潔凈型雙管板換熱器的特點與制造工藝探討

徐建校

（常州朗脈潔凈技術(shù)有限公司，江蘇常州213149）

潔凈型雙管板換熱器的特點與制造工藝探討

徐建校

（常州朗脈潔凈技術(shù)有限公司，江蘇常州213149）

從介紹潔凈型雙管板換熱器的主要結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)與主要指標(biāo)入手，探討了潔凈型雙管板換熱器的制造工藝與制造流程。

潔凈型雙管板換熱器；制造工藝；檢測工藝

0 引言

列管式換熱器作為一種常用的化工單元設(shè)備，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固可靠、適應(yīng)性強等優(yōu)點，在各行各業(yè)得到了普遍的應(yīng)用。國內(nèi)換熱器的生產(chǎn)廠家及研究機構(gòu)很多，相關(guān)的技術(shù)發(fā)展也比較成熟。但是，現(xiàn)有的換熱器絕大部分都應(yīng)用于石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)，且結(jié)構(gòu)多為單管板式，雙管板換熱器目前多應(yīng)用于易燃易爆和有毒介質(zhì)的場合。

在醫(yī)藥生產(chǎn)的過程中，經(jīng)常需要對純化水和注射用水進行升溫和降溫操作，同樣要使用到列管式換熱器，但由于藥品生產(chǎn)的特殊性，GMP要求純化水、注射用水的制備、貯存和分配應(yīng)當(dāng)能夠防止微生物的滋生，要避免死角、盲管、兩種介質(zhì)的交叉污染。這體現(xiàn)在換熱器的設(shè)計中，即要求不能有死角，能圓滑過渡，料液水要能夠排除干凈，不能殘留，雙管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計要防止冷熱媒體介質(zhì)交叉污染料液等。

目前，國內(nèi)對符合制藥行業(yè)要求的潔凈型換熱器的研究還較少。國內(nèi)一些大型的高端制藥廠家為了滿足藥品生產(chǎn)的安全性和驗證的需要，采購的換熱器都是國外品牌，如美國ABC、歐洲ALFA-LAVAL、德國NEUMO等，其價格約為國內(nèi)品牌的4倍左右。

鑒于此，我公司計劃研發(fā)適用于醫(yī)藥行業(yè)的藥品生產(chǎn)過程中的潔凈型列管式雙管板換熱器，以符合GMP、美國FDA、歐盟WHO等要求，技術(shù)達到國際先進水平。該換熱器能夠防止微生物的滋生，無死角、盲管，可防止兩種介質(zhì)的交叉污染。其主要應(yīng)用于注射用水（純化水）輸送循環(huán)管路系統(tǒng)，作為降溫（或升溫）的單元設(shè)備，采用列管式雙管板結(jié)構(gòu)以及逆流多程熱交換原理，安裝方式為臥式。

1 潔凈型雙管板換熱器的主要結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)與主要指標(biāo)

1.1 主要結(jié)構(gòu)

本文主要探討臥式結(jié)構(gòu)的列管式換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，這是目前醫(yī)藥生產(chǎn)使用量最大的換熱器型式。其具有結(jié)構(gòu)合理、容易清洗、維修方便等管殼式換熱器的通用優(yōu)點。

列管式換熱器由兩端的兩個管箱、漲管板、焊管板、殼體、多組換熱管、波形膨脹節(jié)、ASME衛(wèi)生型快開式接頭（管程）、HG20592法蘭接口（殼程）、殼體外部保溫層、保溫層不銹鋼外殼、兩個支腿等組成。換熱面積大于1.0 m2以上的換熱器為了增強換熱器的傳熱效果，將管程分隔為多程（2～3程），使水在管程內(nèi)流速增大，管內(nèi)水的流速維持在2～3 m/s。

圖1 列管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

按照全逆流熱交換的原理，液體介質(zhì)（或冷介質(zhì)）走管程，氣體介質(zhì)（或熱介質(zhì)）走殼程。其使用方式為臥式放置；材質(zhì)：凡和管程及殼程接觸的過流材質(zhì)均為316L，支腿和保溫外殼等材質(zhì)為304，密封材質(zhì)為聚四氟乙烯（PTFE）；管程拋光Ra0.6，雙管板漲焊結(jié)構(gòu)；設(shè)計結(jié)構(gòu)保證可以排凈冷凝器內(nèi)的余水。

預(yù)期達到的目標(biāo)：

（1）換熱效率高，全逆流多程熱交換；

（2）潔凈式設(shè)計，無死角，在停機后，可以保證積存的料液在自身重力作用下，流排干凈，不形成死水；

（3）可靠安全，雙重漲焊管板設(shè)計，可有效防止料液和冷、熱媒之間的交叉污染，從而起到保證藥品安全的預(yù)防作用。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）熱交換：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了臥式多程、波形膨脹節(jié)、全逆流熱交換、Φ8 mm×1 mm超細精拔無縫換熱管，使熱交換效率得到較大的提高。

