雙管板換熱器的改進

于國帥，錢玉平

（江西江聯(lián)能源環(huán)保股份有限公司，南昌330001）

摘要：針對某雙管板式換熱器管束在使用過程中發(fā)生泄漏的問題，在強度校核合格的基礎(chǔ)上，對管板的材料、管子和管板的連接結(jié)構(gòu)以及制造工藝進行了分析，明確了管束產(chǎn)生泄漏的原因，提出了相應(yīng)的改進措施，在后來的使用過程中未發(fā)生泄漏，效果良好。
    關(guān)鍵詞：換熱器；雙管板；管束；結(jié)構(gòu)；制造；改進
    中圖分類號：TK172文獻標(biāo)志碼：B文章編號：1005－7676（2011）04－0061－03
    某太陽能光伏發(fā)電項目多晶硅提純裝置中有一批放空氣（介質(zhì)成分：三氯氫硅、四氯化硅、H）2 冷卻器，是該裝置的重要設(shè)備。為了避免殼程冷卻水因管板泄漏進入管程的混合氣，保證混合氣的干燥潔凈而采用了雙管板結(jié)構(gòu)，但是一期工程冷卻器在投產(chǎn)運行后不久即發(fā)生了管端泄漏。我公司受該公司委托對該批換熱器進行校核，并承攬后期設(shè)備設(shè)計及制造。換熱器經(jīng)強度校核通過后，技術(shù)人員對換熱器管束的選材、結(jié)構(gòu)等進行了分析，針對管板泄露的多方面原因，在管板的選材、管子與管板的連接結(jié)構(gòu)和制造工藝等方面進行了相應(yīng)的改進。
    1·技術(shù)指標(biāo)
    放空氣冷卻器選用的是雙管板固定管板型換熱器，其型號為BEM900-1.0/0.8-165-4/19-2Ⅱ。該放空氣冷卻器的設(shè)計條件見表1。原放空氣冷卻器采用雙管板結(jié)構(gòu)，管程側(cè)管板（外管板）材質(zhì)為16MnⅡ鍛件，厚度為50 mm；殼程側(cè)管板（內(nèi)管板）材質(zhì)為16MnⅡ鍛件，厚度為40 mm。換熱管材料為20號鋼無縫鋼管，換熱管標(biāo)準(zhǔn)為GB9948—2006《石油裂化用無縫鋼管》，規(guī)格Φ19mm×2 mm。換熱管與管、殼程管板的連接方式均為強度脹接，兩管板間距30 mm，間隙由間隙控制環(huán)（哈夫短節(jié)）控制，連接結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。管板與換熱管的連接一般有4種方式：強度焊、強度脹接、強度焊+貼脹、強度脹+密封焊[1]，原設(shè)備的內(nèi)外管板與換熱管的連接均采用強度脹接的方法。

 
              
    2·失效原因分析
    經(jīng)分析造成換熱器管端泄露的原因主要有以下2個方面：
    1）因脹接強度不夠而產(chǎn)生的管端泄漏；
    2）制造過程中因強力組裝而對管孔和換熱管造成損傷而引起的泄漏。
    3·設(shè)計改進及工藝措施
    對于雙管板換熱器，如果內(nèi)管板發(fā)生泄露，很難判斷泄露是由哪個管孔所引起。在水壓試驗過程中如果發(fā)生泄露，補脹的工作量將會非常大。因此，技術(shù)人員在原設(shè)備設(shè)計的基礎(chǔ)上，在管束的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝等方面采取了一系列改進措施來保證制造質(zhì)量，確保一次試壓合格。具體改進及措施如下：
    1）殼程側(cè)管板（即內(nèi)管板）材質(zhì)由16MnⅡ鍛件改為35號鋼Ⅱ級鍛件。GB 151—1999《管殼式換熱器》5.8.2條規(guī)定，管板與換熱管的連接方式為強度脹接時，換熱管材料的硬度值一般須低于管板材料的硬度值，而硬度差值的大小并沒有明確的規(guī)定，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對硬度差值的控制通常在HB30左右[2]。在NB/T 47008—2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》中的16MnⅡ鍛件和35號鋼Ⅱ鍛件在正火狀態(tài)下的硬度分別為HB128、180和HB136～192，在GB 9948—2006《石油裂化用無縫鋼管》中規(guī)定20號鋼管的硬度值為HB122，綜合考慮16MnⅡ鍛件與20號鋼管及35號鋼Ⅱ級鍛件與20號鋼管之間的硬度差，以及雙管板結(jié)構(gòu)的特殊性，將內(nèi)管板材料由16MnⅡ鍛件改為35號鋼Ⅱ級鍛件，增大了管板與換熱管的硬度差，提高了脹接質(zhì)量。
    2）殼程側(cè)管板的厚度由40 mm增加到50 mm。如圖1所示，管板厚度為40 mm時，脹接長度為34mm，有關(guān)資料顯示，換熱管脹管長度在50 mm以下時，脹接長度越長，其脹接緊固力也越大[3]。殼程側(cè)管板材料為35號鋼Ⅱ級鍛件厚度為40 mm，雖滿足了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強度要求，但是由于換熱管在脹接過程中發(fā)生拉伸變形，迫使管板發(fā)生外凸，管板越薄變形越大，從而影響管板與法蘭之間的密封，因此可對管板適當(dāng)加厚。對于該批雙管板結(jié)構(gòu)的換熱器，在不過多增加材料成本的前提下，為確保管板與法蘭密封的可靠性并提高脹接接頭的緊固力，殼程側(cè)管板厚度增加至50 mm，見圖2。

