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    管殼式換熱器是目前應(yīng)用較廣泛的一種換熱器。文獻(xiàn)[1]附錄A規(guī)定,設(shè)計溫度低于或等于-20℃鋼制管殼式換熱器為低溫管殼式換熱器。一般管殼式換熱器是在圓筒形殼體中放置由許多管子(換熱管)組成的管束,管子的軸線與殼體的軸線平行,管子兩端固定在管板上。管殼式換熱器的管板、管子及殼體是主要受壓元件。管板與管子、管板與殼體的連接是管殼式換熱器質(zhì)量控制的關(guān)鍵。如果連接處發(fā)生泄漏,將導(dǎo)致兩種工作介質(zhì)混合,輕者損失熱量與產(chǎn)品,重者將危及設(shè)備與人身安全。本文以唐山化工機(jī)械有限公司設(shè)計制造的固定管板低溫管殼式換熱器為例,探討受壓元件連接方式及焊接工藝。

    1　技術(shù)參數(shù)

    該低溫管殼式換熱器的主要技術(shù)參數(shù)見表1,傳熱面積為60 m2。換熱器殼體規(guī)格為DN 600mm,材質(zhì)為16MnDR;管子規(guī)格為Φ19×2. 5,材質(zhì)為16Mn(正火);管板材質(zhì)為16MnDⅡ。文獻(xiàn)[1]附錄A中對主要受壓元件的要求為:殼體、封頭、管板等鋼板及換熱管、接管用管材在正火狀態(tài)下使用,并宜采用冷成形或回火溫度以下的溫成形,須避開鋼材的回火脆性區(qū)。若在回火溫度以上熱成形時,應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行與母材相同或相類同的熱處理。

           

    2　殼體與管板的焊接工藝

    低溫管殼式換熱器施焊前應(yīng)按JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》進(jìn)行焊接工藝評定試驗,包括焊縫和熱影響區(qū)的低溫夏比(V形缺口)沖擊試驗。沖擊試驗的取樣方法和合格指標(biāo)見文獻(xiàn)[1]。對于普通管殼式換熱器,殼體與管板的焊接方式見圖1。

    考慮到低溫管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)有足夠的柔性,連接應(yīng)平滑過渡,避免截面的急劇變化以降低局部應(yīng)力,因此殼體與管板的焊接采用對接方式,見圖2。焊接完畢后,按JB/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》進(jìn)行超聲波或表面探傷,比例不少于各條焊縫的50%,合格級別為Ⅱ級[2]。最后按技術(shù)要求對整臺低溫管殼式換熱器進(jìn)行整體水壓試驗,水壓試驗是換熱器受壓元件密封連接的最終檢驗。對水壓試驗不合格的接頭應(yīng)進(jìn)行補焊,但一個接頭補焊次數(shù)不宜超過3次。

             

                              圖 2　低溫管殼式換熱器殼體與管板的焊接方式

    3　管子與管板的連接方式與工藝

    3.1　連接方式

    管子與管板的連接方式有脹接、焊接、脹接+焊接等。通常,普通管殼式換熱器選用焊接的連接方式,保證管子與管板連接的密封性能及抗拉脫強度。對于規(guī)格為Φ19×2. 5的管子,普通管殼式換熱器管子與管板的連接方式見圖3。

    對于該低溫管殼式換熱器,由于工作介質(zhì)和使用條件的要求,管子與管板的連接方式選用脹接+焊接。低溫管殼式換熱器管子與管板的脹接+焊接連接方式見圖4。脹接可消除縫隙腐蝕和提高焊縫的抗疲勞性能。脹接按工藝的不同可分為機(jī)械脹接、爆炸脹接、液壓脹接、脈沖脹接等。機(jī)械脹接采用滾珠進(jìn)行脹管,具有操作簡便、制造成本低等優(yōu)點,因此得到了廣泛應(yīng)用。制造該低溫管殼式換熱器時采用了機(jī)械脹接。

                   

                   

    3.2　制造工藝

    ①　試脹

    正式脹接之前應(yīng)該進(jìn)行試脹。試脹的目的是驗證脹管器的質(zhì)量,驗證預(yù)定的管子與管板孔的結(jié)構(gòu)是否合理,檢驗脹接部位的外觀質(zhì)量及接頭的密封性能,測試脹接接頭的抗拉脫強度,尋找合適的脹管率,以制定出滿足質(zhì)量要求的脹接工藝。試脹應(yīng)在試脹工藝試板上進(jìn)行,試板應(yīng)與產(chǎn)品管板的材料、厚度、管板孔大小一致,試板上管板孔的數(shù)量不少于5個。試脹用管子的材料、規(guī)格應(yīng)與產(chǎn)品用管子一致,試脹用管子的長度一般為管板厚度加50 mm。試脹前應(yīng)根據(jù)脹管率計算出管子脹接后的管徑,脹管率可按JB/T 9619—1999《工業(yè)鍋爐脹接技術(shù)條件》推薦的計算式進(jìn)行估算。脹管率應(yīng)在0. 9% ~2. 2%范圍內(nèi)選取。脹管率小于0. 9%為欠脹,此時管子脹后未產(chǎn)生足夠的塑性變形,不能保證脹接質(zhì)量。脹管率大于2. 2%為過脹,此時管子脹后產(chǎn)生過大的塑性變形,加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重,易導(dǎo)致管子出現(xiàn)裂紋等缺陷,管板也可能產(chǎn)生塑性變形而使脹后的管板不能有效回彈,從而影響脹接接頭的性能。脹管率應(yīng)根據(jù)脹接方式而定,制造該低溫管殼式換熱器時根據(jù)試脹結(jié)果取脹管率為1%。

    脹接過程應(yīng)由初脹和終脹兩步完成,這樣可防止一次脹接變形量過大導(dǎo)致管子出現(xiàn)裂紋等缺陷,也有利于提高脹接接頭的脹緊度。初脹是消除管子與管板孔間隙的脹接過程,終脹是把管子脹到要求尺寸的脹接過程。

    ②　工藝試驗

    工藝試驗包括密封試驗、拉脫強度試驗、解剖檢驗。密封試驗是在專用裝置上進(jìn)行水壓密封性試驗,檢查脹接接頭的嚴(yán)密性;拉脫強度試驗是檢驗管子與管板脫離強度的試驗;解剖檢驗是把脹接接頭分解后檢查脹接處是否存在起皮、皺紋、裂紋、切口和偏斜等缺陷,檢查脹接過渡部分是否有突變以及喇叭口根部與管壁的結(jié)合狀態(tài)是否良好,檢查管子與管板孔外壁接觸表面的印痕和嚙合狀態(tài)。

    ③　正式脹接

    正式脹接之前管子應(yīng)逐根進(jìn)行水壓試驗,對管子端部進(jìn)行清洗,清除銹蝕、油污等雜物。脹管時應(yīng)按試脹結(jié)果確定合適的脹管率,測量管子端部直徑及管板孔直徑,并進(jìn)行合理的分組搭配,保證脹接質(zhì)量。脹接時管子因受擠伸長對管板產(chǎn)生作用力,脹按順序安排不合理易導(dǎo)致管板變形。比較合理的脹接順序是從管板中央?yún)^(qū)開始脹接,然后放射性向四周脹接。脹接環(huán)境也很重要,脹接應(yīng)在0℃以上進(jìn)行。脹接時應(yīng)防止?jié)櫥�油流入管子與管板孔的間隙中。正式脹接過程應(yīng)與試脹過程一致,由初脹和終脹兩步完成,最后進(jìn)行焊接。