鈦管折流桿換熱器的設(shè)計(jì)與制造

劉桂榮

（黃石聚達(dá)電力設(shè)備有限公司，湖北 黃石 435000）

0 概 述

某型水－水換熱器管束的鈦管壁厚僅為0.5 mm，鈦管可能因振動(dòng)而造成損壞，為此，對(duì)換熱器進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)。為南方沿海某390MW電廠配套設(shè)計(jì)的臥式填料函式折流桿水－水換熱器，公稱直徑為1 400mm，換熱面積1 200m2，長(zhǎng)度11 000 mm，換熱管為 TA2?19×0.5mm焊接管，換熱器采用單回程。開式循環(huán)冷卻水（海水）進(jìn)入水－水熱交換器管程，將殼側(cè)閉式循環(huán)冷卻水（除鹽水）冷卻后排入循環(huán)水排水管，閉式循環(huán)冷卻水回水經(jīng)閉式循環(huán)冷卻水泵升壓，經(jīng)水－水熱交換器冷卻后向閉式水系統(tǒng)提供冷卻水。該換熱器的結(jié)構(gòu)布置，如圖1所示。

圖1 折流桿換熱器結(jié)構(gòu)圖

1 折流桿換熱器的設(shè)計(jì)

折流圈的折流桿被分為左右45°布置，管束組裝時(shí)，奇數(shù)折流圈布置在左45°，偶數(shù)折流圈布置在右45°。折流桿的材質(zhì)為不銹鋼，折流圈之間的組裝間距為150mm。2個(gè)折流圈形成的19.5mm×19.5mm方孔用于固定換熱管，使每根折流桿均能起到支持換熱管的作用，同時(shí)增強(qiáng)傳熱效果。折流桿與換熱管的支撐形式，如圖2所示。

圖2 折流桿與換熱管的支撐形式

該折流桿換熱器在全圓截面內(nèi)布管，提高了殼程流體的流速，改善了進(jìn)、出口處流體的流動(dòng)狀態(tài)，有效地利用了換熱器的換熱面積。在殼體上設(shè)置了外導(dǎo)流筒，還在殼體圓筒內(nèi)設(shè)有防沖裝置，如圖3所示。

圖3 殼體圓筒內(nèi)設(shè)有防沖裝置

當(dāng)流體介質(zhì)通過普通管殼式換熱器的折流板時(shí)，主流區(qū)A是傳熱主區(qū)，85%左右的熱傳遞量在該區(qū)域內(nèi)完成。B區(qū)是順流區(qū)，約能完成傳熱量的15%。C區(qū)是渦流區(qū)，流體在此原地旋轉(zhuǎn)或靜止不動(dòng)，即為“傳熱死區(qū)”。也就是說，設(shè)備能力的15%～20%沒有得到充分發(fā)揮，如圖4所示。由于折流桿換熱器采用了外導(dǎo)流筒設(shè)計(jì)，流體介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)與普通管殼式換熱器不同，因而基本消除了普通管殼式換熱器通常存在的“傳熱死區(qū)”，使設(shè)備換熱面積的利用率達(dá)到98%以上。

圖4 換熱器的傳熱區(qū)

折流桿換熱器管束中的換熱管采用交錯(cuò)折流桿進(jìn)行固定，這種結(jié)構(gòu)使殼程內(nèi)流體能夠沿?fù)Q熱管長(zhǎng)度方向流動(dòng)，換熱管內(nèi)外介質(zhì)能沿?fù)Q熱管軸向相互逆流，改善了介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，因而具有更好的傳熱性能，并徹底消除了流體誘導(dǎo)振動(dòng)，延長(zhǎng)了鈦管的使用壽命。由于殼程流體流速增加，流體對(duì)管外邊界層液膜的剪力加大，從而使液膜變薄，再加上折流桿、折流環(huán)干擾產(chǎn)生的旋渦和湍流作用，既可提高該類傳熱器的傳熱系數(shù)，還有除垢防垢的作用。由于折流桿換熱器將折流板換熱器的流體橫掠管束變?yōu)榭v向流，因此大大減小了殼程流體的阻力，降低了管程的泵用功率，減少了能源消耗。

