黨燕妮* 吳曉君 邵 偉 李 佩

（1.西安建筑科技大學(xué)機 電工程學(xué)院 2.寶鈦裝備制造（寶雞）有限公司）

0 引言

管殼式換熱器在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，按照結(jié)構(gòu)形式可分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、填料函式換熱器及U 形管式換熱器等。

而管殼式換熱器中冷凝器在制冷、化工、煉化等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，冷凝器根據(jù)冷卻介質(zhì)種類的不同，可以分為水冷卻式、空氣冷卻式（又可稱為風冷式）、水/空氣冷卻式、蒸發(fā)/冷凝式四種。水冷器是冷凝器中應(yīng)用比較廣泛的一種設(shè)備，其按結(jié)構(gòu)形式可以劃分為立式管殼式、臥式管殼式、套管式等多種類型。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 所示為低壓水冷器結(jié)構(gòu)示意圖，這是臥式管殼式低壓水冷器的一種，其主要組成部分包括殼程和管程兩部分，殼程包括筒體、膨脹節(jié)、冷卻水進口、冷卻水出口、排氣、排液口；管程則包括換熱管、管板、折流板及管箱等。低壓水冷器的熱介質(zhì)采用雙管箱流動方式，熱介質(zhì)從一側(cè)管箱加入，通過換熱管流至另一側(cè)管箱后流出；冷卻水由筒體上的冷卻水進口進入，經(jīng)各折流通道后從冷卻水出口排出，冷卻水可以單次使用，也可以循環(huán)使用。目前水冷器的設(shè)計使用年限普遍要求為10 a 以上，其制造質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的使用壽命，因此水冷器的制造檢驗要求嚴格，且換熱管與管板連接的質(zhì)量要求更嚴格。低壓水冷器設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

圖1 低壓水冷器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 低壓水冷器設(shè)計參數(shù)

2 制造與檢驗

2.1 外購件檢驗

對該低壓水冷器外購件如法蘭、螺栓、密封件、膨脹節(jié)等依據(jù)質(zhì)量證明書、合格證等進行驗收，并記錄相關(guān)驗收結(jié)果。

2.2 筒體的加工與檢驗

低壓水冷器殼程的筒體材料為Q345R，厚度為12 mm，左、右管箱材料為TA10/S30403，厚度分別為3/10 mm。筒體A，B 類焊縫詳圖如圖2 所示，校圓后筒體內(nèi)徑應(yīng)為1 500 mm，內(nèi)直徑允許偏差可以通過外圓周長來控制，其外圓周長的允許上偏差為10 mm，下偏差為零，且殼體圓度允差不大于7.0 mm，殼體直線度允差不大于4.5 mm，A，B 類焊縫最大棱角度不大于3.2 mm，錯邊量不大于3.0 mm。

焊接完后，筒體縱環(huán)焊應(yīng)無缺陷（如咬邊、焊瘤、弧坑、飛濺物、焊接變形、表面氣孔、表面裂紋等），并且單面焊接時焊縫根部應(yīng)無未焊透。

筒體縱環(huán)焊縫經(jīng)形狀尺寸及外觀檢查合格后進行無損檢測，對A，B 類焊縫進行20%射線檢測，檢測結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2 部分：射線檢測》標準Ⅲ級的要求，焊接接頭內(nèi)不允許存在裂紋、未熔合、未焊透缺陷。

圖2 A、B類焊縫詳圖（單位：mm）

按照設(shè)計與工藝要求在筒體管孔位置劃線并開孔。劃線和開孔完成后，分別按圖紙對管孔標高、方位、孔徑進行檢測，檢測數(shù)值不得超出標準規(guī)定的偏差范圍，檢測依據(jù)為GB150—2011《壓力容器》標準。將冷卻水進出口接管、排氣口、排液口接管與筒體進行組對及焊接，并對接管與筒體組對焊縫無損檢測，對C，D 類焊縫進行100%著色檢測，檢測結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.5—2015 標準Ⅰ級要求，C，D 類接頭焊縫與母材應(yīng)呈圓滑過渡。接管與殼體焊接詳圖如圖3 所示。A，B 類焊縫坡口采用機械加工成型，卷制筒體并組對、焊接、校圓后其直徑應(yīng)為1 500 mm，并且殼體圓度允差不大于7.0 mm。對管箱筒體縱焊縫應(yīng)無外觀缺陷，檢測結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.2—2015標準Ⅲ級要求；A 類焊縫最大棱角度不大于3.0 mm，錯邊量不大于2.5 mm。

