一種典型三段式高壓加熱器制造過程質(zhì)量控制要點(diǎn)研究

于立龍

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

高壓加熱器設(shè)備屬于壓力容器，是受國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局監(jiān)管的特種設(shè)備，由于設(shè)備在高壓狀態(tài)下運(yùn)行，一旦發(fā)生事故，將會(huì)對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大影響。鑒于以上原因，國(guó)家在近年來(lái)不斷加大對(duì)壓力容器制造和使用環(huán)節(jié)的監(jiān)管力度，對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)和制造實(shí)施質(zhì)量實(shí)行責(zé)任終身追究制度。但從國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局公布的特種設(shè)備安全狀況看，每年特種設(shè)備安全事故高達(dá)上百起，并直接導(dǎo)致上百人死亡。壓力容器質(zhì)量事故的主要特征是爆炸和泄漏等嚴(yán)重質(zhì)量問題，反映出各企業(yè)在技術(shù)和管理方面還存在薄弱環(huán)節(jié)，急需對(duì)問題進(jìn)行深入分析和改進(jìn)。本文結(jié)合一種典型三段式高壓加熱器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造和檢驗(yàn)等過程的常見問題入手，對(duì)如何保證高壓加熱器設(shè)備的質(zhì)量進(jìn)行了深入研究。

1 高壓加熱器的用途和工作原理

高壓加熱器作為汽輪機(jī)輔機(jī)，是火力發(fā)電廠中不可缺少的關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)輔助設(shè)備。電廠通過配備高壓加熱器設(shè)備，利用汽輪機(jī)抽汽提高鍋爐給水溫度，實(shí)現(xiàn)機(jī)組提效、節(jié)煤降耗的目的。高壓加熱器工作的主要原理為：汽輪機(jī)抽汽與在換熱管中流動(dòng)的鍋爐給水在高壓加熱器內(nèi)部進(jìn)行無(wú)接觸式表面換熱，對(duì)鍋爐給水溫度進(jìn)行提高，過熱蒸汽在放熱后冷凝成疏水并通過疏水接管排出。

2 高壓加熱器的結(jié)構(gòu)

2.1 三段式高壓加熱器的整體結(jié)構(gòu)

三段式高壓加熱器內(nèi)部設(shè)有過熱蒸汽冷卻段、蒸汽凝結(jié)段和疏水冷卻段，具體結(jié)構(gòu)和作用如下：

（1）過熱蒸汽冷卻段是由管板、頂板、折流板、底板、包殼、密封板等零件形成的一個(gè)嚴(yán)密的空間，如圖1所示。為了充分利用汽輪機(jī)抽氣的過熱度，減少換熱過程產(chǎn)生的熱損失，在給水入口附近設(shè)置一個(gè)冷卻區(qū)域，初步降低蒸汽溫度，再進(jìn)入凝結(jié)段，以確保將給水溫度加熱到預(yù)期效果。

圖1 過熱蒸汽冷卻段簡(jiǎn)圖

（2）蒸汽凝結(jié)段是高壓加熱器設(shè)備的主要換熱部分，一般該區(qū)域換熱面積最大，該部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。在該區(qū)域，帶有一定過熱度的飽和蒸汽流入凝結(jié)段管束，逐漸冷凝成飽和疏水，并釋放出汽化潛熱對(duì)換熱管中的鍋爐給水進(jìn)行加熱，使換熱管內(nèi)的鍋爐給水溫度得到有效提高，同時(shí)未凝結(jié)的氣體從排氣管及時(shí)排出，確保換熱達(dá)到預(yù)期效果。

圖2 蒸汽凝結(jié)段簡(jiǎn)圖

（3）疏水冷卻段同樣是一個(gè)密閉空間，由擋板、隔板和包殼板等零部件構(gòu)成，如圖3所示，該段的作用主要是進(jìn)一步降低疏水溫度和提高鍋爐給水溫度，進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體效率，也能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

圖3 疏水冷卻段簡(jiǎn)圖

2.2 高壓加熱器的主要部件

三段式高壓加熱器一般由水室、外殼、管系、接管、支座和安全附件組成，其中水室一般由半球形封頭、給水入口接管、給水出口接管、人孔裝置和包殼組成，外殼一般由長(zhǎng)筒身、短筒身、橢圓封頭和各類接管組成，管系一般由管板、換熱管、隔板、包殼和排汽管等組成。典型三段式高壓加熱器基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 典型三段式高壓加熱器簡(jiǎn)圖

