U 型管式換熱器的質量控制

賈敏1，劉寶廷2，李亞杰2

( 1． 沈陽東方鈦業有限公司，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，被廣泛應用在循環水冷卻高溫氣體裝置中。根據U型管式換熱器的結構特點和技術原理，針對設備在使用過程中可能出現的問題，在整個材料采購和制造過程中，對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鍵和難點予以質量控制，保證產品質量，使設備按設計要求制造完畢后安全有效地運行。
    關鍵詞: 質量控制; U 型換熱管; 管板
    中圖分類號: TE965 文獻標識碼: A 文章編號: 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，并用隔板將封頭隔成兩室，每根管子都可以自動收縮，與其他管子和外殼無關，即使殼體與管子間溫差很大時也使用。
    化工、石油、航空、制藥等行業中廣泛應用各種換熱器，該特材設備應用于煤化工中烯烴合成氣制丙烯項目，在制造過程中對設備的哈氏合金材料、管板和U型換熱管的制造成形以及換熱管與管板脹接、焊接等一些關鍵部位予以質量控制，以保證產品質量符合相關要求。
    工況如下: 設備名稱為循環水冷卻器; 設備類別為三類; 設備規格為Φ2500 × 9952。
    設備主要材質如下: 換熱管為HC － 276; 管板為HC － 276 + 00Cr19Ni10 復合板; 殼程為16MnR +00Cr17Ni14Mo2 復合板; 管程為16MnR/0Cr18Ni9 +HC － 276 復合板。
    1 ·材料質量控制
    材料的檢查和復驗、驗收、保管與發放、材料代用、材料標記與移植等工作，應嚴格按照材料管理規定執行，以確保容器用材完全符合標準規定且具有可追溯性。
    1． 1 原材料采購及封頭成型
    HC － 276 材質的換熱管，應符合美國ASME 標準中SB622 化學成分的要求。
    HC － 276 材質的板材，應符合美國ASME 標準中SB575 力學性能和化學成分的要求。
    管板和法蘭鍛件采購必須能保證該管板鍛件和法蘭鍛件質量。
    封頭采用熱沖壓的方法成型，加熱溫度( 700 ±15) ℃，同時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間溫度重合，因此將封頭和短節的基層材料設計為0Cr18Ni9 不銹鋼，封頭成型后，采取防止封頭變形措施，進行封頭的固溶處理，恢復和改善封頭材料防腐蝕性能。
    1． 2 材料及復合板的檢驗
    1． 2． 1 材料的檢驗
    按質量證明文件、材料標準及采購文件的要求，對材料外觀質量進行核對，并保證與實物表面標識一致，同時按容規要求進行材料復驗。材料復驗應嚴格按照《固定式壓力容器安全技術監察規程》及圖樣的要求執行。
    1． 2． 2 復合板的檢驗
    根據JB /T4748 － 2002《壓力容器用鎳基合金爆炸復合鋼板》中B1 級的要求。按照該標準要求逐條進行檢驗或復驗，主要檢驗內容如下:
    ( 1) 復合板以消除應力狀態供貨; 表面必須平整。
    ( 2) 復合板的結合率為100%; 檢驗方法為超聲波無損檢測。
    ( 3) 復合板的剪切強度≥200 MPa; 復合板的剪切強度試驗、室溫拉伸試驗按GB /T6396 － 1995 進行。外形尺寸及表面質量等驗收方法參照JB /T4748 －2002 第8 條“檢驗規則”要求進行。
    2 ·管板的加工
    經過復驗和檢查合格的復合管板，按照圖紙要求進行各尺寸的加工。
    2． 1 管板鉆孔
    由于該管板是厚度410 mm 的不銹鋼與HC － 276復合板材料，在鉆孔時一定選擇適合該材料的鉆頭尺寸和鉆頭材質。
    為了能夠保證管板孔的精度，在數控深孔鉆床上進行，嚴格按照管板加工工藝執行，鉆孔結束后，再進行鉸孔，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) 進行機加工，外圓達圖樣要求。
    2． 2 倒角
    管板、折流板管孔按圖樣要求倒角，嚴格控制管孔口倒角尺寸，以確保強度焊的焊角質量。
    3 ·U 型換熱管的成形要點
    該設備的換熱管材質是HC － 276，U 型部分根據圖紙尺寸由專用模具加工成型，并嚴格控制模具的表面光潔度，以保證成型后的換熱管U 型部分的表面質量。
    根據HC － 276 材質的加工性能，考慮彎管的冷彎回彈量，根據不同的尺寸，每個模具加工按95% ～90%考慮，即模具R 偏小一些，冷彎后回彈; 根據多次實驗經驗，其加工出來的U 彎曲管束能滿足符合圖樣規定的尺寸要求。
    根據HC － 276 材質的材料特點( 延伸率45%) 和彎管的最小彎曲半徑計算的纖維伸長率均大于10%( 最小彎曲半徑為41. 68 mm) 。因此，對成形后的換熱管不需要固溶熱處理或穩定化熱處理。
    4· 筒體和封頭等材料的劃線、切削加工及開孔加工技術要點
    復合板材料的劃線( 下料線和檢查線) 在覆層上進行; 切削加工時，板材均采用水下等離子剪切法，管材采用機械加工法; 坡口加工在刨邊機或銑邊機上進行。用等離子切割加工設備的開孔部分時，要避免火花濺落在材料表面，且切割邊緣用機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;對復合板邊緣再進行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要點及控制措施
    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及焊絲，并做詳細記錄; 為控制焊接變形及保證接頭的機械性能，將管板分成4 個區域，對稱進行焊接; 接頭處保護采用在焊炬后緊跟一半圓形保護罩，管內壁保護采用紫銅芯棒，以保證保護良好。
    換熱管與管板焊接結束后，對其角焊縫進行局部射線檢測，檢測數量不低于換熱管總數的2%; 若出現1 根不合格，加倍抽查; 再次出現不合格，所有換熱管與管板焊接點須進行100%射線檢測。
    6 ·管箱的制造技術要點及控制措施
    封頭成型后，須進行超聲方法( UT) 檢測貼合情況和射線方法( RT) 檢查拼焊焊縫; 根據壓制后封頭直邊部位的展開長度來確定筒體的切削加工長度和設備法蘭的內徑，以確保組裝質量; 法蘭防腐蝕結構選擇焊環和熱襯管結構，焊環與襯管須采取對接連接形式，必須控制襯管下料尺寸和筒節卷制的圓度; 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，同時與管箱采用連續焊接，兩側對稱施焊，以控制焊接變形; 按照管口方位圖要求劃各接管孔位線，確認后開孔并組焊接管，以( 下轉第57 頁)( 上接第23 頁) 保證各個接管的形位尺寸符合圖紙要求; 設備法蘭及分程隔板密封面在全部焊接完成后，進行二次車加工來保證平整度以及與管板的配合尺寸，保證設備法蘭與管板的密封質量。
    7· 結束語
    U 型管換熱器是石油化工、能源等工業部門常用的管殼式換熱器。其特點是管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產生熱應力，熱補償性能好; 管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好; 承壓能力強; 管束可從殼體內抽出，便于檢修和清洗，且結構簡單。
參考文獻:
［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要求．