關于連接式雙管板換熱器強度脹接工藝研究

趙子亮

(秦皇島東燕節能技術有限公司 秦皇島 066206)

關于連接式雙管板換熱器強度脹接工藝研究

趙子亮

(秦皇島東燕節能技術有限公司 秦皇島 066206)

針對連接式雙管板冷凝器制造中的難點和關鍵點---換熱管與殼程管板(即內管板)強度脹接工藝，進行了試驗與研究。確定了合理的脹管率、脹接遍數等工藝參數，并應用在某公司氯甲烷冷凝器產品的制造中，達到了預期的效果。

試件 雙管板 強度脹接工藝 換熱器

《固定式壓力容器安全技術監察規程》(2009)[1]4.10規定：換熱器管板與換熱管的脹接，在施脹前，應當制定脹接工藝規程，操作人員按照脹接工藝規程施脹。為了保證脹接質量，在沒有成熟的脹接工藝時，在脹管前應做脹接工藝試驗[2]。由于雙管板換熱器內層管板與換熱管的強度脹接，是壓力容器制造單位公認的難點和關鍵點。所以，在制造氯甲烷冷凝器前對該脹接工藝參數進行了試驗與研究。

1 氯甲烷冷凝器的主要參數(見表1)

表1 氯甲烷冷凝器設計技術指標

氯甲烷冷凝器采用雙層管板U型換熱管結構，雙層管板的材料均采用16MnⅢ，管、殼程的管板厚度均為83mm；換熱管材料為10#鋼管，規格為φ19mm×2.0mm，數量為794支U型管。換熱管與殼程管板(即內管板)的連接為強度脹接，與管程管板(即外管板)的連接為強度焊+貼脹。

2 脹接方法的選擇

鑒于機械脹接操作簡單方便、制造成本低等優點，結合筆者單位的實際情況，采用機械脹。

3 強度脹接工藝試驗的目的[3]

1)確定合適的脹管率；

2)確定脹接的遍數；

3)確定脹管機設定值大小；

4)檢驗脹管器和脹接工具的質量；

5)檢驗脹接接頭的外觀質量和密封性能；

6)對脹接接頭進行拉脫力試驗，檢驗脹接接頭是否達到規定的拉脫強度(抗拉強度應達到4MPa以上)[4]；

7) 為制定正確的脹接工藝提供技術支持。

4 試驗工具

強度脹用可調節脹管器、貼脹用脹管器、挖槽器、天瑞 DZJ-Ⅲ型雙路電動脹管機、外徑千分尺、壁厚千分尺、10～18mm內徑百分表、18～35mm內徑百分表。

5 試件制備

5.1 結構

參照注[5]脹接試件制作的原則，本次采用的脹接試件與產品結構形式相一致，如圖1所示：

圖1 脹接試件圖

5.2 試件、技術要求、試驗及數據

●5.2.1 管板

1）管板：對內外管板進行標記，并測定內管板(表面)的硬度值，數據見表2；

表2 內管板、與內管板連接的換熱管管端硬度值

2）內、外管板要求配鉆，保證所有管孔同心；

3）管孔采用鉆孔+絞孔工藝，以確保表面粗糙度和尺寸公差達到要求值，內管板按圖2尺寸開槽；

圖2 管孔要求

4）加工完孔后，內、外管板標記好序號(1～16)，并按序號測量和記錄內管板管孔內徑值，見表3。

●5.2.2 換熱管

1）規格為φ19mm×2.0mm，長度L=280mm，材料10#，數量16支，執行標準 GB9948-2006，外徑偏差為±0.1，壁厚偏差為±0.2。

2）來料后在換熱管中間位置標記好序號(1～16)，并分別測定其與內管板連接部位的硬度值，見表2。管板的硬度值應大于換熱管的fz度值，其差值為HB30左右，如果二者相差很小時應對管子端部進行退火熱處理[3]。由表2可知管板的硬度值高于換熱管的硬度值，其值也符合要求，所以換熱管管端不需要進行退火熱處理。

3）序號1～16用砂紙把換熱管兩端打磨光滑，打磨長度為90mm，打磨時須均勻，除去表面氧化層即可，打磨后，注意打磨時應環向打磨以免出現縱向劃痕，保護管頭，測量外徑、壁厚，見表3。

