管殼式換熱器管子與管板的貼脹

何寅劉聳 尹誦 白鶴峰 劉洋 陳會田

（浙江開山壓力容器有限公司）（江蘇雙良鍋爐有限公司）(浙江特富鍋爐有限公司）

管殼式換熱器管子與管板的貼脹

何寅*劉聳 尹誦 白鶴峰 劉洋 陳會田

（浙江開山壓力容器有限公司）（江蘇雙良鍋爐有限公司）(浙江特富鍋爐有限公司）

對管殼式換熱器管子與管板的貼脹工藝進行了分析。通過試驗的方法取得了貼脹脹管率的有效數據，確定了管子與管板貼脹時應該使用的脹管率。

換熱器 換熱管 貼脹 脹管率 試驗 焊接

0 前言

管殼式換熱器是一種熱交換裝置,管殼式換熱器其換熱管與管板一般采用強度脹接、焊接、貼脹加密封焊等方式連接。采用強度脹接時，為了保證強度脹接頭的脹接質量，根據《固定式壓力容器安全技術監察規程》和《管殼式換熱器》的有關要求，在進行脹管之前應該制定出脹接工藝規程，操作人員應按照脹接工藝規程進行脹管操作。

換熱管與管板的連接采用焊接連接時，需要進行焊接工藝評定。焊接工作應按照相應的焊接工藝進行。

如果換熱管與管板的連接采用貼脹加密封焊的方式[1]，其密封焊就應按照經焊接工藝評定后所制定的焊接工藝來進行。但是這種貼脹加密封焊的連接方式，所采用的貼脹工藝并沒有相關的標準作出嚴格的規定，一般認為只要進行了貼脹就可以了。在換熱器的使用過程中，有時會發生管板與管子連接接頭失效的情況，例如管板裂紋、管端焊縫開裂、管端沿管子方向的縱向裂紋和換熱管斷裂等。對這些接頭失效的原因，國內外許多專家都進行了認真的研究，作了大量的分析，認為產生失效的主要影響因素有下述幾個方面：換熱器的換熱環境，換熱介質進入連接接頭的情況，焊接應力，換熱器的運行情況，以及上述因素的綜合影響。分析這些情況可以發現，這些影響因素與貼脹的質量都有密切的關系。如果貼脹不夠緊密，換熱介質進入管孔與管子的間隙，以及發生結垢情況等，就會導致換熱環境惡劣，管板和管子金屬材料的組織結構發生變化，使金屬的機械性能下降，引起連接失效；如果貼脹不夠緊密，在管孔與管子的縫隙之間，由于換熱介質的進入，在化學腐蝕和電化學腐蝕以及其他綜合因素的作用下，也容易產生連接失效；貼脹時由于貼脹不到位，焊接應力也不會得到很好的釋放。在換熱管發生振動的情況下，振動產生的力直接作用在焊接接頭的焊縫部位，加上焊接接頭可能存在焊接缺陷，因而會造成連接接頭失效。由此可見，貼脹質量不好，就會造成換熱器的失效，甚至帶來安全隱患，給用戶造成經濟損失。

近年來，國內接受國外訂單的換熱器產品其數量和品種不斷增加，而按照ASME、JIS或PED等標準進行制造、檢驗的換熱器要求更加嚴格，從而對換熱管的貼脹也提出了更嚴格的要求。本文根據掌握的相關資料和在日常工作中積累的經驗，對換熱管與管板采用貼脹加密封焊連接方式的貼脹工作進行一些探討，以供從事換熱器制造和運行的相關人員參考。

