管端接头上的搅拌摩擦焊工艺及由此制造的产品的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开的内容涉及热交换器上的搅拌摩擦焊，例如管壳式热交换器。
【背景技术】
[0002]已经研发管壳式搅拌摩擦焊(FSW)的热交换器用于海洋级别的应用，例如海洋热能转换、热海水淡化工艺和其它相对低温的工艺。此外，FSW工艺正被用于在高温高压下运行的其它热交换器中。在例如用于管壳式热交换器的FSW工艺中，使用固态焊接或搅拌工艺，其中管壁的端部被“搅拌”进入到周围的管板材料中，而没有引入不同的金属并且对金属晶粒结构没有不利影响。
[0003]在热交换器中，在管束的任一端上以类似于传统管壳式热交换器设计的方式将管插入至管板中。在FSW工艺之前，使管端正常扩口。管端的此扩口或膨胀使得管保持到位并对在FSW工艺期间所施加的力起作用。
[0004]FSff工艺消除了机械乳制的管端和周围的管板材料之间通常存在的裂缝。裂缝的消除对于在腐蚀性海水中获得能够具有较长寿命的热交换器是令人期望的。然而，管端的扩口或膨胀过程有时会引入不期望的裂缝或局部形变区，这会成为对于裂缝腐蚀而言优选的位置，特别是在海水环境中。
【发明内容】
[0005]此说明书描述了一种生产管式热交换器的工艺，其中在对所施加的FSW力发生作用时，管端固定至管板，而在靠近管端处没有引入裂缝或局部形变。特别地，使用过盈配合将管端锁定至管板中，而管端没有扩口或膨胀。然后使用FSW工艺将管端焊接至管板。
[0006]管和管板能够使用管壳式热交换器组件中所通常使用的任何金属制成，包括但不限于:铝、碳钢、不锈钢、钛、铜或其它的金属及其合金。
[0007]能够以避免使管端扩口或膨胀的任何合适的方式实现过盈配合。在一个实施例中，管端表面或管板表面的局部形变和邻近表面之间的毛边能够提供足够的保持力，以防止已安装的管端在FSW工艺过程中所发生的大的轴向应用载荷的作用下被移动。
[0008]局部形变的一个示例是在管端处的管的滚花外表面。实现过盈配合的其它示例包括但不限于:使用具有例如波纹和小翅片设计的外部特征的管，或具有外部凸起特征部的管，该外部凸起特征部在安装过程中发生变形以在过盈配合中有效地将管端锁定到位。
[0009]在一个实施例中，将管连接至管板的过程包括以管端和管板之间过盈配合将管端插入到管板的孔内，将管端锁定到管板中而管端邻近管板处没有扩口或膨胀。然后管端搅拌摩擦焊(FSW)至管板。
[0010]在另一个实施例中，热交换器包括具有多个孔、内侧和外侧的第一管板。多个管具有设置在第一管板中相对应的一个孔内的第一端，每个第一端和第一管板之间为过盈配合，且每个管的第一端没有扩口或膨胀。在第一管板的外侧处每个管的第一端搅拌摩擦焊至第一管板。
【附图说明】
[0011]图1是传统的OTEC发电系统的布局的示意图，在其中所描述的热交换器能够被使用在一个实施例中。
[0012]图2是根据此文中所描述的一个实施例的管壳式热交换器的截面图。
[0013]图3A是图2中热交换器的管板之一的端视图。
[0014]图3B是图3A中A-A区域的特写图。
[0015]图4示出了根据一个示例性实施例的管中之一。
[0016]图5示出了用于产生过盈配合的一个示例性实施例的管端。
[0017]图6示出了用于产生过盈配合的另一个示例性实施例的管端。
[0018]图7是显示在FSW之前管中之一与管板之间的接头细节的截面图。
[0019]图8示出了用于产生过盈配合的另一个示例性实施例。
[0020]图9A和图9B示出了图8的实施例分别与图5和图6示出的管一起使用。
[0021]图10是穿过管板内的孔之一的截面图，显示了图8的实施例安装在管板的孔内。
【具体实施方式】
[0022]本说明书描述了制造管壳式热交换器的方法，其中在将管FSW焊接至管板前，使用过盈配合将管端锁定至管板中，而管端没有扩口或膨胀。然后使用FSW工艺将管端焊接至管板。
[0023]所产生的管壳式热交换器能够用于任何的热交换应用中，无论是陆地上或水上还是水中。然而，所描述的管壳式热交换器在盐水环境中具有特别的益处，因为管壳式热交换器消除了在管端附近的会优先生成裂缝腐蚀的裂缝或局部形变。
[0024]为了帮助解释本发明思想，将会描述管壳式热交换器在海洋热能转换(OTEC)系统内的特定应用。然而，应该领会到的是管壳式热交换器并不限于使用在OTEC系统中，而是能够用于任何热交换应用中。
[0025]另外，本发明思想并不限于用于管壳式热交换器中，而是能够用于期望使用FSW将管连接至支撑结构的任何热交换器应用中，包括但不限于，以在管端附近消除会优先生成裂缝腐蚀的裂缝或局部形变的方式。因此，此文中和权利要求中使用的术语管板意在广泛地包括待固定有管的任何支撑结构，除非另外指明。
