閆永超，陳永東，李 超，吳曉紅

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

隨著能源需求的快速增長(zhǎng)，煤和石油的短缺以及其所帶來(lái)的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，因此開(kāi)展天然氣液化技術(shù)研究已成為世界各國(guó)必然的選擇?；旌侠鋭Q熱器作為天然氣液化流程中的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于冷卻/冷凝多級(jí)壓縮介質(zhì)(混合冷劑)， 具有負(fù)荷大、能耗影響大等特點(diǎn)【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(jié)構(gòu)穩(wěn)固、 運(yùn)行可靠等嚴(yán)格要求。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例的調(diào)研可知， 現(xiàn)階段采用高效換熱元件的管殼式換熱器能夠?qū)崿F(xiàn)高效性和安全性的和諧統(tǒng)一， 同時(shí)在對(duì)內(nèi)波外螺紋管/螺旋折流板換熱器與扭曲管換熱器的對(duì)比試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)， 前者具有更優(yōu)異的傳熱表現(xiàn)，經(jīng)過(guò)比選，最終確定采用鈦內(nèi)波外螺紋管/雙螺旋折流板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

海水混合冷劑換熱器采用內(nèi)波外螺紋管/雙螺旋折流板的結(jié)構(gòu)，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(guò)充分調(diào)研和大量試驗(yàn)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(jiàn)表1。

2 換熱元件制造質(zhì)量控制

內(nèi)波外螺紋管是在光管的基礎(chǔ)上通過(guò)機(jī)械軋制的方法加工而成的管外壁螺紋、管內(nèi)壁波紋的特形管，是雙面強(qiáng)化換熱元件，由于管內(nèi)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(nèi)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(nèi)波外螺紋管前，必須進(jìn)行嚴(yán)格檢查，若存在小裂紋、小劃痕等缺陷，應(yīng)立即處理，以免成形過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。

表1 換熱器主要技術(shù)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(nèi)波外螺紋管時(shí)，必須對(duì)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(duì)鈦管的尺寸公差提出更高的要求，公差取最小值。

鈦管力學(xué)性能見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，鈦管原材料的力學(xué)性能高于技術(shù)要求。

表2 鈦管力學(xué)性能

2.2 鈦內(nèi)波外螺紋管制造

內(nèi)波外螺紋管的幾何尺寸對(duì)整臺(tái)設(shè)備的性能及裝配工藝至關(guān)重要，為保證內(nèi)波外螺紋管的成形尺寸，在制造過(guò)程中，首先選擇合格的基管進(jìn)行預(yù)軋制，并在成形的內(nèi)波外螺紋管上取一段完整的槽道/波紋(長(zhǎng)度150 mm的管段)，沿軸線剖開(kāi)， 采用卷尺、 卡尺等測(cè)量工具對(duì)成形后的內(nèi)波外螺紋管進(jìn)行尺寸檢查， 要求槽距偏差不超過(guò)±0.3 mm， 外螺紋高度偏差不超過(guò)±0.1 mm。預(yù)成形的內(nèi)波外螺紋管尺寸檢查合格后，再進(jìn)行批量軋制。

軋制成形后，對(duì)內(nèi)波外螺紋管進(jìn)行外觀檢查。要求在充分照明條件下逐根目視檢查，當(dāng)目視判斷不清時(shí)，應(yīng)采用放大鏡檢查。管子表面不允許有折疊、離層、裂紋、結(jié)疤等缺陷，外觀完整。外觀檢查合格后，對(duì)內(nèi)波外螺紋管逐根進(jìn)行尺寸檢查，檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足技術(shù)要求。尺寸檢查結(jié)果見(jiàn)表3，由表3可見(jiàn)所有成形的內(nèi)波外螺紋管均滿足技術(shù)要求。對(duì)尺寸合格的內(nèi)波外螺紋管逐根進(jìn)行液壓試驗(yàn)及致密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力6 MPa，在試驗(yàn)壓力下，穩(wěn)壓時(shí)間5 s且內(nèi)波外螺紋管不應(yīng)出現(xiàn)泄漏及變形現(xiàn)象；單管氣密性試驗(yàn)壓力為0.7 MPa，試驗(yàn)介質(zhì)為空氣，在試驗(yàn)壓力下，內(nèi)波外螺紋管應(yīng)完全浸入水中且穩(wěn)壓時(shí)間5 s，管子不允許出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。內(nèi)波外螺紋管的外觀檢驗(yàn)、尺寸檢查、液壓試驗(yàn)和致密性試驗(yàn)，只要有一項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果不合格，即判斷此根管子不合格。

