潔凈型雙管板換熱器的特點與制造工藝探討

徐建校

（常州朗脈潔凈技術有限公司，江蘇常州213149）

潔凈型雙管板換熱器的特點與制造工藝探討

徐建校

（常州朗脈潔凈技術有限公司，江蘇常州213149）

從介紹潔凈型雙管板換熱器的主要結構、關鍵技術與主要指標入手，探討了潔凈型雙管板換熱器的制造工藝與制造流程。

潔凈型雙管板換熱器；制造工藝；檢測工藝

0 引言

列管式換熱器作為一種常用的化工單元設備，由于其具有結構簡單、牢固可靠、適應性強等優點，在各行各業得到了普遍的應用。國內換熱器的生產廠家及研究機構很多，相關的技術發展也比較成熟。但是，現有的換熱器絕大部分都應用于石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業，且結構多為單管板式，雙管板換熱器目前多應用于易燃易爆和有毒介質的場合。

在醫藥生產的過程中，經常需要對純化水和注射用水進行升溫和降溫操作，同樣要使用到列管式換熱器，但由于藥品生產的特殊性，GMP要求純化水、注射用水的制備、貯存和分配應當能夠防止微生物的滋生，要避免死角、盲管、兩種介質的交叉污染。這體現在換熱器的設計中，即要求不能有死角，能圓滑過渡，料液水要能夠排除干凈，不能殘留，雙管板的結構設計要防止冷熱媒體介質交叉污染料液等。

目前，國內對符合制藥行業要求的潔凈型換熱器的研究還較少。國內一些大型的高端制藥廠家為了滿足藥品生產的安全性和驗證的需要，采購的換熱器都是國外品牌，如美國ABC、歐洲ALFA-LAVAL、德國NEUMO等，其價格約為國內品牌的4倍左右。

鑒于此，我公司計劃研發適用于醫藥行業的藥品生產過程中的潔凈型列管式雙管板換熱器，以符合GMP、美國FDA、歐盟WHO等要求，技術達到國際先進水平。該換熱器能夠防止微生物的滋生，無死角、盲管，可防止兩種介質的交叉污染。其主要應用于注射用水（純化水）輸送循環管路系統，作為降溫（或升溫）的單元設備，采用列管式雙管板結構以及逆流多程熱交換原理，安裝方式為臥式。

1 潔凈型雙管板換熱器的主要結構、關鍵技術與主要指標

1.1 主要結構

本文主要探討臥式結構的列管式換熱器，其結構如圖1所示，這是目前醫藥生產使用量最大的換熱器型式。其具有結構合理、容易清洗、維修方便等管殼式換熱器的通用優點。

列管式換熱器由兩端的兩個管箱、漲管板、焊管板、殼體、多組換熱管、波形膨脹節、ASME衛生型快開式接頭（管程）、HG20592法蘭接口（殼程）、殼體外部保溫層、保溫層不銹鋼外殼、兩個支腿等組成。換熱面積大于1.0 m2以上的換熱器為了增強換熱器的傳熱效果，將管程分隔為多程（2～3程），使水在管程內流速增大，管內水的流速維持在2～3 m/s。

圖1 列管式換熱器結構示意圖

按照全逆流熱交換的原理，液體介質（或冷介質）走管程，氣體介質（或熱介質）走殼程。其使用方式為臥式放置；材質：凡和管程及殼程接觸的過流材質均為316L，支腿和保溫外殼等材質為304，密封材質為聚四氟乙烯（PTFE）；管程拋光Ra0.6，雙管板漲焊結構；設計結構保證可以排凈冷凝器內的余水。

預期達到的目標：

（1）換熱效率高，全逆流多程熱交換；

（2）潔凈式設計，無死角，在停機后，可以保證積存的料液在自身重力作用下，流排干凈，不形成死水；

（3）可靠安全，雙重漲焊管板設計，可有效防止料液和冷、熱媒之間的交叉污染，從而起到保證藥品安全的預防作用。

1.2 關鍵技術

（1）熱交換：在結構設計中采用了臥式多程、波形膨脹節、全逆流熱交換、Φ8 mm×1 mm超細精拔無縫換熱管，使熱交換效率得到較大的提高。

（2）傾斜式進出口設計（圖2）：進料口和出料口設置在進料管箱和出料管箱上，進料口設置在進料管箱的內腔的最低位置，并且進料口的中心線與水平面形成向下的夾角θ＝87°～89°，且＜90°；出料口的中心線與水平面形成向上的夾角β＝87°～89°，且＜90°。其作用是停機后，能保證積存的料液在自身重力作用下流排干凈。

