黎洪

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643000）

1 前言

壓力容器在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展各領(lǐng)域中起著非常重要作用，換熱器作為常見熱交換設(shè)備，屬于壓力容器常規(guī)設(shè)備，常見的典型結(jié)構(gòu)有：U形管式換熱器、螺旋管式換熱器、板式換熱器、列管式換熱器等類型。本文就其中一種比較常見的雙管板換熱器的制造工藝進(jìn)行探討，此類換熱器一般由以下幾個主要組件構(gòu)成：如圖1所示，有左右封頭、左右管板、換熱管、殼體等。

圖1

2 雙管板換熱器的制造

換熱器制造工藝中，換熱管尺寸精度和換熱管加工、管板平面度要求和管孔加工對于穿管、封口焊、脹管影響大，屬于產(chǎn)品制造的關(guān)鍵工藝。從圖1可以看出，產(chǎn)品的管程和殼程完全分開，互不相通，因此在制造過程產(chǎn)品運行過程中如有泄漏可以迅速測出，而且便于維修。從設(shè)計結(jié)構(gòu)和制造上對于這類型換熱器要求較高，特別是換熱管穿管、封口焊焊接、采取何種裝配工藝確保產(chǎn)品能夠整體合攏，以及最終合攏終結(jié)環(huán)縫焊接質(zhì)量，都是有難度和需要豐富制造經(jīng)驗支撐。做好以上關(guān)鍵工序，才能確保產(chǎn)品質(zhì)量符合設(shè)計要求，滿足用戶需要。

本文主要對換熱管精度控制、管板制造加工、管孔加工、管束套裝、封口焊和脹接順序探討、產(chǎn)品成型后壓力測試等關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究。

2.1 換熱管材料及尺寸精度與制造關(guān)系

換熱管與管板的連接一般有焊接、脹接、脹焊形式，根據(jù)接觸介質(zhì)和運行壓力等級情況，高壓容器采用脹焊結(jié)構(gòu)較多，低壓容器中有些采用只脹不焊。為確保穿管后消除管子與管板間間隙，減少間隙腐蝕、降低應(yīng)力等，穿管完成后需要脹接，要求脹接完成后管板發(fā)生是彈性變形，因此從設(shè)計結(jié)構(gòu)選材要求換熱管強度比管板材質(zhì)稍低，對于換熱管尺寸需要有專門要求，對管板和換熱管材質(zhì)硬度需要有規(guī)定，以確保獲得最佳可靠脹接質(zhì)量。

2.1.1 換熱管尺寸精度控制：

從《GB151熱交換器》中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)對于換熱管規(guī)格選取和制造尺寸偏差均做了明確要求，需要設(shè)計單位結(jié)合具體設(shè)計條件，制造要求等選擇，從行業(yè)看各換熱器制造廠以及換熱管制造廠家一般對于尺寸偏差有以下要求：

a) 為盡量減小換熱管與管板之間間隙，普遍推薦采用高精度管，對于外徑一般會提出尺寸正公差；

b) 換熱管橢圓度影響焊接和穿管，因此要求管子橢圓度不得超出±0.2mm；

c) 考慮穿管和后續(xù)加工影響，需要控制管口端面尺寸、管口傾斜度等；

d) 換熱管制造需要考慮工藝余量，節(jié)約用料，對于長度一般要求不大于±5 mm，管子直線度影響穿管，因此也會做直線度要求；

2.1.2 管板與換熱管材料選擇一般要求

脹接和脹焊并用屬于換熱管制造常用工藝，為確保管板發(fā)生彈性變形而換熱管發(fā)生塑性變形與管板連接在一起，從設(shè)計結(jié)構(gòu)上選擇一般要求管板材料屈服強度和硬度需高于換熱管材料，為避免換熱管脹接殘余應(yīng)力過大，根據(jù)制造經(jīng)驗一般選擇管板與換熱管之間硬度差在HB20-30以上，才能確保脹接可靠性。如果因為介質(zhì)或者其他特殊工況，換熱管硬度值大于管板硬度情況，一般推薦選擇對脹接區(qū)域進(jìn)行熱處理，降低換熱管脹接區(qū)域的硬度，確保脹接質(zhì)量。

2.2 換熱器關(guān)鍵零部件制造工藝

2.2.1 殼體成型

殼體屬于換熱器核心關(guān)鍵的組件，主要有下料排版、筒體坡口制備、卷圓、縱環(huán)縫焊接、矯圓等工序，為避免影響設(shè)備傳熱或者造成流體短路等，需要嚴(yán)格控制殼體內(nèi)徑在設(shè)計公差范圍，需要嚴(yán)控鋼板下料和卷圓成型偏差。

