換熱器制造過程中的質量標準

江鎮海

(中石化南京化學工業公司上海辦事處)

換熱器制造過程中的質量標準

江鎮海*

(中石化南京化學工業公司上海辦事處)

對換熱器制造過程中的質量標準進行分析，并對主要控制方法提出了看法。關鍵詞 換熱器 管板 管子 脹接 焊接 質量標準

0 引言

隨著石油化工、核工業及能源等工業的迅速發展，管殼式換熱器已成為工藝過程中應用最廣泛的設備之一。在石油化工裝置中，換熱設備約占設備總投資的30%～45%。由于化工生產的連續性，對換熱器的運行可靠性要求較高，一旦系統中設備發生故障，將直接影響到系統的安穩運行。由于設備故障導致的非正常停車所造成的損失遠遠超過故障設備本身的價值，因此換熱器的制造質量已成為化工裝置長周期安穩運行的主要因素。

壓力容器是一種可靠性要求非常高的特種設備，由于壓力容器在高溫、高壓等苛刻的工藝條件下工作，容器內易燃、易爆、劇毒的介質危害性極大，極易發生安全事故，危及人身和財產安全，因而我國一直把換熱器的制造置于嚴格的質量保證體系之下。我國壓力容器制造質量保證體系有以下特點：采用世界上最復雜、要求最嚴格的第五種質量認證方法，即實行制造資格許可證制度和產品安全性能強制監督檢驗制度；有一整套嚴密的法規標準對設計、制造、安裝、使用、檢驗、修理和改造七個環節進行全方位的安全監察和監督檢驗。壓力容器制造質量保證體系的正確建立和有效運行是保證壓力容器制造質量的基礎。

1 換熱器的主要標準及質量控制

換熱器管子與管板的連接質量是影響換熱器可靠性的關鍵因素，大多數換熱器的失效都發生在管子與管板的連接部位。衡量連接部位質量的主要指標是接頭的密封性能和拉脫性能，它直接影響到換熱器操作運行的可靠性和安全性。造成連接失效的原因是多方面的，如接頭因高溫應力松弛失效；管束在流體的沖擊下產生振動，導致接頭的破壞；工藝操作不當造成頻繁的溫度和壓力波動引起的循環載荷導致的疲勞失效等。

在換熱器制造過程中，換熱器與管板連接結構的質量是影響換熱器制造的關鍵之一。影響換熱管與管板連接結構質量的關鍵因素是管板加工、換熱器與管板的脹接和焊接。為此，國家頒布了許多有關的質量標準來對制造過程中的質量進行控制、監督。

1.1 管板加工質量標準和控制

管板加工質量控制的要點是管板孔的尺寸精度、管板孔與管板的垂直度、孔橋的偏差以及脹槽與管板孔的同心度等。管板孔的精度直接影響換熱管與管板孔的脹接質量。管板孔的精度有管板孔直徑偏差及粗糙度兩個質量指標。管板孔直徑偏差直接影響管板孔與換熱管間的間隙大小。間隙越大，脹管時間就越長，所需脹管力矩也越大，其密封性能也越差。對于有腐蝕要求的管束和有振動的管束以及脆性材料的換熱管其間隙越小越好。

管板孔的粗糙度對脹接強度及接頭密封性能關系密切。粗糙的管板孔，其脹接強度高；管板孔光滑，則其接頭密封性能好，壁厚薄的管子比厚的管子需要較小的管板孔粗糙度；對于脹管率要求不高的不銹鋼、銅、鋁等管子，其要求粗糙度更小。實際上，大多數接頭在強度方面是有裕量的，而失效多由腐蝕泄漏所致，因此降低管板孔粗糙度以保證密封性是必要的。

GB 151—1999《管殼式換熱器》標準規定,Ⅰ級換熱器管板孔直徑偏差為 ?19.25+00.15mm(?19 mm換熱管)或?25.25+00.15mm （?25 mm換熱管），這與TEMA標準有一定的差距。GB 151—1999Ⅰ級管束的管板孔與換熱管間的最小間隙為0.05 mm，最大間隙 為0.6 mm，與TEMA標準相比，最大間隙相差較大，而Ⅱ級的間隙就更大了。TEMA標準為了把加工硬化所引起的耐腐蝕性能下降的程度限制在最小的范圍之內，對奧氏體不銹鋼管又規定了特殊緊配合，而GB 151—1999對于國產不銹鋼管即使是高級精度也不能滿足TEMA標準中特殊緊配合的要求，因而對此未予考慮。

