一種U形結(jié)構(gòu)換熱器的制造技術(shù)

王方萍，柯展煌，趙英權(quán)，李志煒，李巧云，王炯銘，嚴(yán) 洪，何秋婷

(1.東方電氣集團(tuán) 東方鍋爐股份有限公司，四川德陽 618000；2.國電泉州熱電有限公司，福建泉州 362000)

0 引言

某公司承接的汽汽換熱器設(shè)備是《基于能級匹配的大容量機(jī)組高參數(shù)工業(yè)供熱系統(tǒng)研究與工程示范》科技創(chuàng)新項目(以下簡稱科技創(chuàng)新項目，是該公司立項課題)，通過將蒸汽再熱能級匹配技術(shù)應(yīng)用于大容量、高參數(shù)工業(yè)供熱，開發(fā)出了純逆流、新型高效的換熱器。此換熱器為U形結(jié)構(gòu)，與常規(guī)的管殼式結(jié)構(gòu)換熱器相比，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度要求高、制造難度大。本文從殼體制造、管束制造、管束與殼體的組裝以及制造過程中各組件尺寸精度的控制等方面，介紹此類U形結(jié)構(gòu)換熱器的加工制造方法。

1 U形換熱器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

汽汽換熱器整體呈U形結(jié)構(gòu)，U形端部分別為設(shè)備的熱端和冷端。在設(shè)備內(nèi)部，管束將冷、熱端相連；在外部，殼體按管束形狀將其包裹(如圖1[1]所示)。U形結(jié)構(gòu)換熱器不僅能使蒸汽介質(zhì)通過管外繞流換熱，而且采用純逆流型式，將熱量傳遞給低溫介質(zhì)，較好地解決了常規(guī)管殼式換熱器管板上下流體介質(zhì)溫差引起應(yīng)力的問題，換熱管也可以隨溫度變化自由膨脹，適應(yīng)性好，且該結(jié)構(gòu)換熱器熱效率更高。

圖1 汽汽換熱器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of steam-steam heat exchanger

2 U形換熱器的主要制造技術(shù)

由于筒體的橢圓度、尾部彎頭的特殊結(jié)構(gòu)形式、冷熱端管束的平行度以及管束裝配時管孔的同心度等因素的限制，造成管束的裝配及管束與外殼的套裝非常困難，其中又以管束的裝配精確度控制最為關(guān)鍵，其影響到整個設(shè)備最后的組裝工序。

由于該換熱器殼體為U形結(jié)構(gòu)[1]，制造過程無法將管束內(nèi)件整體與U形殼體進(jìn)行套裝；同時由于冷、熱端筒體直徑為1 600 mm，內(nèi)部單獨操作空間受限，管架若在筒體內(nèi)裝立難度大且管孔的同心度不易調(diào)節(jié)，導(dǎo)致后期穿管難以實現(xiàn)，因此需采用明立管架、分別套裝冷、熱端筒體、暗穿管、扣裝尾部U形彎頭瓦片的工藝順序[2]。為了確保管孔同心以及管架有足夠剛性，采用工藝假管配合立架，穿U形管時再將工藝假管逐根抽出，邊抽出工藝假管、邊穿U形管[1]。

工藝難點：管束組件的制造，要求嚴(yán)格控制單零件的尺寸精度及管束組裝后的尺寸及形位精度，以保證后期的穿管及筒體臥套工序；同時，由于產(chǎn)品無法在滾輪架上實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，管板與殼體的環(huán)縫焊接，以及尾部彎頭瓦片的裝焊不能采用自動焊，需進(jìn)行手工全位置焊接，且焊接過程中需要多次翻身操作。

2.1 外殼制造

U形外殼分為兩部分：直段筒身+U形彎頭[1]。

2.1.1 直段筒身制造

筒身采用鋼板冷卷拼焊而成，筒身的直線度、橢圓度、內(nèi)徑、縱環(huán)縫焊接變形的控制是后期套裝及穿管的基礎(chǔ)保證，因此筒身的制造過程中，卷制、校圓、焊接是關(guān)鍵工序[3]。確保筒身制造精度的措施如下：