              
    3）外管板與換熱管的連接方式由強度脹接改為
    強度焊+貼脹。按照該放空氣冷卻器的設(shè)計條件，選擇強度脹接雖然符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，但是對于雙管板換熱器這種特殊結(jié)構(gòu)，內(nèi)外管板之間的間隙會造成兩管板管孔之間同心度差，對中偏差較大，而且內(nèi)外管板間隙很小，部分管子如不做處理很難同時穿進兩塊管板，在穿管過程中只好盡力保護內(nèi)管板孔，以內(nèi)管板孔為基準(zhǔn)，將外管板孔適當(dāng)鏜大，這樣就使部分外管板管孔孔徑偏差增大，當(dāng)使用同等強度脹管時該部分管孔很難達到預(yù)期的脹接強度，致使管頭脹接不牢，壓力試驗及使用過程中發(fā)生局部泄漏在所難免。而強度焊+貼脹的結(jié)構(gòu)在保證了管子與管板焊接強度的同時，又進行了局部的貼脹，這就增加了連接接頭的強度和密封性能，確保了連接的可靠性。因此，考慮到制造工藝，把強度脹接改進為強度焊+貼脹（見圖2），提高了管板與換熱管連接質(zhì)量。
    4）管束組裝過程質(zhì)量控制。在雙管板換熱器制造過程中，穿管是難點之一。穿管過程對管板孔和折流板管孔的精度和同軸度要求非常嚴(yán)格，這就要求在鉆孔時就要嚴(yán)格控制兩管板管孔及折流板管孔的同心度。采取的措施主要有：
    ①將管板及哈夫短節(jié)全部按組裝位置順序點焊好，精確劃線；
    ②使用數(shù)控鉆床鉆管板孔，保證管孔精度和管孔表面粗糙度的要求，要求內(nèi)管板管孔表面的粗糙度Ra≤12.5μm，管板和折流板的鉆孔方向應(yīng)與穿管方向保持一致；
    ③對管板管孔進行檢查，內(nèi)管板管孔表面不允許有貫通性的縱向或螺旋形刻痕等影響脹接緊密性的缺陷，按鉆孔方向把兩組管板分別疊置，找同心，用換熱管逐孔預(yù)穿；
    ④將折流板疊置鉆孔，按鉆孔方向逐塊標(biāo)明先后順序并標(biāo)記正反面，折流板外圓的表面粗糙度值Ra≤25μm，為避免穿管時劃傷換熱管表面，每塊折流板的管孔均要打磨，清除毛刺，把折流板按鉆孔的方向順序疊放，用換熱管逐孔預(yù)穿[4]；
    ⑤整體穿管前應(yīng)將管孔和換熱管表面清理干凈，不留下影響脹接質(zhì)量的毛刺、鐵屑等雜質(zhì)，換熱管管端外表面應(yīng)砂磨出金屬光澤，且其長度≥300 mm；
    ⑥穿管時用有拉桿孔的一側(cè)組合管板在穿管平板上搭花架，依次裝入拉桿、定距管、折流板；
    ⑦搭好花架后從折流板方向穿入換熱管，組裝成管束；
    ⑧管束進筒體前，筒體內(nèi)須清掃，不得留有焊疤，焊接飛濺物及其它雜物等；
    ⑨吊裝管束時應(yīng)保證管束順利裝入和抽出，不得強行組裝，防止管束變形、損傷換熱管和殼體內(nèi)表面，注意對齊兩管板位置及各接管的方位，并將換熱管通過牽引裝置逐根引入管板孔，校正兩側(cè)管板的平行度及換熱管與管板的垂直度，完成穿管工作。