（2）傾斜式進出口設(shè)計（圖2）：進料口和出料口設(shè)置在進料管箱和出料管箱上，進料口設(shè)置在進料管箱的內(nèi)腔的最低位置，并且進料口的中心線與水平面形成向下的夾角θ＝87°～89°，且＜90°；出料口的中心線與水平面形成向上的夾角β＝87°～89°，且＜90°。其作用是停機后，能保證積存的料液在自身重力作用下流排干凈。

圖2 傾斜式進出口設(shè)計

（3）管箱內(nèi)特殊的排水通道設(shè)計：兩端的進水管箱的分程隔板上開有一條排空通道，其作用是在停機后，使管箱內(nèi)各象限的殘留料液全部排至最低點，最終從出水口排出，不留殘液。

（4）內(nèi)部圓滑排水設(shè)計（圖3）：兩端的管箱內(nèi)部整個周邊全部加工為R6～R10的圓弧倒角，其作用是在停機后，使管箱內(nèi)的殘留料液全部沿圓角流下排至最低點，最終從出水口排出。

圖3 排水圓角結(jié)構(gòu)示意圖

（5）雙管板結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖4）：換熱管與管板的連接為雙重管板，即換熱管與漲接管板采用先漲接，然后換熱管再與焊接管板焊接。其作用是，無論哪個管板由于連接問題而產(chǎn)生泄漏，所泄漏的料液或熱媒（冷媒）只會泄漏到兩個管板之間的縫隙中，該縫隙通向大氣，不會導(dǎo)致料液或熱媒（冷媒）之間的交叉污染。

圖4 雙管板結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 主要指標(biāo)

潔凈型雙管板換熱器制造的主要指標(biāo)如表1所示。

2 潔凈型雙管板換熱器的制造工藝

雙管板換熱器的結(jié)構(gòu)能確保管殼程介質(zhì)完全分隔開，不互相串通，無論管殼程哪端介質(zhì)泄漏即可迅速檢測出來，在設(shè)計、制造上有一定的難度，尤其是在雙管板與換熱管的連接、管束組裝順序的檢測要求上必須嚴格把關(guān)，才能制造出滿足使用要求的換熱器。

2.1 原材料要求

為獲得可靠的管子與管板的強度脹接質(zhì)量以及降低應(yīng)力腐蝕，管子外徑和管板內(nèi)孔之間的配合至關(guān)重要，需對換熱管的精度及管子與管板的硬度提出相應(yīng)要求。

2.1.1 換熱管精度

按GB151換熱管規(guī)格和尺寸偏差要求，設(shè)計圖樣所選用換熱管的管材，對外徑、壁厚提出要求。

（1）換熱管采用精拔無縫管，管內(nèi)外表面粗糙度應(yīng)小于Ra0.4，精度等級要高于GB151中Ⅰ級管束的精度；

（2）橢圓度不得超出±0.2 mm；

（3）管口端面平直，傾斜度不得大于管子外徑的2%；

（4）管子全長偏差應(yīng)該不大于±1 mm，全長彎曲應(yīng)該不超過±2 mm，壁厚公差應(yīng)該不大于±0.05 mm，外徑公差應(yīng)為（D＋0.05）mm～（D＋0.15）mm。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

2.1.2 管子與管板的硬度

為使換熱管與管板之間獲得足夠的殘余接觸應(yīng)力，管板材料的屈服強度與硬度必須大于換熱管材料的屈服強度和硬度，兩者之間硬度差應(yīng)控制在HB20～30以上，才能保證脹接的可靠性。如果換熱管硬度大于管板硬度，則應(yīng)對管端進行熱處理，一般管端長度應(yīng)不小于100 mm，且比管板厚度長至少15～30 mm。

2.2 零部件制作

2.2.1 殼體

圖5 潔凈型雙管板換熱器的制造流程

嚴格控制有關(guān)殼體的幾何尺寸和方位。錯邊量、棱角度、焊縫的無損檢測按GB150規(guī)定執(zhí)行；周長、圓度和直線度按GB151的規(guī)定執(zhí)行；殼體長度按圖樣規(guī)定，檢查殼體兩端面平行度與殼體軸線的垂直度，劃出殼體兩端面的中心十字線，且兩端面中心線連線平行于殼體的軸線，該標(biāo)記線作為雙管板的基準線。

2.2.2 管板加工

管板加工中最重要的一個環(huán)節(jié)是管孔的加工，要控制管孔直徑、垂直度及管孔間距。為利于穿管，管板和折流板的鉆孔方向應(yīng)與穿管方向保持一致。為保證脹管強度，要求管孔的精度等級要高于GB151中Ⅰ級管束的精度，外徑公差應(yīng)控制在（D＋0.10）mm～（D＋0.20）mm。

