換熱器制造檢驗中的幾個問題
                                                   李金萍
                       (天津市化學公司職工大學,天津　300151)
    摘要:對固定管板式換熱器制造過程中容易發生的制造問題,影響換熱器成品質量的環節及如何強化工藝技術控制進行探討。
    關鍵詞:換熱器;管板;壓力試驗
    中圖分類號:TQ051. 5　　　　　文獻標識碼:C　　　　文章編號:1008-021X(2009)11-0058-03
    在化工生產中,各種介質的熱量交換頻繁。加熱能使化學反應達到最佳工藝條件,而化學反應產生的熱量也需要其他介質吸收,化工反應吸熱或放熱都在換熱容器中進行。電解生產,鹽水經過處理后由鹽水預熱器蒸汽加熱進入電解槽電解;燒堿生產,順流和三效四體蒸發都是在蒸發汽箱由蒸汽加熱成品液堿;氯乙烯生產過程中,干EDC經過E203爐子進料預熱器、E213裂解爐進料預熱器、E201EDC汽化器等加熱后進入F201裂解爐,以最佳的溫度裂解產生VCM。由此可見,換熱器在化工生產中有著不可或缺的作用。
    換熱器如此重要,換熱器的制造質量直接影響用戶生產安全、穩定、長周期運行,因此必須加強對換熱器的技術質量管理,確保換熱器安裝后不發生影響生產穩定的問題。
    換熱器的制造是制造廠按照設計圖紙要求,根據國家相關的制造標準,選用正確的材料,卷制焊接殼體、管箱,加工管板、折流板等部件,組裝管束完成換熱管與管板的連接,無損檢測、換熱器組裝,進行壓力試驗,成品出廠。中間檢驗就是發現換熱器制造過程中主要部件的缺陷和不符合圖紙及制造標準要求的、對以后工序施工質量有直接影響的問題。成品檢驗驗收則是換熱器管束組裝完成按圖紙和國家標準進行的最終檢驗。
    1　管板、折流板的制造檢驗
    1. 1　管板
    管板如為拼接,拼接對接焊縫應作100%射線或超聲波探傷,合格標準為JB 4730,射線不低于Ⅱ級,超聲波不低于Ⅰ級。并且拼接后管板應作消除應力熱處理(不銹鋼除外)。復合管板,應按設計圖紙和國家標準選用,復合板應在熱處理后供貨、且100%超聲波檢測,以保證兩種材料復合良好,合格標準為JB 4730Ⅰ級。圖紙標注復合層厚度應為管板加工后的厚度。
    1. 2　管板孔
    按圖紙要求檢查管板孔排列方式,孔中心距、管板孔直徑及允許偏差。我公司外購換熱器,換熱管一般采用GB 9948《石油裂解用無縫鋼管》。圖紙設計為Ⅰ級管束。管板孔中心距,直徑及允許偏差應符合設計圖紙要求,并且不低于GB 151《管殼式換熱器》標準中Ⅰ級管束(適用于碳鋼、低合金鋼和不銹鋼換熱管)管板管孔直徑及允許偏差的規定。銅鎳合金等材質換熱管的換熱器管板,我們認為應在設計時對管板孔直徑和允許偏差,要比GB 151標準中Ⅰ級管束還要嚴格,以防止換熱管與管板連接采用強度脹+密封焊結構時出現過脹現象?；蛘咴谠O計時,按GB 151標準中銅和銅合金換熱管的管板孔直徑及允許偏差的規定,而不必標注為Ⅰ級管束。檢查應抽查不小于60°管板中心角區域內的管孔,在這一區域內允許有4%的管孔上偏差比GB 151規定的數值大0. 15mm,但不應超過5處。
    1. 3　管板孔橋寬度偏差
