R60702熱交換器管板-換熱管脹接試驗(yàn)

(江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司， 江蘇 南京 211100)

江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司承接了1臺(tái)出口歐洲的廢熱鍋爐，此鍋爐熱交換器為U型管式結(jié)構(gòu)，其換熱管和管板分別采用鋯和鋯-鈦-鋼復(fù)合板材料。這臺(tái)設(shè)備的脹接要求極為嚴(yán)格，為此專門(mén)進(jìn)行了管板與換熱管的脹接模型試驗(yàn)。文中介紹了模型試驗(yàn)的過(guò)程及采取的技術(shù)措施。

1 R60702熱交換器設(shè)計(jì)概況

1.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和設(shè)備結(jié)構(gòu)

R60702熱交換器殼程介質(zhì)為水蒸氣，主要受壓元件材料為R60702/TA1/16MnⅢ和Q345R。管程介質(zhì)為有毒且易爆的有機(jī)液體，主要受壓元件材料為SB523 R60702，其他設(shè)計(jì)條件見(jiàn)表1。

表1 R60702熱交換器設(shè)計(jì)條件

R60702熱交換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。換熱管材質(zhì)為SB523 R60702，符合ASME Section II Part B SB-523—2013《Standard Specification Seamless and Welded Zirconium and Zirconium Alloy Tubes》[1]要求，規(guī)格為?25.4 mm×1.65 mm。管板材質(zhì)為SB551 R60702+TA1+16MnⅢ，復(fù)合板各層厚度相應(yīng)為10+2+168 mm，管板外徑為?1 245 mm。

圖1 R60702熱交換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 換熱管-管板脹接要求

R60702熱交換器換熱管-管板脹接節(jié)點(diǎn)圖見(jiàn)圖2。要求換熱管與管板連接形式為強(qiáng)度焊+貼脹，脹接方法用柔性脹接，脹管率要求為1%～3%，拉脫力要求不低于1 MPa。

圖2 R60702熱交換器換熱管-管板脹接節(jié)點(diǎn)圖

2 換熱管-管板脹接模型試驗(yàn)

2.1 評(píng)定項(xiàng)目及要求[2]

換熱管-管板脹接模型試驗(yàn)評(píng)定項(xiàng)目及其要求包括[3-4]：①脹管率測(cè)定。要求以管壁減薄率計(jì)算的脹度值k為 1%～3%。②拉脫力試驗(yàn)。要求脹接后，換熱管與管孔之間的拉脫力值q≥1 MPa。③破開(kāi)表面檢測(cè)。要求進(jìn)行滲透檢測(cè)+目視檢測(cè)，脹管率按GB/T 151—2014《熱交換器》[5]第6.6.1.4條式(6-2)計(jì)算。

2.2 評(píng)定基本要素及要求[6]

換熱管-管板脹接要求使用的脹頭種類為液袋，始脹壓力為205 MPa，模型試驗(yàn)評(píng)定的基本要素及要求見(jiàn)表2。表2中，管板材質(zhì)為R60702+TA1+16MnⅢ復(fù)合鋼板，R60702、TA1、16MnⅢ的厚度分別為10 mm、2 mm和168 mm。

表2 脹接模型試驗(yàn)評(píng)定基本要素及要求

2.3 模型試驗(yàn)管板制作

制作的脹接管板模型示意圖見(jiàn)圖3。圖3中管板的厚度、材質(zhì)均與廢熱鍋爐熱交換器設(shè)計(jì)圖樣數(shù)據(jù)相同，管板上管孔嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖樣精度要求加工。模型試驗(yàn)使用的換熱管為與廢熱鍋爐熱交換器同一批采購(gòu)的換熱管，逐根測(cè)量換熱管的內(nèi)、外徑尺寸，測(cè)量每一個(gè)管孔的內(nèi)徑，做好標(biāo)識(shí)。

圖3 管板-換熱管脹接模型試驗(yàn)管板制作示圖

2.4 管板-換熱管脹接模型試驗(yàn)

脹管機(jī)采用YZJ-350D液壓脹機(jī)，最高額定脹接壓力為350 MPa。脹桿、液袋、擋圈及彈簧套等脹接消耗品根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣要求定制。根據(jù)換熱管屈服強(qiáng)度初步計(jì)算確定本次試驗(yàn)始脹壓力為205 MPa，選取2排共計(jì)7根管子并按照1～7編號(hào)后進(jìn)行預(yù)脹接試驗(yàn)，脹接壓力按10 MPa遞增。

脹接完成后，對(duì)每根換熱管的脹管率進(jìn)行測(cè)量，再按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[7]對(duì)脹接換熱管進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 換熱管預(yù)脹接試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)脹管率和拉脫力試驗(yàn)結(jié)果都符合要求的原則選擇脹接壓力[3]，綜合考慮選擇的評(píng)定脹接壓力為235 MPa。脹接完成后進(jìn)行脹接評(píng)定，經(jīng)拉脫力檢測(cè)、脹管率檢測(cè)以及剖開(kāi)表面檢測(cè)，7根換熱管的脹接全部符合要求。

3 脹接試驗(yàn)操作控制要點(diǎn)

