雙管板換熱器的改進

于國帥，錢玉平

（江西江聯能源環保股份有限公司，南昌330001）

摘要：針對某雙管板式換熱器管束在使用過程中發生泄漏的問題，在強度校核合格的基礎上，對管板的材料、管子和管板的連接結構以及制造工藝進行了分析，明確了管束產生泄漏的原因，提出了相應的改進措施，在后來的使用過程中未發生泄漏，效果良好。
    關鍵詞：換熱器；雙管板；管束；結構；制造；改進
    中圖分類號：TK172文獻標志碼：B文章編號：1005－7676（2011）04－0061－03
    某太陽能光伏發電項目多晶硅提純裝置中有一批放空氣（介質成分：三氯氫硅、四氯化硅、H）2 冷卻器，是該裝置的重要設備。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構，但是一期工程冷卻器在投產運行后不久即發生了管端泄漏。我公司受該公司委托對該批換熱器進行校核，并承攬后期設備設計及制造。換熱器經強度校核通過后，技術人員對換熱器管束的選材、結構等進行了分析，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構和制造工藝等方面進行了相應的改進。
    1·技術指標
    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計條件見表1。原放空氣冷卻器采用雙管板結構，管程側管板（外管板）材質為16MnⅡ鍛件，厚度為50 mm；殼程側管板（內管板）材質為16MnⅡ鍛件，厚度為40 mm。換熱管材料為20號鋼無縫鋼管，換熱管標準為GB9948—2006《石油裂化用無縫鋼管》，規格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（哈夫短節）控制，連接結構示意圖見圖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]，原設備的內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·設計改進及工藝措施
    對于雙管板換熱器，如果內管板發生泄露，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生泄露，補脹的工作量將會非常大。因此，技術人員在原設備設計的基礎上，在管束的結構設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量，確保一次試壓合格。具體改進及措施如下：
    1）殼程側管板（即內管板）材質由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定，國內外標準對硬度差值的控制通常在HB30左右[2]。在NB/T 47008—2010《承壓設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，以及雙管板結構的特殊性，將內管板材料由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，提高了脹接質量。
    2）殼程側管板的厚度由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]。殼程側管板材料為35號鋼Ⅱ級鍛件厚度為40 mm，雖滿足了標準規定的強度要求，但是由于換熱管在脹接過程中發生拉伸變形，迫使管板發生外凸，管板越薄變形越大，從而影響管板與法蘭之間的密封，因此可對管板適當加厚。對于該批雙管板結構的換熱器，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計條件，選擇強度脹接雖然符合標準的規定，但是對于雙管板換熱器這種特殊結構，內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管板孔，以內管板孔為基準，將外管板孔適當鏜大，這樣就使部分外管板管孔孔徑偏差增大，當使用同等強度脹管時該部分管孔很難達到預期的脹接強度，致使管頭脹接不牢，壓力試驗及使用過程中發生局部泄漏在所難免。而強度焊+貼脹的結構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量。
    4）管束組裝過程質量控制。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格，這就要求在鉆孔時就要嚴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將管板及哈夫短節全部按組裝位置順序點焊好，精確劃線；
    ②使用數控鉆床鉆管板孔，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與穿管方向保持一致；
    ③對管板管孔進行檢查，內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，用換熱管逐孔預穿；
    ④將折流板疊置鉆孔，按鉆孔方向逐塊標明先后順序并標記正反面，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，用換熱管逐孔預穿[4]；
    ⑤整體穿管前應將管孔和換熱管表面清理干凈，不留下影響脹接質量的毛刺、鐵屑等雜質，換熱管管端外表面應砂磨出金屬光澤，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生竄動[3]。液壓脹接雖然成本較高，但脹接應力均勻、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，節約脹管時間，選擇液壓脹管。
    6）脹接過程質量控制。內管板的強度脹接及外管板的貼脹全部采用液壓脹，其中內管板脹接質量要求較高，是雙管板換熱器制造的難點。內管板脹接時，內外管板要按工作位置固定起來，采用加長機構對內管板進行脹接。脹接應準確測量管頭到內管板待脹區的距離，通過擋環準確定位，并根據管頭伸出外管板的實際尺寸適當調整，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進行，第二次脹接按稍高于第一次脹接的脹接力進行。重復脹接法是根據以往經驗得出的保證脹接質量，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，同時做好標記，直至全部脹完。內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量，若先貼脹后焊接的話，容易在管頭處形成死區，不利于氣體的流通，造成焊接缺陷。
    4·工藝成效
    經過上述技術改進及質量控制措施，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，節約了檢查及返修的成本。
    5·結束語
    內、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，對這兩個工序的嚴格控制，是雙管板換熱器制造成功的關鍵。經過上述改進，相關措施的實施，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，至今未發生泄漏現象，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:化學工業出版社,1990.
[2]毛希瀾.換熱器設計[M].上海:科學技術出版社,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.雙管板換熱器設計及制造[J].化工設備與管道,2001,38(2):27.
[5]王守革,李國繼,王曉強.液壓脹管技術的應用[J].壓力容器,2003(2):24-27.