三管板換熱器的深孔脹接技術(shù)

姜昊，葉薇

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司，武漢 430223）

換熱器是石油、化工行業(yè)廣泛使用的一種換熱設(shè)備。一般的固定管板換熱器設(shè)置左右兩塊管板，但在一些專利商的設(shè)計(jì)中，設(shè)置了三管板換熱器，即在換熱器的殼程設(shè)置中間管板，將殼程分為兩個(gè)腔體，腔體的介質(zhì)相同，但操作條件不相同。這種設(shè)計(jì)一方面可以減少設(shè)備臺(tái)數(shù)，降低項(xiàng)目的整體成本，另一方面可以減小流體阻力，提高系統(tǒng)效率。三管板換熱器由于中間管板與設(shè)備端部距離較長(zhǎng)，管束空間狹小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)換熱管與中間管板的焊接，只能通過中間管板的深孔脹接來(lái)保證管頭的密封性能和機(jī)械強(qiáng)度[2]，有一定的制造難度。

1 主要技術(shù)特征及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

以某項(xiàng)目中的一臺(tái)三管板換熱器為例，介紹該設(shè)備中間管板深孔脹接的實(shí)施方案。該設(shè)備的結(jié)構(gòu)見圖1。該設(shè)備全長(zhǎng)約12 000 mm，殼程由中間管板分為兩個(gè)腔體，兩個(gè)腔體分別帶錐段，中間管板距較近的左管板約3 800 mm，換熱管規(guī)格為φ25.4 mm×2.11 mm×9 500 mm，換熱管材質(zhì)SA-179，管板材質(zhì)SA-266 Gr.2。根據(jù)圖樣的結(jié)構(gòu)要求，換熱管與中間管板的連接為脹接連接，具體結(jié)構(gòu)見圖2。此處接頭既要滿足換熱管與管板的連接強(qiáng)度，也要滿足換熱管與管板間的密封要求。為保證脹接質(zhì)量，需要從模擬脹接試驗(yàn)和實(shí)際脹接過程質(zhì)量控制兩方面入手。

2 模擬脹接試驗(yàn)

換熱管與中間管板的深孔脹接不易觀察[3]，難以對(duì)脹接質(zhì)量進(jìn)行直觀有效的檢查，在制造前需要進(jìn)行模擬脹接試驗(yàn)，確定合理的脹接參數(shù)。

2.1 脹接方式的確定

目前國(guó)內(nèi)的脹接方式主要有機(jī)械脹接和液壓脹接。相比而言，液壓脹接不受深度和長(zhǎng)度的限制，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)管板厚度的脹接。液壓脹接后，換熱管壁厚無(wú)明顯減薄現(xiàn)象，在脹管率相同的情況下，液壓脹的拉脫力遠(yuǎn)大于機(jī)械脹的拉脫力。另外，機(jī)械脹管換熱管的收縮回彈較大，不僅使換熱管內(nèi)徑擴(kuò)大而且脹珠對(duì)換熱管管壁有碾薄的作用，使管子內(nèi)部金屬產(chǎn)生了冷作硬化。而液壓脹接只是壓力作用，在液體均勻壓力作用下管子發(fā)生的塑性變形、不易對(duì)管子產(chǎn)生破壞作用[4]。結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)和制造廠的制造經(jīng)驗(yàn)，該設(shè)備采用液壓脹接。

2.2 試驗(yàn)裝置

模擬脹接試驗(yàn)用工裝換熱器，包含模擬的左管板、中間管板、殼體、換熱管及部分接管，見圖3，其中：

（1）為使試驗(yàn)結(jié)果更明確，本次模擬試驗(yàn)的換熱管根數(shù)為7根。

（2）管板與換熱管的材料與實(shí)際產(chǎn)品完全一致。

（3）模擬脹接試驗(yàn)時(shí)左管板與中間管板的距離與實(shí)際產(chǎn)品一致。

（4）每根試驗(yàn)用換熱管不應(yīng)取自同一根換熱管，且其外徑偏差應(yīng)涵蓋換熱管外徑最大，中等，最小范圍，盡可能覆蓋實(shí)際脹接中可能出現(xiàn)的極端情況。檢測(cè)每根換熱管的內(nèi)外徑，并分別編號(hào)。

圖1 三管板換熱器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the tri-tubesheet exchanger

圖2 換熱管與中間管板連接結(jié)構(gòu)Fig.2 Connection structure of tubes and inner-tubesheet

（5）中間管板的管孔直徑大于對(duì)應(yīng)換熱管測(cè)量外徑0.25 mm，允許±0.02 mm的加工偏差。避免管孔內(nèi)徑與換熱管外徑之間的初始間隙對(duì)脹接試驗(yàn)結(jié)果的影響。

