熱交換器自動化穿管系統(tǒng)及設備研究

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南洛陽 471000）

熱交換器是流體進行熱量交換的一種工藝換熱設備，可滿足一種高溫流體降溫和另一種低溫流體升溫的需要。其在化工、石油、制藥及能源等工業(yè)部門應用相當廣泛，是化工生產中不可缺少的重要設備之一［1］。管束結構（圖1）是熱交換器的重要組成部分，由管板、折流板、拉桿、定距管（分段套在拉桿外面，位于折流板間）、換熱管等組成［2］。管束結構中包含大量的換熱管，換熱管質量在管束結構總質量中的占比高達80%。

圖1 熱交換器管束結構示圖

換熱管管束穿管主要包含抬管、認管頭、推管3個作業(yè)流程，目前整個作業(yè)流程全部由手工完成，勞動強度大，無其他機械設備協(xié)助，效率極低。經(jīng)統(tǒng)計，1臺熱交換器的管束需3～4人用時1.5 d才能完成換熱管的穿管，無法滿足車間產品正常生產進度，因而大約有半數(shù)的管束穿管工作需要通過外協(xié)加以解決，不僅增加了制造成本，而且外協(xié)的交貨期也無法保證。為了有效提高熱交換器管束的穿管效率，滿足生產需要，且穿管為重復性工作，無需太高的人工技能，有必要將手工穿管作業(yè)升級為機械全自動作業(yè)［3-5］。

1 直管換熱管穿管操作現(xiàn)狀及自動化升級思路

1.1 穿管流程

直管換熱管人工穿管操作現(xiàn)場見圖2。操作時，由3名操作者同時抬起1根換熱管，另有1名操作者負責將換熱管對準折流板管孔，然后3名操作者向前推動換熱管使其進入管孔，直至穿過固定管板。

圖2 人工穿管操作現(xiàn)場

1.2 穿管要求

穿管過程中，抬起換熱管管束時要求換熱管基本平直無彎曲，以防止因管頭翹曲無法進入折流板管孔。認管頭時要求換熱管和折流板管孔基本在一條直線上。推動管束時要求做到換熱管受力與換熱管基本在一條直線上，以有效推動換熱管進入管孔。

1.3 升級方案

抬管升級方案為用水平槽取代人工抬管，抬管水平槽實物見圖3。

圖3 抬管水平槽實物圖

認管頭升級方案為，根據(jù)換熱管布管圖 （圖4），基于換熱管的孔心距，用小程序計算和控制完成換熱管管頭與管孔的一對一對中。

圖4 管板孔水平等距布置

推管升級方案類似埋弧焊的自動送絲。埋弧焊送絲機構實物圖見圖5，驅動部分由可調預緊力壓桿、主動輪及從動輪組成?？烧{預緊力壓桿起壓緊焊絲作用，其把手可旋轉調節(jié)壓緊度。電機帶動主動輪旋轉，為送絲提供動力。從動輪將焊絲壓入送絲輪上方的送絲槽，增大焊絲與送絲輪的摩擦，使焊絲平穩(wěn)地送出［6-12］。

圖5 埋弧焊送絲機構實物

2 直管換熱管自動化穿管設備系統(tǒng)

整個換熱管自動化穿管系統(tǒng)由上料機構、水平支撐機構、送管機構、連動控制機構和其他輔助設備等共5部分組成，可以實現(xiàn)換熱管自動抬管、程序識別管頭及自動推管到指定位置全部機械化操作［13-15］。

2.1 上料機構

熱交換器自動化穿管上料機構主要由20°斜平臺、凸緣卡槽和氣缸組成，可實現(xiàn)換熱管的自動上料，其實物見圖6。操作時，換熱管在自重作用下進入凸緣卡槽，氣缸帶動凸緣槽前后翻轉，將換熱管送入水平槽中。

圖6 熱交換器自動化穿管操作現(xiàn)場上料機構實物

2.2 水平支撐機構

熱交換器自動化穿管水平支撐機構主要由槽鋼和錐形滾輪組成，實物見圖7。槽鋼水平放置，長度9 m。錐形滾輪選用耐磨性能優(yōu)良的硬質合金S51550制造，并根據(jù)換熱管規(guī)格、加緊力和上、下滾輪的配合要求，設計為60°夾角。