三段式高壓加熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，各部件設(shè)計(jì)均充分考慮了可靠性以及性能要求。例如，采用深碗形管板（如圖5所示），進(jìn)一步增大了水室空間，降低給水流速，有效地減輕了對(duì)部件的沖擊。在過熱蒸汽冷卻段采用整體模板壓制的包殼板（如圖6所示），既能防止在使用時(shí)發(fā)生泄漏，又能提高傳熱效果，進(jìn)而提高整體效率。在蒸汽凝結(jié)段采用類似矩形的隔板結(jié)構(gòu)（如圖7所示），大幅提高換熱效果。

圖5 深碗形管板簡(jiǎn)圖

圖6 高壓加熱器過熱段整體包殼板簡(jiǎn)圖

圖7 高壓加熱器凝結(jié)段隔板簡(jiǎn)圖

3 高壓加熱器的制造工藝流程、常見問題及預(yù)防措施

3.1 整體工藝流程介紹

高壓加熱器制造工藝可分為管系制造、外殼制造、水室制造和總裝4個(gè)步驟，典型工藝流程圖如圖8所示。

圖8 典型高壓加熱器工藝流程圖

3.2 管系制造的主要工藝流程

3.2.1 概述

管系主要包括管板、短筒身、水封板、隔板、包殼和換熱管等零部件（管系簡(jiǎn)圖如圖9所示），制造的關(guān)鍵點(diǎn)包括管板的加工、換熱管和管板的連接以及管系的組裝。

圖9 典型高壓加熱器管系簡(jiǎn)圖

3.2.2 管板加工

管板作為管系的關(guān)鍵部件，其加工過程較為復(fù)雜，主要包括管板堆焊以及鉆孔兩個(gè)難點(diǎn)。

（1）管板堆焊。管板一般采用20MnMo、20MnMoNb等材質(zhì)的鍛件，換熱管一般采用SA-556Gr.C2無(wú)縫冷拔碳鋼管，二者的焊接屬于異種鋼焊接，并且管板和換熱管壁厚存在較大差異，在焊接過程中以及焊后熱處理時(shí)在焊接接頭位置容易產(chǎn)生較大應(yīng)力，造成焊縫裂紋。因此，通過在管板表面堆焊一層含碳量非常低的碳鋼材料，提高焊縫的可靠性。管板堆焊一般采取兩層帶極堆焊，并嚴(yán)格控制每層堆焊厚度，在堆焊過程中需隨時(shí)對(duì)表面進(jìn)行清理，堆焊后采用無(wú)損檢測(cè)的方式檢驗(yàn)堆焊質(zhì)量，確保滿足要求。

（2）管孔加工。管孔加工質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的穿管工序，也會(huì)對(duì)換熱管運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。管孔加工的難度主要包括兩個(gè)方面，一是管孔的數(shù)量較多，單個(gè)管板管孔數(shù)量可達(dá)數(shù)千個(gè)；二是為保證后續(xù)穿管順暢，管孔的粗糙度、垂直度以及孔距均需滿足設(shè)計(jì)要求。為有效保證管孔加工質(zhì)量，采用三軸數(shù)控深孔鉆床鉆孔，在管板裝卡時(shí)利用高精度測(cè)量?jī)x表進(jìn)行找正，選取合理的切削參數(shù)鉆孔，鉆孔后用內(nèi)徑百分表進(jìn)行測(cè)量。

3.2.3 換熱管和管板的連接

鍋爐機(jī)組在啟動(dòng)和停止時(shí)，高壓加熱器的管板和管束會(huì)承受瞬間的高溫和高壓，并且在機(jī)組運(yùn)行過程中承受劇烈的溫度變化和交變應(yīng)力，由于管板和換熱管膨脹系數(shù)存在差異，會(huì)在連接處產(chǎn)生較大應(yīng)力，若連接不可靠將會(huì)造成焊口開裂現(xiàn)象，進(jìn)一步造成泄漏。泄漏問題是高壓加熱器在運(yùn)行過程中經(jīng)常遇到的問題，一旦泄漏未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，換熱管中噴出的水柱將會(huì)對(duì)周圍部件產(chǎn)生劇烈的沖刷，造成更大規(guī)模的部件失效，因此換熱管和管板連接的可靠性對(duì)于高壓加熱器的安全運(yùn)行至關(guān)重要。大量的試驗(yàn)以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，采用先焊接后脹接的方式連接換熱管和管板是一種行之有效的方法。通過焊接能夠?qū)馨骞芸谖恢眠M(jìn)行有效的密封并且能夠承受部分水側(cè)的壓力，通過脹接能夠減輕管子振動(dòng)并有效降低管孔間隙產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

