乙二醇高通量換熱器的制造質(zhì)量控制方案探討

張 勇，戴建軍，王印力，郭 瀕，張國(guó)松

（大慶石化公司機(jī)械廠，黑龍江大慶163714）

乙二醇高通量換熱器的制造質(zhì)量控制方案探討

張 勇，戴建軍，王印力，郭 瀕，張國(guó)松

（大慶石化公司機(jī)械廠，黑龍江大慶163714）

乙二醇高通量換熱器具有管內(nèi)強(qiáng)化蒸發(fā)、管外強(qiáng)化冷凝的工藝特點(diǎn)，較普通換熱器的傳熱效率高50%以上。文中針對(duì)該換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)需要控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，闡述了該類設(shè)備制造的材料檢驗(yàn)、部件加工、管束組裝、管接頭焊接和脹接等工序的質(zhì)量控制技術(shù)措施。

乙二醇高通量換熱器；高效；質(zhì)量控制；脹接；管接頭焊接

某石化企業(yè)新建360 kt/a乙二醇裝置需要制造4臺(tái)乙二醇高通量換熱器，該換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度較大。某設(shè)備制造企業(yè)高度重視該乙二醇高通量換熱器的制造質(zhì)量，制定了嚴(yán)格的制造質(zhì)量控制方案、焊接工藝，對(duì)設(shè)備制造過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)督和檢驗(yàn)，對(duì)制造中可能存在的問(wèn)題提前進(jìn)行預(yù)防和控制，確保了該設(shè)備順利制造完成，達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)條件要求。

1 設(shè)備主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該4臺(tái)換熱器為立式結(jié)構(gòu)，屬于中壓設(shè)備，按GB/T151-2014《熱交換器》進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造［1］。換熱器管板采用16MnⅢ或0Cr18Ni9Ⅲ復(fù)合蒙乃爾合金400（即鎳銅合金），換熱管采用國(guó)外專利產(chǎn)品—高通量換熱管（換熱管基材牌號(hào)C70600，90Cu-10Ni），管板與換熱管連接形式為強(qiáng)度焊+貼脹。設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

2 質(zhì)量控制和實(shí)施

2.1 材料檢驗(yàn)控制

乙二醇高通量換熱器的關(guān)鍵部件是UOP高通量換熱管和復(fù)合管板。

2.1.1 高通量換熱管的檢驗(yàn)及防護(hù) UOP高通量換熱管的基管牌號(hào)C70600，90Cu-10Ni，屬于有色金屬的銅鎳合金類。

（1）高通量換熱管到貨后在換熱廠房專用制造場(chǎng)地運(yùn)輸木箱內(nèi)進(jìn)行存放，開(kāi)箱后隨用隨取，使用塑料布設(shè)立封閉絕塵區(qū)域，防止鐵離子的污染。

（2）高通量換熱管到貨后，每種規(guī)格換熱管抽檢10%進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為0.5 MPa，如發(fā)現(xiàn)有滲漏情況，將進(jìn)行100%氣壓試驗(yàn)復(fù)驗(yàn)。同時(shí)每種規(guī)格的換熱管抽檢5%進(jìn)行外徑尺寸偏差檢查。

（3）換熱管在搬運(yùn)過(guò)程中，嚴(yán)禁出現(xiàn)彎曲變形、磕碰等現(xiàn)象。

2.1.2 復(fù)合管板的檢驗(yàn) 換熱器管板為16MnⅢ/ 0Cr18Ni9Ⅲ鍛件，復(fù)層蒙乃爾合金400（鎳銅合金）。按NB/T47002.1-2009《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板第1部分：不銹鋼—鋼復(fù)合板》B1級(jí)對(duì)管板復(fù)層與基層的貼合率及結(jié)合面剪切強(qiáng)度進(jìn)行控制，貼合率要求達(dá)到100%，其結(jié)合面的剪切強(qiáng)度為≥210 MPa。

2.2 管板加工控制

在乙二醇高通量換熱器制造中，管板鉆孔是重要的機(jī)械加工工序。高通量換熱器管束為GB/ T151-2014中I級(jí)管束。管孔直徑為Φ32+0.15mm，管孔垂直度公差應(yīng)控制在0.1 mm，管孔表面粗糙度Ra6.4 μm。