（6）檢測(cè)并記錄管孔尺寸及脹接槽位置、寬度、深度，測(cè)量管孔間距及其他尺寸是否符合圖樣要求。

另外，脹接試驗(yàn)所用的脹管機(jī)型號(hào)應(yīng)與產(chǎn)品脹接所用的脹管機(jī)型號(hào)相同，采購(gòu)特制的脹管器，保證脹頭在圖樣要求的脹接區(qū)域，脹管器的參數(shù)見表1。

2.3 脹接壓力的確定

根據(jù)管子管板材料及脹接幾何參數(shù)等實(shí)際狀態(tài)，按如下脹接壓力計(jì)算公式[5]計(jì)算出理論脹接壓力。

（1）換熱管外徑剛發(fā)生塑性變形的脹管壓力，MPa

式中σst——換熱管材料的屈服應(yīng)力，MPa；

圖3 模擬脹接試驗(yàn)用工裝換熱器Fig.3 Mock-up exchanger for the expansion test

表1 中間管板特制脹管器Table 1 Special expending equipment for the inner-tubesheet

k——換熱管的外、內(nèi)徑之比，k=do/di；

l——脹管區(qū)長(zhǎng)度，mm；

do——換熱管外徑，mm；

di——換熱管內(nèi)徑，mm。

（2）使換熱管與管板接觸面開始產(chǎn)生徑向殘余應(yīng)力的最小脹管壓力，MPa

對(duì)于管孔正三角形排列：

對(duì)于管孔正方形排列：

式中H——換熱管中心距，mm；

D——管板孔徑，mm。

（3）管板內(nèi)壁開始塑性變形的脹管壓力，MPa

式中σsp——管板材料的屈服應(yīng)力，MPa。

經(jīng)計(jì)算得P0= 64 MPa，Pmin= 213 MPa，Pmax=262 MPa。為達(dá)到試驗(yàn)的目的，將7個(gè)管孔分組采用四個(gè)壓力進(jìn)行強(qiáng)度脹接，其中1#、2#換熱管脹接壓力選用220 MPa（約為0.85Pmax）， 3#、5#換熱管脹接壓力選用235 MPa（約為0.9Pmax）， 6#、7#換熱管脹接壓力選用250 MPa（約為0.95Pmax）， 4#換熱管脹接壓力選用265 MPa（約為Pmax）。

2.4 脹接試驗(yàn)過程

（1）7個(gè)管孔分兩道脹接，第一道按150 MPa進(jìn)行貼脹，第二道按確定的四個(gè)脹接壓力220/235/250/265分別進(jìn)行強(qiáng)度脹管。

（2）脹接后通過目視和內(nèi)窺鏡逐根檢查換熱管內(nèi)表面脹接情況，可見明顯的凹槽痕跡。

（3）水壓試驗(yàn)。按實(shí)際產(chǎn)品的試驗(yàn)壓力，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行水壓試驗(yàn)，保壓60 min，對(duì)中間管板側(cè)進(jìn)行檢查，試驗(yàn)過程無(wú)滲漏、無(wú)可見變形和異常聲響，見圖4。

圖4 試驗(yàn)裝置水壓試驗(yàn)Fig.4 Hydrostatic test for the mock-up

（4）氨滲漏試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)合格后，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行氨滲漏試驗(yàn)，壓力0.6 MPa，保壓6 h，對(duì)中間管板側(cè)檢查，無(wú)泄漏，見圖5。

（5） 拉脫試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)后的裝置按圖6所示及工藝要求線切割下拉脫試驗(yàn)試樣，對(duì)1#、5#換熱管進(jìn)行拉脫試驗(yàn)，后續(xù)的拉脫試驗(yàn)可以考慮多取幾組，以更具備代表性。本次試驗(yàn)中，斷裂發(fā)生在換熱管上，拉脫力滿足標(biāo)準(zhǔn)[1]要求。見圖7。

圖5 試驗(yàn)裝置氨滲漏試驗(yàn)Fig.5 Ammonia leak test for the mock-up

圖6 試驗(yàn)裝置切割要求Fig.6 Cutting requirement of the mock-up

圖7 拉脫試驗(yàn)Fig.7 Tensile test for the mock-up

（6）剖管試驗(yàn)。對(duì)2#、3#、4#、6#、7#換熱管與管板從中間剖開，對(duì)換熱管與管孔壁的貼合情況進(jìn)行檢查，并進(jìn)行滲透檢測(cè)合格，見圖8。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