圖2 傾斜式進出口設計

（3）管箱內特殊的排水通道設計：兩端的進水管箱的分程隔板上開有一條排空通道，其作用是在停機后，使管箱內各象限的殘留料液全部排至最低點，最終從出水口排出，不留殘液。

（4）內部圓滑排水設計（圖3）：兩端的管箱內部整個周邊全部加工為R6～R10的圓弧倒角，其作用是在停機后，使管箱內的殘留料液全部沿圓角流下排至最低點，最終從出水口排出。

圖3 排水圓角結構示意圖

（5）雙管板結構設計（圖4）：換熱管與管板的連接為雙重管板，即換熱管與漲接管板采用先漲接，然后換熱管再與焊接管板焊接。其作用是，無論哪個管板由于連接問題而產生泄漏，所泄漏的料液或熱媒（冷媒）只會泄漏到兩個管板之間的縫隙中，該縫隙通向大氣，不會導致料液或熱媒（冷媒）之間的交叉污染。

圖4 雙管板結構示意圖

1.3 主要指標

潔凈型雙管板換熱器制造的主要指標如表1所示。

2 潔凈型雙管板換熱器的制造工藝

雙管板換熱器的結構能確保管殼程介質完全分隔開，不互相串通，無論管殼程哪端介質泄漏即可迅速檢測出來，在設計、制造上有一定的難度，尤其是在雙管板與換熱管的連接、管束組裝順序的檢測要求上必須嚴格把關，才能制造出滿足使用要求的換熱器。

2.1 原材料要求

為獲得可靠的管子與管板的強度脹接質量以及降低應力腐蝕，管子外徑和管板內孔之間的配合至關重要，需對換熱管的精度及管子與管板的硬度提出相應要求。

2.1.1 換熱管精度

按GB151換熱管規格和尺寸偏差要求，設計圖樣所選用換熱管的管材，對外徑、壁厚提出要求。

（1）換熱管采用精拔無縫管，管內外表面粗糙度應小于Ra0.4，精度等級要高于GB151中Ⅰ級管束的精度；

（2）橢圓度不得超出±0.2 mm；

（3）管口端面平直，傾斜度不得大于管子外徑的2%；

（4）管子全長偏差應該不大于±1 mm，全長彎曲應該不超過±2 mm，壁厚公差應該不大于±0.05 mm，外徑公差應為（D＋0.05）mm～（D＋0.15）mm。

表1 主要技術指標

2.1.2 管子與管板的硬度

為使換熱管與管板之間獲得足夠的殘余接觸應力，管板材料的屈服強度與硬度必須大于換熱管材料的屈服強度和硬度，兩者之間硬度差應控制在HB20～30以上，才能保證脹接的可靠性。如果換熱管硬度大于管板硬度，則應對管端進行熱處理，一般管端長度應不小于100 mm，且比管板厚度長至少15～30 mm。

2.2 零部件制作

2.2.1 殼體

圖5 潔凈型雙管板換熱器的制造流程

嚴格控制有關殼體的幾何尺寸和方位。錯邊量、棱角度、焊縫的無損檢測按GB150規定執行；周長、圓度和直線度按GB151的規定執行；殼體長度按圖樣規定，檢查殼體兩端面平行度與殼體軸線的垂直度，劃出殼體兩端面的中心十字線，且兩端面中心線連線平行于殼體的軸線，該標記線作為雙管板的基準線。

2.2.2 管板加工

管板加工中最重要的一個環節是管孔的加工，要控制管孔直徑、垂直度及管孔間距。為利于穿管，管板和折流板的鉆孔方向應與穿管方向保持一致。為保證脹管強度，要求管孔的精度等級要高于GB151中Ⅰ級管束的精度，外徑公差應控制在（D＋0.10）mm～（D＋0.20）mm。