(1)嚴(yán)格控制鋼板的下料尺寸和形狀偏差；

(2)筒體卷制前鋼板找正；

(3)單節(jié)筒體縱縫組裝嚴(yán)控錯邊量、用防變形工裝、采用熱輸入量小的手工焊、打磨、清根等工藝手段控制焊接變形，防止形成棱角，保證單個筒節(jié)成型質(zhì)量[3]；

(4)單個筒節(jié)制造完成后，用檢查樣板測量外形尺寸(圓度，內(nèi)徑等)并做記錄，控制筒節(jié)圓度≤2 mm[4]；

(5)筒節(jié)組對時，注意保證兩個筒節(jié)相對位置，控制筒身整體直線度≤2 mm，焊接采用對稱間斷焊接。

2.1.2 尾部U形彎頭制造

(a)

尾部U形彎頭為非標(biāo)180°彎頭壓制而成[1]；彎頭分上半片和下半片，兩部分之間的A類焊接接頭在總裝時裝焊；為了彎頭成形更好，彎頭可以分段壓制(為避免十字縫，彎頭上半片分為2瓣壓制，下半片分為3瓣壓制)，圖2中鋼板投料厚度為50 mm，彎頭成形后測量壁厚外弧、中弧、內(nèi)弧最小厚度分別為42，50，62.5 mm，用弦長不小于300 mm的內(nèi)樣板檢查內(nèi)表面的形狀偏差，彎頭最大形狀偏差外凸不得大于5 mm，內(nèi)凹不得大于5 mm。

彎頭制造難點：彎頭尺寸大，無法整體成型，需分片壓制，由于分片壓制時，單個瓦片成型尺寸會存在一定差異，導(dǎo)致最后整體配裝難度大。

2.2 管系制造

2.2.1 管板制造

管板制造主要工藝流程：采購鍛件毛坯，回廠復(fù)驗合格→機(jī)加待堆焊面→待堆焊母材探傷合格→堆焊管板與換熱管連接部位過渡層→堆焊面消除應(yīng)力熱處理→管板端面精加工→管板鉆孔[5]。

關(guān)鍵工序包括：大厚度2.25Cr1MoV管板深孔鉆加工，其中管板分為熱端管板和冷端管板(管板參數(shù)見表1)，管板鉆孔采用數(shù)控深孔鉆進(jìn)行加工，管孔不允許有縱向、螺旋向劃痕[6]。主要工藝流程：確認(rèn)操作工資質(zhì)→檢查設(shè)備，并進(jìn)行空載運行→按線找正，裝夾工件→輸入管板數(shù)據(jù)，生成程序→確認(rèn)無誤后，導(dǎo)入機(jī)床進(jìn)行深孔鉆作業(yè)。

表1 管板參數(shù)Tab.1 Parameters of the tubesheet

2.2.2 立管架

(1)立架。

立架在專用裝配工裝平臺上進(jìn)行,工裝上的主支撐面用水平儀找平。要求管板、遮熱板及冷、熱端各6塊支撐板相互平行且垂直于管架中心,相對應(yīng)的孔對中且同心，用經(jīng)緯儀和水平尺找平、找正[7]。管架采用手工氬弧焊均勻?qū)ΨQ點焊固定,為防止焊接變形，采用合理的焊接順序,對稱、跳焊、小的線能量輸入等；同時采取相應(yīng)防變形焊接措施,來保證管架的尺寸公差[7]。U形換熱器的立架不僅要保證冷、熱端單管系中的直線度、管孔的同軸度等；而且要確保冷、熱兩端管系的立架管系的平行度、同軸度等。因此在立架時要冷、熱端配合立架，隨時分別調(diào)整冷、熱管系管孔同軸度。管系立架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 管系立架結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of pipe system stand

