双管板换热器的改进

来源：发布时间：2014-07-09 11:32:33点击率：

摘要：针对某双管板式换热器管束在使用过程中发生泄漏的问题，在强度校核合格的基础上，对管板的材料、管子和管板的连接结构以及制造工艺进行了分析，明确了管束产生泄漏的原因，提出了相应的改进措施，在后来的使用过程中未发生泄漏，效果良好。
    关键词：换热器；双管板；管束；结构；制造；改进
    中图分类号：TK172文献标志码：B文章编号：1005－7676（2011）04－0061－03
    某太阳能光伏发电项目多晶硅提纯装置中有一批放空气（介质成分：三氯氢硅、四氯化硅、H）2 冷却器，是该装置的重要设备。为了避免壳程冷却水因管板泄漏进入管程的混合气，保证混合气的干燥洁净而采用了双管板结构，但是一期工程冷却器在投产运行后不久即发生了管端泄漏。我公司受该公司委托对该批换热器进行校核，并承揽后期设备设计及制造。换热器经强度校核通过后，技术人员对换热器管束的选材、结构等进行了分析，针对管板泄露的多方面原因，在管板的选材、管子与管板的连接结构和制造工艺等方面进行了相应的改进。
    1·技术指标
    放空气冷却器选用的是双管板固定管板型换热器，其型号为BEM900-1.0/0.8-165-4/19-2Ⅱ。该放空气冷却器的设计条件见表1。原放空气冷却器采用双管板结构，管程侧管板（外管板）材质为16MnⅡ锻件，厚度为50 mm；壳程侧管板（内管板）材质为16MnⅡ锻件，厚度为40 mm。换热管材料为20号钢无缝钢管，换热管标准为GB9948—2006《石油裂化用无缝钢管》，规格Φ19mm×2 mm。换热管与管、壳程管板的连接方式均为强度胀接，两管板间距30 mm，间隙由间隙控制环（哈夫短节）控制，连接结构示意图见图1。管板与换热管的连接一般有4种方式：强度焊、强度胀接、强度焊+贴胀、强度胀+密封焊[1]，原设备的内外管板与换热管的连接均采用强度胀接的方法。

    2·失效原因分析
    经分析造成换热器管端泄露的原因主要有以下2个方面：
    1）因胀接强度不够而产生的管端泄漏；
    2）制造过程中因强力组装而对管孔和换热管造成损伤而引起的泄漏。
    3·设计改进及工艺措施
    对于双管板换热器，如果内管板发生泄露，很难判断泄露是由哪个管孔所引起。在水压试验过程中如果发生泄露，补胀的工作量将会非常大。因此，技术人员在原设备设计的基础上，在管束的结构设计和制造工艺等方面采取了一系列改进措施来保证制造质量，确保一次试压合格。具体改进及措施如下：
    1）壳程侧管板（即内管板）材质由16MnⅡ锻件改为35号钢Ⅱ级锻件。GB 151—1999《管壳式换热器》5.8.2条规定，管板与换热管的连接方式为强度胀接时，换热管材料的硬度值一般须低于管板材料的硬度值，而硬度差值的大小并没有明确的规定，国内外标准对硬度差值的控制通常在HB30左右[2]。在NB/T 47008—2010《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》中的16MnⅡ锻件和35号钢Ⅱ锻件在正火状态下的硬度分别为HB128、180和HB136～192，在GB 9948—2006《石油裂化用无缝钢管》中规定20号钢管的硬度值为HB122，综合考虑16MnⅡ锻件与20号钢管及35号钢Ⅱ级锻件与20号钢管之间的硬度差，以及双管板结构的特殊性，将内管板材料由16MnⅡ锻件改为35号钢Ⅱ级锻件，增大了管板与换热管的硬度差，提高了胀接质量。
    2）壳程侧管板的厚度由40 mm增加到50 mm。如图1所示，管板厚度为40 mm时，胀接长度为34mm，有关资料显示，换热管胀管长度在50 mm以下时，胀接长度越长，其胀接紧固力也越大[3]。壳程侧管板材料为35号钢Ⅱ级锻件厚度为40 mm，虽满足了标准规定的强度要求，但是由于换热管在胀接过程中发生拉伸变形，迫使管板发生外凸，管板越薄变形越大，从而影响管板与法兰之间的密封，因此可对管板适当加厚。对于该批双管板结构的换热器，在不过多增加材料成本的前提下，为确保管板与法兰密封的可靠性并提高胀接接头的紧固力，壳程侧管板厚度增加至50 mm，见图2。