4）穿管，換熱管按序號分別穿入管板孔中；

5）換熱管伸出外管板端面長度為3～4mm，將試件固定在試驗臺上，為脹接做準備。

●5.2.3 換熱管與管板連接

1)內管板與換熱管強度脹：

（1）序號1～8，強度脹接一遍，脹管機設定值為2.03；

（2）序號9～16，強度脹接兩遍，脹管機設定值分別為2.03和2.05。

2)外管板與換熱管采用強度焊+貼脹：

（1）焊接，采用氬弧焊，焊接2層，管壁不允許過燒或者焊通，且管頭不能有咬邊，保持管端圓整無缺[6]；

（2）貼脹，脹接順序仍為1～16，脹管機設定值為2.01。

（3）脹管率的計算：

參照《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》[7]中的脹管率計算公式及脹管率

Hn=[(d1+2t)/d-1]×100%

Hn——脹管率，%；

d1——脹完后的管子實測內徑，mm；

t——未脹時的管子實測厚度，mm；

d——未脹時的管孔實測直徑，mm。

根據經驗脹管率控制在1%～1.8%范圍內。實際試驗值見表3。

表3 實際試驗值

●5.2.4 耐壓試驗

1)要求：在積液程內進行水壓試驗，試驗壓力為1.25MPa，管頭噴滲透顯像劑，便于觀察是否滲水，水壓試驗合格后進行氣密試驗，試驗壓力為1.0MPa。如果出現泄漏的管頭，適當調高脹管機設定值重新脹接，然后重復耐壓試驗，直至無泄漏。記錄好泄漏的管口序號和調整后的設定值。

2)實際試驗情況：第一次水壓試驗時，試驗壓力達到1.0MPa時，管口序號1出現泄漏，提高試驗壓力到1.25MPa時，也只有管口序號1泄漏，泄壓，用設定值2.05進行補脹，進行第二次耐壓試驗，水壓試驗壓力1.3MPa，保壓1h，未出現泄漏，水壓合格后，進行1.0MPa的氣密試驗，保壓1h，未出現泄漏。

●5.2.5 拉脫力試驗和解剖檢驗[3]

1)要求

(1)拉脫力試驗，強度脹接時抗拉強度應大于4MPa。

(2)解剖檢驗要求，管接頭分解后，脹接處無起皮、皺紋、切口和偏斜等缺陷。

(考慮到換熱管管頭拉脫力試驗和解剖試驗只能試驗一種情況，管口序號1，脹接了兩次等因素，故對管口序號2、4、13、16做拉脫力試驗，其余管口均做解剖檢驗。根據拉脫力試驗和解剖檢驗確定脹接遍數。)

2)拉脫力試驗和解剖檢驗結果

(1)抗拉強度計算公式：

式中：

[p]=F/(3.1416×D×L)

[p]——抗拉強度(拉脫應力)，MPa；

F——拉脫力，N；

D——管孔直徑，mm；

L——脹接長度，mm；

試驗數據見表4。

表4 試驗數據統計

（2）管接頭解剖結果：根部與管壁的結合狀態良好，管板孔與換熱管外壁的接觸表面的印痕和齒合狀況良好，脹接兩遍的管接頭均好于脹接一遍的管接頭。

6 結論

根據試驗結果，得出以下結論：

1）脹管率范圍：1.2%～1.5%；

2）脹接的遍數為兩遍；

3）脹管機設定值：第一遍2.03；第二遍2.05：

7 結束語

根據以上試驗結果分析及結論制定了“氯甲烷冷凝器”強度脹接工藝規范，并按該規范進行“氯甲烷冷凝器”制造，管頭耐壓試驗一次合格。

該產品從2013年10月交付至2014年6月未發生泄漏現象，證明該連接式雙管板換熱器強度脹接工藝是成功的。

1 TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

2 徐俊宏，于東興.雙管板換熱器設計及制造[J].化工設備與管道，2001,38(2):34～36.

3 李文軍.管殼式換熱器的脹接工藝[J].壓力容器，2001,18(3):58～59.

4 何星，張雨霏，李瓊.雙管板換熱器強度脹接工藝研究[J].化工設備與管道，2012,49(3):44～46.

5 白鶴峰，馮彥香，楊標，等.換熱器產品脹接試件的制作[J].化工設備與管道，2010,47(2):15～18.

6 呂延茂.雙管板換熱器制造工藝 [J].石油化工設備，2004,33(6):60～62.

7 蒸汽鍋爐安全技術監察規程[S].

8 陳上杰.管殼式換熱器的定期檢驗[J].中國特種設備安全,2010,26(6):17～18．

9 雙管板換熱器的設計與制造[J].中國特種設備安全,2012,28(12):17～19．

10 周斌生，等.螺旋板換熱器開裂失效分析[J].中國特種設備安全,2009,25(4):48～49．

The Research on Strength Expansion Process of Connection Double Tube-sheet Heat Exchanger

Zhao Ziliang
(Dongyan Energy Technology Co., Ltd Qinghuangdao 066206)

The expansion process of tube-tube sheet (the inner tube sheet), as the manufacturing difficulty and key point of connection double tube-sheet heat exchanger, was researched. This article obtained suitable reasonable process parameters of tube, such as: expanding rate, expanding times etc. The results were applied in our company’s products of the Methyl chloride condense and achieved a satisfactory result.

Test specimen Double tube-sheet Expansion process Heat exchanger

X933.4

：B

167 3－257 X(201 4)1 2－0 6－04 D O I: 1 0.396 9/j.i s s n.167 3-257 X.201 4.1 2.002

趙子亮(1985～)，男，本科，助理工程師，主要從事壓力容器的校核、設計與制造工藝工作。

2014-07-16）