(2)立架的實際操作控制措施。

①冷、熱端管板固定在特制裝配工裝平臺上，立架前用干凈不起毛的白布沾丙酮清理管板孔內(nèi)鐵屑、銹蝕等雜物，并同時清理拉桿、定距管、支撐板、遮熱板毛刺、銹蝕，立架過程中要進(jìn)行無污染保護(hù)措施；冷、熱端管架分別穿入一定數(shù)量工藝假管定位。具體工藝管分布要求如下：中心點、四周按米字形確定8點位置各分布一組垂直于管板水平中線的工藝直管，每組直管由三列管排組成，注意拉桿周圍兩層管孔暫不穿工藝假管，管架如圖4[8]所示。

圖4 管架實物Fig.4 Real object of pipe rack

②明立管架多用工藝假管，保證孔同軸度，采用氬弧焊交錯焊接管架，防止焊接變形導(dǎo)致工裝管卡死(即防止焊接變形導(dǎo)致孔同軸度發(fā)生變化)，在立架過程中，從管板側(cè)到U形尾部抽動穿入拉桿周圍管孔的工藝直管，確保能自由進(jìn)出；同時，適當(dāng)抽動定位工藝直管，確保自由滑動[1]。

③分別檢查冷、熱端管架外形尺寸，確保后期順利套管。

2.2.3 套裝

在確保管架同心度及剛性后，進(jìn)行管束組件與筒身的套裝。由于冷、熱端必須同時固定立架、套裝等工序(設(shè)備整體外形尺寸4 m×8.7 m)，在確保單筒節(jié)管系立架的尺寸精度外，還要配合冷、熱端整體管架的裝配精度，以確保后續(xù)穿管的順利進(jìn)行。圖5示出文中U形結(jié)構(gòu)換熱器外殼套裝示意(穿U形換熱管前按此圖套裝)。

圖5 外殼套裝示意Fig.5 Schematic diagram of shell package

2.2.4 穿管

(1)穿管前清理管端,保證管端無油、銹蝕等情況。穿管后，在管束尾部用水平尺、角尺定位,確保管束總長尺寸,機(jī)加工去除管子余量,使管端與管板表面平齊,同時拋光管端,消除飛邊、毛刺等。

(2)支撐板之間的跨度800 mm，穿管時考慮換熱管的剛度，在管板側(cè)穿引出管。

(3)穿管時，導(dǎo)向頭必須與換熱管裝套牢固，防止導(dǎo)向頭掉落或卡死在管架中[9]，穿管如圖6所示。

圖6 穿管現(xiàn)場Fig.6 Pipe threading site

(4)穿管時，將工藝假管逐根抽出，邊抽工藝假管、邊穿管[1]。

2.3 尾部U形彎頭裝焊

試組裝尾部U形殼與筒體，并預(yù)劃配對標(biāo)記線；修割U形殼，裝配過程嚴(yán)格控制坡口鈍邊錯邊量及外坡口錯邊量，采用氬弧焊封底焊等來確保后續(xù)焊縫成形質(zhì)量[10-12]。

焊接過程中，采用對稱分段焊接，同時增加層間打磨、無損探傷(MT，UT)等工藝方法來控制最終焊縫質(zhì)量及變形量。由于產(chǎn)品無法在滾輪架上轉(zhuǎn)動，尾部彎頭瓦片的裝焊無法自動焊，需采用手工全位置焊接，且焊接過程中需要進(jìn)行多次翻身操作，尾部彎頭瓦片裝焊及翻身如圖7所示。

圖7 尾部彎頭瓦片的裝焊及翻身Fig.7 Assembly,welding and turning over of tail elbow tile

2.4 水室組件制造與裝焊

水室組件主要包括：水室封頭、人孔組件、管接頭等。封頭采用壓制成型，鋼板投料前，對原材料進(jìn)行復(fù)驗。

2.4.1 封頭制造的控制點

(1)封頭成型后，測厚檢查；

(2)封頭成型后，用帶間隙的全尺寸內(nèi)樣板檢查封頭內(nèi)表面形狀偏差；

(3)機(jī)加封頭直邊余量根據(jù)筒節(jié)端實際尺寸削邊；

(4)封頭人孔內(nèi)側(cè)密封面暫不加工。

2.4.2 封頭加工制造主要工藝流程

毛坯下料→封頭熱壓成型→調(diào)質(zhì)熱處理→封頭開孔及與人孔接管裝焊→角焊縫超聲波檢測→封頭組件焊后熱處理→加工人孔密封面→表面噴砂處理。

2.4.3 水室封頭與管板裝焊

分別校核冷、熱端封頭四中線及管口方位，用拉筋板固定封頭與管板相對位置，手工焊焊妥。由于設(shè)備呈U形，不能旋轉(zhuǎn)，無法采用自動焊，因此只能采用手工焊，且對手工焊的要求很高，需一次成型。

