一种管壳式换热器用管板及管壳式换热器的制作方法

1.本实用新型涉及一种管壳式换热器用管板及管壳式换热器，属于换热器技术领域。


背景技术：

2.换热器是天然气净化、炼油和化工装置中广泛应用的工艺设备，其中，炼油厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资的35～40％，日产千吨的合成氨厂中各种换热设备占全厂设备总台数的40％左右。
3.换热器中管壳式换热器因其结构简单，耐高压且造价低而被广泛应用，管壳式换热器例如授权公告号为cn202101584u的中国实用新型专利所公开的一种管壳式换热器，管壳式换热器为水冷器，且包括设置在换热器壳体内的管板和安装在管板上的换热管，管板包括基板和焊接在基板一侧端面上的堆焊层，且管板上设有贯穿基板和堆焊层的管孔，管孔用于安装换热管，具体地，换热管的一端从基板一侧插入管孔内，直至该端端面与堆焊层的端面平齐，然后再将堆焊层和换热管相应的端面进行焊接固定。
4.由于管壳式换热器为水冷器，因此为了避免换热器壳体内各部件被冷却水腐蚀，需要采取防腐蚀措施。现有技术中，水冷器通常会采用碳钢加防腐蚀涂层的防腐蚀措施，但是防腐涂层在管壳式换热器运行过程中由于受热和冷却介质的作用，会逐渐老化和局部脱落，并且还会引起局部脱落部位的快速腐蚀，对于换热管而言，会导致换热管腐蚀穿孔，特别是随着换热器运行周期的延长，在第2个运行周期时，换热管腐蚀穿孔的风险增大，影响换热器长周期的安全运行。
5.现有技术中，为了延长运行周期，减缓换热管的腐蚀，通常会使用不锈钢的换热管，但是存在的问题是，由于冷却水中存在腐蚀不锈钢的氯离子等腐蚀性阴离子，且由于管板和换热管的焊接处存在焊接残余应力，因此不锈钢的换热管和管板之间的焊接处存在较高的应力腐蚀风险，而应力腐蚀会导致换热管和管板焊接处的开裂，影响换热管和管板连接的可靠性以及换热器运行的可靠性。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种管壳式换热器用管板，以解决现有技术中换热管和管板之间的焊接处应力腐蚀风险较高的问题；本实用新型的目的还在于提供一种管壳式换热器，以解决现有技术中的管壳式换热器运行可靠性差的问题。
7.为实现上述目的，本实用新型中的管壳式换热器用管板采用如下技术方案：
8.一种管壳式换热器用管板，包括基板和焊接在基板一侧端面上的堆焊层，基板和堆焊层上设置有贯穿基板和堆焊层的管孔，管孔用于安装换热管，堆焊层上围绕管孔开设有环形凹槽，环形凹槽与管孔同轴，环形凹槽和管孔之间形成有用于与换热管焊接的环形凸部，环形凹槽包括环形内侧壁、环形外侧壁以及连接在环形内侧壁和环形外侧壁之间的槽底壁，槽底壁为弧形壁或者槽底壁与环形内侧壁和环形外侧壁之间分别通过圆角过渡。
9.上述技术方案的有益效果在于：本实用新型的管壳式换热器用管板中，由于堆焊层上设有围绕管孔布置的环形凹槽，因此使得环形凹槽和管孔之间形成有用于与换热管焊接的环形凸部，且由于环形凹槽的槽底壁为弧形壁，或者槽底壁与环形凹槽的环形内侧壁和环形外侧壁之间分别通过圆角过渡，这样不仅能够通过环形凹槽降低焊接拘束度，降低结构刚性，而且通过弧形壁或者圆角也能够降低槽底壁与环形内侧壁和环形外侧壁之间的应力集中，以此当换热管与环形凸部焊接时，能够降低焊接残余应力，进而能够提高换热管和管板之间连接的可靠性，降低换热管和管板连接处应力腐蚀开裂的风险。
10.进一步地，堆焊层包括过渡层和面层。
11.上述技术方案的有益效果在于：通过过渡层和基板之间的相互融合和相互渗透，能够保证堆焊层和基板之间的连接强度，通过面层不仅能够保证管板和换热管之间的焊接强度，同时也能够提高管板的耐腐蚀性。
12.进一步地，过渡层的厚度小于面层的厚度。
