何寅劉聳 尹誦 白鶴峰 劉洋 陳會(huì)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(huì)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(duì)管殼式換熱器管子與管板的貼脹工藝進(jìn)行了分析。通過(guò)試驗(yàn)的方法取得了貼脹脹管率的有效數(shù)據(jù)，確定了管子與管板貼脹時(shí)應(yīng)該使用的脹管率。

換熱器 換熱管 貼脹 脹管率 試驗(yàn) 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(qiáng)度脹接、焊接、貼脹加密封焊等方式連接。采用強(qiáng)度脹接時(shí)，為了保證強(qiáng)度脹接頭的脹接質(zhì)量，根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和《管殼式換熱器》的有關(guān)要求，在進(jìn)行脹管之前應(yīng)該制定出脹接工藝規(guī)程，操作人員應(yīng)按照脹接工藝規(guī)程進(jìn)行脹管操作。

換熱管與管板的連接采用焊接連接時(shí)，需要進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。焊接工作應(yīng)按照相應(yīng)的焊接工藝進(jìn)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(yīng)按照經(jīng)焊接工藝評(píng)定后所制定的焊接工藝來(lái)進(jìn)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(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)作出嚴(yán)格的規(guī)定，一般認(rèn)為只要進(jìn)行了貼脹就可以了。在換熱器的使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)發(fā)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(duì)這些接頭失效的原因，國(guó)內(nèi)外許多專家都進(jìn)行了認(rèn)真的研究，作了大量的分析，認(rèn)為產(chǎn)生失效的主要影響因素有下述幾個(gè)方面：換熱器的換熱環(huán)境，換熱介質(zhì)進(jìn)入連接接頭的情況，焊接應(yīng)力，換熱器的運(yùn)行情況，以及上述因素的綜合影響。分析這些情況可以發(fā)現(xiàn)，這些影響因素與貼脹的質(zhì)量都有密切的關(guān)系。如果貼脹不夠緊密，換熱介質(zhì)進(jìn)入管孔與管子的間隙，以及發(fā)生結(jié)垢情況等，就會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱環(huán)境惡劣，管板和管子金屬材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使金屬的機(jī)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(zhì)的進(jìn)入，在化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕以及其他綜合因素的作用下，也容易產(chǎn)生連接失效；貼脹時(shí)由于貼脹不到位，焊接應(yīng)力也不會(huì)得到很好的釋放。在換熱管發(fā)生振動(dòng)的情況下，振動(dòng)產(chǎn)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(huì)造成連接接頭失效。由此可見(jiàn)，貼脹質(zhì)量不好，就會(huì)造成換熱器的失效，甚至帶來(lái)安全隱患，給用戶造成經(jīng)濟(jì)損失。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)接受國(guó)外訂單的換熱器產(chǎn)品其數(shù)量和品種不斷增加，而按照ASME、JIS或PED等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造、檢驗(yàn)的換熱器要求更加嚴(yán)格，從而對(duì)換熱管的貼脹也提出了更嚴(yán)格的要求。本文根據(jù)掌握的相關(guān)資料和在日常工作中積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)換熱管與管板采用貼脹加密封焊連接方式的貼脹工作進(jìn)行一些探討，以供從事?lián)Q熱器制造和運(yùn)行的相關(guān)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(xiàng)。

（1）光孔脹接加密封焊。

（2）光孔脹接加強(qiáng)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(xiàng)。

（1）消除換熱管與管孔之間的間隙。

（2）防止換熱介質(zhì)進(jìn)入換熱管與管孔之間的間隙結(jié)垢形成熱阻，導(dǎo)致局部產(chǎn)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(qiáng)換熱管與管板的連接強(qiáng)度，防止因管子振動(dòng)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(chǎn)生的焊接應(yīng)力。

（6）有利于換熱介質(zhì)的流動(dòng)。

2 貼脹的方法和影響貼脹質(zhì)量的因素

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

影響貼脹質(zhì)量的因素主要有下述幾方面。

（1）管板孔的加工質(zhì)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(zhì)量和精度。

（6）脹管設(shè)備是否良好，脹管扭矩的控制是否準(zhǔn)確。

（7）脹管過(guò)程的質(zhì)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(zhì)量的檢驗(yàn)

（1）采用內(nèi)徑控制法控制脹管質(zhì)量時(shí)，采用內(nèi)徑千分尺、內(nèi)徑百分表或?qū)Ｓ昧烤叩葘?duì)脹接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。

（2）在產(chǎn)品制造質(zhì)量不確定或?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量要求嚴(yán)格時(shí)，需要采用工藝評(píng)定的方法來(lái)確定產(chǎn)品貼脹的合適的脹管率?？梢圆捎闷史值姆椒▉?lái)觀察貼脹的質(zhì)量。對(duì)重要產(chǎn)品，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行拉脫試驗(yàn)，以確保貼脹質(zhì)量。

