U形管換熱器的制造工藝簡介

                                    王偉

                  中國石油東北煉化工程有限公司吉林機械制造公司

    摘要：介紹U形管換熱器的應用、結構設計、材料選擇和制造、水壓試驗等,闡述U形管換熱器在結構設計和制造等方面應注意的問題。

    關鍵詞：換熱器　U形管　結構　設計　制造　應用

    1、U形管換熱器的應用

    換熱器是廣泛應用于汽車、航空、石油化工、動力、醫藥、冶金、制冷、輕工、食品、工程機械等行業的一種通用設備，約占工藝設備總量的20％～70％。按其傳熱面的形狀和結構進行分類可分為管型、板型和其他形式換熱器。目前常用的換熱器種類有浮頭式、固定管板式和U形管式，其中以浮頭式換熱器居多。固定管板式換熱器由于自身結構，應用的場合有限；浮頭式換熱器零部件多，易拆卸和清理，但檢修的工作量大，容易內漏；而U型管式換熱器的管板比固定管板式換熱器少，其泄漏點就相應減少。此外,U型管式換熱器的殼程水壓試驗后烘干也比較容易，而且它的適用場合廣、檢修簡單、操作彈性好。如果換熱器的換熱面積小、殼程與管程的溫差較大或殼程介質很容易臟、管束表面需要經常清理地，一般都采用U型管式換熱器。

    2、U形管換熱器的結構設計

    2.1U型管換熱器的結構

    U型管式換熱器，單臺換熱器共有兩塊管板，如下圖1所示(件號45為中間擋板，件號46為U形換熱管，件號47為內導流筒)。

            

    這種換熱器有一半管束管內外介質的流動方向為并流，另一半管束管內外介質的流動方向為逆流。U型管式換熱器的雙管板之間一般采用聚液殼彼此連接。聚液殼可以用來調整管板間距且保證兩管板相互平行。同時，聚液殼用來封閉相鄰兩管板之間泄漏出的氣(液)體，防止有毒氣(液)體的外溢。聚液殼最高和最低處需分別設置放空口和放凈口，用于及時導出滲漏氣(液)體。如果殼程與管程之間溫差很大，為了降低殼程與管程管板與換熱管連接處的應力，應盡量降低短節的壁厚，必要時可增加一個膨脹節。

    2.2U型管換熱器的設計

    U形管換熱器與其他類型換熱器的最大區別是管束結構，在設計換熱管布局時應考慮換熱管的最小彎曲半徑尺i與分程隔板槽兩側相鄰管中心距s的關系。管徑越大，最小彎曲半徑就越大，大部分換熱管的最小彎曲半徑大于分程隔板槽兩側相鄰管中心距；且U形管彎曲段的彎曲半徑R（見圖2）應不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑R可查手冊選取。

    因此，為了保證適合分程隔板槽兩側相鄰管的中心距，最內層換熱管在排列時需要進行斜向交叉排列。如果最內層U形管之間的間距過大時，可設置假管或者擋板。

              

    3、材料的選擇

    設計時應注意管板與換熱管須有一定的硬度差，一般管板比換熱管硬度高HB20～HB30。最好是采用強度等級較高的材料作管板(16Mn鍛件)，強度等級較低的材料作換熱管(如10號無縫鋼管)。當兩者硬度相近時，可將管端進行退火處理，以降低換熱管的硬度。在滿足設計要求的同時,選用合適的材料,最大限度的保證強度和傳熱系數。也就是說,要選擇傳熱性好的材料,要敢于嘗試新的材料。要對產品進行可追溯性的記錄。

    4、U形管換熱器的制造

    穿管是U形管束制造中的難點，需要對以下幾個方面進行嚴格控制：保證折流板管孔精度和排列同軸度；對U形管的形狀偏差進行嚴格控制；對直線段的直線度進行嚴格控制；穿管時在管頭加裝引導裝置。管頭與管板的連接可采用管板自動焊技術，完全可以使管束在平放的狀態完成焊接。

    目前U形管換熱器大量應用于高溫高壓的場合。與浮頭式換熱器相比，由于去掉了浮頭密封，U形管換熱器的管束小易發生內漏，即使發生內漏，也非常容易處理，尤其是在查找漏點的時候不需要過多的工裝；而浮頭式換熱器在查找內漏時需要有大量專用的工裝，操作起來比較繁瑣。

    U形管換熱器的管束發生內漏時一般有兩種可能：一種是換熱管損壞；另一種是管板接頭焊縫腐蝕。第一種情況一般很少發生，發生時可用堵頭堵??；第二種情況比較多見，處理時可以對焊縫進行清理補焊。使用狀態下的受力狀況較好，尤其在管程溫差較大時，每個管程的溫度不一樣，單個管程的換熱管所受到的溫差應力能夠自由平衡，不受浮動管板的限制，有利于保護換熱管。使用過程中的操作彈性更大，與同等規格浮頭式換熱器相比，U形管換熱器能夠承受更大的溫度和壓力波動，有利于裝置的安穩運行。

    5、水壓試驗

    首先按要求壓力進行殼程的水壓試驗，從聚液腔的空間檢查換熱管與內側管板的連接質量。殼程水壓試驗合格后，組焊隔離腔的短節使之成為密閉的腔體。按要求壓力進行氣密性試驗。分別在聚液腔下方的兩個排泄孔安裝透明的U形管檢驗工裝，U形管內加水，保持一定的水平液位。若有試驗氣體微滲漏時，則U形管內的水平液位就會發生變化，以氣密性試驗時U形管內仍保持液位水平為合格。然后進行殼程氨滲透試驗，在隔離腔的排泄孔貼試紙，試紙不變色為合格。其次對聚液腔進行氣密性試驗，最后對管程進行水壓試驗和氣密性試驗。

    6、結語

    綜上所述，U形管式換熱器在使用性能上的優勢相當明顯。為此，我國應進一步研制完善滿足國內化工裝置所要的U形管式換熱器產品，開發適應煉油化工裝置不同工藝與生產要求的系列產品；完善制造工藝、加工裝備及生產環境，提高制造能力及產品質量，力爭使國產U形管式換熱器的生產、產品性能、質量等達到并超過國外同類產品水平。

    參考文獻：

    [1]GB151—1999，管殼式換熱器.

    [2]JB／T4717—1992，U形管式換熱器型式與基本參數.

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    [5]秦叔經，葉文邦化工設備設計全書(換熱器)[Ｍ]化學工業出版社，2003.

    [6]徐剛，麥郁穗，錢頌文，凌長明，等石油化工廠設備檢修手冊第八分冊(換熱器)[Ｍ]中國石化出版社，2005.

    [7]錢頌文換熱器設計手冊[Ｍ]化學工業出版社，2002.