    檢查應抽查終(出)鉆側表面(背面)不小于60°管板中心角區域內的孔橋寬度。合格標準為設計圖紙上標注的要求,且不得低于GB 151標準中鋼制Ⅰ級管束孔橋寬度的規定。合格率應不小于96%,最小管板孔橋寬度應控制在4%以內,且不能超過5處。超過合格率,則應全管板檢查。
    管板孔應嚴格垂直于管板密封面,允差0. 05mm,并且管板孔表面不允許存在貫通的縱向或螺旋狀條痕,管板孔表面粗糙度Ra值不大于12.5μm(換熱管與管板脹接或強度脹+密封焊時),拉脫槽檢查按圖紙要求;管板密封面及其他幾何尺寸,按圖紙要求。
    對于換熱器來講,管板的加工精度是換熱管與管板連接組裝管束的關鍵,管板孔孔心距尺寸偏差的大小直接影響焊管、脹管的施工質量。限制鉆孔背面孔橋寬度偏差主要是考慮管板厚度對鉆孔的影響,管板孔的垂直度、光潔度高可以防止裝管時損傷換熱管,保證脹接的質量。現國內生產廠家,在機械制造行業有使用數控鉆床,根據管板孔排列方式和孔徑、孔中心距,一次鉆出24個管板孔或36個管板孔,加工精度相對較高,而在化工機械制造行業,很少見到使用數控鉆床,管板孔的加工精度和質量還有很大的提升空間。
    1. 4　折流板
    折流板檢查按設計圖樣要求,折流板管孔直徑及允許偏差應符合圖紙要求,并且不低于GB 151中Ⅰ級管束折流板和支持板管孔直徑及允許偏差的規定;銅鎳合金折流板除符合圖紙要求外,也不能低于GB 151標準中銅和銅合金換熱管的折流板和支持板管孔直徑及允許偏差的規定,不能執行Ⅰ級管束折流板管孔直徑及允許偏差規定。允許超差0.1mm的管孔數不得超過檢查范圍的4%,且不得超過5處。折流板外圓表面粗糙度Ra值不大于25μm,外圓面兩側尖角應倒鈍。去除折流板上的任何毛刺,銅鎳合金換熱管的折流板管孔兩端面還應倒角30°×1mm,防止劃傷換熱管。
    對于管板和折流板,中間檢驗都易發現加工缺陷,主要有復合管板,復合層沒有足夠的加工余量,加工后復合層變薄,或為了保證復合層厚度而改變管板密封面的幾何尺寸,造成安裝困難;鉆管板孔時,中途更換鉆頭,使管板孔徑及允差超標,脹管時換熱管過脹,影響換熱器使用壽命;管板管孔、折流板管孔兩端面不按圖紙要求倒角、去毛刺,組裝管束時劃傷換熱管,而管板上表面管孔沒有倒角或達不到圖紙倒角的要求,使強度焊變成密封焊,密封焊變成表面貼焊。這些缺陷的存在,都會使換熱器的使用壽命縮短。
    2　換熱管與管板的連接及管束組裝
    (1)連接部位的換熱管和管板孔表面應清理干凈,不應有影響脹接或焊接質量的毛刺、鐵屑、銹斑、油污、氧化皮等;碳鋼、低合金鋼換熱管管端外表面應除銹;不銹鋼、銅鎳合金換熱管管端應清除外表面附著物及氧化層。用于焊接時,管端清理長度應不小于管外徑且不小于25mm,用于脹接時,管端應呈現金屬光澤,其長度應不小于二倍的管板厚度;焊接時,焊渣及凸出換熱管內壁的焊瘤均應清除掉,返修焊接缺陷,應先磨掉、清除缺陷,后焊補;脹接時,脹接長度不應伸出管板背面(殼程側),脹接部分與非脹接部分應圓滑過渡,不應有急劇的棱角。
    (2)管束組裝時,拉桿上的螺母應擰緊,以免裝換熱管時,因折流板竄動而損壞換熱管,穿管時不應強行敲打,換熱管表面不應出現凹癟或劃傷;除換熱管與管板可以焊接外,其他零件均不得與換熱管焊接,以防止損傷換熱管。