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

表3 內(nèi)波外螺紋管尺寸檢查結(jié)果

在同批次的內(nèi)波外螺紋管中隨機(jī)選取2根管子按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率應(yīng)符合基管的規(guī)定。若實(shí)驗(yàn)結(jié)果不合格， 則應(yīng)從同批次剩余管中再隨機(jī)抽取雙倍數(shù)量的管子進(jìn)行復(fù)驗(yàn)， 若復(fù)驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)定， 則除最初檢驗(yàn)的不合格內(nèi)波外螺紋管外，該批次內(nèi)波外螺紋管判為合格;如復(fù)驗(yàn)結(jié)果不合格， 則判定該批次管子不合格。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，由表4可見(jiàn)，內(nèi)波外螺紋管的力學(xué)性能滿足技術(shù)要求。

表4 內(nèi)波外螺紋管力學(xué)性能

3 關(guān)鍵部件制造質(zhì)量控制

本臺(tái)設(shè)備的封頭、管板均采用鈦鋼復(fù)合板，為保證換熱器的制造質(zhì)量，應(yīng)對(duì)鈦鋼爆炸復(fù)合板原材料進(jìn)行嚴(yán)格檢查。鈦鋼復(fù)合板到廠后，應(yīng)逐張進(jìn)行表面質(zhì)量檢查，復(fù)合板復(fù)層表面不得有結(jié)疤、裂紋、夾雜、折疊等缺陷；逐張進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，并符合NB/T 47002.3—2009《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板 第3部分：鈦-鋼復(fù)合板》中B1級(jí)的規(guī)定【8】。

3.1 封頭、管板制造質(zhì)量控制

封頭、管板均為鈦鋼爆炸復(fù)合板。為保證原材料的質(zhì)量，對(duì)復(fù)合板貼合率進(jìn)行超聲檢測(cè)，應(yīng)100%貼合；為保證管板與折流板管孔同心，應(yīng)嚴(yán)格控制管板的加工質(zhì)量，管板鉆孔完成后，對(duì)孔徑及孔間距進(jìn)行尺寸檢查，管孔應(yīng)嚴(yán)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(jìn)行控制，采用整體熱壓制成形，無(wú)拼縫。在壓制后立即進(jìn)行酸洗和鐵污染試驗(yàn)，并對(duì)封頭內(nèi)表面復(fù)層進(jìn)行貼膜保護(hù)。封頭成形后， 采用全尺寸內(nèi)樣板對(duì)封頭內(nèi)表面的形狀偏差進(jìn)行檢查， 檢查時(shí)應(yīng)使樣板垂直于待測(cè)表面， 縮進(jìn)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(nèi)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(nèi)表面按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分:滲透檢測(cè)》進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格；外表面按NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。封頭幾何尺寸檢查結(jié)果見(jiàn)表5，由表5可以看出，成形封頭的幾何尺寸滿足技術(shù)要求。

表5 封頭幾何尺寸檢查結(jié)果

3.2 螺旋折流板制造質(zhì)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(gòu)成的擬螺旋流動(dòng)系統(tǒng)，因此提高管板與螺旋折流板管孔的相對(duì)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(jī)床操作臺(tái)上進(jìn)行鉆孔)難以實(shí)現(xiàn)，無(wú)疑是螺旋折流板加工的難點(diǎn)。

為提高管板與螺旋折流板管孔的相對(duì)位置精度，首先要制作用來(lái)加工螺旋折流板的模板(鉆模和底座)。將預(yù)制好的模板疊加整齊、四周壓緊并點(diǎn)焊固定，使模板與水平面成相應(yīng)的螺旋傾斜角。采用立式車(chē)床對(duì)模板的螺旋傾角截面進(jìn)行車(chē)削，加工出用于約束螺旋折流板傾斜角度的基準(zhǔn)平面，然后利用數(shù)控機(jī)床銑基準(zhǔn)平面，孔平面的深度應(yīng)低于模板最低處且不小于1 mm。首孔鉆孔完成后應(yīng)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(guò)程中應(yīng)不定期進(jìn)行抽檢。

