劉桂榮

（黃石聚達電力設備有限公司，湖北 黃石 435000）

0 概 述

某型水－水換熱器管束的鈦管壁厚僅為0.5 mm，鈦管可能因振動而造成損壞，為此，對換熱器進行了設計改進。為南方沿海某390MW電廠配套設計的臥式填料函式折流桿水－水換熱器，公稱直徑為1 400mm，換熱面積1 200m2，長度11 000 mm，換熱管為 TA2?19×0.5mm焊接管，換熱器采用單回程。開式循環(huán)冷卻水（海水）進入水－水熱交換器管程，將殼側(cè)閉式循環(huán)冷卻水（除鹽水）冷卻后排入循環(huán)水排水管，閉式循環(huán)冷卻水回水經(jīng)閉式循環(huán)冷卻水泵升壓，經(jīng)水－水熱交換器冷卻后向閉式水系統(tǒng)提供冷卻水。該換熱器的結(jié)構(gòu)布置，如圖1所示。

圖1 折流桿換熱器結(jié)構(gòu)圖

1 折流桿換熱器的設計

折流圈的折流桿被分為左右45°布置，管束組裝時，奇數(shù)折流圈布置在左45°，偶數(shù)折流圈布置在右45°。折流桿的材質(zhì)為不銹鋼，折流圈之間的組裝間距為150mm。2個折流圈形成的19.5mm×19.5mm方孔用于固定換熱管，使每根折流桿均能起到支持換熱管的作用，同時增強傳熱效果。折流桿與換熱管的支撐形式，如圖2所示。

圖2 折流桿與換熱管的支撐形式

該折流桿換熱器在全圓截面內(nèi)布管，提高了殼程流體的流速，改善了進、出口處流體的流動狀態(tài)，有效地利用了換熱器的換熱面積。在殼體上設置了外導流筒，還在殼體圓筒內(nèi)設有防沖裝置，如圖3所示。

圖3 殼體圓筒內(nèi)設有防沖裝置

當流體介質(zhì)通過普通管殼式換熱器的折流板時，主流區(qū)A是傳熱主區(qū)，85%左右的熱傳遞量在該區(qū)域內(nèi)完成。B區(qū)是順流區(qū)，約能完成傳熱量的15%。C區(qū)是渦流區(qū)，流體在此原地旋轉(zhuǎn)或靜止不動，即為“傳熱死區(qū)”。也就是說，設備能力的15%～20%沒有得到充分發(fā)揮，如圖4所示。由于折流桿換熱器采用了外導流筒設計，流體介質(zhì)的流動狀態(tài)與普通管殼式換熱器不同，因而基本消除了普通管殼式換熱器通常存在的“傳熱死區(qū)”，使設備換熱面積的利用率達到98%以上。

圖4 換熱器的傳熱區(qū)

折流桿換熱器管束中的換熱管采用交錯折流桿進行固定，這種結(jié)構(gòu)使殼程內(nèi)流體能夠沿換熱管長度方向流動，換熱管內(nèi)外介質(zhì)能沿換熱管軸向相互逆流，改善了介質(zhì)的流動狀態(tài)，因而具有更好的傳熱性能，并徹底消除了流體誘導振動，延長了鈦管的使用壽命。由于殼程流體流速增加，流體對管外邊界層液膜的剪力加大，從而使液膜變薄，再加上折流桿、折流環(huán)干擾產(chǎn)生的旋渦和湍流作用，既可提高該類傳熱器的傳熱系數(shù)，還有除垢防垢的作用。由于折流桿換熱器將折流板換熱器的流體橫掠管束變?yōu)榭v向流，因此大大減小了殼程流體的阻力，降低了管程的泵用功率，減少了能源消耗。

2 鈦管折流桿換熱器的制造

殼體的不圓度和不直度、筒體內(nèi)徑超差，均會引起殼體內(nèi)流體介質(zhì)的短路，從而影響殼程的換熱系數(shù)和換熱器的傳熱效率，并且直接影響管束的裝入和抽出的順利程度。該產(chǎn)品設計間隙為8mm，間隙流體約2%，熱力計算漏流系數(shù)已含此因數(shù)，如間隙增大至12mm，間隙流體約5%，設備運行時傳熱系數(shù)與計算值相比將下降6%，因此必須控制折流圈與殼體內(nèi)徑之間的間隙。由于嚴格執(zhí)行工藝規(guī)程，殼體加工精度完全達到了設計要求，使管束的穿裝順利進行。殼體加工尺寸精度，如表1所示。

表1 殼體的加工精度 mm

按照設計圖紙要求，折流桿外園為 ?5.5＋0.05mm不銹冷拉圓鋼，下料后需對每根折流桿進行矯直，要求直線度允差≤0.1mm。使用特制工裝加工折流環(huán)，車加工折流環(huán)的內(nèi)、外圓后鉆拉桿孔，拉桿孔之間弦長誤差不超過±0.15mm。使用專用工裝進行折流圈的組焊，組焊時利用折流環(huán)拉桿孔定位，按圖樣要求，將不銹鋼折流桿與折流環(huán)進行焊接，折流圈的加工精度，如圖5所示。