    (3)換熱管與管板的連接方式有:強度焊,強度脹,強度焊+貼脹和強度脹+密封焊。四種方式的差異主要反映在管孔是否開槽、管板孔焊接坡口及管子伸出長度等方面。焊接,強度焊與密封焊差別在于管子與管板的焊接時,管子伸出長度和管板孔坡口深度的和值,當值大于或等于2/3管壁厚時,稱為強度焊,否則為密封焊;強度焊必須是填絲的氬弧焊,而不填絲的熔化焊最多只能作為密封焊。脹接,管子與管板的脹接有非均勻脹接(機械滾珠脹)和均勻脹接(液壓脹接、液袋脹接、橡膠脹接、爆炸脹接);滾珠脹方法簡便,但需要用油潤滑,油的污染不能保證脹接后焊接的質量,而非均勻的碾軋使管徑擴大會產生較大的應力,不利于應力腐蝕的場合。
    換熱器一般采用強度焊、強度脹、強度脹+密封焊的連接方式。鹽水預熱器管子與管板采用強度焊連接,影響使用周期的是電化學腐蝕管板,不應發生管子接口泄漏,我們認為最好的強度焊方法應該是填絲氬弧焊,至少焊二遍,以保證管子與管板孔連接焊縫不泄漏。蒸發汽箱管子與管板采用強度脹連接,如果采用均勻脹接(液袋脹)的方法,相信能夠避免或減少應力腐蝕,延長蒸發汽箱的使用壽命。強度脹+密封焊的連接方式,在VCM換熱器中廣泛采用,尤其是銅鎳合金材質換熱管的換熱器,必須采用強度脹+密封焊的方式。
    對于換熱管束脹、焊結合的連接方式,先焊后脹還是先脹后焊歷來就有很大的爭議。我們認為這兩種方式各有優點,尤其是液壓脹在國內化工機械制造廠普遍采用。但對于多數制造廠來講,還是應采用先脹后焊的連接方式。先焊后脹,即先進行密封焊接,試壓合格,再進行強度脹接、壓力試驗,這樣雖然焊接質量較好但無法保證強度脹接的質量,有的廠家只是貼脹或不脹,換熱器安裝使用,由于介質的腐蝕作用,很快就發生泄漏,甚至試車時就發生泄漏。先進行強度脹接,試壓合格后,清理換熱管管端和管板表面,必要時用丙酮等清洗,然后再進行密封焊接,耐壓試驗,可以保證換熱器管束連接的質量,安裝后可長周期穩定運行。
    3　換熱器組裝和成品驗收
    換熱器組裝按GB 151標準和設計圖紙要求進行。成品檢驗驗收的標準是我公司外購換熱類容器中間及成品驗收標準和設計圖紙。成品檢驗驗收主要是檢查壓力試驗的情況,一般檢查水壓試驗,在試驗時檢查管子與管板連接焊口,如發現焊口存在表面裂紋、砂眼、焊瘤、焊疤、焊接飛濺物等表面缺陷均應清除,表面裂紋、砂眼應磨掉缺陷后焊補;凸出于換熱管內壁的焊瘤更應清除。然后按試壓程序試壓。不泄漏、不變形、無異常情況為合格。我們認為,如果在成品檢驗驗收時發現脹接、焊接情況不很理想,就應該要求制造廠壓力試驗合格后做氦氣檢漏試驗,以發現管子和管板連接的細微泄漏,氦氣檢驗可以在充壓靜置4h后進行一次,再靜置12h以上做一次,如無異常,可以認為合格。
    總之,換熱器的制造過程中,管板、折流板等部件制造加工精度和質量,換熱管與管板連接的方式和步驟,是換熱器成品質量的關鍵,有的制造廠家質檢部門有否決權,中間工序檢驗嚴格,換熱器制造質量相對有保證,但制造交工工期沒有保障。少數廠家由于種種原因質檢不很嚴格,甚至有的制造廠擅自更改設計圖紙和制造工藝,換熱器就容易在安裝運行中出現問題。這就需要我們在換熱器制造中間檢驗和成品檢驗驗收中認真對待,以確保換熱器的成品質量。
    (本文文獻格式:李金萍.換熱器制造檢驗中的幾個問題[J].山東化工, 2009, 38(11): 58-60. )