管端接頭上的攪拌摩擦焊工藝及由此制造的產(chǎn)品的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開的內(nèi)容涉及熱交換器上的攪拌摩擦焊，例如管殼式熱交換器。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)研發(fā)管殼式攪拌摩擦焊(FSW)的熱交換器用于海洋級(jí)別的應(yīng)用，例如海洋熱能轉(zhuǎn)換、熱海水淡化工藝和其它相對(duì)低溫的工藝。此外，F(xiàn)SW工藝正被用于在高溫高壓下運(yùn)行的其它熱交換器中。在例如用于管殼式熱交換器的FSW工藝中，使用固態(tài)焊接或攪拌工藝，其中管壁的端部被“攪拌”進(jìn)入到周圍的管板材料中，而沒有引入不同的金屬并且對(duì)金屬晶粒結(jié)構(gòu)沒有不利影響。
[0003]在熱交換器中，在管束的任一端上以類似于傳統(tǒng)管殼式熱交換器設(shè)計(jì)的方式將管插入至管板中。在FSW工藝之前，使管端正常擴(kuò)口。管端的此擴(kuò)口或膨脹使得管保持到位并對(duì)在FSW工藝期間所施加的力起作用。
[0004]FSff工藝消除了機(jī)械乳制的管端和周圍的管板材料之間通常存在的裂縫。裂縫的消除對(duì)于在腐蝕性海水中獲得能夠具有較長壽命的熱交換器是令人期望的。然而，管端的擴(kuò)口或膨脹過程有時(shí)會(huì)引入不期望的裂縫或局部形變區(qū)，這會(huì)成為對(duì)于裂縫腐蝕而言優(yōu)選的位置，特別是在海水環(huán)境中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]此說明書描述了一種生產(chǎn)管式熱交換器的工藝，其中在對(duì)所施加的FSW力發(fā)生作用時(shí)，管端固定至管板，而在靠近管端處沒有引入裂縫或局部形變。特別地，使用過盈配合將管端鎖定至管板中，而管端沒有擴(kuò)口或膨脹。然后使用FSW工藝將管端焊接至管板。
[0006]管和管板能夠使用管殼式熱交換器組件中所通常使用的任何金屬制成，包括但不限于:鋁、碳鋼、不銹鋼、鈦、銅或其它的金屬及其合金。
[0007]能夠以避免使管端擴(kuò)口或膨脹的任何合適的方式實(shí)現(xiàn)過盈配合。在一個(gè)實(shí)施例中，管端表面或管板表面的局部形變和鄰近表面之間的毛邊能夠提供足夠的保持力，以防止已安裝的管端在FSW工藝過程中所發(fā)生的大的軸向應(yīng)用載荷的作用下被移動(dòng)。
[0008]局部形變的一個(gè)示例是在管端處的管的滾花外表面。實(shí)現(xiàn)過盈配合的其它示例包括但不限于:使用具有例如波紋和小翅片設(shè)計(jì)的外部特征的管，或具有外部凸起特征部的管，該外部凸起特征部在安裝過程中發(fā)生變形以在過盈配合中有效地將管端鎖定到位。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，將管連接至管板的過程包括以管端和管板之間過盈配合將管端插入到管板的孔內(nèi)，將管端鎖定到管板中而管端鄰近管板處沒有擴(kuò)口或膨脹。然后管端攪拌摩擦焊(FSW)至管板。
[0010]在另一個(gè)實(shí)施例中，熱交換器包括具有多個(gè)孔、內(nèi)側(cè)和外側(cè)的第一管板。多個(gè)管具有設(shè)置在第一管板中相對(duì)應(yīng)的一個(gè)孔內(nèi)的第一端，每個(gè)第一端和第一管板之間為過盈配合，且每個(gè)管的第一端沒有擴(kuò)口或膨脹。在第一管板的外側(cè)處每個(gè)管的第一端攪拌摩擦焊至第一管板。
【附圖說明】
[0011]圖1是傳統(tǒng)的OTEC發(fā)電系統(tǒng)的布局的示意圖，在其中所描述的熱交換器能夠被使用在一個(gè)實(shí)施例中。
[0012]圖2是根據(jù)此文中所描述的一個(gè)實(shí)施例的管殼式熱交換器的截面圖。