為保證換熱管和管板焊接質(zhì)量，采用管端TIG自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊前通過機(jī)械打磨、丙酮擦拭等方法對(duì)待焊區(qū)域進(jìn)行充分清理，確保待焊區(qū)域清潔，不得存在水、油污等雜物，避免在焊接過程中產(chǎn)生氣孔和未熔合等焊接缺陷。為提高密封性，采用內(nèi)凹式焊接技術(shù)，該方法也有助于降低給水對(duì)管端的沖擊，進(jìn)而降低焊縫承受的載荷。焊后采用PT、壓縮空氣檢查和水壓試驗(yàn)等方式對(duì)焊縫質(zhì)量以及密封性進(jìn)行驗(yàn)證，確保滿足要求。

在換熱管和管板焊接結(jié)束并檢驗(yàn)合格后，采用液壓脹管機(jī)進(jìn)行脹接。液壓脹接的原理為管子在高壓下產(chǎn)生變形并貼近管孔內(nèi)壁，在壓力消失后，管板由于彈性方向發(fā)生變形而將換熱管壓緊。液壓脹接的優(yōu)點(diǎn)主要在于其能夠?qū)崿F(xiàn)均勻施脹，并且脹接區(qū)域和非脹接區(qū)域能夠進(jìn)行圓滑過渡。為保證脹接質(zhì)量，在脹接前需通過試驗(yàn)的方式確定能夠滿足規(guī)定拉脫力要求的脹接參數(shù)，在脹接結(jié)束后對(duì)脹接管孔尺寸進(jìn)行100%檢查并測(cè)算脹管率，保證脹接處強(qiáng)度和密封。

3.2.4 管系組裝

管系組裝的難點(diǎn)在于穿管工序，需采取措施避免在穿管過程中發(fā)生換熱管劃傷問題，否則將對(duì)設(shè)備運(yùn)行埋下重大隱患。在高溫運(yùn)行狀態(tài)下，換熱管與隔板間將產(chǎn)生摩擦，由于換熱管一端卡在隔板處無(wú)法進(jìn)行自由膨脹，被劃傷的管子表面將在熱應(yīng)力的作用下加速減薄，當(dāng)管子壁厚達(dá)到臨界值后，在內(nèi)部高壓水流的作用下將會(huì)出現(xiàn)泄漏，隨著泄漏時(shí)間的增加，裂口增大，管子將加劇振動(dòng)，對(duì)緊密排列的其他換熱管造成劇烈沖刷，引起更大范圍的泄漏，從而造成設(shè)備停機(jī)甚至更嚴(yán)重的事故。因此，在立管架、穿定位管等階段需嚴(yán)格控制隔板的同心度，并且在穿管時(shí)避免野蠻穿管，嚴(yán)禁用金屬等器具擊打換熱管任何部位，確保換熱管表面質(zhì)量合格。

3.3 外殼制造工藝流程

外殼主要由長(zhǎng)筒身、橢圓封頭和各類接管等部件組成，外殼一般較長(zhǎng)，其制造難點(diǎn)主要在于如何保證尺寸精度。為減輕管系在高壓加熱器運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)，一般在設(shè)計(jì)時(shí)均考慮盡量縮小管系與外殼的間隙，因此能否嚴(yán)格控制筒體的同心度以及直線度對(duì)后期管系和外殼順利套裝具有重要的影響。在外殼制造過程中，應(yīng)在全流程嚴(yán)格控制尺寸，例如在下料時(shí)嚴(yán)格控制筒節(jié)尺寸，減小對(duì)角線誤差；加強(qiáng)卷板過程控制，避免出現(xiàn)橢圓度超差和局部凸起等問題；采用機(jī)械加工坡口和專用筒身支撐加固工裝減少焊接變形等。

3.4 水室制造

半球形封頭的加工為水室制造過程的關(guān)鍵點(diǎn)。水室封頭一般采用正火沖壓的方式成型，加工過程中需要嚴(yán)格控制成型時(shí)間和溫度，保證封頭成型后尺寸滿足要求，并且在封頭成型后通過UT進(jìn)行測(cè)厚，避免封頭實(shí)際厚度小于最小設(shè)計(jì)壁厚。此外，為保證封頭開孔處強(qiáng)度以及后續(xù)接管焊接質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)開孔尺寸、坡口成型及表面質(zhì)量進(jìn)行控制。

