閆永超，陳永東，李 超，吳曉紅

(合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

隨著能源需求的快速增長，煤和石油的短缺以及其所帶來的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題越來越嚴重，因此開展天然氣液化技術研究已成為世界各國必然的選擇?；旌侠鋭Q熱器作為天然氣液化流程中的關鍵設備，主要用于冷卻/冷凝多級壓縮介質(混合冷劑)， 具有負荷大、能耗影響大等特點【1-2】， 因此， 海水混合冷劑換熱器的選型需要滿足傳熱高效、 結構穩(wěn)固、 運行可靠等嚴格要求。通過對國內外應用實例的調研可知， 現(xiàn)階段采用高效換熱元件的管殼式換熱器能夠實現(xiàn)高效性和安全性的和諧統(tǒng)一， 同時在對內波外螺紋管/螺旋折流板換熱器與扭曲管換熱器的對比試驗研究中發(fā)現(xiàn)， 前者具有更優(yōu)異的傳熱表現(xiàn)，經(jīng)過比選，最終確定采用鈦內波外螺紋管/雙螺旋折流板結構的換熱器作為海水混合冷劑換熱器的首選方案。

1 海水混合冷劑換熱器結構及主要參數(shù)

海水混合冷劑換熱器采用內波外螺紋管/雙螺旋折流板的結構，影響其整體可靠性最為重要的因素就是換熱管、管板及封頭材料的耐腐蝕性能。經(jīng)過充分調研和大量試驗研究【3-4】，決定選用鈦材作為海水混合冷劑換熱器主體材料。換熱器主要參數(shù)見表1。

2 換熱元件制造質量控制

內波外螺紋管是在光管的基礎上通過機械軋制的方法加工而成的管外壁螺紋、管內壁波紋的特形管，是雙面強化換熱元件，由于管內外流道形狀的不斷變化，能夠很好地阻礙污垢的生成，明顯降低管內外污垢熱阻，其總傳熱系數(shù)較光滑管可提高30%以上【5】。由于鈦材的延伸率較小，缺陷敏感度高，在加工鈦內波外螺紋管前，必須進行嚴格檢查，若存在小裂紋、小劃痕等缺陷，應立即處理，以免成形過程中產(chǎn)生裂紋。

表1 換熱器主要技術參數(shù)

2.1 鈦管原材料檢查

由于鈦材的延伸率較小，在制造鈦內波外螺紋管時，必須對鈦管原材料提出更高的要求，即在滿足GB/T 3625—2007《換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管》【6】規(guī)定的前提下，還要對鈦管的尺寸公差提出更高的要求，公差取最小值。

鈦管力學性能見表2。由表2可見，鈦管原材料的力學性能高于技術要求。

表2 鈦管力學性能

2.2 鈦內波外螺紋管制造

內波外螺紋管的幾何尺寸對整臺設備的性能及裝配工藝至關重要，為保證內波外螺紋管的成形尺寸，在制造過程中，首先選擇合格的基管進行預軋制，并在成形的內波外螺紋管上取一段完整的槽道/波紋(長度150 mm的管段)，沿軸線剖開， 采用卷尺、 卡尺等測量工具對成形后的內波外螺紋管進行尺寸檢查， 要求槽距偏差不超過±0.3 mm， 外螺紋高度偏差不超過±0.1 mm。預成形的內波外螺紋管尺寸檢查合格后，再進行批量軋制。

軋制成形后，對內波外螺紋管進行外觀檢查。要求在充分照明條件下逐根目視檢查，當目視判斷不清時，應采用放大鏡檢查。管子表面不允許有折疊、離層、裂紋、結疤等缺陷，外觀完整。外觀檢查合格后，對內波外螺紋管逐根進行尺寸檢查，檢驗結果應滿足技術要求。尺寸檢查結果見表3，由表3可見所有成形的內波外螺紋管均滿足技術要求。對尺寸合格的內波外螺紋管逐根進行液壓試驗及致密性試驗，試驗壓力6 MPa，在試驗壓力下，穩(wěn)壓時間5 s且內波外螺紋管不應出現(xiàn)泄漏及變形現(xiàn)象；單管氣密性試驗壓力為0.7 MPa，試驗介質為空氣，在試驗壓力下，內波外螺紋管應完全浸入水中且穩(wěn)壓時間5 s，管子不允許出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。內波外螺紋管的外觀檢驗、尺寸檢查、液壓試驗和致密性試驗，只要有一項檢驗結果不合格，即判斷此根管子不合格。

