典型雙管板換熱器制造工藝研究

黎洪

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643000）

1 前言

壓力容器在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展各領(lǐng)域中起著非常重要作用，換熱器作為常見熱交換設(shè)備，屬于壓力容器常規(guī)設(shè)備，常見的典型結(jié)構(gòu)有：U形管式換熱器、螺旋管式換熱器、板式換熱器、列管式換熱器等類型。本文就其中一種比較常見的雙管板換熱器的制造工藝進(jìn)行探討，此類換熱器一般由以下幾個(gè)主要組件構(gòu)成：如圖1所示，有左右封頭、左右管板、換熱管、殼體等。

圖1

2 雙管板換熱器的制造

換熱器制造工藝中，換熱管尺寸精度和換熱管加工、管板平面度要求和管孔加工對(duì)于穿管、封口焊、脹管影響大，屬于產(chǎn)品制造的關(guān)鍵工藝。從圖1可以看出，產(chǎn)品的管程和殼程完全分開，互不相通，因此在制造過程產(chǎn)品運(yùn)行過程中如有泄漏可以迅速測出，而且便于維修。從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造上對(duì)于這類型換熱器要求較高，特別是換熱管穿管、封口焊焊接、采取何種裝配工藝確保產(chǎn)品能夠整體合攏，以及最終合攏終結(jié)環(huán)縫焊接質(zhì)量，都是有難度和需要豐富制造經(jīng)驗(yàn)支撐。做好以上關(guān)鍵工序，才能確保產(chǎn)品質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，滿足用戶需要。

本文主要對(duì)換熱管精度控制、管板制造加工、管孔加工、管束套裝、封口焊和脹接順序探討、產(chǎn)品成型后壓力測試等關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究。

2.1 換熱管材料及尺寸精度與制造關(guān)系

換熱管與管板的連接一般有焊接、脹接、脹焊形式，根據(jù)接觸介質(zhì)和運(yùn)行壓力等級(jí)情況，高壓容器采用脹焊結(jié)構(gòu)較多，低壓容器中有些采用只脹不焊。為確保穿管后消除管子與管板間間隙，減少間隙腐蝕、降低應(yīng)力等，穿管完成后需要脹接，要求脹接完成后管板發(fā)生是彈性變形，因此從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選材要求換熱管強(qiáng)度比管板材質(zhì)稍低，對(duì)于換熱管尺寸需要有專門要求，對(duì)管板和換熱管材質(zhì)硬度需要有規(guī)定，以確保獲得最佳可靠脹接質(zhì)量。

2.1.1 換熱管尺寸精度控制：

從《GB151熱交換器》中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于換熱管規(guī)格選取和制造尺寸偏差均做了明確要求，需要設(shè)計(jì)單位結(jié)合具體設(shè)計(jì)條件，制造要求等選擇，從行業(yè)看各換熱器制造廠以及換熱管制造廠家一般對(duì)于尺寸偏差有以下要求：

a) 為盡量減小換熱管與管板之間間隙，普遍推薦采用高精度管，對(duì)于外徑一般會(huì)提出尺寸正公差；

b) 換熱管橢圓度影響焊接和穿管，因此要求管子橢圓度不得超出±0.2mm；

c) 考慮穿管和后續(xù)加工影響，需要控制管口端面尺寸、管口傾斜度等；

d) 換熱管制造需要考慮工藝余量，節(jié)約用料，對(duì)于長度一般要求不大于±5 mm，管子直線度影響穿管，因此也會(huì)做直線度要求；

2.1.2 管板與換熱管材料選擇一般要求

脹接和脹焊并用屬于換熱管制造常用工藝，為確保管板發(fā)生彈性變形而換熱管發(fā)生塑性變形與管板連接在一起，從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上選擇一般要求管板材料屈服強(qiáng)度和硬度需高于換熱管材料，為避免換熱管脹接殘余應(yīng)力過大，根據(jù)制造經(jīng)驗(yàn)一般選擇管板與換熱管之間硬度差在HB20-30以上，才能確保脹接可靠性。如果因?yàn)榻橘|(zhì)或者其他特殊工況，換熱管硬度值大于管板硬度情況，一般推薦選擇對(duì)脹接區(qū)域進(jìn)行熱處理，降低換熱管脹接區(qū)域的硬度，確保脹接質(zhì)量。

2.2 換熱器關(guān)鍵零部件制造工藝

2.2.1 殼體成型

殼體屬于換熱器核心關(guān)鍵的組件，主要有下料排版、筒體坡口制備、卷圓、縱環(huán)縫焊接、矯圓等工序，為避免影響設(shè)備傳熱或者造成流體短路等，需要嚴(yán)格控制殼體內(nèi)徑在設(shè)計(jì)公差范圍，需要嚴(yán)控鋼板下料和卷圓成型偏差。