（1）在數(shù)控鉆床上采用一鉆兩鉸孔工藝來(lái)保證孔徑公差和管孔粗糙度。

（2）在數(shù)控鉆床上制作試件時(shí)，用Φ32 mm和Φ32.15 mm的通止規(guī)檢查，確定數(shù)控鉆床的系統(tǒng)誤差，并在正式加工時(shí)制作管板配鉆模板，從而控制了管板加工中的人為誤差。通過(guò)上述方法控制了管板孔橋?qū)挾确显O(shè)計(jì)圖樣要求。

（3）對(duì)于管板孔直徑的尺寸控制，必須采用制作Φ32 mm和Φ32.15 mm的通規(guī)和止規(guī)對(duì)每個(gè)管孔進(jìn)行檢查。制造加工后實(shí)測(cè)上述精度均控制在設(shè)計(jì)規(guī)范要求內(nèi)。

2.3 管束組裝控制

該換熱器管束組裝采用專用胎具將管板固定，保證管板與其軸線的垂直度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，然后安裝拉桿、定距管、折流板。穿管時(shí)，在換熱管管頭加裝了穿引器，保證了高通量換熱管的順利組裝，穿引器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

擬合后的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，采用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合的直線的相關(guān)系數(shù)R2為0.999 7，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附量的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相近，說(shuō)明準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能很好的描述吸附過(guò)程。

圖1 穿引器結(jié)構(gòu)

由于銅鎳合金換熱管硬度較低，在穿管時(shí)，為避免損傷換熱管的現(xiàn)象出現(xiàn)，對(duì)折流板孔采取雙面倒角；在穿管前，用酒精或丙酮清洗管板、折流板表面及管孔內(nèi)部雜質(zhì)，用干凈的抹布檢查，無(wú)油污、顆粒狀雜質(zhì)為合格。

2.4 管接頭焊接控制

2.4.1 銅鎳合金的焊接特點(diǎn) 根據(jù)相關(guān)資料介紹［2］，銅鎳合金材料的焊接具有4個(gè)特點(diǎn)。

（1）銅與鎳在固態(tài)和液態(tài)都能無(wú)限固溶，形成一系列連續(xù)固溶體，不會(huì)形成金屬間化合物，有利于它們之間的焊接。

（2）焊接時(shí)，銅、鎳母材側(cè)易與S、P、Pb、As等雜質(zhì)生成低熔點(diǎn)共晶物，引起接頭脆化開(kāi)裂，

（3）銅、鎳合金在熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性能、線膨脹系數(shù)及電阻率等方面差異較大，焊縫冷卻時(shí)產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致較大的焊接應(yīng)力而產(chǎn)生焊接裂紋。

2.4.2 焊接工藝評(píng)定 該換熱器管接頭焊接是設(shè)備制造的關(guān)鍵工序，為保證產(chǎn)品焊接時(shí)的質(zhì)量，按NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。其中管孔直徑為Φ32.10+0.12mm，焊接工藝評(píng)定試樣見(jiàn)圖2。

圖2 焊接工藝評(píng)定試板

焊接采用管對(duì)管板自動(dòng)鎢極氬弧焊，保護(hù)氣體為高純氬氣，純度≥99.99%氬氣。焊接時(shí)的各參數(shù)選擇見(jiàn)表2。

表2 焊接工藝評(píng)定規(guī)范參數(shù)

焊接后，試樣按NB/T47013-2015進(jìn)行100% PT+100%RT檢測(cè)，檢查焊縫內(nèi)部質(zhì)量，不允許存在裂紋、條孔、密集孔、夾雜、未熔合、未焊透等缺陷。氣孔接受標(biāo)準(zhǔn)為：直徑dmax≤0.25 t（管壁厚），任何管頭不超過(guò)2個(gè)氣孔，相鄰氣孔的環(huán)向間距≥2dmax，所有接頭氣孔總數(shù)不超過(guò)6個(gè)。PT和RT探傷完成后，試件管接頭剖切，對(duì)焊縫剖面進(jìn)行宏觀金相檢查，無(wú)裂紋、未熔合等缺陷，并且焊縫接頭的焊肉高度≥管壁厚度的1.4倍［3，4］。

管接頭焊接工藝評(píng)定合格，表明焊接工藝參數(shù)及規(guī)范合理，能夠保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

