U 型管式換熱器的質(zhì)量控制

賈敏1，劉寶廷2，李亞杰2

( 1． 沈陽東方鈦業(yè)有限公司，遼寧沈陽110168; 2． 三一重型裝備有限公司，遼寧沈陽110027)

摘要: U 型管式換熱器屬于列管換熱器的一種，被廣泛應(yīng)用在循環(huán)水冷卻高溫氣體裝置中。根據(jù)U型管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)原理，針對(duì)設(shè)備在使用過程中可能出現(xiàn)的問題，在整個(gè)材料采購(gòu)和制造過程中，對(duì)換熱器中管板制造加工、U 型管成形及換熱管與管板的焊接等制造的關(guān)鍵和難點(diǎn)予以質(zhì)量控制，保證產(chǎn)品質(zhì)量，使設(shè)備按設(shè)計(jì)要求制造完畢后安全有效地運(yùn)行。
    關(guān)鍵詞: 質(zhì)量控制; U 型換熱管; 管板
    中圖分類號(hào): TE965 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1004 － 9614( 2012) 02 － 0022 － 02
    0 ·引言
    在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡(jiǎn)稱換熱器。U 型管式換熱器管程每根管子都彎成U 形，管子的兩端分別安裝在同一固定管板的兩側(cè)，并用隔板將封頭隔成兩室，每根管子都可以自動(dòng)收縮，與其他管子和外殼無關(guān)，即使殼體與管子間溫差很大時(shí)也使用。
    化工、石油、航空、制藥等行業(yè)中廣泛應(yīng)用各種換熱器，該特材設(shè)備應(yīng)用于煤化工中烯烴合成氣制丙烯項(xiàng)目，在制造過程中對(duì)設(shè)備的哈氏合金材料、管板和U型換熱管的制造成形以及換熱管與管板脹接、焊接等一些關(guān)鍵部位予以質(zhì)量控制，以保證產(chǎn)品質(zhì)量符合相關(guān)要求。
    工況如下: 設(shè)備名稱為循環(huán)水冷卻器; 設(shè)備類別為三類; 設(shè)備規(guī)格為Φ2500 × 9952。
    設(shè)備主要材質(zhì)如下: 換熱管為HC － 276; 管板為HC － 276 + 00Cr19Ni10 復(fù)合板; 殼程為16MnR +00Cr17Ni14Mo2 復(fù)合板; 管程為16MnR/0Cr18Ni9 +HC － 276 復(fù)合板。
    1 ·材料質(zhì)量控制
    材料的檢查和復(fù)驗(yàn)、驗(yàn)收、保管與發(fā)放、材料代用、材料標(biāo)記與移植等工作，應(yīng)嚴(yán)格按照材料管理規(guī)定執(zhí)行，以確保容器用材完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定且具有可追溯性。
    1． 1 原材料采購(gòu)及封頭成型
    HC － 276 材質(zhì)的換熱管，應(yīng)符合美國(guó)ASME 標(biāo)準(zhǔn)中SB622 化學(xué)成分的要求。
    HC － 276 材質(zhì)的板材，應(yīng)符合美國(guó)ASME 標(biāo)準(zhǔn)中SB575 力學(xué)性能和化學(xué)成分的要求。
    管板和法蘭鍛件采購(gòu)必須能保證該管板鍛件和法蘭鍛件質(zhì)量。
    封頭采用熱沖壓的方法成型，加熱溫度( 700 ±15) ℃，同時(shí)為了保證鎳覆層溫度在敏化溫度以下，沖壓加熱前，在覆層上面涂好耐高溫涂料，成型時(shí)溫度不低于600 ℃，盡可能采用兩次成型。由于成型溫度與覆層的敏化區(qū)間溫度重合，因此將封頭和短節(jié)的基層材料設(shè)計(jì)為0Cr18Ni9 不銹鋼，封頭成型后，采取防止封頭變形措施，進(jìn)行封頭的固溶處理，恢復(fù)和改善封頭材料防腐蝕性能。