⑴ 筒節(jié)長度及排版要求

筒體排版應(yīng)遵循焊接接頭盡量少的原則，減少焊接、清根和探傷造成增加成本的不利因素，在鋼板成型能夠滿足要求情況下，一般采用單條縱縫，排版時(shí)應(yīng)合理布置焊縫位置，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，還應(yīng)盡量提高材料利用率。卷板過程外周長伸長，內(nèi)圓周縮短，中間層不變，因此筒節(jié)的排版展開長度一般按中徑展開計(jì)算，并考慮減去卷板一定伸長量。

⑵筒節(jié)下料尺寸控制

根據(jù)筒體精準(zhǔn)下料尺寸的計(jì)算方法，結(jié)合卷板機(jī)能力要求，綜合考慮加工余量、焊縫收縮量、焊接組對(duì)間隙等因素，若是復(fù)合板材料筒體，下料時(shí)還應(yīng)考慮復(fù)合板材料中間層靠近復(fù)合層偏移影響。

（3）筒體成形

殼體成形一般優(yōu)先選用冷成形，卷制時(shí)以卷板機(jī)上輥筒為基準(zhǔn)，用線錘校核鋼板與卷筒之間的平行度。監(jiān)視線與線錘垂直線的距離誤差≤1mm，中線與線錘垂直線的距離誤差≤1mm。筒體組對(duì)環(huán)縫應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于錯(cuò)邊量要求，根據(jù)裝配精度需求，應(yīng)采取措施控制裝配間隙，提高裝配精度。筒體焊縫應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行相應(yīng)無損檢測，殼體組裝成型后，應(yīng)對(duì)與管板對(duì)接端的端口端面和殼體整體直線度進(jìn)行檢測，劃好相應(yīng)基準(zhǔn)線，待與管板組對(duì)。

2.2.2 管板及折流板制造

管板應(yīng)控制整體平面度，為確保管板孔精度和孔間距滿足要求，一般采用數(shù)控平面鉆鉆孔，如圖2，一般管板采用平面鉆或者深孔鉆鉆孔，管板機(jī)加時(shí)需要采取措施避免造成管板變形。管孔尺寸、垂直度、孔間距等需要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖2管板鉆孔和孔橋檢測。為確保加工精度和便于立管系，隔板折流板加工應(yīng)避免多次裝夾累計(jì)誤差等，可以考慮采用疊鉆加工或者配鉆，做好標(biāo)記采取讓鉆孔方向與穿管方向保持一致性等措施，應(yīng)對(duì)管孔進(jìn)行倒角毛刺清理等，如圖3倒角后的隔板。對(duì)于超標(biāo)的孔需要進(jìn)行標(biāo)記并核實(shí)是否滿足穿管需求。

圖2 管板鉆孔和孔橋檢測

圖3 倒角后的隔板

2.3 雙管板換熱器組裝

2.3.1 裝配準(zhǔn)備工作

2.3.1.1 管束組件主要由上下管板、折流板、換熱管等組成，首先檢查兩組管板是否按鉆孔方向做好了編號(hào)和正反面標(biāo)記。檢查折流板的正、反面和管孔是否倒角以及毛刺是否清理干凈，避免穿管劃傷換熱管。按照鉆孔的方向準(zhǔn)備好穿管平臺(tái)和立架輔助工裝，把雙管板和折流板擺好，先采用換熱管逐孔試穿。如存在管孔同心度及折流板外圓不圓整的問題，可以采用鉸刀等工具進(jìn)行修復(fù)。立管系屬于重要關(guān)鍵工序，主要工藝流程：立管架→穿管→封口焊→封口焊無損檢測→裝焊，如圖4立管系所示。

圖4 立管系

2.3.1.2 管板預(yù)裝

立管系前需仔細(xì)清理管板、折流板、換熱管表面油污等，特別是換熱管端部穿入管板區(qū)域，需仔細(xì)清理，否則影響封口焊質(zhì)量。在穿管平臺(tái)上將雙管板用輔助支撐，定距管或者圓鋼等把管板、折流板組裝成臨時(shí)整體，微調(diào)每組管板的同心度、平行度和扭曲度等關(guān)鍵尺寸，采用備用管作為工藝用管逐孔試穿，任意方位試穿確保每根換熱管都可以順利穿過后，然后按照工藝文件要求分別固定焊成組件。

2.3.2 雙管板管束與殼體組裝

雙管板換熱器可以采用明立管系，按穿管的工藝或者采用一端穿管完成，引管完成的方案，也可以采用暗穿工藝，將管板、折流板、筒體等組成組件，然后進(jìn)行穿管，具體可以根據(jù)各廠制造經(jīng)驗(yàn)和詳細(xì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)制造工藝方案確定。