1 貼脹的基本形式和貼脹的主要作用

貼脹的基本形式有下述幾項。

（1）光孔脹接加密封焊。

（2）光孔脹接加強度焊。

（3）特殊形式的貼脹（例如有密封槽等其他形式）。

貼脹的作用主要有下述幾項。

（1）消除換熱管與管孔之間的間隙。

（2）防止換熱介質進入換熱管與管孔之間的間隙結垢形成熱阻，導致局部產生高溫，造成換熱器管端的焊縫開裂。

（3）消除換熱管與管孔之間的間隙，加強換熱管與管板的連接強度，防止因管子振動而造成換熱器管端的焊縫開裂。

（4）管子在焊接前的定位。

（5）釋放管子與管板焊接后產生的焊接應力。

（6）有利于換熱介質的流動。

2 貼脹的方法和影響貼脹質量的因素

貼脹的方法主要有下述幾項。（1）機械脹接。（2）液壓脹接。（3）橡膠脹接。（4）爆炸脹接。

影響貼脹質量的因素主要有下述幾方面。

（1）管板孔的加工質量：孔徑的偏差，孔的圓柱度和表面粗糙度。

（2）換熱管的制造精度：直徑偏差，圓度，表面粗糙度。

（3）脹管前管孔和管子的清潔度。

（4）脹管器的選擇。

（5）脹管器的制造質量和精度。

（6）脹管設備是否良好，脹管扭矩的控制是否準確。

（7）脹管過程的質量控制。

（8）脹管率的確定。

（9）脹管和焊接操作的次序。

3 脹管質量的檢驗

（1）采用內徑控制法控制脹管質量時，采用內徑千分尺、內徑百分表或專用量具等對脹接質量進行檢驗。

（2）在產品制造質量不確定或對產品質量要求嚴格時，需要采用工藝評定的方法來確定產品貼脹的合適的脹管率。可以采用剖分的方法來觀察貼脹的質量。對重要產品，必要時應進行拉脫試驗，以確保貼脹質量。

4 貼脹試驗

為提高換熱器的制造質量，確定貼脹脹管率的有效范圍，對換熱器進行了貼脹工藝試驗，其脹接采用機械脹的方法進行。工藝試驗的過程如下。

（1）材料確定

根據我公司目前產品的情況，脹接試驗的管子規格（直徑×壁厚）和管板材料分為兩組，分別為：①管子?15.88×2，管子材料為20；管板材料為Q345R。②管子?19.05×2，管子材料為20；管板材料為Q345R。

（2）準備工作

①按工藝圖紙制作試件（見圖1）。

圖1 脹接試件

②試件制作完成，將管子和管板清理干凈，測量管板孔內徑、管子的外徑、管子的內徑和管子壁厚，并記錄在記錄表上。同時將管子組對好，并點固焊。

③編制好孔位編號，并打好標記鋼印。

④準備好脹管器，將其清理干凈并加油。

（3）脹接過程的控制

①認真學習脹管機的使用說明書。脹管機空載試運轉，確認脹管機運行正常。試調節扭矩。

②記錄脹管時的氣壓值（觀察驅動氣源處的壓力表，風壓最好在0.6～0.8 MPa）。

③使用電動脹管機時電網的電壓應保持穩定。

④正確選擇脹管器和脹管油。

⑤經過試脹，確定初始扭矩。

⑥做好脹管記錄。

5 管子脹管率的計算

5.1 壁厚減薄率

式中 d11——換熱管脹前內徑，mm；

d12——換熱管脹后內徑，mm；

δ——換熱管脹前管壁厚度，mm；

b——脹管前換熱管與管板孔的間隙，mm；

D——管板孔實測內徑，mm；

dw——換熱管脹接前的外徑，mm。

5.2 脹管率（《鍋規》內徑控制法）[2]

式中 Hn——脹管率；

d1——脹完后管子實測內徑，mm；

t——未脹時管子的實測壁厚，mm；

d——未脹時管孔的實測直徑，mm。

6 試驗結果

經過認真的準備，我們進行了脹管試驗，試驗結果如表1～表4所示。

表1 管子規格?15.88×2、管子材料20時試驗數據（脹管率采用壁厚減薄率計算）

表2 管子規格?15.88×2、管子材料20時試驗數據（脹管率采用《鍋規》內徑控制法計算）

表3 管子規格?19.05×2、管子材料20時試驗數據（脹管率采用壁厚減薄率計算）

表1所示為管子規格?15.88×2、管子材料20、管板材料Q345R時，試件中具有代表性的數據，脹管率采用壁厚減薄率方法計算。表2的試件

與表1相同，脹管率采用《鍋規》內徑控制法計算。表3、表4試件相同，脹管率計算方法不同。

表4 管子規格?19.05×2、管子材料20時試驗數據（脹管率采用《鍋規》內徑控制法計算）

圖2-1 脹管試件1

圖2-2 脹管試件2

圖2-3 脹管試件3

圖2-4 脹管試件4

圖2-5 脹管試件5

圖2-6 脹管試件6

圖2-7 脹管試件7

圖2-8 脹管試件8

圖2-9 脹管試件9

圖2-10 脹管試件10

7 結論

根據公司目前的產品和使用的脹管器，我們對貼脹過程進行了試驗，并取得了貼脹脹管率的有效數據。碳鋼或不銹鋼產品貼脹的內徑減薄率一般應控制在1%～5%之間。碳鋼或不銹鋼產品采用《鍋規》的內徑控制法，其貼脹的脹管率一般應控制在0.1%～0.3%之間。經過試驗，得到了貼脹脹管率有效數據，這對提高我公司產品的質量，完善質保手冊中的相關內容均起到了積極作用。

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 151管殼式換熱器[S].

