低壓水冷器的質(zhì)量控制

黨燕妮* 吳曉君 邵 偉 李 佩

（1.西安建筑科技大學(xué)機(jī) 電工程學(xué)院 2.寶鈦裝備制造（寶雞）有限公司）

0 引言

管殼式換熱器在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，按照結(jié)構(gòu)形式可分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、填料函式換熱器及U 形管式換熱器等。

而管殼式換熱器中冷凝器在制冷、化工、煉化等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，冷凝器根據(jù)冷卻介質(zhì)種類的不同，可以分為水冷卻式、空氣冷卻式（又可稱為風(fēng)冷式）、水/空氣冷卻式、蒸發(fā)/冷凝式四種。水冷器是冷凝器中應(yīng)用比較廣泛的一種設(shè)備，其按結(jié)構(gòu)形式可以劃分為立式管殼式、臥式管殼式、套管式等多種類型。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 所示為低壓水冷器結(jié)構(gòu)示意圖，這是臥式管殼式低壓水冷器的一種，其主要組成部分包括殼程和管程兩部分，殼程包括筒體、膨脹節(jié)、冷卻水進(jìn)口、冷卻水出口、排氣、排液口；管程則包括換熱管、管板、折流板及管箱等。低壓水冷器的熱介質(zhì)采用雙管箱流動(dòng)方式，熱介質(zhì)從一側(cè)管箱加入，通過(guò)換熱管流至另一側(cè)管箱后流出；冷卻水由筒體上的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，經(jīng)各折流通道后從冷卻水出口排出，冷卻水可以單次使用，也可以循環(huán)使用。目前水冷器的設(shè)計(jì)使用年限普遍要求為10 a 以上，其制造質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的使用壽命，因此水冷器的制造檢驗(yàn)要求嚴(yán)格，且換熱管與管板連接的質(zhì)量要求更嚴(yán)格。低壓水冷器設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

圖1 低壓水冷器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 低壓水冷器設(shè)計(jì)參數(shù)

2 制造與檢驗(yàn)

2.1 外購(gòu)件檢驗(yàn)

對(duì)該低壓水冷器外購(gòu)件如法蘭、螺栓、密封件、膨脹節(jié)等依據(jù)質(zhì)量證明書(shū)、合格證等進(jìn)行驗(yàn)收，并記錄相關(guān)驗(yàn)收結(jié)果。

2.2 筒體的加工與檢驗(yàn)

低壓水冷器殼程的筒體材料為Q345R，厚度為12 mm，左、右管箱材料為TA10/S30403，厚度分別為3/10 mm。筒體A，B 類焊縫詳圖如圖2 所示，校圓后筒體內(nèi)徑應(yīng)為1 500 mm，內(nèi)直徑允許偏差可以通過(guò)外圓周長(zhǎng)來(lái)控制，其外圓周長(zhǎng)的允許上偏差為10 mm，下偏差為零，且殼體圓度允差不大于7.0 mm，殼體直線度允差不大于4.5 mm，A，B 類焊縫最大棱角度不大于3.2 mm，錯(cuò)邊量不大于3.0 mm。

焊接完后，筒體縱環(huán)焊應(yīng)無(wú)缺陷（如咬邊、焊瘤、弧坑、飛濺物、焊接變形、表面氣孔、表面裂紋等），并且單面焊接時(shí)焊縫根部應(yīng)無(wú)未焊透。

筒體縱環(huán)焊縫經(jīng)形狀尺寸及外觀檢查合格后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)A，B 類焊縫進(jìn)行20%射線檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2 部分：射線檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ級(jí)的要求，焊接接頭內(nèi)不允許存在裂紋、未熔合、未焊透缺陷。

圖2 A、B類焊縫詳圖（單位：mm）

按照設(shè)計(jì)與工藝要求在筒體管孔位置劃線并開(kāi)孔。劃線和開(kāi)孔完成后，分別按圖紙對(duì)管孔標(biāo)高、方位、孔徑進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)值不得超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的偏差范圍，檢測(cè)依據(jù)為GB150—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)。將冷卻水進(jìn)出口接管、排氣口、排液口接管與筒體進(jìn)行組對(duì)及焊接，并對(duì)接管與筒體組對(duì)焊縫無(wú)損檢測(cè)，對(duì)C，D 類焊縫進(jìn)行100%著色檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.5—2015 標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)要求，C，D 類接頭焊縫與母材應(yīng)呈圓滑過(guò)渡。接管與殼體焊接詳圖如圖3 所示。A，B 類焊縫坡口采用機(jī)械加工成型，卷制筒體并組對(duì)、焊接、校圓后其直徑應(yīng)為1 500 mm，并且殼體圓度允差不大于7.0 mm。對(duì)管箱筒體縱焊縫應(yīng)無(wú)外觀缺陷，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.2—2015標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ級(jí)要求；A 類焊縫最大棱角度不大于3.0 mm，錯(cuò)邊量不大于2.5 mm。