    1． 2 材料及復(fù)合板的檢驗(yàn)
    1． 2． 1 材料的檢驗(yàn)
    按質(zhì)量證明文件、材料標(biāo)準(zhǔn)及采購(gòu)文件的要求，對(duì)材料外觀質(zhì)量進(jìn)行核對(duì)，并保證與實(shí)物表面標(biāo)識(shí)一致，同時(shí)按容規(guī)要求進(jìn)行材料復(fù)驗(yàn)。材料復(fù)驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》及圖樣的要求執(zhí)行。
    1． 2． 2 復(fù)合板的檢驗(yàn)
    根據(jù)JB /T4748 － 2002《壓力容器用鎳基合金爆炸復(fù)合鋼板》中B1 級(jí)的要求。按照該標(biāo)準(zhǔn)要求逐條進(jìn)行檢驗(yàn)或復(fù)驗(yàn)，主要檢驗(yàn)內(nèi)容如下:
    ( 1) 復(fù)合板以消除應(yīng)力狀態(tài)供貨; 表面必須平整。
    ( 2) 復(fù)合板的結(jié)合率為100%; 檢驗(yàn)方法為超聲波無損檢測(cè)。
    ( 3) 復(fù)合板的剪切強(qiáng)度≥200 MPa; 復(fù)合板的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)、室溫拉伸試驗(yàn)按GB /T6396 － 1995 進(jìn)行。外形尺寸及表面質(zhì)量等驗(yàn)收方法參照J(rèn)B /T4748 －2002 第8 條“檢驗(yàn)規(guī)則”要求進(jìn)行。
    2 ·管板的加工
    經(jīng)過復(fù)驗(yàn)和檢查合格的復(fù)合管板，按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行各尺寸的加工。
    2． 1 管板鉆孔
    由于該管板是厚度410 mm 的不銹鋼與HC － 276復(fù)合板材料，在鉆孔時(shí)一定選擇適合該材料的鉆頭尺寸和鉆頭材質(zhì)。
    為了能夠保證管板孔的精度，在數(shù)控深孔鉆床上進(jìn)行，嚴(yán)格按照管板加工工藝執(zhí)行，鉆孔結(jié)束后，再進(jìn)行鉸孔，保證圖紙要求的管孔尺寸和精度要求( 一般孔橋之間的定位精度不大于0. 1 mm，孔徑偏差不大于0. 05 mm) 。管板孔鉆好后，用同樣的工藝鉆折流板。折流板在各管孔同心情況下( 管孔加芯定位) 進(jìn)行機(jī)加工，外圓達(dá)圖樣要求。
    2． 2 倒角
    管板、折流板管孔按圖樣要求倒角，嚴(yán)格控制管孔口倒角尺寸，以確保強(qiáng)度焊的焊角質(zhì)量。
    3 ·U 型換熱管的成形要點(diǎn)
    該設(shè)備的換熱管材質(zhì)是HC － 276，U 型部分根據(jù)圖紙尺寸由專用模具加工成型，并嚴(yán)格控制模具的表面光潔度，以保證成型后的換熱管U 型部分的表面質(zhì)量。
    根據(jù)HC － 276 材質(zhì)的加工性能，考慮彎管的冷彎回彈量，根據(jù)不同的尺寸，每個(gè)模具加工按95% ～90%考慮，即模具R 偏小一些，冷彎后回彈; 根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，其加工出來的U 彎曲管束能滿足符合圖樣規(guī)定的尺寸要求。
    根據(jù)HC － 276 材質(zhì)的材料特點(diǎn)( 延伸率45%) 和彎管的最小彎曲半徑計(jì)算的纖維伸長(zhǎng)率均大于10%( 最小彎曲半徑為41. 68 mm) 。因此，對(duì)成形后的換熱管不需要固溶熱處理或穩(wěn)定化熱處理。