在同批次的內波外螺紋管中隨機選取10%的管子，按照GB/T 18851—2014《無損檢測 滲透檢測》【7】進行滲透檢測，若檢測存在不合格的管子，則除將不合格管挑出外，還應從同批次剩余管中再抽取雙倍數(shù)量的內波外螺紋管進行復驗，如復驗仍存在不合格管，則該批次剩余管子應逐根進行滲透檢測，將檢測出的不合格管挑出后，該批次其余內波外螺紋管可判為合格。

表3 內波外螺紋管尺寸檢查結果

在同批次的內波外螺紋管中隨機選取2根管子按照標準GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》進行拉伸實驗，其抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率應符合基管的規(guī)定。若實驗結果不合格， 則應從同批次剩余管中再隨機抽取雙倍數(shù)量的管子進行復驗， 若復驗結果符合規(guī)定， 則除最初檢驗的不合格內波外螺紋管外，該批次內波外螺紋管判為合格;如復驗結果不合格， 則判定該批次管子不合格。力學性能試驗結果見表4，由表4可見，內波外螺紋管的力學性能滿足技術要求。

表4 內波外螺紋管力學性能

3 關鍵部件制造質量控制

本臺設備的封頭、管板均采用鈦鋼復合板，為保證換熱器的制造質量，應對鈦鋼爆炸復合板原材料進行嚴格檢查。鈦鋼復合板到廠后，應逐張進行表面質量檢查，復合板復層表面不得有結疤、裂紋、夾雜、折疊等缺陷；逐張進行100%超聲檢測，并符合NB/T 47002.3—2009《壓力容器用爆炸焊接復合板 第3部分：鈦-鋼復合板》中B1級的規(guī)定【8】。

3.1 封頭、管板制造質量控制

封頭、管板均為鈦鋼爆炸復合板。為保證原材料的質量，對復合板貼合率進行超聲檢測，應100%貼合；為保證管板與折流板管孔同心，應嚴格控制管板的加工質量，管板鉆孔完成后，對孔徑及孔間距進行尺寸檢查，管孔應嚴格垂直于管板密封面，其垂直度公差為0.2 mm。

封頭按0.5%橢圓度進行控制，采用整體熱壓制成形，無拼縫。在壓制后立即進行酸洗和鐵污染試驗，并對封頭內表面復層進行貼膜保護。封頭成形后， 采用全尺寸內樣板對封頭內表面的形狀偏差進行檢查， 檢查時應使樣板垂直于待測表面， 縮進尺寸為3%Di～5%Di， 其中最大形狀偏差外凸不得大于1.25%Di， 內凹不得大于0.625%Di。

封頭直邊部分不得存在縱向皺折。封頭R弧處內表面按NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分:滲透檢測》進行100%滲透檢測，Ⅰ級合格；外表面按NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》進行100%磁粉檢測，Ⅰ級合格。封頭幾何尺寸檢查結果見表5，由表5可以看出，成形封頭的幾何尺寸滿足技術要求。

表5 封頭幾何尺寸檢查結果

3.2 螺旋折流板制造質量控制

螺旋折流板換熱器是由連續(xù)螺旋狀的扇形板及其支持的換熱管束構成的擬螺旋流動系統(tǒng)，因此提高管板與螺旋折流板管孔的相對位置精度，才能保證換熱器的裝配精度。由于管孔與折流板板面之間存在夾角，這使得鉆孔采用傳統(tǒng)的方式(即直接將折流板固定在機床操作臺上進行鉆孔)難以實現(xiàn)，無疑是螺旋折流板加工的難點。

為提高管板與螺旋折流板管孔的相對位置精度，首先要制作用來加工螺旋折流板的模板(鉆模和底座)。將預制好的模板疊加整齊、四周壓緊并點焊固定，使模板與水平面成相應的螺旋傾斜角。采用立式車床對模板的螺旋傾角截面進行車削，加工出用于約束螺旋折流板傾斜角度的基準平面，然后利用數(shù)控機床銑基準平面，孔平面的深度應低于模板最低處且不小于1 mm。首孔鉆孔完成后應檢查孔徑、粗糙度、孔與折流板平面的垂直度等，后續(xù)鉆孔過程中應不定期進行抽檢。