圖3 接管與殼體焊接詳圖（單位：mm）

2.3 管板、折流板的加工與檢驗(yàn)

管板材質(zhì)為TA10+S30403，厚度為6+68 mm，直徑為1 500 mm，折流板材質(zhì)為S30408，換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)如圖4 所示。依據(jù)NB/T 47002.3—2009對(duì)管板進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)，合格級(jí)別為B1 級(jí)。按照工藝及GB/T 151—2014《熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)管板、折流板鉆孔、管孔進(jìn)行首孔檢驗(yàn)，待合格后再鉆其余各孔。為了利于穿管，管板與折流板的鉆孔方向應(yīng)與穿管方向保持一致。根據(jù)設(shè)計(jì)、工藝及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管孔的數(shù)量、管孔的分布、表面粗糙度、幾何尺寸、倒角、孔橋間距進(jìn)行檢測(cè)，折流板表面應(yīng)平整，平面度公差為3 mm。為了保障換熱管與管板的連接性能，應(yīng)嚴(yán)格控制管板密封面與軸線垂直，垂直度公差為0.8 mm，管孔應(yīng)嚴(yán)格垂直于管板密封面，垂直度公差為0.08 mm，孔表面不允許存在貫通的縱向條痕，管板鉆孔后，96%以上的孔橋?qū)挾缺仨毚笥?.75 mm，允許最小孔橋?qū)挾葹?.05 mm。管孔的排列形式為正三角形排列，如圖5 所示。

圖4 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖5 管孔排列形式（單位：mm）

2.4 換熱管管束組焊與檢驗(yàn)

2.4.1 換熱管管束組焊

換熱管規(guī)格為 25 mm×1.5 mm×5 500 mm，材質(zhì)為TA10，按設(shè)計(jì)方位組裝換熱管管束，穿管時(shí)不應(yīng)強(qiáng)行敲打，換熱管表面不應(yīng)出現(xiàn)凹癟或劃傷，換熱管伸出管板長(zhǎng)度應(yīng)嚴(yán)格控制，一般為2～4 mm。

為了保證換熱管與管板連接的密封性能與抗拉強(qiáng)度，換熱管與管板的連接采用強(qiáng)度脹加密封焊的連接方式，脹緊程度應(yīng)滿足拉脫力要求，同時(shí)應(yīng)防止管束過(guò)脹引起的管裂。連接部位應(yīng)預(yù)先清理干凈，不允許毛刺、鐵屑、銹斑、油污等影響脹接或焊接質(zhì)量，避免產(chǎn)生焊接缺陷，此外換熱管的脹接部分與非脹接部分應(yīng)圓滑過(guò)渡，不應(yīng)有急劇的棱角。

2.4.2 管頭焊縫的檢驗(yàn)

換熱管與管板復(fù)層焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%著色檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.5—2005 標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)要求，表面不應(yīng)存在裂紋和氣孔等缺陷。

換熱管與管板復(fù)層焊接接頭應(yīng)進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏，氦質(zhì)譜檢漏采用氦質(zhì)譜儀與嗅探器連接所構(gòu)成的泄漏探測(cè)器，探測(cè)加壓部件泄漏的微量氦示蹤氣體。當(dāng)嗅探器的嗅吸探頭端部掠過(guò)試驗(yàn)部件上的可疑點(diǎn)時(shí)，借助在探頭端部的負(fù)壓搜尋出泄漏的氦示蹤氣體，吸入并送到泄漏探測(cè)器的系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再由泄漏探測(cè)器將電信號(hào)以光或聲形式顯示。

氦質(zhì)譜儀對(duì)氦氣的靈敏度至少為l×10-10Pa·m3·s-1。含100%氦濃度泄漏標(biāo)準(zhǔn)的最大泄漏率 可按下式計(jì)算：

試驗(yàn)設(shè)備包括氦質(zhì)譜檢漏儀，嗅探器(帶嗅吸探頭)，帶減壓閥的氦氣和氮?dú)怃撈?，壓力表，量程?.4 MPa（不小于1.5 倍試驗(yàn)壓力，且不大于4 倍試驗(yàn)壓力），試驗(yàn)用氣體為氦氣和氮?dú)獾幕旌蠚狻?/p>