應(yīng)采用數(shù)控加工中心平面鉆孔，用特殊刀具加工脹管管槽。按圖樣和GB151規(guī)定對單塊管板的管孔逐孔進行檢驗測量，并做好記錄，超標(biāo)管孔做好特殊標(biāo)記，以便在脹管時選擇相對應(yīng)的管子匹配，減少間隙，保證脹管質(zhì)量。對于管孔內(nèi)壁，特別是內(nèi)側(cè)管板管孔內(nèi)不允許存在貫通性的螺旋形或縱向條痕，若不慎產(chǎn)生溝痕必須進行處理，以達到規(guī)范要求，并對該管孔做出特殊標(biāo)記。

3 潔凈型雙管板換熱器的制造流程

潔凈型雙管板換熱器的制造流程如圖5所示。

3.1 組裝前準備

把兩組雙管板分別按鉆孔方向逐塊做順序號和正、反面的標(biāo)記。每塊折流板正、反面和管孔均要仔細倒角，清除毛刺，防止穿管時損傷管子的外表面。

換熱管應(yīng)采用超聲波清洗和堿水清洗的方式清除管頭表面的油銹污物，管頭采用專用磨管機打磨，提高管頭光潔度，降低應(yīng)力，保證脹接質(zhì)量。

3.2 雙管板預(yù)裝

清除管孔內(nèi)和管板面的毛刺、鐵屑、油銹污物等影響脹接質(zhì)量的異物。將每組雙管板用長50 mm的定位筋板連接成一個整體，調(diào)整每組雙管板的同心度、平行度和扭曲度，用換熱管逐孔預(yù)穿之后，按焊接工藝分別固定焊成兩組雙管板。

在管束組裝工位上組裝管板與拉桿、定距管、折流板，使其中心線一致，從外側(cè)管板密封面方向梅花形位置串入數(shù)組換熱管，自然調(diào)整管板與折流板的同心度，擰緊螺栓。

將管束組件串入殼程筒體，調(diào)整管板與殼程筒體的垂直度和同心度后固定管板與殼程筒體。

穿入所有的換熱管，并且將換熱管長度確定為比內(nèi)側(cè)管板的長度小1 mm。

3.3 內(nèi)側(cè)管板與換熱管的液壓脹接

內(nèi)側(cè)管板與換熱管的液壓脹接采取二次脹接法。采用脹接工藝評定試驗選取的工作脹接壓力進行第一次液壓脹接，然后以等于或大于第一次的脹接壓力再脹接一遍。

脹接順序應(yīng)該從管板的中心開始逐步向周圍逐根進行，便于應(yīng)力逐步呈圓形向周圍擴散。為防止漏脹或重脹，脹接時應(yīng)逐孔做好標(biāo)記。根據(jù)脹接情況，要不定期地復(fù)檢脹桿軸的定位尺寸，確保液袋位于管板孔的脹接范圍之內(nèi)。

3.4 外側(cè)管板與換熱管的焊接

按焊接工藝卡要求，采用氬弧焊，先焊接第一層，進行氨滲漏試驗，然后氬弧焊再焊接第二層，并且按圖樣要求進行100%PT或MT檢測。

3.5 總裝及壓力試驗

（1）殼程筒體與內(nèi)側(cè)管板按焊接工藝卡要求進行焊接；

（2）進行無損檢測；

（3）內(nèi)側(cè)管板與換熱管進行液壓脹接；

（4）殼程水壓試驗；

（5）殼程氨滲漏試驗從隔離腔的空間檢查管子與內(nèi)側(cè)管板的脹接質(zhì)量；

（6）焊接外側(cè)管板與換熱管第一層；

（7）隔腔通氨氣檢查第一層焊縫質(zhì)量；

（8）焊接外側(cè)管板與換熱管第二層；

（9）管頭焊縫進行100%PT或MT檢測；

（10）外側(cè)管板與換熱管進行焊接；

（11）隔腔水壓試驗；

（12）隔腔氨滲漏試驗檢查管子與外側(cè)管板的脹焊接質(zhì)量；

（13）組裝管箱進行管程試壓。

4 結(jié)語

本文從介紹潔凈型雙管板換熱器的主要結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)與主要指標(biāo)入手，探討了潔凈型雙管板換熱器的制造工藝與制造流程?？梢哉f，潔凈型列管式雙管板換熱器，在符合GMP、美國FDA、歐盟WHO等要求的同時，可廣泛應(yīng)用于注射用水（純化水）輸送循環(huán)管路系統(tǒng)。隨著我國藥品生產(chǎn)安全的要求越來越高，GMP驗證普遍展開，現(xiàn)有的藥品生產(chǎn)設(shè)施有很多不符合GMP和FDA、WHO的相關(guān)要求，需要進行大量的改造，因此該設(shè)備具有廣闊的市場前景。

2015-08-12

徐建校（1970—），男，上海人，工程師，研究方向：醫(yī)藥潔凈設(shè)備、醫(yī)藥潔凈材料。