銅管管殼式換熱器制造要點

丁俊濤*

（南京揚子石化-巴斯夫有限責任公司）

0 前言

1 銅管換熱器制造簡述

在工藝模擬計算時，由于該換熱器管程介質(zhì)流速較低，若換熱管采用普通材質(zhì)（如碳鋼或者不銹鋼），則其傳熱系數(shù)無法達到工藝要求的換熱效果。通過工藝計算并結(jié)合經(jīng)濟性考慮，換熱管采用銅管材質(zhì)，其余受壓元件則采用碳鋼。為普通的管殼式換熱器，其制造過程中需特別注意的地方為換熱管與管板的連接處。管板采用碳鋼16MnIII 鍛件，換熱管采用TP2銅管，規(guī)格為 19 mm×2 mm，供貨的熱處理狀態(tài)為半硬狀態(tài)。換熱管與管板連接需采用強度脹接（刻脹管槽）。該換熱器的管程和殼程的設(shè)計壓力分別為1.7 ，2.8 MPa。

當換熱管硬度比管板的硬度小30 HV 時，脹接效果較好，而銅管換熱器的硬度很低，只有50～100 HV，與碳鋼鍛件的硬度相差很大，二者強度差值遠遠大于30 HV。若貿(mào)然加工生產(chǎn)，則不能達到技術(shù)和試壓要求，如何使換熱管和管板滿足相關(guān)制造標準要求，保持良好的密封性能并通過檢驗，是必須要解決的問題。該換熱器正式生產(chǎn)前，進行了一系列的模擬試驗，最終通過了壓力試驗。

2 銅管換熱器制造過程中的注意事項

為保證設(shè)備正式制造時順利進行，其性能滿足設(shè)計要求，按照以下程序進行前期的驗證試驗。

2.1 拉脫力試驗

根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》標準，換熱管與管板的拉脫力計算公式如下：

式中：Q——換熱管與管板連接的拉脫力；

δt——換熱管壁厚；

a ——1 根換熱管管壁金屬的截面面積；

d ——換熱管外徑；

斜拉索的索力測試一直是工程界關(guān)注的重點問題。本文為解決斜拉橋模型試驗中索力測試的難題，研發(fā)了一種基于壓力環(huán)傳感器的索力測試系統(tǒng)。結(jié)合Ansys分析軟件，對該系統(tǒng)按照接觸問題進行了仿真分析，得到了索力與測試應變的函數(shù)關(guān)系式。同時在實驗室將該系統(tǒng)的測試結(jié)果與傳統(tǒng)的測頻法的測試結(jié)果進行了對比驗證，結(jié)果表明：本章研發(fā)的索力測試系統(tǒng)性能可靠，操作方便，測試結(jié)果精度較高，當選擇合適的傳感元件時，該系統(tǒng)可應用于斜拉索索力的長期、實時監(jiān)測。

l ——換熱管與管板脹接長度或焊腳高度；

F ——拉力試驗機所測得的拉力數(shù)值；

[q]——許用拉脫力；

其計算結(jié)果應滿足q ≤ [q]，否則可能會造成換熱管與管板脫離，設(shè)備失效。根據(jù)GB/T 151—2014標準中7.4.7 條要求，有色金屬管應滿足以下條件： [q] = 3 MPa。

2.1.1 試驗試塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

在管板采購時應同時采購試塊，試塊厚度應與管板相同，形狀為圓形，管子應當與設(shè)備換熱管材和規(guī)格相同。為了進一步保證脹接效果，根據(jù)實踐經(jīng)驗將脹管槽寬度改為8 mm，管孔的排列形式與管孔中心距應與設(shè)計條件相同，承受載荷的管子應位于試驗中心位置，至少被一排相鄰的管子包圍（可見圖1），試樣的管長應滿足試驗需要，承擔載荷管子的管長不應小于試樣管板的厚度。該試驗共需做3 組，至少2組的測試結(jié)果應滿足q ≤ [q]。