3 熱處理

由于產(chǎn)品組裝后整體呈封閉狀態(tài)，對于后裝焊的尾部彎頭瓦片焊縫以及筒身及管板環(huán)縫，如果采用局部熱處理的方式消除焊縫的焊接應(yīng)力，只能從外壁進(jìn)行包扎加熱，內(nèi)壁無法進(jìn)行加熱及保溫，其加熱溫度及保溫效果難以滿足要求，為確保焊縫質(zhì)量，焊縫消應(yīng)力熱處理采用殼體與管束內(nèi)件整體進(jìn)爐加熱的方式。水室封頭與管板的焊縫需進(jìn)行局部熱處理，增加采用電加熱片包扎環(huán)縫內(nèi)壁，用工裝支撐保溫棉和電加熱片，通過填塞保溫棉，使電加熱片與水室內(nèi)壁緊密貼合。對于有間隙的地方，需增加填塞保溫棉，所有測溫電偶與加熱片之間必須采用一定厚度的保溫棉隔絕，防止熱電偶直接測量加熱片的溫度。

整體熱處理時，將工件臥放在平支座上，支座、管座避開火焰，組件裝爐同時用扁鋼找平，2個管板必須放置在支座上，設(shè)備U形尾部超過支座長度<800 mm；其余支座在兩個筒身上均布(間距約1 500 mm)，支座高度應(yīng)使組件裝爐后最低點距臺車爐面≥300 mm。在工件上靠近爐側(cè)墻的位置，沿工件長度方向均布8支測溫?zé)犭娕?，每?cè)各4支，全部測溫?zé)犭娕紲囟冗_(dá)到691 ℃后，開始計算保溫時間。

4 水壓試驗

水壓試驗在制造完畢后進(jìn)行。水壓試驗前，內(nèi)部應(yīng)清理干凈，產(chǎn)品外壁的結(jié)露應(yīng)予清除，試驗過程中應(yīng)保持產(chǎn)品表面干燥。選擇產(chǎn)品擺放位置最高處兩個管座為進(jìn)水口和排氣口，只有當(dāng)氣體排完后，才能封閉、開泵。同時只有產(chǎn)品金屬壁溫與水溫接近時，才能緩慢升壓。壓力的升降應(yīng)緩慢進(jìn)行，當(dāng)壓力升至設(shè)計壓力時，應(yīng)暫停升壓，并保壓檢查，確保無泄漏和異?，F(xiàn)象；繼續(xù)升壓到規(guī)定的試驗壓力，保壓不少于30 min，然后將壓力降至設(shè)計壓力，并保壓檢查。管程和殼程分別單獨進(jìn)行水壓試驗，完成后將產(chǎn)品內(nèi)部積水排放干凈，并進(jìn)爐進(jìn)行低溫烘干(200 ℃左右)，出爐冷卻后，對產(chǎn)品進(jìn)行充氮保護(hù)[13]。

5 結(jié)語

在U形結(jié)構(gòu)換熱器制造中，每個零部件的幾何尺寸精度對產(chǎn)品最后的組裝及運行起著關(guān)鍵作用，要求高，制造難度大。通過實際工程驗證，并嚴(yán)格控制每道工序的施工，采用文中介紹的工藝方法加工、裝焊的U形結(jié)構(gòu)換熱器，其幾何尺寸精度能較好地滿足產(chǎn)品要求，解決了該類結(jié)構(gòu)設(shè)備的制造難點，該技術(shù)為今后制造類似設(shè)備奠定了良好的基礎(chǔ)。