丁俊濤*

（南京揚(yáng)子石化-巴斯夫有限責(zé)任公司）

0 前言

1 銅管換熱器制造簡(jiǎn)述

在工藝模擬計(jì)算時(shí)，由于該換熱器管程介質(zhì)流速較低，若換熱管采用普通材質(zhì)（如碳鋼或者不銹鋼），則其傳熱系數(shù)無(wú)法達(dá)到工藝要求的換熱效果。通過(guò)工藝計(jì)算并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮，換熱管采用銅管材質(zhì)，其余受壓元件則采用碳鋼。為普通的管殼式換熱器，其制造過(guò)程中需特別注意的地方為換熱管與管板的連接處。管板采用碳鋼16MnIII 鍛件，換熱管采用TP2銅管，規(guī)格為 19 mm×2 mm，供貨的熱處理狀態(tài)為半硬狀態(tài)。換熱管與管板連接需采用強(qiáng)度脹接（刻脹管槽）。該換熱器的管程和殼程的設(shè)計(jì)壓力分別為1.7 ，2.8 MPa。

當(dāng)換熱管硬度比管板的硬度小30 HV 時(shí)，脹接效果較好，而銅管換熱器的硬度很低，只有50～100 HV，與碳鋼鍛件的硬度相差很大，二者強(qiáng)度差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于30 HV。若貿(mào)然加工生產(chǎn)，則不能達(dá)到技術(shù)和試壓要求，如何使換熱管和管板滿足相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)要求，保持良好的密封性能并通過(guò)檢驗(yàn)，是必須要解決的問(wèn)題。該換熱器正式生產(chǎn)前，進(jìn)行了一系列的模擬試驗(yàn)，最終通過(guò)了壓力試驗(yàn)。

2 銅管換熱器制造過(guò)程中的注意事項(xiàng)

為保證設(shè)備正式制造時(shí)順利進(jìn)行，其性能滿足設(shè)計(jì)要求，按照以下程序進(jìn)行前期的驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1 拉脫力試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)，換熱管與管板的拉脫力計(jì)算公式如下：

式中：Q——換熱管與管板連接的拉脫力；

δt——換熱管壁厚；

a ——1 根換熱管管壁金屬的截面面積；

d ——換熱管外徑；

斜拉索的索力測(cè)試一直是工程界關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。本文為解決斜拉橋模型試驗(yàn)中索力測(cè)試的難題，研發(fā)了一種基于壓力環(huán)傳感器的索力測(cè)試系統(tǒng)。結(jié)合Ansys分析軟件，對(duì)該系統(tǒng)按照接觸問(wèn)題進(jìn)行了仿真分析，得到了索力與測(cè)試應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系式。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室將該系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)的測(cè)頻法的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明：本章研發(fā)的索力測(cè)試系統(tǒng)性能可靠，操作方便，測(cè)試結(jié)果精度較高，當(dāng)選擇合適的傳感元件時(shí)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于斜拉索索力的長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

l ——換熱管與管板脹接長(zhǎng)度或焊腳高度；

F ——拉力試驗(yàn)機(jī)所測(cè)得的拉力數(shù)值；

[q]——許用拉脫力；

其計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足q ≤ [q]，否則可能會(huì)造成換熱管與管板脫離，設(shè)備失效。根據(jù)GB/T 151—2014標(biāo)準(zhǔn)中7.4.7 條要求，有色金屬管應(yīng)滿足以下條件： [q] = 3 MPa。

2.1.1 試驗(yàn)試塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在管板采購(gòu)時(shí)應(yīng)同時(shí)采購(gòu)試塊，試塊厚度應(yīng)與管板相同，形狀為圓形，管子應(yīng)當(dāng)與設(shè)備換熱管材和規(guī)格相同。為了進(jìn)一步保證脹接效果，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將脹管槽寬度改為8 mm，管孔的排列形式與管孔中心距應(yīng)與設(shè)計(jì)條件相同，承受載荷的管子應(yīng)位于試驗(yàn)中心位置，至少被一排相鄰的管子包圍（可見(jiàn)圖1），試樣的管長(zhǎng)應(yīng)滿足試驗(yàn)需要，承擔(dān)載荷管子的管長(zhǎng)不應(yīng)小于試樣管板的厚度。該試驗(yàn)共需做3 組，至少2組的測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足q ≤ [q]。

圖1 試樣安裝示意圖

2.1.2 脹接方法選取及主要操作步驟

TP2 銅管硬度較小，若選取機(jī)械脹管器進(jìn)行強(qiáng)度接脹，則會(huì)對(duì)換熱管內(nèi)壁造成很大的損傷，因此該試驗(yàn)選取液壓脹管器，并按以下步驟進(jìn)行：先計(jì)算脹接力范圍，選取脹接壓力。不同的脹管器生產(chǎn)廠家會(huì)提供脹管力的計(jì)算方法，根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，得出管頭脹接時(shí)所需要的操作參數(shù)。