圖3 接管與殼體焊接詳圖（單位：mm）

2.3 管板、折流板的加工與檢驗

管板材質(zhì)為TA10+S30403，厚度為6+68 mm，直徑為1 500 mm，折流板材質(zhì)為S30408，換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)如圖4 所示。依據(jù)NB/T 47002.3—2009對管板進行100%超聲波檢測，合格級別為B1 級。按照工藝及GB/T 151—2014《熱交換器》標準要求對管板、折流板鉆孔、管孔進行首孔檢驗，待合格后再鉆其余各孔。為了利于穿管，管板與折流板的鉆孔方向應(yīng)與穿管方向保持一致。根據(jù)設(shè)計、工藝及相關(guān)標準對管孔的數(shù)量、管孔的分布、表面粗糙度、幾何尺寸、倒角、孔橋間距進行檢測，折流板表面應(yīng)平整，平面度公差為3 mm。為了保障換熱管與管板的連接性能，應(yīng)嚴格控制管板密封面與軸線垂直，垂直度公差為0.8 mm，管孔應(yīng)嚴格垂直于管板密封面，垂直度公差為0.08 mm，孔表面不允許存在貫通的縱向條痕，管板鉆孔后，96%以上的孔橋?qū)挾缺仨毚笥?.75 mm，允許最小孔橋?qū)挾葹?.05 mm。管孔的排列形式為正三角形排列，如圖5 所示。

圖4 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖5 管孔排列形式（單位：mm）

2.4 換熱管管束組焊與檢驗

2.4.1 換熱管管束組焊

換熱管規(guī)格為 25 mm×1.5 mm×5 500 mm，材質(zhì)為TA10，按設(shè)計方位組裝換熱管管束，穿管時不應(yīng)強行敲打，換熱管表面不應(yīng)出現(xiàn)凹癟或劃傷，換熱管伸出管板長度應(yīng)嚴格控制，一般為2～4 mm。

為了保證換熱管與管板連接的密封性能與抗拉強度，換熱管與管板的連接采用強度脹加密封焊的連接方式，脹緊程度應(yīng)滿足拉脫力要求，同時應(yīng)防止管束過脹引起的管裂。連接部位應(yīng)預(yù)先清理干凈，不允許毛刺、鐵屑、銹斑、油污等影響脹接或焊接質(zhì)量，避免產(chǎn)生焊接缺陷，此外換熱管的脹接部分與非脹接部分應(yīng)圓滑過渡，不應(yīng)有急劇的棱角。

2.4.2 管頭焊縫的檢驗

換熱管與管板復(fù)層焊接接頭應(yīng)進行100%著色檢測，檢測結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.5—2005 標準Ⅰ級要求，表面不應(yīng)存在裂紋和氣孔等缺陷。

換熱管與管板復(fù)層焊接接頭應(yīng)進行氦質(zhì)譜檢漏，氦質(zhì)譜檢漏采用氦質(zhì)譜儀與嗅探器連接所構(gòu)成的泄漏探測器，探測加壓部件泄漏的微量氦示蹤氣體。當嗅探器的嗅吸探頭端部掠過試驗部件上的可疑點時，借助在探頭端部的負壓搜尋出泄漏的氦示蹤氣體，吸入并送到泄漏探測器的系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再由泄漏探測器將電信號以光或聲形式顯示。

氦質(zhì)譜儀對氦氣的靈敏度至少為l×10-10Pa·m3·s-1。含100%氦濃度泄漏標準的最大泄漏率 可按下式計算：

試驗設(shè)備包括氦質(zhì)譜檢漏儀，嗅探器(帶嗅吸探頭)，帶減壓閥的氦氣和氮氣鋼瓶，壓力表，量程為0.4 MPa（不小于1.5 倍試驗壓力，且不大于4 倍試驗壓力），試驗用氣體為氦氣和氮氣的混合氣。

