低壓給水加熱器U形換熱管彎曲半徑改制方案

聶玉清*

（上海核工程研究設計院有限公司）

0 引言

低壓給水加熱器（以下簡稱“低加”）是火力發電廠和核電二回路汽輪機余熱回收的關鍵設備。其一般為臥式表面凝結U 形管式，換熱管是整個設備的關鍵部件。設備制造時U 形管的穿管工序是關鍵，換熱管與管板以及折流板上的孔一一對應，若穿管過程中穿錯行或列，極有可能造成換熱管表面損傷而報廢。若出現以上情況，通常用預留的同一規格和同一彎曲半徑的換熱管（以下簡稱“備用管”）代替。

某壓力容器制造廠在生產650 MW 低加設備時，在穿管工序中，操作人員誤將彎曲半徑為R418 的換熱管當作R407 進行穿管裝配，造成6 根R418 換熱管報廢。但倉庫僅存1 支備用管，因此還缺少5 根R418 的換熱管。該換熱管參數可見表1。

表1 換熱管參數

為了利用剩余備用U 形換熱管改制成所需要的彎曲半徑R418 的換熱管，制定了U 形換熱管彎曲半徑改制方案，并對改制后的換熱管尺寸、性能等方面進行驗證。

1 方案制定

通過查看管束組裝現場，找出了換熱管穿錯行和備用管預留不足的原因：（1）換熱管供貨商原因，每支換熱管上都有爐批號、材質、規格、廠家商標等相關信息，但缺少換熱管彎曲半徑或管排號（每種彎曲半徑對應一個管排號）信息；（2）設備制造廠原因，重復相同的穿管工作，容易使穿管操作者思想不集中；每種彎曲半徑僅相差11 mm，穿管操作者僅用肉眼無法準確分辨每種彎曲半徑；U 型換熱管腿間距離可以自由調節，即使穿錯位置，也不能馬上發現。

為了解決換熱管缺少的問題，目前有2 種解決方案：（1）重新采購缺少的換熱管，但存在進度（采購周期較長）和成本的問題（采購數量少，價格較貴）；（2）只能利用預留的其它彎曲半徑的備管（除1 根R418 的備管可以直接使用外，還有50 支不同彎曲半徑的備管），彎制成R418 的換熱管，來解決缺少5 根換熱管的問題。

1.1 選擇合適換熱管

從U 形換熱管長度考慮，只能選擇彎曲半徑大于R418 的備管，其總長才能滿足要求。從換熱管彎曲半徑和變形率考慮，優先選擇彎曲半徑接近的備管。因此，選擇R429，R440，R451，R462，R473的U 形備管進行改制比較合適。

1.2 成型評定

由于U 型管在彎制過程中容易產生橢圓度、彎管外側壁厚減薄等現象，會影響彎管的使用壽命，因此需要判斷是否需要進行成型工藝評定。規范ASME VIII-1 沒有關于成型工藝評定的描述，因此可以借鑒RCC-M F4000 的規定，該標準規定，當變形量超過10%時，需要進行成型工藝評定。

由于客戶提供的換熱管彎曲部分已經完成消除應力熱處理（消除應力熱處理溫度為950～1 050 ℃），因此，只需要計算改制之后彎管的彎曲半徑變形率增量來判斷是否需要重新進行消除應力熱處理。

按 照ASME VIII-1 UG79 或RCC-M F4000 標 準規定，變形率為彎曲后的變形率與彎曲前的變形率之差：

式中：r——換熱管公稱外半徑，r=1/2×16=8 mm；

R1——換熱管改制之后中心線的公稱彎曲半徑；

R2——換熱管改制之前中心線的公稱彎曲半徑。

由以上公式可知，改制之后換熱管變形率增量計算結果可見表2，彎管變形率為0.05%～0.22%，彎管變形率都小于10%，換熱管彎曲半徑改制后不需要進行工藝評定。

表2 改制之后換熱管變形率增量

1.3 熱應力處理

U 型管在彎制過程中容易產生殘余應力，影響彎管的使用壽命，因此需要判斷是否需要對換熱管改制后彎曲部位進行熱處理來消除產生的殘余應力。

按照ASME VIII-1UHA44 規定，彎管變形率大于10%，才進行消除應力熱處理。根據表2 所示，彎管變形率為0.05%～0.22%，所以換熱管改制后，不需要進行熱應力消除處理。