[2]國家質量監督檢驗檢疫總局.TSG G0001-2012鍋爐安全技術監察規程[S].

多相反應與分離集成技術升級

南京大學化工學院開發出自主技術多相反應與分離集成強化系統，這一成果以“1+1+1”集成為特色，對傳統工藝和設備進行重大創新，標志著我國化工反應與分離集成強化技術取得重大突破。

南大化學化工學院2002年就開始進行以多相反應與分離集成強化系統為目標的研發。10余年來，項目組先后開發成功氣液噴射強化反應器、液-液強制混合反應器、超級浮閥塔板SVT、氣液固強化反應-分離集成系統等關鍵技術和設備，并已分別應用于國內70余家各類企業的過程工業之中，大幅度提高了多相反應與分離過程的效率和能源資源利用率。這些單項或組合技術在生產企業的應用，產生了300多億元的工業產值。該項目部分核心技術已獲30項發明專利授權，其中美歐等國際專利8項。該項目還曾獲2010年中國石油和化學工業聯合會科技進步一等獎、2011年國家科技進步二等獎。

2013年，該院在總結前10年成果基礎上，推出以“1+1+1”為內涵的升級版多相反應與分離集成強化系統，通過疊加效應，創新反應器和分離器結構，實現工藝和關鍵設備的強化及效率最優化。所謂“1+1+1”，第一個“1”是指研發了多相反應器強化技術，通過氣液噴射強化反應器、液-液強制混合反應器和氣液固強化反應器等，實現對不同類型的多相化學反應過程的高效強化，縮短反應時間，提高反應轉化率及物效、能效水平；第二個“1”是研發了以超級浮閥塔板(SVT)為代表、高效節能的塔器分離裝備，實現真正意義上的超大通量、超高效率、超寬操作彈性和低能耗的目標，目前國內外尚未有任何分離塔板的綜合性能可與SVT媲美；第三個“1”是系統進行流股、能量和設備的集成強化，綜合分析反應單元、分離單元與其他單元的流股特點、能量特征和設備結構等，提出單元流股、能量和設備參數的優化配置方案與控制策略，實現全過程的節料、節水、節能與效率最大化。南大化工學院表示，集成強化系統中每一個技術點都是強化的，做到了小裝置、大能力。目前該技術正與有關企業積極合作，有望推廣至更大規模的二甲苯氧化生產以及高碳烴類的加氫過程。(錢伯章)

國內首套乙烯壓縮機國產化項目順利完成

2014年10月，天津石化“百萬噸乙烯工程裂解氣壓縮機組”、“大型四列迷宮壓縮機組國產化”項目通過中石化集團公司鑒定。至此，國內首套完全自主研發、設計、制造的乙烯壓縮機國產化項目畫上圓滿句號。“百萬噸級大型乙烯裝置用裂解氣壓縮機組研制”項目是中石化實現區域化、一體化、大型化、專業化發展戰略部署的重點工程，也是國家的重點建設項目，其裝備國產化具有非同尋常的意義。為落實該項目，2007年中石化與沈陽鼓風機集團公司簽訂供貨合同，采用由沈鼓集團自主研制的國產化百萬噸乙烯裝置用裂解氣壓縮機。

裂解氣壓縮機與丙烯壓縮機、乙烯壓縮機并稱乙烯“三機”，是乙烯裝置的“心臟”。目前，世界上乙烯裝置用大型壓縮機組的供應商主要有GE、西門子、三菱重工、荏原等跨國公司。在沈鼓生產大型乙烯裝置用壓縮機前，國內石化企業的近20套大型乙烯裝置用壓縮機全部從國外進口，百萬噸級大型壓縮機組更是空白。(金楓)

The Light Expansion Joint of Tube and Tube Plate of the Tubular Heat Exchanger

He Yin Liu Song Yin Song Bai Hefeng Liu Yang Chen Huitian

The light expansion joint of tube and tube plate of the tubular heat exchanger was analyzed.The effective data of expansion rate of the light expansion joint was obtained by tests,thus the expansion rate to be used in the tube-to-tube plate expanding was determined.

Heat exchanger;Heat exchange tube;Light expansion joint;Tube expansion rate;Test;Welding

TQ 051.5

2014-06-22）

*何寅，男，1986年生，助理工程師。衢州市，324000。