[0013]圖3A是圖2中熱交換器的管板之一的端視圖。
[0014]圖3B是圖3A中A-A區(qū)域的特寫圖。
[0015]圖4示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的管中之一。
[0016]圖5示出了用于產(chǎn)生過盈配合的一個(gè)示例性實(shí)施例的管端。
[0017]圖6示出了用于產(chǎn)生過盈配合的另一個(gè)示例性實(shí)施例的管端。
[0018]圖7是顯示在FSW之前管中之一與管板之間的接頭細(xì)節(jié)的截面圖。
[0019]圖8示出了用于產(chǎn)生過盈配合的另一個(gè)示例性實(shí)施例。
[0020]圖9A和圖9B示出了圖8的實(shí)施例分別與圖5和圖6示出的管一起使用。
[0021]圖10是穿過管板內(nèi)的孔之一的截面圖，顯示了圖8的實(shí)施例安裝在管板的孔內(nèi)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本說明書描述了制造管殼式熱交換器的方法，其中在將管FSW焊接至管板前，使用過盈配合將管端鎖定至管板中，而管端沒有擴(kuò)口或膨脹。然后使用FSW工藝將管端焊接至管板。
[0023]所產(chǎn)生的管殼式熱交換器能夠用于任何的熱交換應(yīng)用中，無論是陸地上或水上還是水中。然而，所描述的管殼式熱交換器在鹽水環(huán)境中具有特別的益處，因?yàn)楣軞な綗峤粨Q器消除了在管端附近的會(huì)優(yōu)先生成裂縫腐蝕的裂縫或局部形變。
[0024]為了幫助解釋本發(fā)明思想，將會(huì)描述管殼式熱交換器在海洋熱能轉(zhuǎn)換(OTEC)系統(tǒng)內(nèi)的特定應(yīng)用。然而，應(yīng)該領(lǐng)會(huì)到的是管殼式熱交換器并不限于使用在OTEC系統(tǒng)中，而是能夠用于任何熱交換應(yīng)用中。
[0025]另外，本發(fā)明思想并不限于用于管殼式熱交換器中，而是能夠用于期望使用FSW將管連接至支撐結(jié)構(gòu)的任何熱交換器應(yīng)用中，包括但不限于，以在管端附近消除會(huì)優(yōu)先生成裂縫腐蝕的裂縫或局部形變的方式。因此，此文中和權(quán)利要求中使用的術(shù)語管板意在廣泛地包括待固定有管的任何支撐結(jié)構(gòu)，除非另外指明。
[0026]圖1是傳統(tǒng)的OTEC發(fā)電系統(tǒng)100的布局的示意圖。OTEC系統(tǒng)的整體構(gòu)造和運(yùn)行對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是眾所周知的。OTEC系統(tǒng)100能夠用于任何適合的水體中，例如大洋、海洋、咸水或淡水湖等。
[0027]在此實(shí)施例中，所述系統(tǒng)100包括海洋平臺(tái)102、渦輪發(fā)電機(jī)104、封閉回路管道106、蒸發(fā)器110-1、冷凝器110-2、船體112、多個(gè)栗114、116和124，及流體管道120、122、128和130。封閉回路管道106是用于輸送工作流體108通過蒸發(fā)器110-1、冷凝器110-2和渦輪發(fā)電機(jī)104的管道。
[0028]蒸發(fā)器110-1能夠是管殼式熱交換器，其配置來從表面區(qū)域處的熱的海水和工作流體108傳遞熱量，由此引起工作流體的蒸發(fā)。
[0029]冷凝器110-2也能夠是管殼式熱交換器，其配置來從蒸發(fā)的工作流體108傳遞熱量以至來自深水區(qū)域的冷海水，由此引起蒸發(fā)的工作流體108冷凝回至液體形式。