13.上述技术方案的有益效果在于：这样能够在一定程度上增大面层的厚度，进而也能够进一步提高管板的耐腐蚀性。
14.进一步地，环形凹槽的槽深大于槽宽。
15.上述技术方案的有益效果在于：这样能够进一步降低焊接拘束度，进一步降低结构刚性，进而也能够进一步减少换热管与环形凸部焊接时产生的残余应力，进一步提高管板和换热管之间连接的可靠性。
16.进一步地，堆焊层的厚度不小于6mm。
17.上述技术方案的有益效果在于：这样在保证过渡层和基板之间相互融合和相互渗透的基础上，能够保证面层具有较厚的厚度，进而能够保证面层的耐腐蚀性。
18.进一步地，基板为碳钢基板，堆焊层为不锈钢堆焊层。
19.上述技术方案的有益效果在于：这样不仅能够通过碳钢的基板降低管板的制造成本，而且也能够通过不锈钢堆焊层提高管板的耐腐蚀性，另外，也能够通过不锈钢堆焊层保证管板和不锈钢换热管之间的连接强度。
20.进一步地，管孔的孔壁上设置有供换热管通过胀形嵌入其中的胀管槽。
21.上述技术方案的有益效果在于：通过胀管槽能够实现换热管和管孔之间的胀接，进而能够进一步加强管板和换热管之间的连接强度，同时也能够降低管板和换热管连接时的局部应力集中，降低应力腐蚀开裂的风险。
22.进一步地，胀管槽呈环形。
23.上述技术方案的有益效果在于：环形的胀管槽不仅方便加工，而且也能够增大管孔和换热管之间的胀接长度，保证胀接强度。
24.进一步地，胀管槽的槽宽为7.5～10mm。
25.上述技术方案的有益效果在于：这样在保证胀接强度的基础上，能够使胀接的轴向长度不会过大，有利于方便胀管槽的加工以及管孔和换热管之间的胀接。
26.为实现上述目的，本实用新型中的管壳式换热器采用如下技术方案：
27.一种管壳式换热器，包括管板和安装在管板上的换热管，管板包括基板和焊接在基板一侧端面上的堆焊层，基板和堆焊层上设置有贯穿基板和堆焊层的管孔，管孔用于安装换热管，堆焊层上围绕管孔开设有环形凹槽，环形凹槽与管孔同轴，环形凹槽和管孔之间
形成有用于与换热管焊接的环形凸部，环形凹槽包括环形内侧壁、环形外侧壁以及连接在环形内侧壁和环形外侧壁之间的槽底壁，槽底壁为弧形壁或者槽底壁与环形内侧壁和环形外侧壁之间分别通过圆角过渡。
28.上述技术方案的有益效果在于：本实用新型的管壳式换热器中，由于管板的堆焊层上设有围绕管孔布置的环形凹槽，因此使得环形凹槽和管孔之间形成有用于与换热管焊接的环形凸部，且由于环形凹槽的槽底壁为弧形壁，或者槽底壁与环形凹槽的环形内侧壁和环形外侧壁之间分别通过圆角过渡，这样不仅能够通过环形凹槽降低焊接拘束度，降低结构刚性，而且通过弧形壁或者圆角也能够降低槽底壁与环形内侧壁和环形外侧壁之间的应力集中，以此当换热管与环形凸部焊接时，能够降低焊接残余应力，进而能够提高换热管和管板之间连接的可靠性，降低换热管和管板连接处应力腐蚀开裂的风险，提高管壳式换热器运行的可靠性，降低检验维护费用。
29.进一步地，堆焊层包括过渡层和面层。
30.上述技术方案的有益效果在于：通过过渡层和基板之间的相互融合和相互渗透，能够保证堆焊层和基板之间的连接强度，通过面层不仅能够保证管板和换热管之间的焊接强度，同时也能够提高管板的耐腐蚀性。
31.进一步地，过渡层的厚度小于面层的厚度。
32.上述技术方案的有益效果在于：这样能够在一定程度上增大面层的厚度，进而也能够进一步提高管板的耐腐蚀性。
33.进一步地，环形凹槽的槽深大于槽宽。
34.上述技术方案的有益效果在于：这样能够进一步降低焊接拘束度，进一步降低结构刚性，进而也能够进一步减少换热管与环形凸部焊接时产生的残余应力，进一步提高管板和换热管之间连接的可靠性。
35.进一步地，堆焊层的厚度不小于6mm。
36.上述技术方案的有益效果在于：这样在保证过渡层和基板之间相互融合和相互渗透的基础上，能够保证面层具有较厚的厚度，进而能够保证面层的耐腐蚀性。
37.进一步地，基板为碳钢基板，堆焊层为不锈钢堆焊层。
