大型列管式干燥機(jī)換熱管與管板的連接方式探討

劉同增

(山東軍輝建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 肥城 271602)

大型列管式干燥機(jī)換熱管與管板的連接方式探討

劉同增

(山東軍輝建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 肥城 271602)

本文介紹了大型列管式干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理，對(duì)干燥機(jī)管板與換熱管連接進(jìn)行技術(shù)分析，闡述了設(shè)備制造過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量保證措施。

干燥機(jī)；管板；換熱管；技術(shù)分析；關(guān)鍵技術(shù)；質(zhì)量；措施

1 概述

大型列管式干燥機(jī)是一種應(yīng)用較成熟的干燥設(shè)備，廣泛應(yīng)用于發(fā)酵、淀粉、化工、輕工、食品和糧食、飼料、釀酒、酒精等行業(yè)物料的干燥。目前大型列管式干燥機(jī)面積可達(dá)2000 m2,總重250t，僅轉(zhuǎn)子就達(dá)150t。干燥機(jī)主要有以下幾部分組成：(1)轉(zhuǎn)子，此為干燥機(jī)的核心部件，由管束(換熱管和管板)、進(jìn)氣封頭、排氣封頭、軸承及軸承座、刮板裝置；(2)殼體(干燥室)；(3)進(jìn)、排氣裝置，由旋轉(zhuǎn)接頭、進(jìn)、排氣管、旋轉(zhuǎn)接頭、金屬軟管、疏水閥等組成；(4)主傳動(dòng)系統(tǒng)，由主電機(jī)、減速系統(tǒng)組成(標(biāo)準(zhǔn)減速器和齒輪減速二級(jí))；(5)進(jìn)出料裝置；(6)抽氣集塵系統(tǒng)。其工作原理是主傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，蒸汽從封頭軸中心孔進(jìn)入封頭，再分配到換熱管中，冷凝水從另一側(cè)封頭的空心軸孔通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭、金屬軟管、疏水閥排出。物料由螺旋輸送機(jī)送入干燥室，被刮板抄起，在換熱管中穿行，通過(guò)與換熱管的接觸達(dá)到換熱的目的，同時(shí)物料在刮板的翻炒下逐漸被推向出料口，最后有出料口排出，完成干燥過(guò)程，干燥過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽由抽氣集塵系統(tǒng)排出干燥室外。其優(yōu)點(diǎn)是物料在換熱管間穿行，換熱效果好、干燥均勻、處理量大、水分蒸發(fā)量大，物料干燥彈性大(能視不同的物料性質(zhì)及水分要求對(duì)干燥時(shí)間進(jìn)行調(diào)整)可連續(xù)生產(chǎn)(自動(dòng)化程度高)，亦可間隙操作(適合于特殊生產(chǎn)工藝)； 物料在呈負(fù)壓狀態(tài)的封閉內(nèi)腔被干燥，作業(yè)環(huán)境清潔，無(wú)污染，噪音小。缺點(diǎn)是粘管后不易清理，不適合粘度較大的物料。

列管式換熱器換熱管與管板的連接一般有以下種連接方式：(1)強(qiáng)度脹接；(2)強(qiáng)度焊接；(3)脹焊并用，分為強(qiáng)度焊加貼脹和強(qiáng)度脹加密封焊。列管式干燥機(jī)轉(zhuǎn)子管板采用低合金鋼鍛件，換熱管選用高壓無(wú)縫鋼管，管板和∮51×3的換熱管采用強(qiáng)度焊加貼脹方式連接，最高工作壓力0.7MPa，最高工作溫度164℃，對(duì)于一般換熱器采用以上連接方式，完全可以滿足密封強(qiáng)度要求，但對(duì)于旋轉(zhuǎn)的干燥機(jī)轉(zhuǎn)子，由于受力情況比較復(fù)雜，密封強(qiáng)度滿足有一定困難。

2 干燥機(jī)轉(zhuǎn)子換熱管接頭所承受載荷

運(yùn)行中的干燥機(jī)轉(zhuǎn)子換熱管接頭所承受載荷主要有以下幾種載荷附加而成：

2.1 重力狀態(tài)下的拉伸和壓縮載荷

自然狀態(tài)下列管式干燥機(jī)管束處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，管束的上側(cè)換熱管處于受壓狀態(tài)，下側(cè)換熱管處于拉伸狀態(tài)，隨著干燥機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)換熱管始終處于拉壓的交變載荷的作用下。

2.2 旋轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)子所承受的扭矩，使換熱管附加一個(gè)拉伸載荷

同時(shí)在工作中，主動(dòng)端封頭通過(guò)管板和換熱管帶動(dòng)從動(dòng)端管板和封頭，換熱管特別是外側(cè)換熱管又附加了一個(gè)拉伸載荷。物料進(jìn)出干燥室的均勻性、物料的干濕度以及運(yùn)行中的振動(dòng)也會(huì)對(duì)載荷產(chǎn)生影響。

2.3 運(yùn)行過(guò)程中，干燥機(jī)的熱脹冷縮導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸向位移，使換熱管接頭附加拉伸或壓縮載荷