圖1 試樣安裝示意圖

2.1.2 脹接方法選取及主要操作步驟

TP2 銅管硬度較小，若選取機械脹管器進行強度接脹，則會對換熱管內(nèi)壁造成很大的損傷，因此該試驗選取液壓脹管器，并按以下步驟進行：先計算脹接力范圍，選取脹接壓力。不同的脹管器生產(chǎn)廠家會提供脹管力的計算方法，根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，得出管頭脹接時所需要的操作參數(shù)。

按設(shè)計的試塊結(jié)構(gòu)加工試樣，測量得到相關(guān)數(shù)據(jù)，按照選取的脹管力進行脹接。試塊加工完成后，去除試塊上的油污，按設(shè)備藍圖上的尺寸及相關(guān)公差要求進行檢驗，試驗銅管脹接前需做好保護工作，防止被油污污染或劃傷。銅管脹接前，先測量試塊管孔內(nèi)徑D，換熱管外徑d，換熱管內(nèi)徑di，換熱管壁厚S，并記錄數(shù)據(jù)。脹接時操作工應戴清潔手套，在清潔的環(huán)境中進行作業(yè)。換熱管的脹接部分與不脹部分應圓滑過渡，不得有急劇變化的棱角。

脹接完成后，用千分表測量記錄數(shù)據(jù)，脹后換熱管的內(nèi)徑di'，強度脹的脹管率要求為5%～7%，并按下式計算：

將測量結(jié)果代入上式進行計算，檢查脹度能否滿足要求。若脹度不足，則應進行補脹。

在拉力試驗機上進行拉脫力試驗，分別記錄每組拉脫力數(shù)據(jù)，在試驗管子上應分別做出識別標記。得到拉脫力以后，帶入拉脫力計算公式進行驗證，結(jié)果需符合規(guī)定要求q ≤ [q]，否則應重新進行試驗，之前的試樣結(jié)果則全部作廢。

2.2 換熱器模擬液壓試驗

該試驗需做一個縮小版的換熱器進行模擬（詳見圖2），管板厚度應與設(shè)備相同，換熱管規(guī)格與設(shè)備換熱管相同，模擬換熱器的換熱管排布、尺寸以及加工、制造、檢驗過程均按設(shè)備原圖要求進行。并且生產(chǎn)環(huán)境應保持清潔，加工公差則應嚴格遵照設(shè)計要求，接管與筒體、筒體與管板的焊接要求應遵照焊接工程師所制定的焊接工藝。在組裝過程中，應做好換熱管的保護及清潔工作。脹接前做好相關(guān)數(shù)據(jù)的測量及記錄工作，管板管孔、換熱管兩端長度不小于管板厚度的2 倍，輕度打磨去除表面的氧化皮、油污等。之后按照拉脫力試驗的脹接步驟，按照脹管機廠家提供的說明書進行脹接。所有脹接工作完成后（包括脹管率測量合格）按照設(shè)計藍圖規(guī)定的水壓試驗壓力及正確的操作規(guī)范進行水壓試驗。在水壓試驗過程中，不可避免會出現(xiàn)管頭泄漏現(xiàn)象。用記號筆進行標記，之后再次調(diào)整脹接數(shù)據(jù)進行補脹，并記錄補脹時的操作數(shù)據(jù)。補脹之后，再次進行水壓試驗，并檢查換熱管與管板管頭。在脹接、補脹過程中應避免出現(xiàn)過脹或者欠脹管頭。

圖2 換熱器模擬液壓試驗

3 總結(jié)

將拉脫力試驗結(jié)果及換熱器模擬液壓試驗結(jié)果作為一組數(shù)據(jù)來進行評定，該結(jié)果可用于指導換熱器的制造過程。銅管換熱器制造過程中的難點在于換熱管與管板的連接，對試樣進行拉脫力試驗及模擬換熱器的水壓試驗，不僅能確保換熱管與管板的連接處強度滿足標準要求，同時也能為后續(xù)的制造過程模擬正確有效的操作步驟。

事實證明，按照上述2 個試驗總結(jié)得到的數(shù)據(jù)及注意事項指導生產(chǎn)制造，可以大大降低該類銅管換熱器或者類似的換熱器制造失敗的概率，大大提高生產(chǎn)的質(zhì)量和設(shè)備可靠性。