2 鈦管折流桿換熱器的制造

殼體的不圓度和不直度、筒體內(nèi)徑超差，均會(huì)引起殼體內(nèi)流體介質(zhì)的短路，從而影響殼程的換熱系數(shù)和換熱器的傳熱效率，并且直接影響管束的裝入和抽出的順利程度。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)間隙為8mm，間隙流體約2%，熱力計(jì)算漏流系數(shù)已含此因數(shù)，如間隙增大至12mm，間隙流體約5%，設(shè)備運(yùn)行時(shí)傳熱系數(shù)與計(jì)算值相比將下降6%，因此必須控制折流圈與殼體內(nèi)徑之間的間隙。由于嚴(yán)格執(zhí)行工藝規(guī)程，殼體加工精度完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，使管束的穿裝順利進(jìn)行。殼體加工尺寸精度，如表1所示。

表1 殼體的加工精度 mm

按照設(shè)計(jì)圖紙要求，折流桿外園為 ?5.5＋0.05mm不銹冷拉圓鋼，下料后需對(duì)每根折流桿進(jìn)行矯直，要求直線度允差≤0.1mm。使用特制工裝加工折流環(huán)，車加工折流環(huán)的內(nèi)、外圓后鉆拉桿孔，拉桿孔之間弦長(zhǎng)誤差不超過±0.15mm。使用專用工裝進(jìn)行折流圈的組焊，組焊時(shí)利用折流環(huán)拉桿孔定位，按圖樣要求，將不銹鋼折流桿與折流環(huán)進(jìn)行焊接，折流圈的加工精度，如圖5所示。

圖5 折流圈的加工精度

管板管孔的排列形式為轉(zhuǎn)角正方形排列，孔中心間距為25mm。大管板與海水接觸面為鈦復(fù)合層，小管板與海水接觸面及小管板的外圓為鈦復(fù)合層，鈦復(fù)合層厚≥5mm，管板用數(shù)控鉆床進(jìn)行鉆孔，管孔直徑 ?19.2＋0.05mm，管孔表面粗糙度 Ra3.2 μm，管孔加工完畢后，再鉆8×?10.5拉桿螺桿孔。

管箱圓筒為鈦－碳鋼復(fù)合板，管箱其余與海水接觸部分的碳鋼接管、法蘭等進(jìn)行防腐襯膠。鈦－碳鋼復(fù)合板焊接接頭坡口，如圖6所示。鈦－鋼復(fù)合板施焊前進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，焊接工藝評(píng)定應(yīng)符合NB／T47014標(biāo)準(zhǔn)要求，坡口采用冷加工方法成形，坡口表面及兩側(cè)25mm的材料表面應(yīng)呈現(xiàn)金屬光澤，并進(jìn)行表面清理，去除油污、氮化物、氧化物、水及有機(jī)雜質(zhì)等，鈦焊絲和鈦層應(yīng)清理干凈，焊前嚴(yán)禁污染，不要用手觸摸焊接部位，否則應(yīng)重新進(jìn)行清理。焊前應(yīng)對(duì)焊接操作人員培訓(xùn)，經(jīng)考試合格后持證上崗。碳鋼焊縫焊接合格后才能焊接鈦層，鈦層焊接采用氬弧焊，選用鎢極氣體保護(hù)焊，氬氣的純度不低于99.99%，當(dāng)瓶裝氬氣壓力低于0.5MPa時(shí)應(yīng)更換氬氣瓶，鈦層焊縫表面應(yīng)呈銀白色。

圖6 復(fù)合板焊接坡口

對(duì)管箱其它部位進(jìn)行防腐襯膠，襯膠材料為丁基膠（HR），丁基膠是異丁烯和少量異戊二烯或丁二烯的共聚體，具有優(yōu)良的耐酸、堿、鹽水和大氣老化的特性。防腐襯膠符合GB18241.1《設(shè)備防腐襯里》標(biāo)準(zhǔn)要求，襯里方式：加熱硫化襯里（H）半硬膠（HB）。

管束組裝必須按工藝規(guī)程要求進(jìn)行，管板及管孔采用HS－50清洗液進(jìn)行清洗，清洗后用白綢布蘸酒精（95%）檢查管孔及管板，白綢布表面應(yīng)無任何污漬為合格。對(duì)折流圈、拉桿、定距管及六角螺母等進(jìn)行表面清理，去除油污、氧化物。將清理干凈的大、小管板、折流圈等零部件進(jìn)行組裝，組裝應(yīng)保證管板孔與折流圈相應(yīng)管孔同心，同軸度誤差≤0.12 mm。組裝合格后，用潔凈的塑料薄膜覆蓋管束，防止污染。組裝后的管束，如圖7所示。

