新型發(fā)卡式換熱器管束的裝配及更換

唐衛(wèi)軍,唐永飛

（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730050）

發(fā)夾式換熱器具有一般管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特征，又具有純逆流的傳熱特點(diǎn)，并且可以滿足更高的機(jī)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(jié)。發(fā)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(dá)同樣的換熱功效，外形殼體可以做的更小，換熱管數(shù)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(nèi)開始廣泛應(yīng)用。

1 新結(jié)構(gòu)簡介

這批為中東某煉油廠制造的發(fā)卡式換熱器均參照GB/T150 設(shè)計，管殼程數(shù)均為單程，殼體采用16MnD 鍛管，換熱管為10# 鋼管。傳統(tǒng)發(fā)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(jìn)行表面無損檢測）。新結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是管束U型彎段的殼體部分采用可拆卸的外頭蓋結(jié)構(gòu)，管束可抽出更換，簡圖（如圖1 所示)：

圖1 新型發(fā)卡式換熱器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡圖

每根U 形管須冷彎成形、進(jìn)行水壓試驗(yàn)和去應(yīng)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(jié)構(gòu)簡圖

鍛管與平蓋法蘭間的對接焊縫須進(jìn)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(cè)法蘭的內(nèi)徑，管板與管箱側(cè)法蘭的密封非常關(guān)鍵，采用了法蘭的密封凸臺與管板之間依次設(shè)置梯形密封墊和固定環(huán)，固定環(huán)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(jié)構(gòu)。管板外徑與殼體內(nèi)徑僅有1mm 間隙。

5）綜合1～4 條因素，該管束與殼體按常規(guī)分別組焊再拉入殼體的裝配方案將無法實(shí)現(xiàn)順利組裝，如果在裝配過程中發(fā)生管束卡在殼體內(nèi)無法抽出，整臺設(shè)備將會報廢。即使勉強(qiáng)完成裝配，密封面也會受損，易在管板密封面處出現(xiàn)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(dá)不到該換熱器可更換管束的設(shè)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(dá)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(jìn)行無損檢測、整體熱處理。熱處理時兩筒體之間應(yīng)架設(shè)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(nèi)徑符合要求，車床加工外頭蓋側(cè)法蘭密封面，鏜床加工外頭蓋側(cè)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(jī)加工時應(yīng)預(yù)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(cè)）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(cè)螺母，檢查定距管確保支持板不發(fā)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(nèi)。換熱管兩端分別從殼體右側(cè)（即平蓋法蘭兩中心孔）穿入。將管板吊起，卸掉拉桿左側(cè)M12 螺母，分別將換熱管一端逐一引入兩塊管板。調(diào)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(hù)管板所有密封面，包括管板外緣密封面）。③焊接管頭，進(jìn)行無損檢測和管頭脹接。裝配外頭蓋，進(jìn)行管頭、殼程水壓試驗(yàn)。裝配管箱，進(jìn)行管程水壓試驗(yàn)。

4 新裝配方案的優(yōu)點(diǎn)

1）新裝配方案的最大優(yōu)點(diǎn)就是保護(hù)了管板的密封面，且不會在管束穿入殼體時發(fā)生卡頓現(xiàn)象，極大的降低了因裝配密封不過關(guān)引發(fā)的使用過程中介質(zhì)泄露造成大事故的風(fēng)險，避免了制造過程中因制造、裝配公差控制不到位使設(shè)備報廢的事情發(fā)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(shè)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(fā)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(jié)構(gòu)，就是為了管束可抽出而專門設(shè)計的。因此，在役發(fā)卡式換熱器的管束如何抽出，也是卡式換熱器設(shè)計、制造、使用的關(guān)鍵點(diǎn)。

1）首先精準(zhǔn)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(yán)格（均在0.5mm 以內(nèi)），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(nèi)，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?shù)衷诠馨逯胁浚ㄇЫ镯斪詈糜秒娔X控制，達(dá)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(fā)生卡頓事故。在此過程中須密切注意進(jìn)程一定要慢，用力均勻，防止設(shè)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(fā)生卡頓，使管束無法抽出，設(shè)備報廢。為達(dá)到保護(hù)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(hù)套，如圖所示，再用同步的液壓千斤頂將管束抵出。保護(hù)套也可用黃銅等耐磨材料制作，但成本較高。

6 結(jié)語

在此批換熱器的設(shè)計、制造過程中，殼體的鋼管采用鍛件為機(jī)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(shù)控加工中心，力求達(dá)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(jìn)行了多次優(yōu)化，最終解決了此類換熱器組裝難題，保證了工期、質(zhì)量，得到業(yè)主的好評。

發(fā)夾式換熱器的最大的技術(shù)優(yōu)勢是可實(shí)現(xiàn)純逆流傳熱、結(jié)構(gòu)緊湊。在滿足同樣熱載荷的情況下，新型發(fā)卡式換熱器只需要一半尺寸的殼體和不到一半數(shù)量的換熱管。在傳熱效能相同的工況下，傳統(tǒng)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(fā)夾式換熱器相比較，其設(shè)備投資也更加昂貴。新型結(jié)構(gòu)的發(fā)卡式換熱器實(shí)現(xiàn)了管束可抽出進(jìn)行清洗和更換，大直徑U 型彎管易于維護(hù)。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(fā)卡式換熱器會在各行各業(yè)中得到更多的應(yīng)用。