大型列管式干燥機換熱管與管板的連接方式探討

劉同增

(山東軍輝建設集團有限公司，山東 肥城 271602)

大型列管式干燥機換熱管與管板的連接方式探討

劉同增

(山東軍輝建設集團有限公司，山東 肥城 271602)

本文介紹了大型列管式干燥機的結構、工作原理，對干燥機管板與換熱管連接進行技術分析，闡述了設備制造過程關鍵技術和質量保證措施。

干燥機；管板；換熱管；技術分析；關鍵技術；質量；措施

1 概述

大型列管式干燥機是一種應用較成熟的干燥設備，廣泛應用于發酵、淀粉、化工、輕工、食品和糧食、飼料、釀酒、酒精等行業物料的干燥。目前大型列管式干燥機面積可達2000 m2,總重250t，僅轉子就達150t。干燥機主要有以下幾部分組成：(1)轉子，此為干燥機的核心部件，由管束(換熱管和管板)、進氣封頭、排氣封頭、軸承及軸承座、刮板裝置；(2)殼體(干燥室)；(3)進、排氣裝置，由旋轉接頭、進、排氣管、旋轉接頭、金屬軟管、疏水閥等組成；(4)主傳動系統，由主電機、減速系統組成(標準減速器和齒輪減速二級)；(5)進出料裝置；(6)抽氣集塵系統。其工作原理是主傳動系統帶動轉子旋轉，蒸汽從封頭軸中心孔進入封頭，再分配到換熱管中，冷凝水從另一側封頭的空心軸孔通過旋轉接頭、金屬軟管、疏水閥排出。物料由螺旋輸送機送入干燥室，被刮板抄起，在換熱管中穿行，通過與換熱管的接觸達到換熱的目的，同時物料在刮板的翻炒下逐漸被推向出料口，最后有出料口排出，完成干燥過程，干燥過程中產生的蒸汽由抽氣集塵系統排出干燥室外。其優點是物料在換熱管間穿行，換熱效果好、干燥均勻、處理量大、水分蒸發量大，物料干燥彈性大(能視不同的物料性質及水分要求對干燥時間進行調整)可連續生產(自動化程度高)，亦可間隙操作(適合于特殊生產工藝)； 物料在呈負壓狀態的封閉內腔被干燥，作業環境清潔，無污染，噪音小。缺點是粘管后不易清理，不適合粘度較大的物料。

列管式換熱器換熱管與管板的連接一般有以下種連接方式：(1)強度脹接；(2)強度焊接；(3)脹焊并用，分為強度焊加貼脹和強度脹加密封焊。列管式干燥機轉子管板采用低合金鋼鍛件，換熱管選用高壓無縫鋼管，管板和∮51×3的換熱管采用強度焊加貼脹方式連接，最高工作壓力0.7MPa，最高工作溫度164℃，對于一般換熱器采用以上連接方式，完全可以滿足密封強度要求，但對于旋轉的干燥機轉子，由于受力情況比較復雜，密封強度滿足有一定困難。

2 干燥機轉子換熱管接頭所承受載荷

運行中的干燥機轉子換熱管接頭所承受載荷主要有以下幾種載荷附加而成：

2.1 重力狀態下的拉伸和壓縮載荷

自然狀態下列管式干燥機管束處于自然下垂狀態，管束的上側換熱管處于受壓狀態，下側換熱管處于拉伸狀態，隨著干燥機的轉動換熱管始終處于拉壓的交變載荷的作用下。

2.2 旋轉過程中轉子所承受的扭矩，使換熱管附加一個拉伸載荷

同時在工作中，主動端封頭通過管板和換熱管帶動從動端管板和封頭，換熱管特別是外側換熱管又附加了一個拉伸載荷。物料進出干燥室的均勻性、物料的干濕度以及運行中的振動也會對載荷產生影響。