[0026]图1是传统的OTEC发电系统100的布局的示意图。OTEC系统的整体构造和运行对本领域技术人员来说是众所周知的。OTEC系统100能够用于任何适合的水体中，例如大洋、海洋、咸水或淡水湖等。
[0027]在此实施例中，所述系统100包括海洋平台102、涡轮发电机104、封闭回路管道106、蒸发器110-1、冷凝器110-2、船体112、多个栗114、116和124，及流体管道120、122、128和130。封闭回路管道106是用于输送工作流体108通过蒸发器110-1、冷凝器110-2和涡轮发电机104的管道。
[0028]蒸发器110-1能够是管壳式热交换器，其配置来从表面区域处的热的海水和工作流体108传递热量，由此引起工作流体的蒸发。
[0029]冷凝器110-2也能够是管壳式热交换器，其配置来从蒸发的工作流体108传递热量以至来自深水区域的冷海水，由此引起蒸发的工作流体108冷凝回至液体形式。
[0030]图2示出了管壳式热交换器110，其能够用于蒸发器110-1和/或冷凝器110_2。在此示例中，热交换器I1包括壳202、第一流体入口 204、输入歧管206、输出歧管208、第一流体出口 210、第二流体端口 212、第二流体端口 214、形成管束的管216、第一和第二管板220和挡板224。如本领域普通技术人员可以理解的，热交换器110提供在流过管216的第一流体和流过穿过每一个管216的外表面的壳202的第二流体之间的热交换。在一个实施例中，第一流体入口 204和第一流体出口是用于流过管216的海水。在蒸发器的情形中，流体端口 212能够是用于工作流体的出口端口，而流体端口 214能够是用于工作流体的入口端口。在冷凝器的情形中，流体端口 212能够是用于工作流体的入口端口，而流体端口 214能够是用于工作流体的出口端口。
[0031]热交换器110的构造的更多信息在美国专利8，439，250中所公开，其整体上通过引用并入此文中。
[0032]参照图3A和图3B，每个管板220是机械上的刚性板，其包括多个孔218，孔218从面向热交换器110的内室的内侧表面222 (图7)延伸穿过管板220至面向各歧管206、208的外侧表面223 (图7)。每个孔218以具有直径Dl的圆形示出。类似地，管板220示出为圆形，但其能够是适于使用在热交换器中的任何形状。
[0033]图4示出了一个管216的示例。每个管216包括第一端230和第二端232、中心流体通道234和在第一端和第二端之间的长度L。在所示出的示例中，管216示出为具有内部直径IDl和外部直径ODl的圆柱形形状。然而，管216和管板220内的孔218能够具有任何补充的形状，例如矩形或三角形。
[0034]管216和管板220能够由管壳式热交换器组件中常用的任何金属制成，包括但不限于:铝、碳钢、不锈钢、钛、铜或其它的金属及其合金。
[0035]在孔218处使用FSW工艺将管216的端部230、232连接至管板220。FSff是用于连接两个相同或不同材料元件的众所周知的方法。FSff采用被迫进入到两个元件之间的界面处的旋转探针。探针和材料之间的巨大摩擦使得紧邻探针的材料加热至低于其熔点的温度。这软化了相邻的部分，但由于材料保持在固态中，其初始的材料性质被保持。探针沿着焊缝线的移动迫使来自两个工件的软化的材料朝向后缘前进，引起邻近区域的熔化，由此形成焊缝。
[0036]如上所述的，使用过盈配合将管216的端部230、232锁定至管板220的孔内而管端没有扩口或膨胀。然后使用FSW工艺将管端焊接至管板。
[0037]存在多种用于产生合适的摩擦配合的可能性，且能够使用产生摩擦配合但不需要使管端扩口或膨胀的任何技术。管的外表面能够被改变，孔218的内表面能够被改变，或者能够使用管外表面和孔内表面的改变的结合。
[0038]图5示出了能够被使用的管250的端部，其中管250邻近每个端部的外表面是滚花表面252，以及在滚花部分和管的终端之间具有无滚花的光滑部分254。具有滚花外表面的合适的管可从Oh1，Minerva的Energy Transfer公司购买到。
[0039]在图5的此示例中，具有外部滚花的管250的外部直径ODl大致等于或仅稍小于孔218的直径D1，使得管250的端部能够在它们之间以过盈配合的方式插入到孔218内。过盈配合应当足以承受FSW过程中所施加的载荷，由此将管端锁定到位并且防止FSW过程中管的轴向和旋转运动。
[0040]另外，在图5的示例中，在FSW之前和之后，管250的内部直径IDl从一端到另一端是恒定的。外部直径ODl在FSW之前和之后在管端之间也大致是恒定的。
[0041]在一个实施例中，当管端插入到孔218内时，光滑部分2