試驗壓力取0.35 MPa 或25%設(shè)計壓力兩者之較小值（即0.125 MPa）。

加壓過程如下：當壓力從0 升到10%的試驗壓力時，充氦氣；當壓力從10%的試驗壓力升到試驗壓力時，充氮氣；加壓到試驗壓力后至少保壓30 min，試驗溫度為5 ℃以上。

試驗檢測如下：保壓至少30 min 后，用探測器從管板的最下部管接頭開始對換熱器管板與換熱管的接頭掃描，探測器的探頭與被測管頭焊縫之間應(yīng)保持≤3 mm 的距離，探測器的探頭的最大掃描速度應(yīng)不大于儀器的響應(yīng)時間，為了縮短響應(yīng)時間和凈化時間，探測器與探頭之間的連接軟管長度應(yīng)≤5 m。

對于換熱器管扳與換熱管的焊接接頭的泄漏試驗，探測到大于1×10-6Pa·m3·s-1的泄漏為不合格，本次試驗結(jié)果9.0×10-8Pa·m3·s-1。

2.5 總體檢驗

設(shè)備整體成型后，按成品檢驗制度對設(shè)備進行總體檢驗。檢驗內(nèi)容包括設(shè)備的總體尺寸（如總長度、總高度及直徑等），表面質(zhì)量（如設(shè)備表面的平整度），設(shè)備表面是否存在缺陷（如凹坑劃傷腐蝕等），焊接接頭的棱角度、錯邊量、余高及焊縫表面是否有缺陷等。此外還應(yīng)檢查接管方位、尺寸、數(shù)量等是否符合設(shè)計及工藝要求。

2.6 液壓試驗

分別對設(shè)備殼程和管程進行水壓試驗，水壓試驗應(yīng)按照GB 150—2011 標準的相關(guān)要求進行。試驗時選用兩個量程相同并經(jīng)過校正的壓力表，對于設(shè)計壓力小于等于1.6 MPa 的壓力容器壓力表的精度不應(yīng)低于2.5 級；對于設(shè)計壓力大于1.6 MPa 的壓力容器壓力表的精度應(yīng)不低于1.6 級。壓力表表盤直徑不小于100 mm，壓力表的量程應(yīng)為試驗壓力的2 倍左右，且不低于1.5 倍和高于3 倍的試驗壓力，壓力表的安放位置應(yīng)選在容器頂部便于觀察的位置。試驗液體一般應(yīng)采用水，需要時也可采用不會導(dǎo)致發(fā)生危險的其他液體，但試驗時液體的溫度應(yīng)低于其閃點或沸點，并具有可靠的安全措施。按照設(shè)計參數(shù)，低壓水冷器液壓試驗的試驗介質(zhì)為潔凈水，殼程水壓試驗壓力為0.63 MPa，管程水壓試驗壓力為0.53 MPa，所選壓力表量程應(yīng)為0～1.6 MPa。水壓試驗后應(yīng)立即將水漬完全去除，當無法達到這一要求時，應(yīng)控制水中氯離子含量不大于25 mg/L，以防止容器產(chǎn)生腐蝕破壞。水壓試驗過程中設(shè)備應(yīng)無異常響聲，試驗后以無滲漏、無可見的異常變形為合格，具體可見圖7。

圖7 殼程及管程液壓試驗曲線

3 結(jié)論

通過對整臺設(shè)備制造與檢驗過程進行嚴格控制，設(shè)備殼程和管程經(jīng)水壓試驗后未發(fā)現(xiàn)泄漏，焊縫一次拍片合格率達到100%。換熱管與管板連接接頭經(jīng)水壓試驗后未發(fā)現(xiàn)泄漏點，按照NB/T 47013.5—2015標準要求采用100%滲透檢測后，換熱管與管板連接接頭表面沒有出現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷。換熱管與管板連接接頭經(jīng)氦質(zhì)譜檢測后其泄漏率為9.0×10-8Pa·m3·s-1，檢測結(jié)果為合格。該設(shè)備投用后至今未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。