38.上述技术方案的有益效果在于：这样不仅能够通过碳钢的基板降低管板的制造成本，而且也能够通过不锈钢堆焊层提高管板的耐腐蚀性，另外，也能够通过不锈钢堆焊层保证管板和不锈钢换热管之间的连接强度。
39.进一步地，管孔的孔壁上设置有供换热管通过胀形嵌入其中的胀管槽。
40.上述技术方案的有益效果在于：通过胀管槽能够实现换热管和管孔之间的胀接，进而能够进一步加强管板和换热管之间的连接强度，同时也能够降低管板和换热管连接时的局部应力集中，降低应力腐蚀开裂的风险。
41.进一步地，胀管槽呈环形。
42.上述技术方案的有益效果在于：环形的胀管槽不仅方便加工，而且也能够增大管孔和换热管之间的胀接长度，保证胀接强度。
43.进一步地，胀管槽的槽宽为7.5～10mm。
44.上述技术方案的有益效果在于：这样在保证胀接强度的基础上，能够使胀接的轴向长度不会过大，有利于方便胀管槽的加工以及管孔和换热管之间的胀接。
附图说明
45.图1是本实用新型中管板的剖视图；
46.图2是本实用新型中管板和换热管的装配图。
47.图中：10、管板；11、基板；12、堆焊层；13、管孔；14、环形凹槽；15、环形凸部；16、胀管槽；17、倒角；20、换热管；30、焊缝。
具体实施方式
48.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
49.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
50.需要说明的是，本实用新型的具体实施方式中，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，可能出现的术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，可能出现的语句“包括一个
……”
等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
51.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
52.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
53.以下结合实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
54.本实用新型中管壳式换热器的实施例1：
55.如图1和图2所示，管壳式换热器包括管板10和安装在管板10上的换热管20。其中，换热管20为冷拔超低碳不锈钢管，其外径和壁厚允差均按gb13296-2013要求。
56.如图1所示，管板10包括基板11和焊接在基板11一侧端面上的堆焊层12。其中，基板11为碳钢基板，堆焊层12为不锈钢堆焊层，具体地，堆焊层12包括面层以及位于基板11和
面层之间的过渡层。过渡层和基板11之间相互融合相互渗透，面层由焊接材料e309l堆焊构成，且在本实施例中，堆焊层12的厚度等于6mm，过渡层的厚度小于面层的厚度，这样在保证过渡层和基板11之间相互融合和相互渗透的基础上，能够在一定程度上增大面层的厚度，提高面层的耐腐蚀性。
57.如图1所示，管板10上设置有贯穿基板11和堆焊层12的管孔13，管孔13用于安装换热管20，且管孔13的直径d和允许偏差按gb/t151-2014ⅰ级管束要求，以保证管孔13的内壁和换热管20的外壁之间具有较小的间隙。
58.如图1所示，堆焊层12上围绕管孔13开设有环形凹槽14，环形凹槽14与管孔13同轴，环形凹槽14包括环形内侧壁、环形外侧壁以及连接在环形内侧壁和环形外侧壁之间的槽底壁。其中，环形凹槽14的槽深大于槽宽，具体地，环形凹槽14的槽宽为2mm，槽深为3mm，且槽底壁为半圆弧形的弧形壁，弧形壁的圆弧半径r1为1mm。