大型干燥機(jī)管束部分在工作時(shí)受熱伸長(zhǎng)量△L=12×10-6×[164-(-5)]×7000=14.2 mm，再考慮兩封頭的受熱膨脹(參照換熱管估算伸長(zhǎng)量2.6 mm)，總伸長(zhǎng)不會(huì)低于17mm。干燥機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩側(cè)封頭上的空心軸靠?jī)啥溯S承支撐：主動(dòng)端為固定軸承，從動(dòng)端可以自由游動(dòng)、補(bǔ)償熱膨脹。在干燥機(jī)開(kāi)機(jī)和停機(jī)加熱，使用中蒸汽壓力和溫度的波動(dòng)，都會(huì)使管子和封頭熱脹冷縮從而推動(dòng)干燥機(jī)從動(dòng)端游動(dòng)，使換熱管接頭附加了拉伸或壓縮載荷。

2.4 制造原因附加在換熱管管接頭上的內(nèi)應(yīng)力

管接頭的焊接和脹接以及施工順序使管接頭產(chǎn)生附加的內(nèi)應(yīng)力。

由于各種載荷的附加，使管接頭承受了復(fù)雜的交變載荷。對(duì)于小型干燥機(jī)由于其重量、長(zhǎng)度和直徑較小，換熱管所受的載荷相對(duì)較小，在相同制造條件下出現(xiàn)問(wèn)題的可能性較小，而對(duì)于大型干燥機(jī)換熱管，尤其是外側(cè)換熱管在交變載荷下經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)換熱管焊接接頭開(kāi)裂或換熱管管孔內(nèi)部分被拉裂的問(wèn)題。

因此，要保證干燥機(jī)使用的可靠性，首先必須保證管板和換熱管的材料質(zhì)量，換熱管的材料硬度應(yīng)低于管板的硬度外，還必須保證管孔加工和管接頭焊接和脹接質(zhì)量的穩(wěn)定。針對(duì)干燥機(jī)使用中換熱管管接頭出現(xiàn)的問(wèn)題，公司組織設(shè)計(jì)、工藝、制造、設(shè)備和質(zhì)量等有關(guān)部門人員進(jìn)行分析討論。

3 分析造成制造質(zhì)量不穩(wěn)定的原因

(1)管孔加工質(zhì)量有問(wèn)題，管孔直徑超差，管孔與管板端面的垂直度超差，管孔內(nèi)表面粗糙度不符合要求，都會(huì)對(duì)換熱管的脹接質(zhì)量、換熱管的拉脫力有影響；

(2)雖然采用電動(dòng)脹管機(jī)進(jìn)行脹接，但由于車間內(nèi)其他大型設(shè)備的使用，造成車間內(nèi)電壓不穩(wěn)，脹接質(zhì)量穩(wěn)定性無(wú)法保證；

(3)強(qiáng)度焊加貼脹順序不利于質(zhì)量控制，因?yàn)椴捎孟群负竺洠附雍髸?huì)造成換熱管管壁與管板管孔間隙不均勻，出現(xiàn)偏脹現(xiàn)象；另外換熱管管頭未除銹，管板與管子焊接處未清理，氬氣純度不夠，焊接時(shí)出現(xiàn)氣孔等；

(4)由于主從動(dòng)軸不同心，使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，從而使管接頭承受額外的載荷變動(dòng)，增大了接頭開(kāi)裂或換熱管被拉裂的可能性。

換熱管與管板的連接方式“貼脹+密封焊+強(qiáng)度脹”制定工藝方案，先通過(guò)貼脹消除管子與管孔的間隙，再用密封焊增加密封的可靠性，最后通過(guò)強(qiáng)度脹滿足管子的拉脫力要求。針對(duì)換熱管與管板的連接方式及強(qiáng)度問(wèn)題，成立攻關(guān)小組，進(jìn)行工藝驗(yàn)證，確定合理脹接和焊接工藝參數(shù)。

4 換熱管與管板的連接質(zhì)量測(cè)定

需要驗(yàn)證的工藝參數(shù)：脹管機(jī)控制儀控制電流、貼脹脹緊度(管子壁厚減薄率表示：Ks=0～1%)、強(qiáng)度脹脹緊度(管子壁厚減薄率表示：Ks=6%～7%)、管子拉脫力。密封焊焊接工藝參數(shù)按已評(píng)定合格的焊接工藝評(píng)定，不再進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證。

4.1 準(zhǔn)備

4.1.1 測(cè)量器具

內(nèi)徑千分尺、游標(biāo)卡尺、直尺等。

4.1.2 試件

制作三組工藝試件，每組五件(第三組為備用，根據(jù)試驗(yàn)情況調(diào)整)。

試件質(zhì)量要求：材質(zhì)符合圖紙要求，管孔加工精度和粗糙度符合GB151中Ⅰ級(jí)管束管板管孔要求[3]，分別測(cè)量試件管孔尺寸和配對(duì)管子壁厚及管徑并作好記錄。

4.1.3 設(shè)備及工具

電動(dòng)脹管機(jī)、脹管機(jī)控制儀、穩(wěn)壓器、脹管器、萬(wàn)向節(jié)、扳手、拉伸試驗(yàn)機(jī)等。

4.2 貼脹脹緊度試驗(yàn)