4 貼脹試驗(yàn)

為提高換熱器的制造質(zhì)量，確定貼脹脹管率的有效范圍，對(duì)換熱器進(jìn)行了貼脹工藝試驗(yàn)，其脹接采用機(jī)械脹的方法進(jìn)行。工藝試驗(yàn)的過(guò)程如下。

（1）材料確定

根據(jù)我公司目前產(chǎn)品的情況，脹接試驗(yàn)的管子規(guī)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(zhǔn)備工作

①按工藝圖紙制作試件（見(jiàn)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(cè)量管板孔內(nèi)徑、管子的外徑、管子的內(nèi)徑和管子壁厚，并記錄在記錄表上。同時(shí)將管子組對(duì)好，并點(diǎn)固焊。

③編制好孔位編號(hào)，并打好標(biāo)記鋼印。

④準(zhǔn)備好脹管器，將其清理干凈并加油。

（3）脹接過(guò)程的控制

①認(rèn)真學(xué)習(xí)脹管機(jī)的使用說(shuō)明書。脹管機(jī)空載試運(yùn)轉(zhuǎn)，確認(rèn)脹管機(jī)運(yùn)行正常。試調(diào)節(jié)扭矩。

②記錄脹管時(shí)的氣壓值（觀察驅(qū)動(dòng)氣源處的壓力表，風(fēng)壓最好在0.6～0.8 MPa）。

③使用電動(dòng)脹管機(jī)時(shí)電網(wǎng)的電壓應(yīng)保持穩(wěn)定。

④正確選擇脹管器和脹管油。

⑤經(jīng)過(guò)試脹，確定初始扭矩。

⑥做好脹管記錄。

5 管子脹管率的計(jì)算

5.1 壁厚減薄率

式中 d11——換熱管脹前內(nèi)徑，mm；

d12——換熱管脹后內(nèi)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(shí)測(cè)內(nèi)徑，mm；

dw——換熱管脹接前的外徑，mm。

5.2 脹管率（《鍋規(guī)》內(nèi)徑控制法）[2]

式中 Hn——脹管率；

d1——脹完后管子實(shí)測(cè)內(nèi)徑，mm；

t——未脹時(shí)管子的實(shí)測(cè)壁厚，mm；

d——未脹時(shí)管孔的實(shí)測(cè)直徑，mm。

6 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)認(rèn)真的準(zhǔn)備，我們進(jìn)行了脹管試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1～表4所示。

表1 管子規(guī)格?15.88×2、管子材料20時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（脹管率采用壁厚減薄率計(jì)算）

表2 管子規(guī)格?15.88×2、管子材料20時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（脹管率采用《鍋規(guī)》內(nèi)徑控制法計(jì)算）

表3 管子規(guī)格?19.05×2、管子材料20時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（脹管率采用壁厚減薄率計(jì)算）

表1所示為管子規(guī)格?15.88×2、管子材料20、管板材料Q345R時(shí)，試件中具有代表性的數(shù)據(jù)，脹管率采用壁厚減薄率方法計(jì)算。表2的試件

與表1相同，脹管率采用《鍋規(guī)》內(nèi)徑控制法計(jì)算。表3、表4試件相同，脹管率計(jì)算方法不同。

表4 管子規(guī)格?19.05×2、管子材料20時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（脹管率采用《鍋規(guī)》內(nèi)徑控制法計(jì)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(jié)論

根據(jù)公司目前的產(chǎn)品和使用的脹管器，我們對(duì)貼脹過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)，并取得了貼脹脹管率的有效數(shù)據(jù)。碳鋼或不銹鋼產(chǎn)品貼脹的內(nèi)徑減薄率一般應(yīng)控制在1%～5%之間。碳鋼或不銹鋼產(chǎn)品采用《鍋規(guī)》的內(nèi)徑控制法，其貼脹的脹管率一般應(yīng)控制在0.1%～0.3%之間。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，得到了貼脹脹管率有效數(shù)據(jù)，這對(duì)提高我公司產(chǎn)品的質(zhì)量，完善質(zhì)保手冊(cè)中的相關(guān)內(nèi)容均起到了積極作用。

[1]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 151管殼式換熱器[S].