2.3 運行過程中，干燥機的熱脹冷縮導致轉子軸向位移，使換熱管接頭附加拉伸或壓縮載荷

大型干燥機管束部分在工作時受熱伸長量△L=12×10-6×[164-(-5)]×7000=14.2 mm，再考慮兩封頭的受熱膨脹(參照換熱管估算伸長量2.6 mm)，總伸長不會低于17mm。干燥機轉子運轉時兩側封頭上的空心軸靠兩端軸承支撐：主動端為固定軸承，從動端可以自由游動、補償熱膨脹。在干燥機開機和停機加熱，使用中蒸汽壓力和溫度的波動，都會使管子和封頭熱脹冷縮從而推動干燥機從動端游動，使換熱管接頭附加了拉伸或壓縮載荷。

2.4 制造原因附加在換熱管管接頭上的內應力

管接頭的焊接和脹接以及施工順序使管接頭產生附加的內應力。

由于各種載荷的附加，使管接頭承受了復雜的交變載荷。對于小型干燥機由于其重量、長度和直徑較小，換熱管所受的載荷相對較小，在相同制造條件下出現問題的可能性較小，而對于大型干燥機換熱管，尤其是外側換熱管在交變載荷下經常會出現換熱管焊接接頭開裂或換熱管管孔內部分被拉裂的問題。

因此，要保證干燥機使用的可靠性，首先必須保證管板和換熱管的材料質量，換熱管的材料硬度應低于管板的硬度外，還必須保證管孔加工和管接頭焊接和脹接質量的穩定。針對干燥機使用中換熱管管接頭出現的問題，公司組織設計、工藝、制造、設備和質量等有關部門人員進行分析討論。

3 分析造成制造質量不穩定的原因

(1)管孔加工質量有問題，管孔直徑超差，管孔與管板端面的垂直度超差，管孔內表面粗糙度不符合要求，都會對換熱管的脹接質量、換熱管的拉脫力有影響；

(2)雖然采用電動脹管機進行脹接，但由于車間內其他大型設備的使用，造成車間內電壓不穩，脹接質量穩定性無法保證；

(3)強度焊加貼脹順序不利于質量控制，因為采用先焊后脹，焊接后會造成換熱管管壁與管板管孔間隙不均勻，出現偏脹現象；另外換熱管管頭未除銹，管板與管子焊接處未清理，氬氣純度不夠，焊接時出現氣孔等；

(4)由于主從動軸不同心，使設備運轉不平穩，從而使管接頭承受額外的載荷變動，增大了接頭開裂或換熱管被拉裂的可能性。

換熱管與管板的連接方式“貼脹+密封焊+強度脹”制定工藝方案，先通過貼脹消除管子與管孔的間隙，再用密封焊增加密封的可靠性，最后通過強度脹滿足管子的拉脫力要求。針對換熱管與管板的連接方式及強度問題，成立攻關小組，進行工藝驗證，確定合理脹接和焊接工藝參數。

4 換熱管與管板的連接質量測定

需要驗證的工藝參數：脹管機控制儀控制電流、貼脹脹緊度(管子壁厚減薄率表示：Ks=0～1%)、強度脹脹緊度(管子壁厚減薄率表示：Ks=6%～7%)、管子拉脫力。密封焊焊接工藝參數按已評定合格的焊接工藝評定，不再進行參數驗證。

4.1 準備

4.1.1 測量器具

內徑千分尺、游標卡尺、直尺等。

4.1.2 試件

制作三組工藝試件，每組五件(第三組為備用，根據試驗情況調整)。

試件質量要求：材質符合圖紙要求，管孔加工精度和粗糙度符合GB151中Ⅰ級管束管板管孔要求[3]，分別測量試件管孔尺寸和配對管子壁厚及管徑并作好記錄。

4.1.3 設備及工具

電動脹管機、脹管機控制儀、穩壓器、脹管器、萬向節、扳手、拉伸試驗機等。

4.2 貼脹脹緊度試驗

(1)根據經驗先預定控制儀控制電流對第一組進行試脹。然后，對試樣進行比較性檢查，檢查脹口部分是否有裂紋，脹接過渡部分是否有突變，檢查管板管孔與管子外壁的接觸表面的印痕和嚙合狀況。對貼脹后的管子內孔進行測量，并根據原測數據進行貼脹脹緊度計算。

