低壓水冷器的質量控制

黨燕妮* 吳曉君 邵 偉 李 佩

（1.西安建筑科技大學機 電工程學院 2.寶鈦裝備制造（寶雞）有限公司）

0 引言

管殼式換熱器在工業中被廣泛應用，按照結構形式可分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、填料函式換熱器及U 形管式換熱器等。

而管殼式換熱器中冷凝器在制冷、化工、煉化等行業中被廣泛應用，冷凝器根據冷卻介質種類的不同，可以分為水冷卻式、空氣冷卻式（又可稱為風冷式）、水/空氣冷卻式、蒸發/冷凝式四種。水冷器是冷凝器中應用比較廣泛的一種設備，其按結構形式可以劃分為立式管殼式、臥式管殼式、套管式等多種類型。

1 結構與工作原理

圖1 所示為低壓水冷器結構示意圖，這是臥式管殼式低壓水冷器的一種，其主要組成部分包括殼程和管程兩部分，殼程包括筒體、膨脹節、冷卻水進口、冷卻水出口、排氣、排液口；管程則包括換熱管、管板、折流板及管箱等。低壓水冷器的熱介質采用雙管箱流動方式，熱介質從一側管箱加入，通過換熱管流至另一側管箱后流出；冷卻水由筒體上的冷卻水進口進入，經各折流通道后從冷卻水出口排出，冷卻水可以單次使用，也可以循環使用。目前水冷器的設計使用年限普遍要求為10 a 以上，其制造質量直接影響到產品的使用壽命，因此水冷器的制造檢驗要求嚴格，且換熱管與管板連接的質量要求更嚴格。低壓水冷器設計參數如表1 所示。

圖1 低壓水冷器結構示意圖

表1 低壓水冷器設計參數

2 制造與檢驗

2.1 外購件檢驗

對該低壓水冷器外購件如法蘭、螺栓、密封件、膨脹節等依據質量證明書、合格證等進行驗收，并記錄相關驗收結果。

2.2 筒體的加工與檢驗

低壓水冷器殼程的筒體材料為Q345R，厚度為12 mm，左、右管箱材料為TA10/S30403，厚度分別為3/10 mm。筒體A，B 類焊縫詳圖如圖2 所示，校圓后筒體內徑應為1 500 mm，內直徑允許偏差可以通過外圓周長來控制，其外圓周長的允許上偏差為10 mm，下偏差為零，且殼體圓度允差不大于7.0 mm，殼體直線度允差不大于4.5 mm，A，B 類焊縫最大棱角度不大于3.2 mm，錯邊量不大于3.0 mm。

焊接完后，筒體縱環焊應無缺陷（如咬邊、焊瘤、弧坑、飛濺物、焊接變形、表面氣孔、表面裂紋等），并且單面焊接時焊縫根部應無未焊透。

筒體縱環焊縫經形狀尺寸及外觀檢查合格后進行無損檢測，對A，B 類焊縫進行20%射線檢測，檢測結果應符合NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2 部分：射線檢測》標準Ⅲ級的要求，焊接接頭內不允許存在裂紋、未熔合、未焊透缺陷。

圖2 A、B類焊縫詳圖（單位：mm）

按照設計與工藝要求在筒體管孔位置劃線并開孔。劃線和開孔完成后，分別按圖紙對管孔標高、方位、孔徑進行檢測，檢測數值不得超出標準規定的偏差范圍，檢測依據為GB150—2011《壓力容器》標準。將冷卻水進出口接管、排氣口、排液口接管與筒體進行組對及焊接，并對接管與筒體組對焊縫無損檢測，對C，D 類焊縫進行100%著色檢測，檢測結果應符合NB/T 47013.5—2015 標準Ⅰ級要求，C，D 類接頭焊縫與母材應呈圓滑過渡。接管與殼體焊接詳圖如圖3 所示。A，B 類焊縫坡口采用機械加工成型，卷制筒體并組對、焊接、校圓后其直徑應為1 500 mm，并且殼體圓度允差不大于7.0 mm。對管箱筒體縱焊縫應無外觀缺陷，檢測結果應符合NB/T 47013.2—2015標準Ⅲ級要求；A 類焊縫最大棱角度不大于3.0 mm，錯邊量不大于2.5 mm。

圖3 接管與殼體焊接詳圖（單位：mm）

2.3 管板、折流板的加工與檢驗

管板材質為TA10+S30403，厚度為6+68 mm，直徑為1 500 mm，折流板材質為S30408，換熱管與管板連接結構如圖4 所示。依據NB/T 47002.3—2009對管板進行100%超聲波檢測，合格級別為B1 級。按照工藝及GB/T 151—2014《熱交換器》標準要求對管板、折流板鉆孔、管孔進行首孔檢驗，待合格后再鉆其余各孔。為了利于穿管，管板與折流板的鉆孔方向應與穿管方向保持一致。根據設計、工藝及相關標準對管孔的數量、管孔的分布、表面粗糙度、幾何尺寸、倒角、孔橋間距進行檢測，折流板表面應平整，平面度公差為3 mm。為了保障換熱管與管板的連接性能，應嚴格控制管板密封面與軸線垂直，垂直度公差為0.8 mm，管孔應嚴格垂直于管板密封面，垂直度公差為0.08 mm，孔表面不允許存在貫通的縱向條痕，管板鉆孔后，96%以上的孔橋寬度必須大于5.75 mm，允許最小孔橋寬度為4.05 mm。管孔的排列形式為正三角形排列，如圖5 所示。