2.5 脹接工藝控制

管板與換熱管的脹接是乙二醇高通量換熱器制造的另1個(gè)關(guān)鍵工序，它直接影響換熱器的長(zhǎng)周期使用性能。由于設(shè)備殼程的介質(zhì)為乙二醇濃縮液，管板采用了16MnⅢ或0Cr18Ni9Ⅲ復(fù)合蒙乃爾合金400的措施，以防止介質(zhì)對(duì)管板表面的腐蝕，而對(duì)于因介質(zhì)進(jìn)入換熱管與管板孔之間而可能產(chǎn)生的對(duì)管板（特別是管板基層）的間隙腐蝕，則需靠脹管后換熱管與管板內(nèi)側(cè)基層嚴(yán)密貼合來(lái)控制。因此，該銅鎳合金換熱器的管板與換熱管為貼脹+強(qiáng)度焊。

換熱器管接頭常用的脹接方式為機(jī)械脹接和柔性脹接。機(jī)械脹接時(shí)需要用油作為潤(rùn)滑劑，脹后會(huì)對(duì)管接頭造成污染且不易清理，影響管束制造的整體質(zhì)量；而柔性脹接介質(zhì)為水，對(duì)管接頭沒(méi)有污染，只要將管頭部位水吹干即可，具有管壁受力均勻、換熱管無(wú)軸延伸及無(wú)加工硬化等特點(diǎn)［5］。

液袋柔性脹接的脹接壓力按液壓脹管機(jī)供應(yīng)商提供的公式計(jì)算選擇，同時(shí)制作試樣進(jìn)行試脹確定實(shí)際脹接工藝參數(shù)。另外，為檢驗(yàn)脹接管接頭的密封性能，按實(shí)際管孔尺寸和確定的脹接工藝參數(shù)制作模擬試樣，進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)。試脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 脹接工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)脹接工藝試驗(yàn)結(jié)果，確定銅鎳合金管接頭液壓脹接壓力為80 MPa，脹接時(shí)間3 s，換熱管與管板脹接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 換熱管與管板脹接結(jié)構(gòu)

設(shè)備上所有管接頭脹接成型后，最終殼程水壓試驗(yàn)檢查，未發(fā)現(xiàn)管接頭泄漏，試壓1次合格。

3 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)備雖然制造難度大、技術(shù)含量高，但只要組裝工藝合理、嚴(yán)格控制每道工序的質(zhì)量，完全可以實(shí)現(xiàn)原設(shè)計(jì)提出的技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?？刂茡Q熱器制造的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，使焊接拍片1次合格率達(dá)到100%，經(jīng)殼程水壓試驗(yàn)，無(wú)管接頭出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

［1］劉俊偉，趙濱江，李曉陶.ASME、ISO及GB管子管板接頭檢驗(yàn)探討［J］.化工設(shè)備與管道，2013，50（3）：36-38.

［2］陳劍虹.中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（第2卷）材料的焊接［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：824-825.

［3］陳裕川.鋼制壓力容器焊接工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：44-46.

［4］張勇.銅鎳合金高通量換熱器焊接工藝試驗(yàn)與應(yīng)用［J］.石油和化工設(shè)備，2015（11）：5-8.

［5］曹福勤.多種脹管方法在生產(chǎn)中應(yīng)用的特點(diǎn)分析［J］.電站輔機(jī)，2015（9）：29-33.

Discussion on manufacturing quality control plan of ethylene glycol high flux heat exchanger

Zhang Yong，Dai Jianjun，Wang Yinli，Guo Hao，Zhang Guosong
（Machinery Factory of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China）

：Ethylene glycol high flux heat exchanger has characteristics of intensified evaporation inside of tube and intensified condensation outside of tube,and its heat exchange efficiency is above 50%higher than that of common heat exchange.Aiming at the structural characteristics of this kind of heat exchanger and the key links needed to be controlled in supervision and inspection, this paper expounded the technical measures for quality control to the procedures including material inspection,part machining, tube bundle assembling,tube joint welding and expanding of this kind of equipment.

ethylene glycol high flux heat exchanger;efficient;quality control;expansion;tube joint welding

TK172

B

1671-4962（2017）01-0032-03

2016-10-27

張勇，男，高級(jí)工程師，1996年畢業(yè)沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)焊接工藝及設(shè)備專業(yè)，現(xiàn)從事壓力容器制造管理及新產(chǎn)品研制工作。