按設(shè)計(jì)的試塊結(jié)構(gòu)加工試樣，測(cè)量得到相關(guān)數(shù)據(jù)，按照選取的脹管力進(jìn)行脹接。試塊加工完成后，去除試塊上的油污，按設(shè)備藍(lán)圖上的尺寸及相關(guān)公差要求進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)銅管脹接前需做好保護(hù)工作，防止被油污污染或劃傷。銅管脹接前，先測(cè)量試塊管孔內(nèi)徑D，換熱管外徑d，換熱管內(nèi)徑di，換熱管壁厚S，并記錄數(shù)據(jù)。脹接時(shí)操作工應(yīng)戴清潔手套，在清潔的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。換熱管的脹接部分與不脹部分應(yīng)圓滑過(guò)渡，不得有急劇變化的棱角。

脹接完成后，用千分表測(cè)量記錄數(shù)據(jù)，脹后換熱管的內(nèi)徑di'，強(qiáng)度脹的脹管率要求為5%～7%，并按下式計(jì)算：

將測(cè)量結(jié)果代入上式進(jìn)行計(jì)算，檢查脹度能否滿足要求。若脹度不足，則應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)脹。

在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，分別記錄每組拉脫力數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)管子上應(yīng)分別做出識(shí)別標(biāo)記。得到拉脫力以后，帶入拉脫力計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果需符合規(guī)定要求q ≤ [q]，否則應(yīng)重新進(jìn)行試驗(yàn)，之前的試樣結(jié)果則全部作廢。

2.2 換熱器模擬液壓試驗(yàn)

該試驗(yàn)需做一個(gè)縮小版的換熱器進(jìn)行模擬（詳見(jiàn)圖2），管板厚度應(yīng)與設(shè)備相同，換熱管規(guī)格與設(shè)備換熱管相同，模擬換熱器的換熱管排布、尺寸以及加工、制造、檢驗(yàn)過(guò)程均按設(shè)備原圖要求進(jìn)行。并且生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)保持清潔，加工公差則應(yīng)嚴(yán)格遵照設(shè)計(jì)要求，接管與筒體、筒體與管板的焊接要求應(yīng)遵照焊接工程師所制定的焊接工藝。在組裝過(guò)程中，應(yīng)做好換熱管的保護(hù)及清潔工作。脹接前做好相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量及記錄工作，管板管孔、換熱管兩端長(zhǎng)度不小于管板厚度的2 倍，輕度打磨去除表面的氧化皮、油污等。之后按照拉脫力試驗(yàn)的脹接步驟，按照脹管機(jī)廠家提供的說(shuō)明書(shū)進(jìn)行脹接。所有脹接工作完成后（包括脹管率測(cè)量合格）按照設(shè)計(jì)藍(lán)圖規(guī)定的水壓試驗(yàn)壓力及正確的操作規(guī)范進(jìn)行水壓試驗(yàn)。在水壓試驗(yàn)過(guò)程中，不可避免會(huì)出現(xiàn)管頭泄漏現(xiàn)象。用記號(hào)筆進(jìn)行標(biāo)記，之后再次調(diào)整脹接數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)脹，并記錄補(bǔ)脹時(shí)的操作數(shù)據(jù)。補(bǔ)脹之后，再次進(jìn)行水壓試驗(yàn)，并檢查換熱管與管板管頭。在脹接、補(bǔ)脹過(guò)程中應(yīng)避免出現(xiàn)過(guò)脹或者欠脹管頭。

圖2 換熱器模擬液壓試驗(yàn)

3 總結(jié)

將拉脫力試驗(yàn)結(jié)果及換熱器模擬液壓試驗(yàn)結(jié)果作為一組數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行評(píng)定，該結(jié)果可用于指導(dǎo)換熱器的制造過(guò)程。銅管換熱器制造過(guò)程中的難點(diǎn)在于換熱管與管板的連接，對(duì)試樣進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)及模擬換熱器的水壓試驗(yàn)，不僅能確保換熱管與管板的連接處強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)也能為后續(xù)的制造過(guò)程模擬正確有效的操作步驟。

事實(shí)證明，按照上述2 個(gè)試驗(yàn)總結(jié)得到的數(shù)據(jù)及注意事項(xiàng)指導(dǎo)生產(chǎn)制造，可以大大降低該類銅管換熱器或者類似的換熱器制造失敗的概率，大大提高生產(chǎn)的質(zhì)量和設(shè)備可靠性。