圖7 組裝后的管束

檢驗(yàn)鈦管的外觀質(zhì)量，管材內(nèi)、外表面應(yīng)無裂紋、折疊、起皮、針孔等目視可見的缺陷，焊管焊縫處應(yīng)填充充分，圓滑過渡，管材表面允許有不超出外徑和壁厚允許偏差的凹坑、凸點(diǎn)。用白綢布擦拭管材表面應(yīng)潔凈不染色，否則應(yīng)對(duì)管材進(jìn)行清洗。鈦管應(yīng)具有材質(zhì)證明書和合格證，并經(jīng)渦流探傷和氣壓試驗(yàn)合格（供方進(jìn)行），標(biāo)識(shí)符合GB3625標(biāo)準(zhǔn)要求；對(duì)鈦管抽樣進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，并取樣管進(jìn)行壓扁試驗(yàn)、展平試驗(yàn)、擴(kuò)口試驗(yàn)，試驗(yàn)應(yīng)符合GB3625標(biāo)準(zhǔn)要求。

穿管前用白綢布蘸酒精檢查管板管孔，應(yīng)不染色無任何污漬，如有染色污漬則對(duì)所有管孔進(jìn)行再清洗，直至管孔清潔度符合要求。穿管時(shí)，必須保持管子表面的清潔度，工作人員應(yīng)穿戴潔凈的工作服和脫脂純滌綸手套，由三人分別持鈦管的兩端及中間，保持鈦管與相應(yīng)管孔同心平直。鈦管一端插裝引導(dǎo)器，用力平衡緩慢穿管。穿管時(shí)，從前管箱向后管箱進(jìn)行穿裝，嚴(yán)禁用蠻力或錘擊穿管。鈦管穿裝間隔期或鈦管穿裝完畢后，用潔凈的塑料薄膜完整覆蓋管束，防止污染。

管子管板脹接前對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，同時(shí)進(jìn)行模擬產(chǎn)品脹管試驗(yàn)，以確定鈦管脹管后的管壁減薄率。選用進(jìn)口數(shù)控象鼻子脹管器，脹管器尺寸為?19×0.5mm。試樣的材料、加工方法、管孔尺寸精度和表面粗糙度等與產(chǎn)品完全一致。試樣脹管分5組進(jìn)行編號(hào)，預(yù)選分組扭矩為9.0、10.0、11.0、12.0、13.0Nm 。按預(yù)選扭矩對(duì)試樣分組脹接，脹管后模擬產(chǎn)品試樣進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為1.5倍設(shè)計(jì)壓力，保壓時(shí)間不少于2h，檢查管子管板脹接接頭的密封性并作記錄。對(duì)預(yù)選扭矩試樣脹接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得每組接頭的拉脫載荷。對(duì)脹管工藝試驗(yàn)記錄進(jìn)行分析對(duì)比，當(dāng)試驗(yàn)拉脫載荷大于設(shè)計(jì)允許最大拉脫載荷［q］＝4MPa、水壓試驗(yàn)合格的條件下，選取管壁減薄率小的1組即k＝4%～5%、脹管扭矩為10Nm，作為脹接時(shí)脹管控制儀扭矩設(shè)定值。首先脹接進(jìn)水處管板，由于穿管時(shí)管子露出管板的長(zhǎng)度不一，因此必須調(diào)整管子露出管板長(zhǎng)度，將管子伸出量統(tǒng)一控制在0.3～0.5mm，以保證管子管板焊接質(zhì)量。后脹出水處管板，脹管前必須先切除管子余量，仔細(xì)清洗切管時(shí)帶來的污漬和金屬粉末等。脹管時(shí)脹頭插入管子，輕輕頂住象鼻頭再開始脹管。為防止脹接管板發(fā)生變形及換熱管受力不均，出水管板脹管分區(qū)由外周向中心脹接。脹接過程中隨時(shí)檢查脹桿和脹珠，如有損壞必須立即更換，每脹100～120根管子用HS－50清洗液對(duì)脹管器進(jìn)行冷卻和清洗。脹管過程中隨時(shí)用內(nèi)徑量表測(cè)量脹管內(nèi)徑，保持脹管后管壁的減薄率k＝4%～5%，杜絕出現(xiàn)過脹或欠脹現(xiàn)象。