模板加工完成后即可進(jìn)行折流板的批量加工。將點(diǎn)焊成摞的折流板準(zhǔn)確固定在鉆模和底座之間，調(diào)整螺旋折流板在鉆模胎具上的合理位置，此過(guò)程中需預(yù)留折流板外圓車(chē)削加工裕量，采用焊接限位擋塊的方式對(duì)折流板的滑動(dòng)方向進(jìn)行約束，同時(shí)采用雙頭螺栓對(duì)折流板及工裝卡具進(jìn)行鎖緊，使工件裝夾牢固可靠。固定牢固后，采用鉆床進(jìn)行鉆孔，保證每摞折流板的鉆孔角度一致。鉆孔過(guò)程中對(duì)前5個(gè)管孔進(jìn)行首檢，采用三爪式內(nèi)徑千分尺測(cè)量孔直徑，尺寸偏差應(yīng)符合圖紙或技術(shù)條件要求；采用粗糙度對(duì)比試塊檢查管孔粗糙度是否滿足圖紙要求；采用萬(wàn)能角度尺對(duì)管孔傾斜角度進(jìn)行測(cè)量，若發(fā)現(xiàn)傾斜角度超差，應(yīng)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(wèn)題解決后再進(jìn)行鉆孔。螺旋折流板鉆孔結(jié)束后，分區(qū)域?qū)?%管孔進(jìn)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(duì)位置精度，采用線切割的方式對(duì)螺旋折流板外圓進(jìn)行加工，從而保證了車(chē)削精度。螺旋折流板制造見(jiàn)圖1。

4 設(shè)備組裝過(guò)程質(zhì)量控制

4.1 管束裝配

管束裝配前必須淸除殼程筒體內(nèi)表面的油污。裝配時(shí)，首先調(diào)整好一側(cè)管板安裝角度，采用工卡具將其固定在臺(tái)架上，然后從管板側(cè)開(kāi)始按次序?qū)⒍ň喙?、折流板穿入拉桿中，并按照?qǐng)D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(diǎn)焊，然后再組裝左右側(cè)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(gè)方向檢查其同軸度，確認(rèn)合格后，將拉桿與管板焊接，并采用螺母將拉桿另一側(cè)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(kāi)始穿管束。穿管順序應(yīng)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(cè)管板固定在臺(tái)架上。調(diào)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(jìn)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(cè)管板中。

管束組裝時(shí)不應(yīng)強(qiáng)行敲打，拉桿上的螺母應(yīng)擰緊，避免因折流板竄動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q熱管在穿入或撤出時(shí)損傷表面。管束裝配應(yīng)保證管板、管子垂直及2管板相互平行，2管板間距公差應(yīng)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(qiáng)度焊加貼脹。焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝進(jìn)行，為保證管頭焊接質(zhì)量，焊接時(shí)在殼程內(nèi)通入氬氣保護(hù)。脹接前應(yīng)檢查清理?yè)Q熱管內(nèi)孔，去除毛刺，必要時(shí)對(duì)管內(nèi)壁進(jìn)行吹掃，保證換熱管內(nèi)壁的清潔。修正管端伸出長(zhǎng)度，使其符合圖樣要求。脹接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照脹管工藝參數(shù)進(jìn)行，從初始扭矩起脹，觀察、測(cè)量脹接效果，調(diào)整扭矩設(shè)定值，直至脹接穩(wěn)定合格。每脹8～14個(gè)管頭，應(yīng)對(duì)脹頭進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。脹接管頭時(shí)應(yīng)注意脹接次序，以減少管板的變形。脹接完成后應(yīng)采用沖洗、干燥、吹掃、擦拭等方法去除管口內(nèi)側(cè)的油污、雜質(zhì)。抽取4%～10%左右的管頭，測(cè)量脹管率，其值在1%～5%之間為合格，管頭應(yīng)無(wú)起皺、裂紋、傷痕和異常變形。采用滲透無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)管頭逐個(gè)進(jìn)行檢查，同時(shí)進(jìn)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(duì)襯管展開(kāi)板兩端進(jìn)行預(yù)壓成形，按圖紙規(guī)定卷制襯管，找正后點(diǎn)焊固定，錯(cuò)變量應(yīng)≤1 mm；然后根據(jù)焊接工藝進(jìn)行施焊成形，并打磨外壁焊縫與母材平齊，去毛刺；最后對(duì)襯管進(jìn)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(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分:射線檢測(cè)》進(jìn)行100%射線檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格；按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分:滲透檢測(cè)》進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)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(yàn)過(guò)程中因局部塑性變形導(dǎo)致封頭與接管襯里發(fā)生相對(duì)位移，在焊制封頭和接管的基材焊縫時(shí)，需加工處理掉封頭基材焊縫坡口附近的復(fù)層，待基層焊縫焊接完成后，在相應(yīng)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(fù)層搭接，與接管復(fù)層角焊。封頭與設(shè)備法蘭的基層對(duì)接焊縫在焊接之前，需要將位于基材坡口附近的封頭復(fù)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(fù)層和管箱法蘭復(fù)層角接。采用鈦螺釘將鈦密封環(huán)固定在法蘭面上，并對(duì)螺釘尾部進(jìn)行焊接密封。最后機(jī)加工密封面，實(shí)現(xiàn)法蘭面的密封。