59.环形凹槽14和管孔13之间形成有用于与换热管20焊接的环形凸部15，环形凸部15的宽度δ与换热管20的壁厚相同，在其他实施例中，环形凸部15的宽度也可以与换热管20的壁厚相近。如图2所示，环形凸部15和换热管20之间焊接时，先将换热管20从基板11的一侧插入管孔13内，并使换热管20插入管孔13一端的端面与堆焊层12的端面平齐，然后进行轻胀定位。轻胀定位完成后，采用氩弧焊的方式将换热管20的相应端面与环形凸部15焊接固定，环形凸部15和换热管20的相应端面之间形成有焊缝30，焊缝30的厚度为1mm。焊接完成后，对焊接处进行渗透检测。另外，管孔13远离堆焊层12一端的孔口处设有倒角17，倒角17可以对换热管20插入管孔13进行导向，方便了换热管20的插入。
60.如图1所示，管孔13的孔壁上设置有胀管槽16，胀管槽16呈环形，且胀管槽16的槽宽为8mm，槽深为0.5mm。胀管槽16供换热管20通过胀形嵌入其中，具体地，当渗透检测合格后，控制胀管率为5～6％，并通过液压胀接的方式将换热管20与胀管槽16对应的部分胀粗嵌入到胀管槽16内，且胀管槽16胀粗的部分与胀管槽16的槽内壁接触。胀管槽16和换热管20之间的胀接能够承受换热管20所受的轴向应力，防止管板10和换热管20在承受轴向应力时发生滑脱。
61.管板10和换热管20液压胀接完成后进行酸洗钝化处理，所形成的钝化膜采用蓝点法检查，且无蓝点为合格。
62.本实用新型的管壳式换热器中，由于管板的堆焊层上设有围绕管孔布置的环形凹槽，因此使得环形凹槽和管孔之间形成有用于与换热管焊接的环形凸部，且由于环形凹槽的槽底壁为弧形壁，或者槽底壁与环形凹槽的环形内侧壁和环形外侧壁之间分别通过圆角过渡，这样不仅能够通过环形凹槽降低焊接拘束度，降低结构刚性，而且通过弧形壁或者圆角也能够降低槽底壁与环形内侧壁和环形外侧壁之间的应力集中，以此当换热管与环形凸部焊接时，能够降低焊接残余应力，进而能够提高换热管和管板之间连接的可靠性，降低换热管和管板连接处应力腐蚀开裂的风险，提高管壳式换热器运行的可靠性，降低检验维护费用。
63.在管壳式换热器的其他实施例中，胀管槽的槽宽可以不是8mm，而是7.5mm，在其他实施例中，还可以是10mm、8mm或者9mm。
64.在管壳式换热器的其他实施例中，胀管槽可以不呈环形，而在周向上间隔布置的点状结构。
65.在管壳式换热器的其他实施例中，管孔的内壁上不设置胀管槽，此种情况下，不对管板和换热管进行液压胀接，而是只进行轻胀定位，或者在其他实施例中，管板和换热管之间只进行焊接固定。
66.在管壳式换热器的其他实施例中，基板和堆焊层均由不锈钢材料构成。在其他实施例中，基板可以由钢制成，堆焊层可以由金属铌制成，此种情况下，换热管也由金属铌制成，在其他实施例中，当换热管采用其他材料制成时，只要保证堆焊层的材料与换热管的材料相同、与基板的材料相近即可。
67.在管壳式换热器的其他实施例中，堆焊层的厚度可以不等于6mm，而是等于7mm，在其他实施例中，堆焊层的厚度也可以小于6mm，例如为5mm。
68.在管壳式换热器的其他实施例中，过渡层的厚度可以不小于面层的厚度，而是等于面层的厚度。
69.在管壳式换热器的其他实施例中，环形凹槽的槽深可以不大于槽宽，而是等于槽宽。
70.在管壳式换热器的其他实施例中，堆焊层可以不包括过渡层和面层，而是只包括面层。
71.在管壳式换热器的其他实施例中，环形凹槽的槽底壁是直的，与环形内侧壁和环形外侧壁之间分别通过圆角过渡。
72.本实用新型中管壳式换热器用管板的实施例：管板的具体结构与上述管壳式换热器实施例中的管板相同，在此不再重述。
73.以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。