GB 151—1999標準對管板孔表面的粗糙度規定：當換熱管與管板焊接時，管板孔表面粗糙度不大于25 μm；當換熱管與管板脹接連接時，管板孔表面粗糙度不大于12.5 μm。一般而言，設計文件的要求均要高于上述要求。國內的制造單位對管板孔的加工工藝采用先鉆孔，再擴孔，最后鉸孔的工藝要求，管板孔直徑偏差控制在0.05 mm之內，管板孔的表面粗糙度控制在6.3 μm之內。

管板孔橋偏差的大小直接影響焊管、脹管的施工質量，尤其是對厚管板和不銹鋼管板更為重要。GB 151—1999標準規定了Ⅰ級、Ⅱ級換熱器孔橋寬度的限值，不同管板厚度的孔橋寬度用插入法查找。另外，還給出了標準孔橋寬度的計算公式，規定終鉆后應抽查不小于60°管板中心角區域內的孔橋寬度，如有超過規定合格率時，則應全管板檢查。

管板鉆孔時應將鉆桿與管板之間的垂直度控制在0.03 mm之內。管板孔與管板之間的垂直度是與管板孔橋偏差相關聯的參數，垂直度誤差不但會給穿管帶來困難，而且還會因換熱管彎曲變形給脹管帶來附加應力， 使換熱管與管板貼合不均而影響接頭質量，一般通過管板孔橋偏差對垂直度誤差進行檢查，以確保質量。

管板孔脹槽的加工是脹接質量得以保證的重要工序。管板孔脹槽加工質量的控制指標主要有管板孔脹槽與管板孔的同心度及管板孔脹槽的粗糙度。中石化南京化工機械廠為了解決液壓脹接脹槽的加工，專門研制了專用的管板孔脹槽加工專用工具，保證了管板孔脹槽的加工質量。沈陽機床有限責任公司生產的GDC 2540動龍門式數控銑鉆床，可加工管板最大直徑為2 500 mm，最大厚度為250 mm，大大拓展了加工范圍。

1.2 換熱管與管板焊接質量標準和控制

GB151—1999標準規定的換熱管與管板焊接分為強度焊和密封焊，其差異主要反映在管板孔的焊接坡口及換熱管的伸出長度。強度焊必須是填絲的氬弧焊，而不填絲的熔化焊最多只能作為密封焊。換熱管與管板焊接質量的過程指標一般有換熱管管頭的清潔度、管板孔的清潔度和焊接工藝參數。換熱管管頭2倍管板厚度的區域打磨除銹、管板孔丙酮清洗和合適的焊接工藝參數，保證了換熱管與管板的焊接質量。換熱管與管板連接質量的最終檢查一般采用壓力試驗、氨滲透、焊接接頭表面著色檢測和射線探傷檢測等。

中石化南京化工機械廠制造了17臺換熱器，其換熱管與管板連接均為強度焊，采用手工氬弧焊，焊2層，第1道不填絲，第2道填絲焊接。在最終的檢驗工序中，即壓力試驗、焊接接頭表面著色檢測、射線探傷檢測中，無一管頭泄漏，射線探傷檢測一次全部合格。

1.3 換熱管與管板的脹接質量標準與控制

GB 151—1999標準規定的換熱管與管板的脹接分強度脹和貼脹，其差異主要為管板孔是否開槽。換熱管與管板的脹接有非均勻脹接 （機械滾珠脹）和均勻脹接 （液壓脹接、液袋脹接、橡膠脹接、爆炸脹接）兩大類。其中滾珠脹接為最早的脹接方法，這種方法簡便快捷，但需要使用油潤滑，受油污染后就不能保證焊接的質量。非均勻的碾軋使管徑擴大產生較大的冷作應力，易產生應力腐蝕，加之脹桿不能太細，脹接長度不能太長。但因為其簡便，目前仍廣泛應用于薄、中厚度管板的脹接上。