4.4 焊接質(zhì)量控制

設(shè)備焊接應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝參數(shù)進(jìn)行，鈦材間的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)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(nèi)均需清理油污，焊縫與母材應(yīng)圓滑過(guò)渡，角焊縫的外形應(yīng)凹形圓滑過(guò)渡。焊接過(guò)程中預(yù)熱溫度應(yīng)大于5 ℃，層間溫度不超過(guò)200 ℃，其中鈦材之間焊接的層間溫度不應(yīng)超過(guò)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(nèi)測(cè)焊縫余高為0～1.5 mm，外側(cè)焊縫余高0～1.5 mm，焊接接頭檢查結(jié)果見(jiàn)表7。殼程筒體內(nèi)壁焊縫應(yīng)打磨至與殼體內(nèi)表面平齊。

表6 鈦材間的焊接工藝參數(shù)

4.5 無(wú)損檢測(cè)及壓力試驗(yàn)

設(shè)備焊接完成后對(duì)殼程、管程A、B類焊接接頭進(jìn)行100%磁粉+100%射線檢測(cè)，其中磁粉檢測(cè)按NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》的要求進(jìn)行，Ⅰ級(jí)合格，射線檢測(cè)按NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分:射線檢測(cè)》的要求進(jìn)行，Ⅱ級(jí)合格，射線檢測(cè)技術(shù)等級(jí)不低于AB級(jí)；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(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，Ⅰ級(jí)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(yīng)按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分:滲透檢測(cè)》進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

表7 焊接接頭檢查結(jié)果

無(wú)損檢測(cè)合格后，分別對(duì)殼程、管程進(jìn)行臥置水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力分別為5.37 MPa和2.18 MPa，在試驗(yàn)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(yàn)合格后，立即將水漬清理干凈，待管、殼程吹掃干凈后，對(duì)殼程進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為4.0 MPa，在試驗(yàn)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(jié)語(yǔ)

在混合冷劑換熱器制造過(guò)程中，考慮到原材料質(zhì)量對(duì)整臺(tái)設(shè)備可靠性的影響，對(duì)原材料提出更高的要求，并進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)；綜合考慮鈦的物理性能、化學(xué)性能及焊接的冶金特點(diǎn)，嚴(yán)格控制鈦材換熱器焊接質(zhì)量；考慮到該換熱器中鈦換熱管壁厚較薄的問(wèn)題，針對(duì)換熱管與管板連接接頭，采取合理的連接方式及無(wú)損檢測(cè)方法確保焊接接頭質(zhì)量；組裝過(guò)程中，嚴(yán)格控制折流板的組裝角度、保證管束裝配質(zhì)量，為海水混合冷劑換熱器的研制奠定了基礎(chǔ)。

圖2 海水混合冷劑換熱器