脹管管壁減薄率用式（1）計(jì)算：

式（1）中：k —管壁減薄率100%；

d2—換熱管脹后內(nèi)徑mm；

d1—換熱管脹前內(nèi)徑mm；

b—管板管孔與換熱管徑向間隙mm；

δ—換熱管管壁厚度mm。

對(duì)進(jìn)水側(cè)已脹接完成的出水側(cè)相應(yīng)部分管頭進(jìn)行切管，切管器采用220V600W1 000r／min驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行切管，仔細(xì)調(diào)整切管器定距外套，確保換熱管露出管板0.3～0.5mm，保持刀尖鋒利，避免管口出現(xiàn)卷邊、毛刺、斜口現(xiàn)象，根據(jù)需要及時(shí)更換刀頭，操作時(shí)切管器要垂直頂在管板上，啟動(dòng)電鉆且緩慢加力前推電鉆，不得用猛力頂及上下左右晃動(dòng)電鉆。

鈦具有很高的化學(xué)活潑性，由于氣體等雜質(zhì)污染可引起焊接接頭脆化及其他焊縫缺陷，因此管口焊接必須嚴(yán)格執(zhí)行DL／T1097及相關(guān)的工藝規(guī)程，確保管口焊接質(zhì)量。凡參加施焊的焊工應(yīng)經(jīng)過理論和實(shí)際操作技能培訓(xùn)，并經(jīng)考核合格。管子管板自動(dòng)鎢極氬弧焊機(jī)的電弧特性穩(wěn)定，具有提前送氣、延時(shí)停氣、脈沖、非接觸引弧和電流衰減功能。氬氣純度應(yīng)不小于99.99%。管子管板焊接應(yīng)采取防風(fēng)和避免灰塵污染的措施。焊工應(yīng)穿戴潔凈的工作服和脫脂純滌綸手套。焊前應(yīng)先清除管板和脹管部分的雜物，然后用HS－50清洗液或濃度大于95%的酒精擦洗。管口清潔度以白綢布蘸酒精擦拭不染色為合格，加工及清洗完畢的管口嚴(yán)禁用手觸摸，暫時(shí)不焊的管口必須用潔凈的塑料薄膜覆蓋，以防污染。

管板管子焊接操作人員應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，焊機(jī)中心定位桿尺寸與脹后管孔內(nèi)徑間隙為0.1～0.12mm，確保在焊接過程中不晃動(dòng)，鎢極加工形狀、焊接接頭形式、鎢極的設(shè)置尺寸，如圖8所示。

圖8 焊接方法

安裝鎢極時(shí)，鎢極應(yīng)處于焊槍噴嘴的中心位置，不得偏斜。焊接時(shí)要經(jīng)常注意鎢棒尖端的形狀，如果鎢極尖端變圓，電弧的方向就會(huì)改變，焊縫就不圓滑，出毛邊，這時(shí)就應(yīng)更換鎢極。一側(cè)施焊另一側(cè)嚴(yán)禁脹管或切管操作，以保證焊接質(zhì)量，雙側(cè)施焊時(shí)，不得同時(shí)焊接一根鈦管。

管子管板的焊接參數(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2 管子管板焊接參數(shù)

管子管板焊接時(shí)起弧和收弧位置，如圖9所示。從11點(diǎn)（時(shí)鐘11點(diǎn)位）位置起弧，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)焊接一周后在12點(diǎn)位置開始衰減，在3點(diǎn)位置收弧，焊嘴自動(dòng)返回到11點(diǎn)起弧位置，準(zhǔn)備下道焊口的焊接。

圖9 管子管板的焊接位置

焊接時(shí)宜采用跳焊法，由下而上逐排焊接。焊縫表面應(yīng)均勻光滑、美觀。焊縫余高應(yīng)不大于0.5 mm，焊縫寬度為2～2.5mm。焊縫表面不允許有裂紋、氣孔、未熔合、焊偏等缺陷。焊縫表面呈銀白色，不允許出現(xiàn)紫色、藍(lán)色、灰色、金黃色等。對(duì)焊縫表面檢查合格后進(jìn)行著色檢驗(yàn)。

3 結(jié) 語

采用高效傳熱的折流桿換熱器設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)折流板換熱器相比，不僅消除了換熱管流體的誘導(dǎo)振動(dòng)，在等效情況下，換熱面積減少了18%，減輕了設(shè)備重量，節(jié)省了設(shè)備的投資費(fèi)用。