    5）脹管方法的選用。雙管板換熱器制造的重點是保證內(nèi)管板的脹接接頭的可靠性，采用機械脹管成本較低，但可靠性較差，易產(chǎn)生過脹或欠脹，并且由于電動脹管機是受推力使定位塊與管端貼緊定位的，而造成脹接部位易產(chǎn)生竄動[3]。液壓脹接雖然成本較高，但脹接應(yīng)力均勻、脹接長度大、工作效率高[5]，脹接時可使脹接長度稍大于管板厚度，從而完全消除管子和管板間的縫隙，避免了間隙腐蝕。為保證脹接的可靠性，節(jié)約脹管時間，選擇液壓脹管。
    6）脹接過程質(zhì)量控制。內(nèi)管板的強度脹接及外管板的貼脹全部采用液壓脹，其中內(nèi)管板脹接質(zhì)量要求較高，是雙管板換熱器制造的難點。內(nèi)管板脹接時，內(nèi)外管板要按工作位置固定起來，采用加長機構(gòu)對內(nèi)管板進行脹接。脹接應(yīng)準(zhǔn)確測量管頭到內(nèi)管板待脹區(qū)的距離，通過擋環(huán)準(zhǔn)確定位，并根據(jù)管頭伸出外管板的實際尺寸適當(dāng)調(diào)整，防止脹錯位置[5]。采用2次脹接法，第一次脹接按脹接工藝確定的脹接參數(shù)進行，第二次脹接按稍高于第一次脹接的脹接力進行。重復(fù)脹接法是根據(jù)以往經(jīng)驗得出的保證脹接質(zhì)量，防止管端滲漏的有效方法。脹管時按從上到下、從左到右的順序的依次脹管，防止漏脹，同時做好標(biāo)記，直至全部脹完。內(nèi)管板全部脹接合格后對外管板的管頭進行焊接，完畢后進行100%磁粉檢查，合格后再對外管板的管頭進行液壓貼脹。之所以采用先焊接再貼脹，是為了提高管頭封焊的質(zhì)量，若先貼脹后焊接的話，容易在管頭處形成死區(qū)，不利于氣體的流通，造成焊接缺陷。
    4·工藝成效
    經(jīng)過上述技術(shù)改進及質(zhì)量控制措施，確保了該批換熱器水壓試驗一次試壓合格，避免了因管端泄漏而返修，甚至整體報廢的情況，節(jié)約了檢查及返修的成本。
    5·結(jié)束語
    內(nèi)、外管板管孔及折流板管孔同心度的控制是雙管板換熱器制造的重點，內(nèi)管板的強度脹接是雙管板換熱器制造的難點，對這兩個工序的嚴(yán)格控制，是雙管板換熱器制造成功的關(guān)鍵。經(jīng)過上述改進，相關(guān)措施的實施，以及工藝和車間人員的緊密配合，該批換熱器已于2010年5月制造完成并投入使用，至今未發(fā)生泄漏現(xiàn)象，證明了改進是成功的。
參考文獻
[1]姚慧珠鄭海泉.化工機械制造[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1990.
[2]毛希瀾.換熱器設(shè)計[M].上海:科學(xué)技術(shù)出版社,1988.
[3]蘭州石油機械研究所.換熱器:上[M].北京:烴加工出版社,1986.
[4]涂俊宏,于東興.雙管板換熱器設(shè)計及制造[J].化工設(shè)備與管道,2001,38(2):27.
[5]王守革,李國繼,王曉強.液壓脹管技術(shù)的應(yīng)用[J].壓力容器,2003(2):24-27.