2.3.2.1 裝配前先將支撐板與筒節(jié)進(jìn)行試配。裝配時(shí)：裝配工進(jìn)入筒節(jié)組件裝拉桿、定距管、用行車輔助把支撐板吊入到圖紙位置，為保證裝配，采用工藝圓鋼定位，使拉桿,定距管,折流板的中心線一致，試穿管：因?yàn)橥鈿づc管系套裝后，多根換熱管需要完全穿過隔板和管板，上、下管板與支撐板管孔是否同心均影響暗穿管，即使一根換熱管穿管不過，也會(huì)造成重新調(diào)整管系的風(fēng)險(xiǎn)性，所以外殼與管系套裝后，必須對(duì)管板與支撐板同心度進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3.2.2 將管束組件穿入殼程筒體，調(diào)整右側(cè)管板與殼程筒體的垂直度和同心度后點(diǎn)固管板與殼程筒體，此穿管為暗穿形式，對(duì)裝配精度要求非常高。

2.3.2.3 如果采用引管的工藝方案，就需要采取措施確保管板之間間隙滿足要求，可以采用增長換熱管或者采用引管工裝的措施，在穿入所有的換熱管后，需要將換熱管伸出右側(cè)管板外側(cè)管板的長度大于雙管板間距的2倍，這樣才能保證引管距離足夠。

2.3.3 左側(cè)管板與換熱管脹焊

管子管板的連接方式一般為強(qiáng)度焊+貼脹的方式。制造工藝上可以先采用定位脹管或者點(diǎn)焊定位的工藝，第一次定位脹采用機(jī)械脹，主要用于換熱管定位，然后按照焊接工藝文件要求，對(duì)左側(cè)管板與管子進(jìn)行封口焊，封口焊完成后，第二次采用液壓脹接的脹管工藝，換熱管與管板管孔間隙較小。脹接要求一般為柔性貼脹（即液壓貼脹），換熱管在液壓作用下，膨脹部位首先產(chǎn)生彈性變形，然后是塑性變形。當(dāng)液壓進(jìn)一步升高時(shí)，管板將發(fā)生彈性變形，卸壓后，由于管板的彈性回復(fù)而永久地箍緊管子，從而使管子與管板間產(chǎn)生脹緊力。為防止漏脹，脹接時(shí)應(yīng)逐孔做好標(biāo)記。根據(jù)脹接情況，要不定期地復(fù)檢脹桿軸定位尺寸，確保液袋位于管板孔的脹接范圍之內(nèi)，避免過脹。

2.3.4 右側(cè)管板與換熱管脹焊

換熱管去除余量前，應(yīng)仔細(xì)檢查兩端換熱管是否都穿出管板，并有足夠加工余量。為確保裝焊需求，首先去除一端管板的管端多余余量，如圖5所示，采用便攜設(shè)備或者鉆削設(shè)備對(duì)換熱管管端進(jìn)行刮頭。然后按工藝文件要求完成刮頭一端封口焊焊接，再去除另一端管板余量，按工藝完成封口焊焊接和脹接。為確保焊接質(zhì)量，封口焊完成后需要進(jìn)行100%PT檢查，且需要進(jìn)行氦氣檢漏或者氨檢漏等措施，考慮環(huán)保影響以及氦氣的高靈敏度，因此建議做氦檢漏。

圖5 管端刮頭

2.3.5 總裝及壓力試驗(yàn)

總裝一般按照以下流程，殼體組件在不與上下封頭組件裝焊前，上下管板與外殼環(huán)縫按照工藝文件要求進(jìn)行焊接，殼側(cè)單獨(dú)水壓，單獨(dú)氦檢漏?？傃b示意如圖6所示。裝上、下封頭組件與外殼組件，焊接、探傷、管側(cè)水壓試驗(yàn)，管側(cè)氦檢漏。

圖6 總裝示意圖

3 總結(jié)

雙管板換熱器的制造，管板與筒節(jié)組件垂直度、如何保證管系管板、支撐板管孔同心、順利穿管等屬于非常關(guān)鍵的工序，如果支撐板定位不準(zhǔn)，將使得換熱管無法順利穿入管系，將會(huì)造成較大的返修。部分換熱器管板較薄，在制造過程中往往由于管板剛性不足、組裝與施焊的順序不當(dāng)、坡口形式、焊接熔敷量過大、焊接工藝參數(shù)選擇的不合理，容易引起管板焊接變形，也需要從設(shè)計(jì)和制造上引起高度重視。