⑴ 筒節(jié)長度及排版要求

筒體排版應(yīng)遵循焊接接頭盡量少的原則，減少焊接、清根和探傷造成增加成本的不利因素，在鋼板成型能夠滿足要求情況下，一般采用單條縱縫，排版時應(yīng)合理布置焊縫位置，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，還應(yīng)盡量提高材料利用率。卷板過程外周長伸長，內(nèi)圓周縮短，中間層不變，因此筒節(jié)的排版展開長度一般按中徑展開計算，并考慮減去卷板一定伸長量。

⑵筒節(jié)下料尺寸控制

根據(jù)筒體精準(zhǔn)下料尺寸的計算方法，結(jié)合卷板機能力要求，綜合考慮加工余量、焊縫收縮量、焊接組對間隙等因素，若是復(fù)合板材料筒體，下料時還應(yīng)考慮復(fù)合板材料中間層靠近復(fù)合層偏移影響。

（3）筒體成形

殼體成形一般優(yōu)先選用冷成形，卷制時以卷板機上輥筒為基準(zhǔn)，用線錘校核鋼板與卷筒之間的平行度。監(jiān)視線與線錘垂直線的距離誤差≤1mm，中線與線錘垂直線的距離誤差≤1mm。筒體組對環(huán)縫應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)對于錯邊量要求，根據(jù)裝配精度需求，應(yīng)采取措施控制裝配間隙，提高裝配精度。筒體焊縫應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行相應(yīng)無損檢測，殼體組裝成型后，應(yīng)對與管板對接端的端口端面和殼體整體直線度進(jìn)行檢測，劃好相應(yīng)基準(zhǔn)線，待與管板組對。

2.2.2 管板及折流板制造

管板應(yīng)控制整體平面度，為確保管板孔精度和孔間距滿足要求，一般采用數(shù)控平面鉆鉆孔，如圖2，一般管板采用平面鉆或者深孔鉆鉆孔，管板機加時需要采取措施避免造成管板變形。管孔尺寸、垂直度、孔間距等需要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖2管板鉆孔和孔橋檢測。為確保加工精度和便于立管系，隔板折流板加工應(yīng)避免多次裝夾累計誤差等，可以考慮采用疊鉆加工或者配鉆，做好標(biāo)記采取讓鉆孔方向與穿管方向保持一致性等措施，應(yīng)對管孔進(jìn)行倒角毛刺清理等，如圖3倒角后的隔板。對于超標(biāo)的孔需要進(jìn)行標(biāo)記并核實是否滿足穿管需求。

圖2 管板鉆孔和孔橋檢測

圖3 倒角后的隔板

2.3 雙管板換熱器組裝

2.3.1 裝配準(zhǔn)備工作

2.3.1.1 管束組件主要由上下管板、折流板、換熱管等組成，首先檢查兩組管板是否按鉆孔方向做好了編號和正反面標(biāo)記。檢查折流板的正、反面和管孔是否倒角以及毛刺是否清理干凈，避免穿管劃傷換熱管。按照鉆孔的方向準(zhǔn)備好穿管平臺和立架輔助工裝，把雙管板和折流板擺好，先采用換熱管逐孔試穿。如存在管孔同心度及折流板外圓不圓整的問題，可以采用鉸刀等工具進(jìn)行修復(fù)。立管系屬于重要關(guān)鍵工序，主要工藝流程：立管架→穿管→封口焊→封口焊無損檢測→裝焊，如圖4立管系所示。

圖4 立管系

2.3.1.2 管板預(yù)裝

立管系前需仔細(xì)清理管板、折流板、換熱管表面油污等，特別是換熱管端部穿入管板區(qū)域，需仔細(xì)清理，否則影響封口焊質(zhì)量。在穿管平臺上將雙管板用輔助支撐，定距管或者圓鋼等把管板、折流板組裝成臨時整體，微調(diào)每組管板的同心度、平行度和扭曲度等關(guān)鍵尺寸，采用備用管作為工藝用管逐孔試穿，任意方位試穿確保每根換熱管都可以順利穿過后，然后按照工藝文件要求分別固定焊成組件。