應采用數控加工中心平面鉆孔，用特殊刀具加工脹管管槽。按圖樣和GB151規定對單塊管板的管孔逐孔進行檢驗測量，并做好記錄，超標管孔做好特殊標記，以便在脹管時選擇相對應的管子匹配，減少間隙，保證脹管質量。對于管孔內壁，特別是內側管板管孔內不允許存在貫通性的螺旋形或縱向條痕，若不慎產生溝痕必須進行處理，以達到規范要求，并對該管孔做出特殊標記。

3 潔凈型雙管板換熱器的制造流程

潔凈型雙管板換熱器的制造流程如圖5所示。

3.1 組裝前準備

把兩組雙管板分別按鉆孔方向逐塊做順序號和正、反面的標記。每塊折流板正、反面和管孔均要仔細倒角，清除毛刺，防止穿管時損傷管子的外表面。

換熱管應采用超聲波清洗和堿水清洗的方式清除管頭表面的油銹污物，管頭采用專用磨管機打磨，提高管頭光潔度，降低應力，保證脹接質量。

3.2 雙管板預裝

清除管孔內和管板面的毛刺、鐵屑、油銹污物等影響脹接質量的異物。將每組雙管板用長50 mm的定位筋板連接成一個整體，調整每組雙管板的同心度、平行度和扭曲度，用換熱管逐孔預穿之后，按焊接工藝分別固定焊成兩組雙管板。

在管束組裝工位上組裝管板與拉桿、定距管、折流板，使其中心線一致，從外側管板密封面方向梅花形位置串入數組換熱管，自然調整管板與折流板的同心度，擰緊螺栓。

將管束組件串入殼程筒體，調整管板與殼程筒體的垂直度和同心度后固定管板與殼程筒體。

穿入所有的換熱管，并且將換熱管長度確定為比內側管板的長度小1 mm。

3.3 內側管板與換熱管的液壓脹接

內側管板與換熱管的液壓脹接采取二次脹接法。采用脹接工藝評定試驗選取的工作脹接壓力進行第一次液壓脹接，然后以等于或大于第一次的脹接壓力再脹接一遍。

脹接順序應該從管板的中心開始逐步向周圍逐根進行，便于應力逐步呈圓形向周圍擴散。為防止漏脹或重脹，脹接時應逐孔做好標記。根據脹接情況，要不定期地復檢脹桿軸的定位尺寸，確保液袋位于管板孔的脹接范圍之內。

3.4 外側管板與換熱管的焊接

按焊接工藝卡要求，采用氬弧焊，先焊接第一層，進行氨滲漏試驗，然后氬弧焊再焊接第二層，并且按圖樣要求進行100%PT或MT檢測。

3.5 總裝及壓力試驗

（1）殼程筒體與內側管板按焊接工藝卡要求進行焊接；

（2）進行無損檢測；

（3）內側管板與換熱管進行液壓脹接；

（4）殼程水壓試驗；

（5）殼程氨滲漏試驗從隔離腔的空間檢查管子與內側管板的脹接質量；

（6）焊接外側管板與換熱管第一層；

（7）隔腔通氨氣檢查第一層焊縫質量；

（8）焊接外側管板與換熱管第二層；

（9）管頭焊縫進行100%PT或MT檢測；

（10）外側管板與換熱管進行焊接；

（11）隔腔水壓試驗；

（12）隔腔氨滲漏試驗檢查管子與外側管板的脹焊接質量；

（13）組裝管箱進行管程試壓。

4 結語

本文從介紹潔凈型雙管板換熱器的主要結構、關鍵技術與主要指標入手，探討了潔凈型雙管板換熱器的制造工藝與制造流程。可以說，潔凈型列管式雙管板換熱器，在符合GMP、美國FDA、歐盟WHO等要求的同時，可廣泛應用于注射用水（純化水）輸送循環管路系統。隨著我國藥品生產安全的要求越來越高，GMP驗證普遍展開，現有的藥品生產設施有很多不符合GMP和FDA、WHO的相關要求，需要進行大量的改造，因此該設備具有廣闊的市場前景。

2015-08-12

徐建校（1970—），男，上海人，工程師，研究方向：醫藥潔凈設備、醫藥潔凈材料。