圖5 折流圈的加工精度

管板管孔的排列形式為轉(zhuǎn)角正方形排列，孔中心間距為25mm。大管板與海水接觸面為鈦復合層，小管板與海水接觸面及小管板的外圓為鈦復合層，鈦復合層厚≥5mm，管板用數(shù)控鉆床進行鉆孔，管孔直徑 ?19.2＋0.05mm，管孔表面粗糙度 Ra3.2 μm，管孔加工完畢后，再鉆8×?10.5拉桿螺桿孔。

管箱圓筒為鈦－碳鋼復合板，管箱其余與海水接觸部分的碳鋼接管、法蘭等進行防腐襯膠。鈦－碳鋼復合板焊接接頭坡口，如圖6所示。鈦－鋼復合板施焊前進行焊接工藝評定，焊接工藝評定應符合NB／T47014標準要求，坡口采用冷加工方法成形，坡口表面及兩側(cè)25mm的材料表面應呈現(xiàn)金屬光澤，并進行表面清理，去除油污、氮化物、氧化物、水及有機雜質(zhì)等，鈦焊絲和鈦層應清理干凈，焊前嚴禁污染，不要用手觸摸焊接部位，否則應重新進行清理。焊前應對焊接操作人員培訓，經(jīng)考試合格后持證上崗。碳鋼焊縫焊接合格后才能焊接鈦層，鈦層焊接采用氬弧焊，選用鎢極氣體保護焊，氬氣的純度不低于99.99%，當瓶裝氬氣壓力低于0.5MPa時應更換氬氣瓶，鈦層焊縫表面應呈銀白色。

圖6 復合板焊接坡口

對管箱其它部位進行防腐襯膠，襯膠材料為丁基膠（HR），丁基膠是異丁烯和少量異戊二烯或丁二烯的共聚體，具有優(yōu)良的耐酸、堿、鹽水和大氣老化的特性。防腐襯膠符合GB18241.1《設備防腐襯里》標準要求，襯里方式：加熱硫化襯里（H）半硬膠（HB）。

管束組裝必須按工藝規(guī)程要求進行，管板及管孔采用HS－50清洗液進行清洗，清洗后用白綢布蘸酒精（95%）檢查管孔及管板，白綢布表面應無任何污漬為合格。對折流圈、拉桿、定距管及六角螺母等進行表面清理，去除油污、氧化物。將清理干凈的大、小管板、折流圈等零部件進行組裝，組裝應保證管板孔與折流圈相應管孔同心，同軸度誤差≤0.12 mm。組裝合格后，用潔凈的塑料薄膜覆蓋管束，防止污染。組裝后的管束，如圖7所示。

圖7 組裝后的管束

檢驗鈦管的外觀質(zhì)量，管材內(nèi)、外表面應無裂紋、折疊、起皮、針孔等目視可見的缺陷，焊管焊縫處應填充充分，圓滑過渡，管材表面允許有不超出外徑和壁厚允許偏差的凹坑、凸點。用白綢布擦拭管材表面應潔凈不染色，否則應對管材進行清洗。鈦管應具有材質(zhì)證明書和合格證，并經(jīng)渦流探傷和氣壓試驗合格（供方進行），標識符合GB3625標準要求；對鈦管抽樣進行尺寸檢驗，并取樣管進行壓扁試驗、展平試驗、擴口試驗，試驗應符合GB3625標準要求。

穿管前用白綢布蘸酒精檢查管板管孔，應不染色無任何污漬，如有染色污漬則對所有管孔進行再清洗，直至管孔清潔度符合要求。穿管時，必須保持管子表面的清潔度，工作人員應穿戴潔凈的工作服和脫脂純滌綸手套，由三人分別持鈦管的兩端及中間，保持鈦管與相應管孔同心平直。鈦管一端插裝引導器，用力平衡緩慢穿管。穿管時，從前管箱向后管箱進行穿裝，嚴禁用蠻力或錘擊穿管。鈦管穿裝間隔期或鈦管穿裝完畢后，用潔凈的塑料薄膜完整覆蓋管束，防止污染。