(1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先預(yù)定控制儀控制電流對(duì)第一組進(jìn)行試脹。然后，對(duì)試樣進(jìn)行比較性檢查，檢查脹口部分是否有裂紋，脹接過(guò)渡部分是否有突變，檢查管板管孔與管子外壁的接觸表面的印痕和嚙合狀況。對(duì)貼脹后的管子內(nèi)孔進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)原測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行貼脹脹緊度計(jì)算。

(2)進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，拉脫力q不小于1MPa為合格[1]。

(3)根據(jù)拉脫力試驗(yàn)結(jié)果和脹度測(cè)量計(jì)算結(jié)果確定貼脹時(shí)控制儀控制電流。

4.3 強(qiáng)度脹脹緊度試驗(yàn)

(1)先根據(jù)確定的貼脹控制電流對(duì)第二組試件進(jìn)行貼脹，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定脹管控制儀電流進(jìn)行強(qiáng)度脹(注意控制電流益選小值，根據(jù)脹接情況逐漸增大)。隨時(shí)對(duì)脹后試樣進(jìn)行比較性檢查，檢查脹口部分是否有裂紋，脹接過(guò)渡部分是否有突變，檢查管板管孔與管子外壁的接觸表面的印痕和嚙合狀況。對(duì)貼脹后的管子內(nèi)孔進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)原測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度脹脹緊度計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果及時(shí)調(diào)整脹接控制電流。

(2)進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，拉脫力q不小于4MPa為合格[1]。

(3)根據(jù)拉脫力試驗(yàn)結(jié)果和脹度測(cè)量計(jì)算結(jié)果確定強(qiáng)度脹時(shí)控制儀控制電流。

4.4 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及最終方案確定

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定了貼脹和強(qiáng)度脹時(shí)脹管機(jī)控制儀的控制電流。在對(duì)管子強(qiáng)度脹接后測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)管子長(zhǎng)度增加了3～5 mm，原因是由于管子壁厚減薄使管子長(zhǎng)度增加。結(jié)合干燥機(jī)管束的安裝制造工藝，貼脹后進(jìn)行密封焊，使管子強(qiáng)度脹時(shí)的伸長(zhǎng)量只能在兩管板之間，由于兩管板間距已固定，管子的伸長(zhǎng)勢(shì)必造成管板的平行度出現(xiàn)問(wèn)題。為此為了防止密封焊對(duì)管子伸長(zhǎng)方向的限制，將換熱管與管板的連接方式調(diào)整為“貼脹+強(qiáng)度脹+密封焊”的方案，即按擬定的工藝順序完成一側(cè)管板與換熱管的“貼脹+強(qiáng)度脹+密封焊”，再次檢查并調(diào)整兩管板的平行度，進(jìn)行另一側(cè)管板與換熱管的“貼脹+強(qiáng)度脹+密封焊”。

5 方案實(shí)施及結(jié)論

根據(jù)擬定的換熱管與管板的連接方式，重新修定了干燥機(jī)的制作工藝，對(duì)管板管孔加工要求、換熱管壁厚及貼脹、強(qiáng)度脹、密封焊順序做了嚴(yán)格要求。脹管前和脹管后對(duì)脹管器進(jìn)行檢查，保證脹管器完好，規(guī)定每只脹管器的脹管數(shù)量，達(dá)到后必須及時(shí)更換。脹管時(shí)必須使用穩(wěn)壓器保證脹管儀輸入電壓穩(wěn)定，從而保證輸出轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，必須一次脹接完成，盡量避免兩次以上對(duì)同一管頭重復(fù)脹接，特別是外側(cè)管頭。脹管后必須逐根對(duì)管頭進(jìn)行檢查，檢查脹口部分是否有裂紋，脹接過(guò)渡部分是否有突變等。對(duì)于主從動(dòng)軸同心問(wèn)題另外采取方案解決。在制造過(guò)程中有設(shè)計(jì)和工藝人員進(jìn)行技術(shù)交底并跟班指導(dǎo)監(jiān)督，專職檢驗(yàn)員全程監(jiān)檢，對(duì)工序質(zhì)量嚴(yán)格控制，嚴(yán)禁違章野蠻操作，有效避免了不合格問(wèn)題的出現(xiàn)，保證了干燥機(jī)的制作質(zhì)量。

[1] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程1999版[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

[2] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB 150-1998 鋼制壓力容器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1998.

[3] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB 151-1999 管殼式換熱器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[4] 金國(guó)淼.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書—干燥設(shè)備設(shè)計(jì)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1986.

[5] 毛希瀾.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書—換熱器設(shè)計(jì)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1988.

(本文文獻(xiàn)格式：劉同增.大型列管式干燥機(jī)換熱管與管板的連接方式探討[J].山東化工,2017,46(7):138-139.)

2017-02-21

劉同增(1965—)，男，山東肥城人，工程師，主要從事化工相關(guān)機(jī)械設(shè)備的工藝與技術(shù)工作。

TQ051.8

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1008-021X(2017)07-0138-02