新型發卡式換熱器管束的裝配及更換

唐衛軍,唐永飛

（甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730050）

發夾式換熱器具有一般管殼式換熱器的結構特征，又具有純逆流的傳熱特點，并且可以滿足更高的機械完整性和“彈性”，即使在最不利的壓力和溫度組合工況下，也無需膨脹節。發夾式換熱器U 型管的大彎曲半徑能夠承載更高的熱膨脹，由于其更高的傳熱效率，到達同樣的換熱功效，外形殼體可以做的更小，換熱管數量更少，降低了制造成本，且更適用于高壓的工況，近年來在國內開始廣泛應用。

1 新結構簡介

這批為中東某煉油廠制造的發卡式換熱器均參照GB/T150 設計，管殼程數均為單程，殼體采用16MnD 鍛管，換熱管為10# 鋼管。傳統發卡式換熱器U 型管的直管段部分用兩個殼體分別組裝，然后把彎頭與兩個殼體組裝在一起，制造的時候都會把180°彎頭切開兩半組裝完畢后，焊接彎頭縱縫（此焊縫只能進行表面無損檢測）。新結構的特點是管束U型彎段的殼體部分采用可拆卸的外頭蓋結構，管束可抽出更換，簡圖（如圖1 所示)：

圖1 新型發卡式換熱器結構簡圖

2 管束與殼體裝配時存在的困難分析

1）該換熱器管束由33 根大彎曲半徑U 形管組焊而成，各零部件名稱及位置可參照GB/T151，簡圖（如圖2 所示）：

圖2 管束結構簡圖

每根U 形管須冷彎成形、進行水壓試驗和去應力熱處理，在此過程中，U 型管直管部分的平行度及彎管部分的圓度保證難度較大。

2）U 形管與兩管板組焊后，換熱管軸線與管板密封面的垂直度很難保證，一般只能精確至±1mm。

3）殼體由兩鍛管與平蓋法蘭組焊成形簡圖（如圖3 所示）：

圖3 殼體結構簡圖

鍛管與平蓋法蘭間的對接焊縫須進行熱處理，此過程中變形較大，兩鍛管間的平行度及其與平蓋法蘭密封面的垂直度很難保證。

4）管板的外徑小于管箱側法蘭的內徑，管板與管箱側法蘭的密封非常關鍵，采用了法蘭的密封凸臺與管板之間依次設置梯形密封墊和固定環，固定環及法蘭與梯形密封墊之間的接觸面均以梯形斜度適配，用一套螺栓螺母同時緊固兩種不同形式的密封墊的新型專利密封結構。管板外徑與殼體內徑僅有1mm 間隙。

5）綜合1～4 條因素，該管束與殼體按常規分別組焊再拉入殼體的裝配方案將無法實現順利組裝，如果在裝配過程中發生管束卡在殼體內無法抽出，整臺設備將會報廢。即使勉強完成裝配，密封面也會受損，易在管板密封面處出現泄露性密封失效。在以后管束的更換過程中抽取管束也將非常困難，達不到該換熱器可更換管束的設計效果。

3 新的裝配方案

1）殼體的組焊：首先分別完成兩個筒體各段鍛管組焊，達到圖紙要求的長度，焊縫的錯邊量不超過0.2mm，并保證其直線度公差不超過±0.3mm。

2）將兩個筒體與平蓋法蘭組焊，按圖紙要求進行無損檢測、整體熱處理。熱處理時兩筒體之間應架設防止變形的支撐工裝。

3）熱處理后，為保證密封面平面度、粗糙度及內徑符合要求，車床加工外頭蓋側法蘭密封面，鏜床加工外頭蓋側法蘭的兩個中心孔至圖紙要求尺寸（密封面和兩中心孔在第一次機加工時應預留加工余量）。