    4· 筒體和封頭等材料的劃線、切削加工及開孔加工技術(shù)要點(diǎn)
    復(fù)合板材料的劃線( 下料線和檢查線) 在覆層上進(jìn)行; 切削加工時(shí)，板材均采用水下等離子剪切法，管材采用機(jī)械加工法; 坡口加工在刨邊機(jī)或銑邊機(jī)上進(jìn)行。用等離子切割加工設(shè)備的開孔部分時(shí)，要避免火花濺落在材料表面，且切割邊緣用機(jī)械加工方法去除污染層。
    切割完畢后，檢查坡口表面是否有裂紋等缺陷;對(duì)復(fù)合板邊緣再進(jìn)行100% 超聲波( UT) 檢查，以確保邊緣完全貼合或表面無裂紋。
    5· 換熱管與管板焊接的制造技術(shù)要點(diǎn)及控制措施
    采用全位置手工鎢極氬弧焊，氬氣純度＞99. 99%。焊前徹底清理焊接區(qū)及焊絲，并做詳細(xì)記錄; 為控制焊接變形及保證接頭的機(jī)械性能，將管板分成4 個(gè)區(qū)域，對(duì)稱進(jìn)行焊接; 接頭處保護(hù)采用在焊炬后緊跟一半圓形保護(hù)罩，管內(nèi)壁保護(hù)采用紫銅芯棒，以保證保護(hù)良好。
    換熱管與管板焊接結(jié)束后，對(duì)其角焊縫進(jìn)行局部射線檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)量不低于換熱管總數(shù)的2%; 若出現(xiàn)1 根不合格，加倍抽查; 再次出現(xiàn)不合格，所有換熱管與管板焊接點(diǎn)須進(jìn)行100%射線檢測(cè)。
    6 ·管箱的制造技術(shù)要點(diǎn)及控制措施
    封頭成型后，須進(jìn)行超聲方法( UT) 檢測(cè)貼合情況和射線方法( RT) 檢查拼焊焊縫; 根據(jù)壓制后封頭直邊部位的展開長(zhǎng)度來確定筒體的切削加工長(zhǎng)度和設(shè)備法蘭的內(nèi)徑，以確保組裝質(zhì)量; 法蘭防腐蝕結(jié)構(gòu)選擇焊環(huán)和熱襯管結(jié)構(gòu)，焊環(huán)與襯管須采取對(duì)接連接形式，必須控制襯管下料尺寸和筒節(jié)卷制的圓度; 襯管的安裝采取熱裝的方法來縮小襯管與法蘭之間的間隙; 分程隔板采用封頭模板車削加工，來保證與管箱封頭曲線吻合，同時(shí)與管箱采用連續(xù)焊接，兩側(cè)對(duì)稱施焊，以控制焊接變形; 按照管口方位圖要求劃各接管孔位線，確認(rèn)后開孔并組焊接管，以( 下轉(zhuǎn)第57 頁(yè))( 上接第23 頁(yè)) 保證各個(gè)接管的形位尺寸符合圖紙要求; 設(shè)備法蘭及分程隔板密封面在全部焊接完成后，進(jìn)行二次車加工來保證平整度以及與管板的配合尺寸，保證設(shè)備法蘭與管板的密封質(zhì)量。
    7· 結(jié)束語
    U 型管換熱器是石油化工、能源等工業(yè)部門常用的管殼式換熱器。其特點(diǎn)是管束可以自由伸縮，不會(huì)因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好; 管程為雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能較好; 承壓能力強(qiáng); 管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
參考文獻(xiàn):
［1］JB/T 4756—2006 鎳及鎳合金制壓力容器．
［2］JB/T 4748—2002 壓力容器用鎳基合金爆炸復(fù)合鋼板．
［3］GB 150—1998 鋼制壓力容器．
［4］ASME SB—622 壓力容器用鎳及鎳合金無縫管．
［5］HG 20584—1998 鋼制化工容器制造技術(shù)要求．