3.1 管板加工

管板加工時(shí)需要保證管板、所有折流板管孔的同心度、垂直度、管孔內(nèi)表面粗糙度等均符合工藝要求[8]。為同時(shí)保證滿足焊接要求，要求管孔表面倒角尺寸公差為0～0.2 mm。對(duì)管板采用數(shù)控鉆床進(jìn)行鉆孔，管孔鉆好后進(jìn)行擴(kuò)孔，以保證管孔的尺寸公差。加工過(guò)程中應(yīng)注意避免鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的鐵屑損傷管孔內(nèi)表面，要求在管孔加工完成后清除管孔內(nèi)毛刺[9-10]。

3.2 換熱管準(zhǔn)備

在換熱管穿管前需逐根對(duì)其進(jìn)行拋光處理，管頭處拋光長(zhǎng)度不小于管板厚度，拋光處要完全露出金屬光澤[5]。穿管過(guò)程中目視檢查管子表面清潔情況及有無(wú)損傷。脹管前檢查換熱管內(nèi)壁是否清潔，否則要求進(jìn)行吹掃和清理。

3.3 脹接調(diào)試[11-13]

脹接設(shè)備應(yīng)為脹管評(píng)定時(shí)使用的同型號(hào)設(shè)備，需要根據(jù)不同批號(hào)換熱管的材料力學(xué)性能差異、管板與試樣的力學(xué)性能差異、管子徑向間隙的差異及管橋?qū)挾鹊牟煌{(diào)試脹接壓力。

經(jīng)初步調(diào)試確定，實(shí)際脹接壓力達(dá)到255 MPa時(shí)才能滿足脹管率穩(wěn)定在1%～3%的要求。但在對(duì)調(diào)試脹接換熱管進(jìn)行外觀檢測(cè)時(shí)又發(fā)現(xiàn)脹管內(nèi)表面脹接過(guò)渡區(qū)有較為明顯的壓痕。

在試樣上多次調(diào)試后，發(fā)現(xiàn)壓痕的產(chǎn)生跟彈簧套棱角和脹接壓力有關(guān)。針對(duì)這2個(gè)影響因素，制定以下應(yīng)對(duì)措施。①將彈簧套棱角拋光處理，將棱角倒鈍R1.5 mm。②降低脹接壓力到232 MPa。③將脹接充液/脹接/退液時(shí)間由4 s/5 s/4 s調(diào)整為4 s/8 s/4 s。經(jīng)過(guò)再次測(cè)試，脹接壓痕消失，脹管率滿足要求。

3.4 脹接過(guò)程[14-16]

脹接前，檢查脹管機(jī)是否正常，脹管參數(shù)設(shè)定是否正確。脹接時(shí)，應(yīng)經(jīng)常檢查脹管頭和脹接后的管孔內(nèi)表面，如果發(fā)現(xiàn)鉆屑、毛刺或劃傷，應(yīng)及時(shí)清除。當(dāng)液袋發(fā)生泄漏，塑料圈、彈簧套發(fā)生嚴(yán)重變形而影響到正常脹管時(shí)，應(yīng)停機(jī)更換相關(guān)零件。在脹管過(guò)程中，如發(fā)生液體泄漏，異常聲響，或升壓、退水困難等情況應(yīng)立即停機(jī)，切斷電源檢查，排除故障后才能使用。每脹接100個(gè)管頭就要抽查脹管率，如脹管率異常，則要分析原因和調(diào)整參數(shù)。

3.5 脹接檢查

脹接完成后，對(duì)脹接部位進(jìn)行目視檢測(cè)檢查，所有脹接部位不得有起皮、皺紋、壓傷、裂紋等缺陷。由于管頭加工工序?yàn)橄群负竺洠悦浗油瓿珊笮枰俅螌?duì)所有管頭焊縫按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分 滲透檢測(cè)》[17]進(jìn)行100%滲透檢測(cè),Ⅰ級(jí)合格。

安裝盲板、打壓墊片，對(duì)殼程進(jìn)行2.32 MPa水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)合格后，將殼程試壓水排凈、吹干，殼程充入15%(體積分?jǐn)?shù))氦氣，按HG/T 20584—2011《鋼制化工容器制造技術(shù)要求》[18]附錄B嗅吸探頭法進(jìn)行氦泄漏試驗(yàn)，檢查換熱管和管板焊接接頭，試驗(yàn)壓力為0.1 MPa，泄漏率不得超過(guò)1.0×10-6Pa·m /s 。由于前期工作做得很充分，設(shè)備耐壓試驗(yàn)、泄漏試驗(yàn)一次性合格。

4 結(jié)語(yǔ)

在沒(méi)有類似脹接經(jīng)驗(yàn)的情況下，對(duì)脹接難度大、脹接要求高的設(shè)備需要做脹接評(píng)定試驗(yàn)，確定脹接參數(shù)范圍。設(shè)備制造過(guò)程中除了控制好管板的加工精度，換熱管拋光、設(shè)備脹接調(diào)試等細(xì)節(jié)也要重點(diǎn)控制。除了調(diào)整脹接壓力外，還可以通過(guò)調(diào)整充液/脹接/退液時(shí)間來(lái)調(diào)整脹管率。脹接完成后對(duì)脹接部位進(jìn)行表面檢測(cè)、耐壓試驗(yàn)檢測(cè)和泄漏檢測(cè)，確保設(shè)備滿足圖樣及業(yè)主提出的其他技術(shù)要求。該鋯熱交換器制造中嚴(yán)格執(zhí)行了以上要求，設(shè)備制作順利完成。