圖8 滲透檢測(cè)Fig.8 Penetrant test for the mock-up

通過本次各項(xiàng)試驗(yàn)和檢驗(yàn)表明：在保證管孔內(nèi)徑與換熱管外徑之間初始間隙的前提下，強(qiáng)度脹接壓力在220 ～ 265 MPa之間時(shí)，能夠滿足中間管板換熱管與管板的連接強(qiáng)度要求和密封要求。脹接壓力越大，徑向殘余應(yīng)力越大，脹管率增加，但換熱管的壁厚減薄，確定正式脹接壓力時(shí)，需要綜合考慮各個(gè)因素的影響。另外，考慮到深孔脹接難度大，不易觀察，如果實(shí)際脹接發(fā)生泄漏，補(bǔ)脹難度較大，補(bǔ)脹時(shí)換熱管材料本身會(huì)產(chǎn)生加工硬化，多次補(bǔ)脹更不易保證脹接質(zhì)量[3]。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，擬定正式脹接壓力取較大的250 MPa（約為0.95Pmax）。

3 實(shí)際脹接過程應(yīng)注意的問題

模擬脹接試驗(yàn)是深孔脹接成功的前提，對(duì)實(shí)際脹接過程的有效控制是產(chǎn)品脹接成功的保證，實(shí)際脹接過程應(yīng)注意以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）測(cè)量管板與換熱管的硬度，一般管板比換熱管硬度高HB20 ～ 30，如硬度相近，考慮局部熱處理降低換熱管脹管區(qū)域的硬度。

（2）穿管前應(yīng)對(duì)換熱管脹接區(qū)域進(jìn)行除銹，表面的浮銹有可能影響脹接質(zhì)量。見圖9。

圖9 脹接位置提前打磨除銹Fig.9 Grinding and rust removal in advance at expansion area

（3）實(shí)測(cè)各換熱管的外徑，中間管板的管孔加工精度及偏差應(yīng)滿足脹管試驗(yàn)的要求，對(duì)應(yīng)編號(hào)，保證管孔內(nèi)徑與換熱管外徑之間的初始間隙。

（4）管板與折流板管孔的加工應(yīng)采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行配鉆，保證加工尺寸精度，特別是保證管孔的同心度[6]。

（5）加工脹槽時(shí)，采用專用的鏜刀，保證脹槽的同心度和粗糙度[7]。

（6）折流板管孔加工后應(yīng)雙面倒圓角，避免穿管過程換熱管表面被劃傷，影響影響脹接效果。見圖10。

圖10 折流板管孔雙面倒圓角Fig.10 Tube holes beveling at both sides of the baffles

（7）由于中間管板離設(shè)備端部的距離較大，且脹接位置無(wú)法直觀觀察，為了確保脹頭位置處于脹接區(qū)域，在實(shí)際制造中對(duì)中間管板與設(shè)備端部的距離進(jìn)行了多個(gè)角度的長(zhǎng)度測(cè)量。實(shí)測(cè)值與理論值的偏差分別為-2 mm、+1 mm、+3 mm、+5 mm。按此偏差將管板分為四個(gè)脹接區(qū)域，同時(shí)考慮管板凸臺(tái)的高度之后，制作了長(zhǎng)度不一的墊塊，實(shí)際脹接時(shí)，在每個(gè)區(qū)域利用不同長(zhǎng)度的墊塊調(diào)整脹頭的位置，確保脹頭位置處于脹接區(qū)域。

圖11 不同長(zhǎng)度的墊塊Fig.11 Blocks with different lengths

圖12 不同的脹接區(qū)域Fig.12 Different Expansion Area

（8） 中間管板與殼體在焊接時(shí)，可能造成管板變形，導(dǎo)致脹頭無(wú)法準(zhǔn)確定位。因此，在管板與殼體的焊接時(shí)，應(yīng)采取小電流多道焊道等措施，最大限度避免管板的變形。

（9） 正式脹接前，先進(jìn)行150 MPa的貼脹，再利用模擬試驗(yàn)確定的脹接壓力進(jìn)行強(qiáng)度脹試脹，在指導(dǎo)實(shí)際脹接過程中應(yīng)注意調(diào)整，同時(shí)在脹接過程中定時(shí)對(duì)脹槍壓力進(jìn)行壓力表校核，確保壓力時(shí)刻滿足要 求。

（10）脹接后保壓一段時(shí)間，保證換熱管與管孔充分脹緊。

（11） 對(duì)于脹頭無(wú)法順利進(jìn)入的換熱管，可以采用砂紙打磨換熱管管端等措施，避免強(qiáng)行通入脹頭。

（12）脹接過程中，按既定的順序脹接，在脹接過程中做好標(biāo)記，避免漏脹或多次脹接[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

三管板換熱器中間管板的深孔脹接由于操作不可見、檢測(cè)不直觀等特點(diǎn)，對(duì)制造提出了更高的要求。脹接前進(jìn)行脹接試驗(yàn)確定合理的脹接工藝和參數(shù)和實(shí)際脹接過程中的質(zhì)量控制是該類產(chǎn)品最終脹接質(zhì)量的重要保證。