4）管束的裝配：①采用臥式工位裝配，首先分別組裝管束的兩框架（即U 形管直管部分由折流板、定距管和拉桿形成的框架），在拉桿（拉桿直徑Ф12）的左端（與管板連接側）裝配M12 螺母（此時不可裝配管板），按圖紙依次穿入定距管和折流板、支持板，擰緊拉桿右側螺母，檢查定距管確保支持板不發生晃動，將滑道、旁路擋板分別裝配在兩框架上。②將兩框架分別穿入殼體的筒體內。換熱管兩端分別從殼體右側（即平蓋法蘭兩中心孔）穿入。將管板吊起，卸掉拉桿左側M12 螺母，分別將換熱管一端逐一引入兩塊管板。調整換熱管管頭伸出長度，檢查管束長度是否符合圖紙要求（在裝配時保護管板所有密封面，包括管板外緣密封面）。③焊接管頭，進行無損檢測和管頭脹接。裝配外頭蓋，進行管頭、殼程水壓試驗。裝配管箱，進行管程水壓試驗。

4 新裝配方案的優點

1）新裝配方案的最大優點就是保護了管板的密封面，且不會在管束穿入殼體時發生卡頓現象，極大的降低了因裝配密封不過關引發的使用過程中介質泄露造成大事故的風險，避免了制造過程中因制造、裝配公差控制不到位使設備報廢的事情發生，同時降低了制造成本高的，為制造廠爭取了工期和效益。

2）不需要專門設計裝配工裝，只需額外增加若干個M12 的螺母就可完成安裝。

5 管束更換方案探討

管殼式換熱器的管束屬于易損部件，在使用一定的時間后就需要清洗或者更換，發卡式換熱器也不例外，而且此批換熱器的殼體后端采用可拆卸的外頭蓋結構，就是為了管束可抽出而專門設計的。因此，在役發卡式換熱器的管束如何抽出，也是卡式換熱器設計、制造、使用的關鍵點。

1）首先精準測量管束、殼體的形狀公差。殼體鍛管間的平行度、與平蓋法蘭的垂直度在殼體組焊時控制嚴格（均在0.5mm 以內），管束換熱管與管板的垂直度、換熱管曲率半徑均在公差范圍內，使用過程中各受壓零部件變形量很小。這種情況在抽出管束時較為容易：拆除管箱和外頭蓋及密封件，放置管束及殼體與水平臺面上，固定殼體，在管板外緣密封面處涂潤滑脂，用兩部同步液壓千斤頂抵在管板中部（千斤頂最好用電腦控制，達到完全同步的效果），將管束緩慢退出殼體。切不可在U 型管端拉出管束，容易將換熱管拉裂，不易做到兩管板平行同步退出，容易發生卡頓事故。在此過程中須密切注意進程一定要慢，用力均勻，防止設備報廢。

2）在制造過程中公差較大時，抽出管束時比較困難，輕者損壞管板密封面，重者發生卡頓，使管束無法抽出，設備報廢。為達到保護密封面的目的，特訂制厚度僅為0.3mm 的聚四氟乙烯管板保護套，如圖所示，再用同步的液壓千斤頂將管束抵出。保護套也可用黃銅等耐磨材料制作，但成本較高。

6 結語

在此批換熱器的設計、制造過程中，殼體的鋼管采用鍛件為機加工件，目的是為了避免無縫鋼管的圓度公差過大影響裝配。在管板的鉆孔等工序中使用數控加工中心，力求達到最小的形狀公差。組焊、熱處理過程中使用夾具工裝，控制變形。對裝配工序進行了多次優化，最終解決了此類換熱器組裝難題，保證了工期、質量，得到業主的好評。

發夾式換熱器的最大的技術優勢是可實現純逆流傳熱、結構緊湊。在滿足同樣熱載荷的情況下，新型發卡式換熱器只需要一半尺寸的殼體和不到一半數量的換熱管。在傳熱效能相同的工況下，傳統的管殼式換熱器只能部分逆流傳熱，往往體積龐大，與同等效能的發夾式換熱器相比較，其設備投資也更加昂貴。新型結構的發卡式換熱器實現了管束可抽出進行清洗和更換，大直徑U 型彎管易于維護。隨著我國制造加工智能化水平的的不斷提升，殼體和管束的裝配精度也會得到很大提高，裝配和抽取管束的難題也會漸漸得到更好的解決，新型發卡式換熱器會在各行各業中得到更多的應用。