    3）外管板与换热管的连接方式由强度胀接改为
    强度焊+贴胀。按照该放空气冷却器的设计条件，选择强度胀接虽然符合标准的规定，但是对于双管板换热器这种特殊结构，内外管板之间的间隙会造成两管板管孔之间同心度差，对中偏差较大，而且内外管板间隙很小，部分管子如不做处理很难同时穿进两块管板，在穿管过程中只好尽力保护内管板孔，以内管板孔为基准，将外管板孔适当镗大，这样就使部分外管板管孔孔径偏差增大，当使用同等强度胀管时该部分管孔很难达到预期的胀接强度，致使管头胀接不牢，压力试验及使用过程中发生局部泄漏在所难免。而强度焊+贴胀的结构在保证了管子与管板焊接强度的同时，又进行了局部的贴胀，这就增加了连接接头的强度和密封性能，确保了连接的可靠性。因此，考虑到制造工艺，把强度胀接改进为强度焊+贴胀（见图2），提高了管板与换热管连接质量。
    4）管束组装过程质量控制。在双管板换热器制造过程中，穿管是难点之一。穿管过程对管板孔和折流板管孔的精度和同轴度要求非常严格，这就要求在钻孔时就要严格控制两管板管孔及折流板管孔的同心度。采取的措施主要有：
    ①将管板及哈夫短节全部按组装位置顺序点焊好，精确划线；
    ②使用数控钻床钻管板孔，保证管孔精度和管孔表面粗糙度的要求，要求内管板管孔表面的粗糙度Ra≤12.5μm，管板和折流板的钻孔方向应与穿管方向保持一致；
    ③对管板管孔进行检查，内管板管孔表面不允许有贯通性的纵向或螺旋形刻痕等影响胀接紧密性的缺陷，按钻孔方向把两组管板分别叠置，找同心，用换热管逐孔预穿；
    ④将折流板叠置钻孔，按钻孔方向逐块标明先后顺序并标记正反面，折流板外圆的表面粗糙度值Ra≤25μm，为避免穿管时划伤换热管表面，每块折流板的管孔均要打磨，清除毛刺，把折流板按钻孔的方向顺序叠放，用换热管逐孔预穿[4]；
    ⑤整体穿管前应将管孔和换热管表面清理干净，不留下影响胀接质量的毛刺、铁屑等杂质，换热管管端外表面应砂磨出金属光泽，且其长度≥300 mm；
    ⑥穿管时用有拉杆孔的一侧组合管板在穿管平板上搭花架，依次装入拉杆、定距管、折流板；
    ⑦搭好花架后从折流板方向穿入换热管，组装成管束；
    ⑧管束进筒体前，筒体内须清扫，不得留有焊疤，焊接飞溅物及其它杂物等；
    ⑨吊装管束时应保证管束顺利装入和抽出，不得强行组装，防止管束变形、损伤换热管和壳体内表面，注意对齐两管板位置及各接管的方位，并将换热管通过牵引装置逐根引入管板孔，校正两侧管板的平行度及换热管与管板的垂直度，完成穿管工作。
    5）胀管方法的选用。双管板换热器制造的重点是保证内管板的胀接接头的可靠性，采用机械胀管成本较低，但可靠性较差，易产生过胀或欠胀，并且由于电动胀管机是受推力使定位块与管端贴紧定位的，而造成胀接部位易产生窜动[3]。液压胀接虽然成本较高，但胀接应力均匀、胀接长度大、工作效率高[5]，胀接时可使胀接长度稍大于管板厚度，从而完全消除管子和管板间的缝隙，避免了间隙腐蚀。为保证胀接的可靠性，节约胀管时间，选择液压胀管。
    6）胀接过程质量控制。内管板的强度胀接及外管板的贴胀全部采用液压胀，其中内管板胀接质量要求较高，是双管板换热器制造的难点。内管板胀接时，内外管板要按工作位置固定起来，采用加长机构对内管板进行胀接。胀接应准确测量管头到内管板待胀区的距离，通过挡环准确定位，并根据管头伸出外管板的实际尺寸适当调整，防止胀错位置[5]。采用2次胀接法，次胀接按胀接工艺确定的胀接参数进行，第二次胀接按稍高于次胀接的胀接力进行。重复胀接法是根据以往经验得出的保证胀接质量，防止管端渗漏的有效方法。胀管时按从上到下、从左到右的顺序的依次胀管，防止漏胀，同时做好标记，直至全部胀完。内管板全部胀接合格后对外管板的管头进行焊接，完毕后进行100%磁粉检查，合格后再对外管板的管头进行液压贴胀。之所以采用先焊接再贴胀，是为了提高管头封焊的质量，若先贴胀后焊接的话，容易在管头处形成死区，不利于气体的流通，造成焊接缺陷。
    4·工艺成效
    经过上述技术改进及质量控制措施，确保了该批换热器水压试验一次试压合格，避免了因管端泄漏而返修，甚至整体报废的情况，节约了检查及返修的成本。
    5·结束语
    内、外管板管孔及折流板管孔同心度的控制是双管板换热器制造的重点，内管板的强度胀接是双管板换热器制造的难点，对这两个工序的严格控制，是双管板换热器制造成功的关键。经过上述改进，相关措施的实施，以及工艺和车间人员的紧密配合，该批换热器已于2010年5月制造完成并投入使用，至今未发生泄漏现象，证明了改进是成功的。

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