[0030]圖2示出了管殼式熱交換器110，其能夠用于蒸發(fā)器110-1和/或冷凝器110_2。在此示例中，熱交換器I1包括殼202、第一流體入口 204、輸入歧管206、輸出歧管208、第一流體出口 210、第二流體端口 212、第二流體端口 214、形成管束的管216、第一和第二管板220和擋板224。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的，熱交換器110提供在流過管216的第一流體和流過穿過每一個(gè)管216的外表面的殼202的第二流體之間的熱交換。在一個(gè)實(shí)施例中，第一流體入口 204和第一流體出口是用于流過管216的海水。在蒸發(fā)器的情形中，流體端口 212能夠是用于工作流體的出口端口，而流體端口 214能夠是用于工作流體的入口端口。在冷凝器的情形中，流體端口 212能夠是用于工作流體的入口端口，而流體端口 214能夠是用于工作流體的出口端口。
[0031]熱交換器110的構(gòu)造的更多信息在美國專利8，439，250中所公開，其整體上通過引用并入此文中。
[0032]參照?qǐng)D3A和圖3B，每個(gè)管板220是機(jī)械上的剛性板，其包括多個(gè)孔218，孔218從面向熱交換器110的內(nèi)室的內(nèi)側(cè)表面222 (圖7)延伸穿過管板220至面向各歧管206、208的外側(cè)表面223 (圖7)。每個(gè)孔218以具有直徑Dl的圓形示出。類似地，管板220示出為圓形，但其能夠是適于使用在熱交換器中的任何形狀。
[0033]圖4示出了一個(gè)管216的示例。每個(gè)管216包括第一端230和第二端232、中心流體通道234和在第一端和第二端之間的長度L。在所示出的示例中，管216示出為具有內(nèi)部直徑IDl和外部直徑ODl的圓柱形形狀。然而，管216和管板220內(nèi)的孔218能夠具有任何補(bǔ)充的形狀，例如矩形或三角形。
[0034]管216和管板220能夠由管殼式熱交換器組件中常用的任何金屬制成，包括但不限于:鋁、碳鋼、不銹鋼、鈦、銅或其它的金屬及其合金。
[0035]在孔218處使用FSW工藝將管216的端部230、232連接至管板220。FSff是用于連接兩個(gè)相同或不同材料元件的眾所周知的方法。FSff采用被迫進(jìn)入到兩個(gè)元件之間的界面處的旋轉(zhuǎn)探針。探針和材料之間的巨大摩擦使得緊鄰探針的材料加熱至低于其熔點(diǎn)的溫度。這軟化了相鄰的部分，但由于材料保持在固態(tài)中，其初始的材料性質(zhì)被保持。探針沿著焊縫線的移動(dòng)迫使來自兩個(gè)工件的軟化的材料朝向后緣前進(jìn)，引起鄰近區(qū)域的熔化，由此形成焊縫。
[0036]如上所述的，使用過盈配合將管216的端部230、232鎖定至管板220的孔內(nèi)而管端沒有擴(kuò)口或膨脹。然后使用FSW工藝將管端焊接至管板。
[0037]存在多種用于產(chǎn)生合適的摩擦配合的可能性，且能夠使用產(chǎn)生摩擦配合但不需要使管端擴(kuò)口或膨脹的任何技術(shù)。管的外表面能夠被改變，孔218的內(nèi)表面能夠被改變，或者能夠使用管外表面和孔內(nèi)表面的改變的結(jié)合。
[0038]圖5示出了能夠被使用的管250的端部，其中管250鄰近每個(gè)端部的外表面是滾花表面252，以及在滾花部分和管的終端之間具有無滾花的光滑部分254。具有滾花外表面的合適的管可從Oh1，Minerva的Energy Transfer公司購買到。
[0039]在圖5的此示例中，具有外部滾花的管250的外部直徑ODl大致等于或僅稍小于孔218的直徑D1，使得管250的端部能夠在它們之間以過盈配合的方式插入到孔218內(nèi)。過盈配合應(yīng)當(dāng)足以承受FSW過程中所施加的載荷，由此將管端鎖定到位并且防止FSW過程中管的軸向和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0040]另外，在圖5的示例中，在FSW之前和之后，管250的內(nèi)部直徑IDl從一端到另一端是恒定的。外部直徑ODl在FSW之前和之后在管端之間也大致是恒定的。
[0041]在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)管端插入到孔218內(nèi)時(shí)，光滑部分2