模板加工完成后即可進行折流板的批量加工。將點焊成摞的折流板準確固定在鉆模和底座之間，調整螺旋折流板在鉆模胎具上的合理位置，此過程中需預留折流板外圓車削加工裕量，采用焊接限位擋塊的方式對折流板的滑動方向進行約束，同時采用雙頭螺栓對折流板及工裝卡具進行鎖緊，使工件裝夾牢固可靠。固定牢固后，采用鉆床進行鉆孔，保證每摞折流板的鉆孔角度一致。鉆孔過程中對前5個管孔進行首檢，采用三爪式內徑千分尺測量孔直徑，尺寸偏差應符合圖紙或技術條件要求；采用粗糙度對比試塊檢查管孔粗糙度是否滿足圖紙要求；采用萬能角度尺對管孔傾斜角度進行測量，若發(fā)現(xiàn)傾斜角度超差，應立即停止鉆孔，檢查工裝是否牢固，工件底部是否存在異物等，待問題解決后再進行鉆孔。螺旋折流板鉆孔結束后，分區(qū)域對5%管孔進行尺寸抽檢，相鄰2孔中心距極限偏差為±0.3 mm，任意2孔中心距的極限偏差為±1.0 mm。為了更好地提高管板和折流板管孔相對位置精度，采用線切割的方式對螺旋折流板外圓進行加工，從而保證了車削精度。螺旋折流板制造見圖1。

4 設備組裝過程質量控制

4.1 管束裝配

管束裝配前必須淸除殼程筒體內表面的油污。裝配時，首先調整好一側管板安裝角度，采用工卡具將其固定在臺架上，然后從管板側開始按次序將定距管、折流板穿入拉桿中，并按照圖樣規(guī)定保證折流板的傾斜角度。先固定下排折流板、拉桿組件，檢查合格后，將拉桿端部與管板點焊，然后再組裝左右側的折流板和拉桿組件。最后組裝上排折流板和拉桿組件，全部組裝完成后，從管束的4個方向檢查其同軸度，確認合格后，將拉桿與管板焊接，并采用螺母將拉桿另一側鎖緊在支撐板上。

圖1 螺旋折流板制造

折流板、拉桿組件組裝好后，開始穿管束。穿管順序應先下排后上排，管子伸出固定管板約100 mm。管束穿裝完成后，將筒體穿入，然后采用卡具將另一側管板固定在臺架上。調整2管板、管板與筒體間距并檢查同軸度，合格后將筒體與管板進行焊接，焊接完成后再次檢查同軸度，合格后將換熱管反向逐根穿入另一側管板中。

管束組裝時不應強行敲打，拉桿上的螺母應擰緊，避免因折流板竄動導致?lián)Q熱管在穿入或撤出時損傷表面。管束裝配應保證管板、管子垂直及2管板相互平行，2管板間距公差應符合要求。除換熱管與管板間焊接外，其他任何零件均不允許與換熱管相焊。

4.2 換熱管與管板連接

換熱管與管板的連接采用強度焊加貼脹。焊接時應嚴格按照焊接工藝進行，為保證管頭焊接質量，焊接時在殼程內通入氬氣保護。脹接前應檢查清理換熱管內孔，去除毛刺，必要時對管內壁進行吹掃，保證換熱管內壁的清潔。修正管端伸出長度，使其符合圖樣要求。脹接時應嚴格按照脹管工藝參數(shù)進行，從初始扭矩起脹，觀察、測量脹接效果，調整扭矩設定值，直至脹接穩(wěn)定合格。每脹8～14個管頭，應對脹頭進行冷卻潤滑。脹接管頭時應注意脹接次序，以減少管板的變形。脹接完成后應采用沖洗、干燥、吹掃、擦拭等方法去除管口內側的油污、雜質。抽取4%～10%左右的管頭，測量脹管率，其值在1%～5%之間為合格，管頭應無起皺、裂紋、傷痕和異常變形。采用滲透無損檢測方法對管頭逐個進行檢查，同時進行泄漏檢查，保證管頭一次成形合格。