[2]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.TSG G0001-2012鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

多相反應(yīng)與分離集成技術(shù)升級(jí)

南京大學(xué)化工學(xué)院開發(fā)出自主技術(shù)多相反應(yīng)與分離集成強(qiáng)化系統(tǒng)，這一成果以“1+1+1”集成為特色，對(duì)傳統(tǒng)工藝和設(shè)備進(jìn)行重大創(chuàng)新，標(biāo)志著我國(guó)化工反應(yīng)與分離集成強(qiáng)化技術(shù)取得重大突破。

南大化學(xué)化工學(xué)院2002年就開始進(jìn)行以多相反應(yīng)與分離集成強(qiáng)化系統(tǒng)為目標(biāo)的研發(fā)。10余年來(lái)，項(xiàng)目組先后開發(fā)成功氣液噴射強(qiáng)化反應(yīng)器、液-液強(qiáng)制混合反應(yīng)器、超級(jí)浮閥塔板SVT、氣液固強(qiáng)化反應(yīng)-分離集成系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，并已分別應(yīng)用于國(guó)內(nèi)70余家各類企業(yè)的過(guò)程工業(yè)之中，大幅度提高了多相反應(yīng)與分離過(guò)程的效率和能源資源利用率。這些單項(xiàng)或組合技術(shù)在生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用，產(chǎn)生了300多億元的工業(yè)產(chǎn)值。該項(xiàng)目部分核心技術(shù)已獲30項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)，其中美歐等國(guó)際專利8項(xiàng)。該項(xiàng)目還曾獲2010年中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、2011年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

2013年，該院在總結(jié)前10年成果基礎(chǔ)上，推出以“1+1+1”為內(nèi)涵的升級(jí)版多相反應(yīng)與分離集成強(qiáng)化系統(tǒng)，通過(guò)疊加效應(yīng)，創(chuàng)新反應(yīng)器和分離器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工藝和關(guān)鍵設(shè)備的強(qiáng)化及效率最優(yōu)化。所謂“1+1+1”，第一個(gè)“1”是指研發(fā)了多相反應(yīng)器強(qiáng)化技術(shù)，通過(guò)氣液噴射強(qiáng)化反應(yīng)器、液-液強(qiáng)制混合反應(yīng)器和氣液固強(qiáng)化反應(yīng)器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型的多相化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的高效強(qiáng)化，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及物效、能效水平；第二個(gè)“1”是研發(fā)了以超級(jí)浮閥塔板(SVT)為代表、高效節(jié)能的塔器分離裝備，實(shí)現(xiàn)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(biāo)，目前國(guó)內(nèi)外尚未有任何分離塔板的綜合性能可與SVT媲美；第三個(gè)“1”是系統(tǒng)進(jìn)行流股、能量和設(shè)備的集成強(qiáng)化，綜合分析反應(yīng)單元、分離單元與其他單元的流股特點(diǎn)、能量特征和設(shè)備結(jié)構(gòu)等，提出單元流股、能量和設(shè)備參數(shù)的優(yōu)化配置方案與控制策略，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的節(jié)料、節(jié)水、節(jié)能與效率最大化。南大化工學(xué)院表示，集成強(qiáng)化系統(tǒng)中每一個(gè)技術(shù)點(diǎn)都是強(qiáng)化的，做到了小裝置、大能力。目前該技術(shù)正與有關(guān)企業(yè)積極合作，有望推廣至更大規(guī)模的二甲苯氧化生產(chǎn)以及高碳烴類的加氫過(guò)程。(錢伯章)

國(guó)內(nèi)首套乙烯壓縮機(jī)國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目順利完成

2014年10月，天津石化“百萬(wàn)噸乙烯工程裂解氣壓縮機(jī)組”、“大型四列迷宮壓縮機(jī)組國(guó)產(chǎn)化”項(xiàng)目通過(guò)中石化集團(tuán)公司鑒定。至此，國(guó)內(nèi)首套完全自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造的乙烯壓縮機(jī)國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目畫上圓滿句號(hào)?！鞍偃f(wàn)噸級(jí)大型乙烯裝置用裂解氣壓縮機(jī)組研制”項(xiàng)目是中石化實(shí)現(xiàn)區(qū)域化、一體化、大型化、專業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略部署的重點(diǎn)工程，也是國(guó)家的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，其裝備國(guó)產(chǎn)化具有非同尋常的意義。為落實(shí)該項(xiàng)目，2007年中石化與沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)公司簽訂供貨合同，采用由沈鼓集團(tuán)自主研制的國(guó)產(chǎn)化百萬(wàn)噸乙烯裝置用裂解氣壓縮機(jī)。

裂解氣壓縮機(jī)與丙烯壓縮機(jī)、乙烯壓縮機(jī)并稱乙烯“三機(jī)”，是乙烯裝置的“心臟”。目前，世界上乙烯裝置用大型壓縮機(jī)組的供應(yīng)商主要有GE、西門子、三菱重工、荏原等跨國(guó)公司。在沈鼓生產(chǎn)大型乙烯裝置用壓縮機(jī)前，國(guó)內(nèi)石化企業(yè)的近20套大型乙烯裝置用壓縮機(jī)全部從國(guó)外進(jìn)口，百萬(wàn)噸級(jí)大型壓縮機(jī)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。