2.3.2 雙管板管束與殼體組裝

雙管板換熱器可以采用明立管系，按穿管的工藝或者采用一端穿管完成，引管完成的方案，也可以采用暗穿工藝，將管板、折流板、筒體等組成組件，然后進(jìn)行穿管，具體可以根據(jù)各廠制造經(jīng)驗和詳細(xì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)制造工藝方案確定。

2.3.2.1 裝配前先將支撐板與筒節(jié)進(jìn)行試配。裝配時：裝配工進(jìn)入筒節(jié)組件裝拉桿、定距管、用行車輔助把支撐板吊入到圖紙位置，為保證裝配，采用工藝圓鋼定位，使拉桿,定距管,折流板的中心線一致，試穿管：因為外殼與管系套裝后，多根換熱管需要完全穿過隔板和管板，上、下管板與支撐板管孔是否同心均影響暗穿管，即使一根換熱管穿管不過，也會造成重新調(diào)整管系的風(fēng)險性，所以外殼與管系套裝后，必須對管板與支撐板同心度進(jìn)行驗證。

2.3.2.2 將管束組件穿入殼程筒體，調(diào)整右側(cè)管板與殼程筒體的垂直度和同心度后點固管板與殼程筒體，此穿管為暗穿形式，對裝配精度要求非常高。

2.3.2.3 如果采用引管的工藝方案，就需要采取措施確保管板之間間隙滿足要求，可以采用增長換熱管或者采用引管工裝的措施，在穿入所有的換熱管后，需要將換熱管伸出右側(cè)管板外側(cè)管板的長度大于雙管板間距的2倍，這樣才能保證引管距離足夠。

2.3.3 左側(cè)管板與換熱管脹焊

管子管板的連接方式一般為強度焊+貼脹的方式。制造工藝上可以先采用定位脹管或者點焊定位的工藝，第一次定位脹采用機械脹，主要用于換熱管定位，然后按照焊接工藝文件要求，對左側(cè)管板與管子進(jìn)行封口焊，封口焊完成后，第二次采用液壓脹接的脹管工藝，換熱管與管板管孔間隙較小。脹接要求一般為柔性貼脹（即液壓貼脹），換熱管在液壓作用下，膨脹部位首先產(chǎn)生彈性變形，然后是塑性變形。當(dāng)液壓進(jìn)一步升高時，管板將發(fā)生彈性變形，卸壓后，由于管板的彈性回復(fù)而永久地箍緊管子，從而使管子與管板間產(chǎn)生脹緊力。為防止漏脹，脹接時應(yīng)逐孔做好標(biāo)記。根據(jù)脹接情況，要不定期地復(fù)檢脹桿軸定位尺寸，確保液袋位于管板孔的脹接范圍之內(nèi)，避免過脹。

2.3.4 右側(cè)管板與換熱管脹焊

換熱管去除余量前，應(yīng)仔細(xì)檢查兩端換熱管是否都穿出管板，并有足夠加工余量。為確保裝焊需求，首先去除一端管板的管端多余余量，如圖5所示，采用便攜設(shè)備或者鉆削設(shè)備對換熱管管端進(jìn)行刮頭。然后按工藝文件要求完成刮頭一端封口焊焊接，再去除另一端管板余量，按工藝完成封口焊焊接和脹接。為確保焊接質(zhì)量，封口焊完成后需要進(jìn)行100%PT檢查，且需要進(jìn)行氦氣檢漏或者氨檢漏等措施，考慮環(huán)保影響以及氦氣的高靈敏度，因此建議做氦檢漏。

圖5 管端刮頭

2.3.5 總裝及壓力試驗

總裝一般按照以下流程，殼體組件在不與上下封頭組件裝焊前，上下管板與外殼環(huán)縫按照工藝文件要求進(jìn)行焊接，殼側(cè)單獨水壓，單獨氦檢漏。總裝示意如圖6所示。裝上、下封頭組件與外殼組件，焊接、探傷、管側(cè)水壓試驗，管側(cè)氦檢漏。

圖6 總裝示意圖

3 總結(jié)

雙管板換熱器的制造，管板與筒節(jié)組件垂直度、如何保證管系管板、支撐板管孔同心、順利穿管等屬于非常關(guān)鍵的工序，如果支撐板定位不準(zhǔn)，將使得換熱管無法順利穿入管系，將會造成較大的返修。部分換熱器管板較薄，在制造過程中往往由于管板剛性不足、組裝與施焊的順序不當(dāng)、坡口形式、焊接熔敷量過大、焊接工藝參數(shù)選擇的不合理，容易引起管板焊接變形，也需要從設(shè)計和制造上引起高度重視。