4.3 接管襯里與封頭襯里及法蘭襯里的連接

鈦襯管采用鈦板卷制焊接而成。首先對襯管展開板兩端進行預壓成形，按圖紙規(guī)定卷制襯管，找正后點焊固定，錯變量應≤1 mm；然后根據(jù)焊接工藝進行施焊成形，并打磨外壁焊縫與母材平齊，去毛刺；最后對襯管進行校圓，保證橢圓度≤4 mm，棱角≤2.3 mm。焊縫焊接完成后，按NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分:射線檢測》進行100%射線檢測，Ⅰ級合格；按NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分:滲透檢測》進行100%滲透檢測，Ⅰ級合格。

考慮到異種材料的膨脹系數(shù)不同，為避免在壓力試驗過程中因局部塑性變形導致封頭與接管襯里發(fā)生相對位移，在焊制封頭和接管的基材焊縫時，需加工處理掉封頭基材焊縫坡口附近的復層，待基層焊縫焊接完成后，在相應的空隙處增加鈦填板，在鈦填板之上再覆蓋一層鈦蓋板，將鈦蓋板與封頭復層搭接，與接管復層角焊。封頭與設備法蘭的基層對接焊縫在焊接之前，需要將位于基材坡口附近的封頭復層加工處理掉，基材焊接好之后，在空隙處增加鈦填板，鈦填板上方增加鈦蓋板，分別與封頭復層和管箱法蘭復層角接。采用鈦螺釘將鈦密封環(huán)固定在法蘭面上，并對螺釘尾部進行焊接密封。最后機加工密封面，實現(xiàn)法蘭面的密封。

4.4 焊接質量控制

設備焊接應嚴格按照焊接工藝參數(shù)進行，鈦材間的焊接工藝參數(shù)見表6。所有焊接接頭必須為全焊透形式，焊接前焊接接頭坡口及坡口50 mm 范圍內均需清理油污，焊縫與母材應圓滑過渡，角焊縫的外形應凹形圓滑過渡。焊接過程中預熱溫度應大于5 ℃，層間溫度不超過200 ℃，其中鈦材之間焊接的層間溫度不應超過60 ℃。焊接接頭表面不得有裂紋、未焊透、未熔合、表面氣孔、弧坑、未填滿、夾渣、飛濺等缺陷，內測焊縫余高為0～1.5 mm，外側焊縫余高0～1.5 mm，焊接接頭檢查結果見表7。殼程筒體內壁焊縫應打磨至與殼體內表面平齊。

表6 鈦材間的焊接工藝參數(shù)

4.5 無損檢測及壓力試驗

設備焊接完成后對殼程、管程A、B類焊接接頭進行100%磁粉+100%射線檢測，其中磁粉檢測按NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》的要求進行，Ⅰ級合格，射線檢測按NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分:射線檢測》的要求進行，Ⅱ級合格，射線檢測技術等級不低于AB級；管程和殼程的C、D、E類焊接接頭(不包括換熱管與管板間的焊接接頭、鈦材間的焊接接頭、異種鋼間的焊接接頭)，按NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》進行100%磁粉檢測，Ⅰ級合格，換熱管與管板間的焊接接頭、鈦材間的焊接接頭、異種鋼間的焊接接頭應按NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分:滲透檢測》進行100%滲透檢測，Ⅰ級合格。

表7 焊接接頭檢查結果

無損檢測合格后，分別對殼程、管程進行臥置水壓試驗，試驗壓力分別為5.37 MPa和2.18 MPa，在試驗壓力下保壓30 min，未出現(xiàn)泄漏及變形現(xiàn)象為合格。水壓試驗合格后，立即將水漬清理干凈，待管、殼程吹掃干凈后，對殼程進行氣密性試驗，試驗壓力為4.0 MPa，在試驗壓力下保壓30 min，未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象為合格。圖2為制造完成的海水混合冷劑換熱器。

5 結語

在混合冷劑換熱器制造過程中，考慮到原材料質量對整臺設備可靠性的影響，對原材料提出更高的要求，并進行嚴格檢驗；綜合考慮鈦的物理性能、化學性能及焊接的冶金特點，嚴格控制鈦材換熱器焊接質量；考慮到該換熱器中鈦換熱管壁厚較薄的問題，針對換熱管與管板連接接頭，采取合理的連接方式及無損檢測方法確保焊接接頭質量；組裝過程中，嚴格控制折流板的組裝角度、保證管束裝配質量，為海水混合冷劑換熱器的研制奠定了基礎。

圖2 海水混合冷劑換熱器