4 高壓加熱器制造過程的質(zhì)量保證措施

4.1 概述

高壓加熱器是電廠內(nèi)的高壓運(yùn)行設(shè)備，受鍋爐啟停以及其他因素影響，在運(yùn)行過程中還將承受溫度和壓力的突變，對(duì)各零部件的可靠性提出極高的要求，因此在高壓加熱器的制造過程中，應(yīng)在常規(guī)技術(shù)保障措施的基礎(chǔ)上采取必要的管理措施，以確保高壓加熱器的設(shè)計(jì)和制造完全按照策劃實(shí)施。

4.2 編制和實(shí)施質(zhì)量計(jì)劃

實(shí)踐證明，對(duì)壓力容器制造過程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置質(zhì)量見證點(diǎn)能夠有效保證質(zhì)量。因此，在高壓加熱器產(chǎn)品投產(chǎn)之前，應(yīng)由質(zhì)量或工藝部門結(jié)合實(shí)際情況編制質(zhì)量計(jì)劃，質(zhì)量計(jì)劃內(nèi)容應(yīng)包括對(duì)技術(shù)和檢驗(yàn)文件的審查、對(duì)人員資格的確認(rèn)、對(duì)原材料的檢驗(yàn)以及對(duì)主要工序節(jié)點(diǎn)的見證等內(nèi)容，見證點(diǎn)的類型包括停止點(diǎn)（H點(diǎn)）、現(xiàn)場(chǎng)見證點(diǎn)（W點(diǎn)）和文件審核點(diǎn)（R點(diǎn)）。質(zhì)量計(jì)劃應(yīng)經(jīng)制造廠設(shè)計(jì)、工藝、標(biāo)準(zhǔn)化等部門會(huì)簽，并提交業(yè)主方選點(diǎn)，在生產(chǎn)過程中由業(yè)主方、監(jiān)造方和制造廠共同對(duì)關(guān)鍵工序節(jié)點(diǎn)進(jìn)行把關(guān)，及時(shí)消除質(zhì)量隱患。

4.3 產(chǎn)前技術(shù)交底及人員資格和能力確認(rèn)

對(duì)于焊接、無(wú)損檢測(cè)等人員，需對(duì)照具體工作項(xiàng)目核實(shí)其資質(zhì)，避免無(wú)證上崗。對(duì)于裝配、卷板等重點(diǎn)崗位人員，應(yīng)對(duì)其能力進(jìn)行確認(rèn)，確保其具備產(chǎn)品生產(chǎn)所需的能力，避免因能力不足對(duì)產(chǎn)品制造產(chǎn)生影響。此外，在產(chǎn)品正式生產(chǎn)之前，應(yīng)開展不同層級(jí)的技術(shù)交底，即技術(shù)部門應(yīng)對(duì)生產(chǎn)分廠的技術(shù)人員和操作者進(jìn)行培訓(xùn)，生產(chǎn)分廠的技術(shù)和管理人員應(yīng)對(duì)操作者進(jìn)行轉(zhuǎn)訓(xùn)，通過交底確保具體操作人員知曉工作要求并掌握工作方法。

4.4 生產(chǎn)前準(zhǔn)備狀態(tài)檢查

在產(chǎn)品正式投產(chǎn)之前，由項(xiàng)目、設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量等部門共同組成準(zhǔn)備狀態(tài)檢查小組，對(duì)技術(shù)文件的完備性、生產(chǎn)物料的齊全性、人員資格的符合性、生產(chǎn)和測(cè)量設(shè)備狀態(tài)的完好性、環(huán)境條件的適宜性等方面進(jìn)行全面的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不足，確保人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等各種因素完全具備條件后投產(chǎn)。

4.5 過程監(jiān)督

必要的過程監(jiān)督是保障過程按策劃實(shí)施的可靠手段，監(jiān)督時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注異常。過程的監(jiān)督應(yīng)由多部門共同實(shí)施，例如工藝部門通過對(duì)生產(chǎn)分廠進(jìn)行工藝紀(jì)律檢查及時(shí)發(fā)現(xiàn)不按標(biāo)準(zhǔn)、不按圖紙和不按工藝生產(chǎn)的情況，組織整改并進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)反饋；質(zhì)量部門通過專項(xiàng)審核及時(shí)發(fā)現(xiàn)管理流程的不符合項(xiàng)，保證各項(xiàng)管理制度得到正確執(zhí)行，通過強(qiáng)化管理保障產(chǎn)品質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)典型三段式高壓加熱器的結(jié)構(gòu)、制造工藝和質(zhì)量控制方法進(jìn)行研究，針對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程的關(guān)鍵點(diǎn)制定了保障措施，能夠有效保證高壓加熱器產(chǎn)品質(zhì)量，為從事高壓加熱器產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)提供參考。