管子管板脹接前對操作人員進行培訓，同時進行模擬產(chǎn)品脹管試驗，以確定鈦管脹管后的管壁減薄率。選用進口數(shù)控象鼻子脹管器，脹管器尺寸為?19×0.5mm。試樣的材料、加工方法、管孔尺寸精度和表面粗糙度等與產(chǎn)品完全一致。試樣脹管分5組進行編號，預選分組扭矩為9.0、10.0、11.0、12.0、13.0Nm 。按預選扭矩對試樣分組脹接，脹管后模擬產(chǎn)品試樣進行水壓試驗，試驗壓力為1.5倍設計壓力，保壓時間不少于2h，檢查管子管板脹接接頭的密封性并作記錄。對預選扭矩試樣脹接接頭進行拉伸試驗，獲得每組接頭的拉脫載荷。對脹管工藝試驗記錄進行分析對比，當試驗拉脫載荷大于設計允許最大拉脫載荷［q］＝4MPa、水壓試驗合格的條件下，選取管壁減薄率小的1組即k＝4%～5%、脹管扭矩為10Nm，作為脹接時脹管控制儀扭矩設定值。首先脹接進水處管板，由于穿管時管子露出管板的長度不一，因此必須調(diào)整管子露出管板長度，將管子伸出量統(tǒng)一控制在0.3～0.5mm，以保證管子管板焊接質(zhì)量。后脹出水處管板，脹管前必須先切除管子余量，仔細清洗切管時帶來的污漬和金屬粉末等。脹管時脹頭插入管子，輕輕頂住象鼻頭再開始脹管。為防止脹接管板發(fā)生變形及換熱管受力不均，出水管板脹管分區(qū)由外周向中心脹接。脹接過程中隨時檢查脹桿和脹珠，如有損壞必須立即更換，每脹100～120根管子用HS－50清洗液對脹管器進行冷卻和清洗。脹管過程中隨時用內(nèi)徑量表測量脹管內(nèi)徑，保持脹管后管壁的減薄率k＝4%～5%，杜絕出現(xiàn)過脹或欠脹現(xiàn)象。

脹管管壁減薄率用式（1）計算：

式（1）中：k —管壁減薄率100%；

d2—換熱管脹后內(nèi)徑mm；

d1—換熱管脹前內(nèi)徑mm；

b—管板管孔與換熱管徑向間隙mm；

δ—換熱管管壁厚度mm。

對進水側(cè)已脹接完成的出水側(cè)相應部分管頭進行切管，切管器采用220V600W1 000r／min驅(qū)動電機進行切管，仔細調(diào)整切管器定距外套，確保換熱管露出管板0.3～0.5mm，保持刀尖鋒利，避免管口出現(xiàn)卷邊、毛刺、斜口現(xiàn)象，根據(jù)需要及時更換刀頭，操作時切管器要垂直頂在管板上，啟動電鉆且緩慢加力前推電鉆，不得用猛力頂及上下左右晃動電鉆。

鈦具有很高的化學活潑性，由于氣體等雜質(zhì)污染可引起焊接接頭脆化及其他焊縫缺陷，因此管口焊接必須嚴格執(zhí)行DL／T1097及相關的工藝規(guī)程，確保管口焊接質(zhì)量。凡參加施焊的焊工應經(jīng)過理論和實際操作技能培訓，并經(jīng)考核合格。管子管板自動鎢極氬弧焊機的電弧特性穩(wěn)定，具有提前送氣、延時停氣、脈沖、非接觸引弧和電流衰減功能。氬氣純度應不小于99.99%。管子管板焊接應采取防風和避免灰塵污染的措施。焊工應穿戴潔凈的工作服和脫脂純滌綸手套。焊前應先清除管板和脹管部分的雜物，然后用HS－50清洗液或濃度大于95%的酒精擦洗。管口清潔度以白綢布蘸酒精擦拭不染色為合格，加工及清洗完畢的管口嚴禁用手觸摸，暫時不焊的管口必須用潔凈的塑料薄膜覆蓋，以防污染。

管板管子焊接操作人員應嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，焊機中心定位桿尺寸與脹后管孔內(nèi)徑間隙為0.1～0.12mm，確保在焊接過程中不晃動，鎢極加工形狀、焊接接頭形式、鎢極的設置尺寸，如圖8所示。

圖8 焊接方法

安裝鎢極時，鎢極應處于焊槍噴嘴的中心位置，不得偏斜。焊接時要經(jīng)常注意鎢棒尖端的形狀，如果鎢極尖端變圓，電弧的方向就會改變，焊縫就不圓滑，出毛邊，這時就應更換鎢極。一側(cè)施焊另一側(cè)嚴禁脹管或切管操作，以保證焊接質(zhì)量，雙側(cè)施焊時，不得同時焊接一根鈦管。

管子管板的焊接參數(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2 管子管板焊接參數(shù)

管子管板焊接時起弧和收弧位置，如圖9所示。從11點（時鐘11點位）位置起弧，順時針旋轉(zhuǎn)焊接一周后在12點位置開始衰減，在3點位置收弧，焊嘴自動返回到11點起弧位置，準備下道焊口的焊接。

圖9 管子管板的焊接位置

焊接時宜采用跳焊法，由下而上逐排焊接。焊縫表面應均勻光滑、美觀。焊縫余高應不大于0.5 mm，焊縫寬度為2～2.5mm。焊縫表面不允許有裂紋、氣孔、未熔合、焊偏等缺陷。焊縫表面呈銀白色，不允許出現(xiàn)紫色、藍色、灰色、金黃色等。對焊縫表面檢查合格后進行著色檢驗。

3 結(jié) 語

采用高效傳熱的折流桿換熱器設計，與傳統(tǒng)折流板換熱器相比，不僅消除了換熱管流體的誘導振動，在等效情況下，換熱面積減少了18%，減輕了設備重量，節(jié)省了設備的投資費用。