試驗(yàn)壓力取0.35 MPa 或25%設(shè)計(jì)壓力兩者之較小值（即0.125 MPa）。

加壓過(guò)程如下：當(dāng)壓力從0 升到10%的試驗(yàn)壓力時(shí)，充氦氣；當(dāng)壓力從10%的試驗(yàn)壓力升到試驗(yàn)壓力時(shí)，充氮?dú)猓患訅旱皆囼?yàn)壓力后至少保壓30 min，試驗(yàn)溫度為5 ℃以上。

試驗(yàn)檢測(cè)如下：保壓至少30 min 后，用探測(cè)器從管板的最下部管接頭開(kāi)始對(duì)換熱器管板與換熱管的接頭掃描，探測(cè)器的探頭與被測(cè)管頭焊縫之間應(yīng)保持≤3 mm 的距離，探測(cè)器的探頭的最大掃描速度應(yīng)不大于儀器的響應(yīng)時(shí)間，為了縮短響應(yīng)時(shí)間和凈化時(shí)間，探測(cè)器與探頭之間的連接軟管長(zhǎng)度應(yīng)≤5 m。

對(duì)于換熱器管扳與換熱管的焊接接頭的泄漏試驗(yàn)，探測(cè)到大于1×10-6Pa·m3·s-1的泄漏為不合格，本次試驗(yàn)結(jié)果9.0×10-8Pa·m3·s-1。

2.5 總體檢驗(yàn)

設(shè)備整體成型后，按成品檢驗(yàn)制度對(duì)設(shè)備進(jìn)行總體檢驗(yàn)。檢驗(yàn)內(nèi)容包括設(shè)備的總體尺寸（如總長(zhǎng)度、總高度及直徑等），表面質(zhì)量（如設(shè)備表面的平整度），設(shè)備表面是否存在缺陷（如凹坑劃傷腐蝕等），焊接接頭的棱角度、錯(cuò)邊量、余高及焊縫表面是否有缺陷等。此外還應(yīng)檢查接管方位、尺寸、數(shù)量等是否符合設(shè)計(jì)及工藝要求。

2.6 液壓試驗(yàn)

分別對(duì)設(shè)備殼程和管程進(jìn)行水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)應(yīng)按照GB 150—2011 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)選用兩個(gè)量程相同并經(jīng)過(guò)校正的壓力表，對(duì)于設(shè)計(jì)壓力小于等于1.6 MPa 的壓力容器壓力表的精度不應(yīng)低于2.5 級(jí)；對(duì)于設(shè)計(jì)壓力大于1.6 MPa 的壓力容器壓力表的精度應(yīng)不低于1.6 級(jí)。壓力表表盤(pán)直徑不小于100 mm，壓力表的量程應(yīng)為試驗(yàn)壓力的2 倍左右，且不低于1.5 倍和高于3 倍的試驗(yàn)壓力，壓力表的安放位置應(yīng)選在容器頂部便于觀察的位置。試驗(yàn)液體一般應(yīng)采用水，需要時(shí)也可采用不會(huì)導(dǎo)致發(fā)生危險(xiǎn)的其他液體，但試驗(yàn)時(shí)液體的溫度應(yīng)低于其閃點(diǎn)或沸點(diǎn)，并具有可靠的安全措施。按照設(shè)計(jì)參數(shù)，低壓水冷器液壓試驗(yàn)的試驗(yàn)介質(zhì)為潔凈水，殼程水壓試驗(yàn)壓力為0.63 MPa，管程水壓試驗(yàn)壓力為0.53 MPa，所選壓力表量程應(yīng)為0～1.6 MPa。水壓試驗(yàn)后應(yīng)立即將水漬完全去除，當(dāng)無(wú)法達(dá)到這一要求時(shí)，應(yīng)控制水中氯離子含量不大于25 mg/L，以防止容器產(chǎn)生腐蝕破壞。水壓試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備應(yīng)無(wú)異常響聲，試驗(yàn)后以無(wú)滲漏、無(wú)可見(jiàn)的異常變形為合格，具體可見(jiàn)圖7。

圖7 殼程及管程液壓試驗(yàn)曲線

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)整臺(tái)設(shè)備制造與檢驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制，設(shè)備殼程和管程經(jīng)水壓試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)泄漏，焊縫一次拍片合格率達(dá)到100%。換熱管與管板連接接頭經(jīng)水壓試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，按照NB/T 47013.5—2015標(biāo)準(zhǔn)要求采用100%滲透檢測(cè)后，換熱管與管板連接接頭表面沒(méi)有出現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷。換熱管與管板連接接頭經(jīng)氦質(zhì)譜檢測(cè)后其泄漏率為9.0×10-8Pa·m3·s-1，檢測(cè)結(jié)果為合格。該設(shè)備投用后至今未出現(xiàn)任何質(zhì)量問(wèn)題。