均勻脹接是發展較晚的脹接技術，尤其適用于厚管板的液壓脹接和液袋脹接中，脹接長度與壓力沒有關系，脹接壓力只與管子的材料、厚度及管子與管板孔的間隙大小有關。脹接壓力波形為梯形，脹接壓力達到預定值后有一定的保壓時間，使管子有足夠的塑性流動時間，以保證脹接質量。液袋脹接目前在國內外的應用越來越廣泛，并逐步取代了液壓脹接、橡膠脹接、爆炸脹接，成為均勻脹接的代表。

中石化南京化工機械廠對液袋脹接技術制定了具體的工藝要求：采購換熱管時，要求每臺換熱器所使用的換熱管在冷拔加工時采用同一爐批次的原料，并在同一臺經校驗、試驗合格的拉管機上生產，以確保每根換熱管具有相同的材質、規格與精度。換熱管外徑均勻一致能保證管子與管板管孔的間隙，換熱管內徑均勻一致能保證其與液袋式脹管機脹頭的相互匹配，從而延長脹頭的使用壽命。一般管子與管板孔隙要求控制在0.30±0.05 mm，而液袋式脹管機脹頭外徑與管子內徑的公差也應控制在0.30±0.05 mm內。中石化南京化工機械廠生產的換熱器全部采用液袋脹接技術，從而有效地保證了脹接質量。

2 殼體與折流板的質量標準與控制

2.1 殼體尺寸偏差和控制

殼體尺寸偏差有殼體內徑偏差、殼體圓度偏差及殼體圓筒直線度偏差。考慮到經常地抽裝浮頭式或U形管式換熱器管束， GB 151—1999標準對上述殼體尺寸偏差的控制要比GB 150—1998嚴得多。殼體內徑的偏差決定于周長偏差，而周長偏差在忽略冷卷冷校時的延伸后，僅取決于下料、刨邊、縱縫的條數及焊縫收縮的誤差。除了應考慮筒體直徑與壁厚的比率外，殼體圓筒的圓度主要取決于冷卷冷校的實際操作水平，而殼體圓筒的直線度也主要取決于下料、刨邊，特別是刨邊后每張鋼板兩端的尺寸偏差。因此控制筒體下料、刨邊尺寸附合工藝要求，并嚴格按焊接工藝進行施焊，就可以滿足GB 151—1999標準的規定，對浮頭式或者U形管式換熱器而言，就完全能保證順利抽裝管束，達到質量標準的要求。

2.2 折流板質量標準和控制

折流板加工質量對換熱管穿管、保護換熱管的表面不被機械劃傷及管束與殼體的裝配有比較重要的影響。一般來講，折流板加工質量的控制指標有：折流板管孔直徑及偏差，折流板外圓與殼體間的間隙，孔心距偏差，以及粗糙度、尖角倒鈍、除刺等。加工時，每組折流板采用GDC 2540動龍門式數控銑鉆床先劃窩，再鉆孔，每塊折流板管孔兩邊倒角，每組折流板車外圓時采用專用工裝，即能滿足GB 151—1999標準中的規定，保證折流板的加工滿足產品質量要求。

3 結論

換熱器的失效大部分是由換熱管與管板連接接頭的泄漏所造成的。換熱器制造質量的控制主要包括管板、折流板的加工，殼體的制作及換熱管與管板之間的脹接和焊接。通過工藝的改進和完善，控制各個工序的過程質量指標，就完全能達到提高換熱器制造質量的目的，使換熱器的制造質量完全達到GB 151—1999《管殼式換熱器》標準中規定的質量要求。

[1]桑芝富，朱躍釗.換熱器管子—管板脹接結構的安全可靠性研究[J].石油化工設備，1997，18（1）：52-55.

[2]顏惠庚，石庭瑞.換熱器液袋式液壓脹接技術及其應用[J].化工機械，1998，25（6）：29-31.

The Quality Standards of the Heat Exchanger Manufacturing Process

Jiang Zhenghai

This paper analyzed the quality standards of the heat exchanger manufacturing process and proposed the view of the main control methods.

Heat exchanger;Pipe plate； Pipe； Expansion； Welding； Quality standard

TQ 051.5

*江鎮海，男，1946年8月生，高級工程師。上海市，200860。

2011-01-26)