圖7 熱交換器自動化穿管操作現(xiàn)場水平支撐機構實物

2.3 換熱管推送機構

熱交換器自動化穿管換熱管推送機構由氣動加緊機構、電機齒輪、氣動補推機構組成，可實現(xiàn)換熱管直線送進，其實物見圖8。

圖8 熱交換器自動化穿管操作現(xiàn)場換熱管推送機構實物

以長度6 000 mm換熱管的推送過程為例，說明換熱管推送機構的用法。換熱管推送過程分2個步驟，前5 500 mm管長輔以錐形引導頭，由氣動夾緊機構和電機齒輪依靠摩擦力送管，后500 mm管長用氣動機構送管。后500 mm管長推送時因管板孔直徑小，夾緊產生的摩擦力相對不足，這時需依靠氣動機的推力頂進管板。氣動機的作用是補充性的，所以稱為氣動補推機構。目前每排換熱管第一根和最后一根的管頭識別由人工輔以確認，中間換熱管全由計算軟件控制實現(xiàn)連續(xù)性穿管。

2.4 連動控制機構

熱交換器自動化穿管連動控制機構主要由控制軟件、十字行走機架及位置感應器組成，用于換熱管水平方向遞進式依次穿管，其現(xiàn)場實物見圖9［16-17］。穿管時，送管機構夾緊送管，穿至5500mm后感應開關感應控制夾緊機構提升，氣動補推機構推進后500 mm，感應開關確定推到位置后控制補推機構收縮到起始位置，機架平行向前移動一個孔位，控制上管機構進行翻轉上管。

圖9 熱交換器自動化穿管操作現(xiàn)場連動控制機構實物

2.5 其它輔助設備

熱交換器自動化穿管系統(tǒng)其它輔助設備主要包括上料架（圖 10）、管束支撐架（圖 11）和管板高度調整液壓升降機（圖12）。

圖10 熱交換器自動化穿管操作現(xiàn)場上料架實物

圖11 熱交換器自動化穿管操作現(xiàn)場管束支撐架實物

圖12 熱交換器自動化穿管操作現(xiàn)場管板高度調整液壓升降機實物

上料架主要用于放置成捆的換熱管，在設備實際運行時方便換熱管上管。管束支撐架用于不同直徑管束水平放置，換熱管與拆流板組裝后可以根據(jù)折流板直徑大小選用合適的支撐架。管板高度調整液壓升降機用于調整管板高度，保證管板與折流板同心，因管板外圓尺寸大于折流板的，穿管時管板不能同折流板一起放到支撐架上。

3 熱交換器自動化穿管系統(tǒng)使用情況及后續(xù)提升方向

3.1 使用情況

熱交換器自動化穿管系統(tǒng)已經(jīng)應用于2臺工業(yè)熱交換器的自動化穿管 （換熱管長為6 m），應用效果良好。對自動化穿管的平均用工和用時進行統(tǒng)計并與手動穿管進行對比，結果見表1。

表1 自動化穿管與手動穿管統(tǒng)計與對比

管束定位時需增加1人配合調整管束架，保證管板和折流板管孔同心，后續(xù)其他工序可1人完成操作。自動化穿管操作的速度達到500～600根/班，為手動速度的2～3倍，勞動強度降低70%。該系統(tǒng)操作簡單便捷，通過短時間培訓后能直接操作。

3.2 后續(xù)提升方向

目前自動化穿管系統(tǒng)能夠實現(xiàn)一排排換熱管連續(xù)性自動穿管，后續(xù)將借鑒視覺系統(tǒng)的管板自動封焊（圖13）技術，引入視覺系統(tǒng)進行管孔定位，由電腦控制設備進行全自動穿管。

圖13 視覺系統(tǒng)的管板自動封焊實物

4 結語

根據(jù)熱交換器直管管束特點，細分了穿管流程及要求，簡化了工序邊界條件，通過對自動化穿管工藝的研究，采用機械化操作取代手動作業(yè)，完成了直管熱交換器管束自動化穿管系統(tǒng)的設備設計制造，極大提高了工作效率，降低了勞動強度，在穿管的穩(wěn)定性、質量可靠性、自動化等方面具有較大優(yōu)勢，希望能夠對行業(yè)內非標機械工裝的設計、研究提供一些參考依據(jù)。