(2)進行拉脫力試驗，拉脫力q不小于1MPa為合格[1]。

(3)根據拉脫力試驗結果和脹度測量計算結果確定貼脹時控制儀控制電流。

4.3 強度脹脹緊度試驗

(1)先根據確定的貼脹控制電流對第二組試件進行貼脹，再根據經驗確定脹管控制儀電流進行強度脹(注意控制電流益選小值，根據脹接情況逐漸增大)。隨時對脹后試樣進行比較性檢查，檢查脹口部分是否有裂紋，脹接過渡部分是否有突變，檢查管板管孔與管子外壁的接觸表面的印痕和嚙合狀況。對貼脹后的管子內孔進行測量，并根據原測數據進行強度脹脹緊度計算，根據計算結果及時調整脹接控制電流。

(2)進行拉脫力試驗，拉脫力q不小于4MPa為合格[1]。

(3)根據拉脫力試驗結果和脹度測量計算結果確定強度脹時控制儀控制電流。

4.4 試驗中發現的問題及最終方案確定

根據試驗結果確定了貼脹和強度脹時脹管機控制儀的控制電流。在對管子強度脹接后測量時發現管子長度增加了3～5 mm，原因是由于管子壁厚減薄使管子長度增加。結合干燥機管束的安裝制造工藝，貼脹后進行密封焊，使管子強度脹時的伸長量只能在兩管板之間，由于兩管板間距已固定，管子的伸長勢必造成管板的平行度出現問題。為此為了防止密封焊對管子伸長方向的限制，將換熱管與管板的連接方式調整為“貼脹+強度脹+密封焊”的方案，即按擬定的工藝順序完成一側管板與換熱管的“貼脹+強度脹+密封焊”，再次檢查并調整兩管板的平行度，進行另一側管板與換熱管的“貼脹+強度脹+密封焊”。

5 方案實施及結論

根據擬定的換熱管與管板的連接方式，重新修定了干燥機的制作工藝，對管板管孔加工要求、換熱管壁厚及貼脹、強度脹、密封焊順序做了嚴格要求。脹管前和脹管后對脹管器進行檢查，保證脹管器完好，規定每只脹管器的脹管數量，達到后必須及時更換。脹管時必須使用穩壓器保證脹管儀輸入電壓穩定，從而保證輸出轉矩的穩定，必須一次脹接完成，盡量避免兩次以上對同一管頭重復脹接，特別是外側管頭。脹管后必須逐根對管頭進行檢查，檢查脹口部分是否有裂紋，脹接過渡部分是否有突變等。對于主從動軸同心問題另外采取方案解決。在制造過程中有設計和工藝人員進行技術交底并跟班指導監督，專職檢驗員全程監檢，對工序質量嚴格控制，嚴禁違章野蠻操作，有效避免了不合格問題的出現，保證了干燥機的制作質量。

[1] 國家質量技術監督局.壓力容器安全技術監察規程1999版[S].北京:中國標準出版社,2000.

[2] 國家質量技術監督局.GB 150-1998 鋼制壓力容器[S].北京:中國標準出版社,1998.

[3] 國家質量技術監督局.GB 151-1999 管殼式換熱器[S].北京:中國標準出版社,2004.

[4] 金國淼.化工設備設計全書—干燥設備設計[M].上海:上海科學技術出版社,1986.

[5] 毛希瀾.化工設備設計全書—換熱器設計[M].上海:上海科學技術出版社,1988.

(本文文獻格式：劉同增.大型列管式干燥機換熱管與管板的連接方式探討[J].山東化工,2017,46(7):138-139.)

2017-02-21

劉同增(1965—)，男，山東肥城人，工程師，主要從事化工相關機械設備的工藝與技術工作。

TQ051.8

B

1008-021X(2017)07-0138-02