圖4 換熱管與管板連接結構（單位：mm）

圖5 管孔排列形式（單位：mm）

2.4 換熱管管束組焊與檢驗

2.4.1 換熱管管束組焊

換熱管規格為 25 mm×1.5 mm×5 500 mm，材質為TA10，按設計方位組裝換熱管管束，穿管時不應強行敲打，換熱管表面不應出現凹癟或劃傷，換熱管伸出管板長度應嚴格控制，一般為2～4 mm。

為了保證換熱管與管板連接的密封性能與抗拉強度，換熱管與管板的連接采用強度脹加密封焊的連接方式，脹緊程度應滿足拉脫力要求，同時應防止管束過脹引起的管裂。連接部位應預先清理干凈，不允許毛刺、鐵屑、銹斑、油污等影響脹接或焊接質量，避免產生焊接缺陷，此外換熱管的脹接部分與非脹接部分應圓滑過渡，不應有急劇的棱角。

2.4.2 管頭焊縫的檢驗

換熱管與管板復層焊接接頭應進行100%著色檢測，檢測結果應符合NB/T 47013.5—2005 標準Ⅰ級要求，表面不應存在裂紋和氣孔等缺陷。

換熱管與管板復層焊接接頭應進行氦質譜檢漏，氦質譜檢漏采用氦質譜儀與嗅探器連接所構成的泄漏探測器，探測加壓部件泄漏的微量氦示蹤氣體。當嗅探器的嗅吸探頭端部掠過試驗部件上的可疑點時，借助在探頭端部的負壓搜尋出泄漏的氦示蹤氣體，吸入并送到泄漏探測器的系統中，轉變為電信號，再由泄漏探測器將電信號以光或聲形式顯示。

氦質譜儀對氦氣的靈敏度至少為l×10-10Pa·m3·s-1。含100%氦濃度泄漏標準的最大泄漏率 可按下式計算：

試驗設備包括氦質譜檢漏儀，嗅探器(帶嗅吸探頭)，帶減壓閥的氦氣和氮氣鋼瓶，壓力表，量程為0.4 MPa（不小于1.5 倍試驗壓力，且不大于4 倍試驗壓力），試驗用氣體為氦氣和氮氣的混合氣。

試驗壓力取0.35 MPa 或25%設計壓力兩者之較小值（即0.125 MPa）。

加壓過程如下：當壓力從0 升到10%的試驗壓力時，充氦氣；當壓力從10%的試驗壓力升到試驗壓力時，充氮氣；加壓到試驗壓力后至少保壓30 min，試驗溫度為5 ℃以上。

試驗檢測如下：保壓至少30 min 后，用探測器從管板的最下部管接頭開始對換熱器管板與換熱管的接頭掃描，探測器的探頭與被測管頭焊縫之間應保持≤3 mm 的距離，探測器的探頭的最大掃描速度應不大于儀器的響應時間，為了縮短響應時間和凈化時間，探測器與探頭之間的連接軟管長度應≤5 m。

對于換熱器管扳與換熱管的焊接接頭的泄漏試驗，探測到大于1×10-6Pa·m3·s-1的泄漏為不合格，本次試驗結果9.0×10-8Pa·m3·s-1。

2.5 總體檢驗

設備整體成型后，按成品檢驗制度對設備進行總體檢驗。檢驗內容包括設備的總體尺寸（如總長度、總高度及直徑等），表面質量（如設備表面的平整度），設備表面是否存在缺陷（如凹坑劃傷腐蝕等），焊接接頭的棱角度、錯邊量、余高及焊縫表面是否有缺陷等。此外還應檢查接管方位、尺寸、數量等是否符合設計及工藝要求。

2.6 液壓試驗

分別對設備殼程和管程進行水壓試驗，水壓試驗應按照GB 150—2011 標準的相關要求進行。試驗時選用兩個量程相同并經過校正的壓力表，對于設計壓力小于等于1.6 MPa 的壓力容器壓力表的精度不應低于2.5 級；對于設計壓力大于1.6 MPa 的壓力容器壓力表的精度應不低于1.6 級。壓力表表盤直徑不小于100 mm，壓力表的量程應為試驗壓力的2 倍左右，且不低于1.5 倍和高于3 倍的試驗壓力，壓力表的安放位置應選在容器頂部便于觀察的位置。試驗液體一般應采用水，需要時也可采用不會導致發生危險的其他液體，但試驗時液體的溫度應低于其閃點或沸點，并具有可靠的安全措施。按照設計參數，低壓水冷器液壓試驗的試驗介質為潔凈水，殼程水壓試驗壓力為0.63 MPa，管程水壓試驗壓力為0.53 MPa，所選壓力表量程應為0～1.6 MPa。水壓試驗后應立即將水漬完全去除，當無法達到這一要求時，應控制水中氯離子含量不大于25 mg/L，以防止容器產生腐蝕破壞。水壓試驗過程中設備應無異常響聲，試驗后以無滲漏、無可見的異常變形為合格，具體可見圖7。

圖7 殼程及管程液壓試驗曲線

3 結論

通過對整臺設備制造與檢驗過程進行嚴格控制，設備殼程和管程經水壓試驗后未發現泄漏，焊縫一次拍片合格率達到100%。換熱管與管板連接接頭經水壓試驗后未發現泄漏點，按照NB/T 47013.5—2015標準要求采用100%滲透檢測后，換熱管與管板連接接頭表面沒有出現裂紋和氣孔等缺陷。換熱管與管板連接接頭經氦質譜檢測后其泄漏率為9.0×10-8Pa·m3·s-1，檢測結果為合格。該設備投用后至今未出現任何質量問題。