1.4 換熱管彎曲半徑改制詳細方案

（1）準備待彎制的換熱管共5 支，即R429，R440，R451，R462，R473 的U 形備管以及規格為R418 的彎管模具。

（2）檢查工作平臺，工作平臺要求平整且無雜物，其長度和寬度要滿足彎管半徑管道的尺寸要求。

（3）在工作平臺上鋪一層塑料薄膜，在換熱管彎頭部位套一層塑料薄膜。

（4）把U 型管搬運到工作平臺上，取、放U 形管時必須帶上潔凈的手套。

（5）使用R418 的模具分別對5 根換熱管進行彎管操作。

（6）對U 形管兩腿距尺寸進行整形和處理。由于U 形管兩腿距尺寸偏大，則將導輪和調節壓輪分別置于U 形管內外側，手握連接桿順時針轉動調節壓輪往內側壓。每次變形量盡量小，壓完后檢查尺寸，如尺寸依舊偏大則重復本操作，圖1 a）為腿距偏大整形原理，圖1 b）為腿距偏大整形實物。

圖1 U形管兩腿距尺寸偏大整形圖

由于U 形管兩腿距尺寸偏小，則將調節壓輪和導輪分別置于U 形管內外側，手握連接桿逆時針轉動調節壓輪往外側壓。每次變形量應盡量小，壓完后檢查尺寸，如尺寸依舊偏小則重復本操作，U 形管兩腿距尺寸偏小整形原理可見圖2 。

圖2 U形管兩腿距尺寸偏小整形圖

（7）將直管段切割至圖紙尺寸。

2 結果驗證

對彎曲半徑改制后的換熱管進行外觀、尺寸等方面的檢驗；同時對彎曲部分的橢圓度和力學性能進行驗證，彎曲部分的橢圓度可以通過通球試驗驗證，彎曲部分的強度可以通過水壓試驗來驗證。

2.1 表面質量檢測

對5 根R418 換熱管彎曲部位及其有變形的部位進行外觀檢查，未發現表面有劃痕、碰傷或其他有害缺陷。對管道外表面進行100% 滲透檢測，檢測結果無任何超標顯示。使用內窺鏡對其內表面進行檢查也未發現劃痕等缺陷，表面檢查合格。

2.2 尺寸檢測

對5 根改制的R418 換熱管彎曲部分進行檢查，檢測位置可見圖3，其中圖3 a）為U 形換熱管縱向中心截面圖，圖3 b）為橫向截面圖。

圖3 換熱管彎曲部分檢測位置

選擇具有代表性的兩種彎曲半徑的換熱管（R429，R473），對其彎曲部位的外徑和壁厚進行測量，具體測量結果可見表3。

表3 換熱管彎曲部位檢測數據

（1）換熱管外徑和橢圓度

換熱管彎曲部分外徑判斷：按照ASME SA-688規定，彎曲部位外徑允許偏差為±10%，對于規格為16 mm×0.89 mm 的換熱管而言，外徑范圍為14.4 ～17.6 mm，從表3 的外徑數值來看，改制后的換熱管外徑符合要求。

ODmax——彎管部位測量的最大外徑；

ODmin——彎管部位測量的最小外徑；

OD——換熱管的名義直徑，即16 mm。

（2）彎管外弧側壁厚減薄

按照ASME SA—688 標準規定，U 型管彎曲部分的壁厚應不小于下式計算值：

T——規定的最小壁厚，mm；

R——中心線彎曲半徑，mm；

D——管道公稱外徑，mm。

2.3 通球檢測

通球檢測可以更加直觀地驗證橢圓度是否滿足要求，對改制成的R418 的5 根換熱管進行通球檢驗，檢驗用鋼球的直徑為內徑的0.75 倍（即10.67 mm），結果顯示，鋼球能順利地從一端進入經過彎管區域，并從另一端出來，說明其橢圓度滿足要求。

2.4 水壓試驗

按照ASME SA—688 標準的通用規定，對改制成的R418 的5 根U 形換熱管進行水壓試驗，壓力為7 MPa，水壓試驗需保持壓力5 s。試驗完成后，管道未變形且沒有任何泄漏，則驗證滿足要求。

3 結語

彎曲半徑R429、R440、R451、R462、R473 這5 支U 形換熱管改制成彎曲半徑R418 后，其表面質量、尺寸（包括外徑、橢圓度、彎管外弧側壁厚減?。?、通球和水壓試驗等都滿足標準和規范要求，設備問題得到了解決。

該改制方案成功應用，可為類似問題的處理提供了借鑒，即在某一彎曲半徑U 形換熱管備管不足的情況下，可以選擇尺寸相近且彎曲半徑稍大的U 形換熱管備用管進行改制。

另外，U 形換熱管彎曲半徑改制雖然可行，但還是會付出成本和時間代價。為了避免U 形換熱管改制，建議如下：（1）若有可能，特別是在國內采購的U 形換熱管，盡可能采用直管作為備管，并注意直管長度為最大彎曲半徑的展開長度并附加一定的余量，（2）標準或規范中通常不會強制規定每一根彎曲半徑的換熱管需要標出其彎曲半徑或管牌號，但為了避免設備制造廠穿管工序出錯，建議設備制造廠或工程公司在采購技術文件中標識章節加上額外規定“交貨的每一根U 形換熱管需要標出其彎曲半徑或管排號”。