征在于，所述铜管的长度与钢管板的厚度相同。
3.根据权利要求1所述的管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法，其特征在于，所述铜管的壁厚为0.1～10mm。
4.根据权利要求1所述的管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法，其特征在于，第一次胀接之前钢管板的管孔孔径与铜管的外径之差满足GB151-1999标准的规定；第二次胀接前铜管的内径与铝换热管的外径之差满足GB151-1999标准的规定。
5.根据权利要求1所述的管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法，其特征在于，在进行第一次胀接前，将铜管在磨管机上进行加工，使其粗糙度Ra≤6.3μm，钢管板管孔壁在钻孔后粗糙度Ra≤12.5μm。
6.根据权利要求1所述的管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法，其特征在于，铜管和钢管板的胀接采用全长胀接。
7.根据权利要求1所述的管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法，其特征在于，铜管和钢管板的胀接采用机械法胀接或液压法胀接。
8.根据权利要求1所述的管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法，其特征在于，铝换热管和铜管的胀接采用机械法胀接或液压法胀接。
9.根据权利要求1所述的管壳式换热器的铝换热管与钢管板的胀接方法，其特征在于，所述钢管板上设有开槽。
10.管壳式换热器，包括铝换热管和钢管板，其特征在于，还包括铜管，所述铜管与钢管板胀接，所述铜管与铝换热管胀接。
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