摘要：换热器是一种实现介质热量交换的设备，又称热交换器，在石油、化工、冶金、电力等行业中大量应用，在炼油、化工装置中换热器的投资金额约占装置总投资的30%~40%，因此换热器质量的好坏直接影响整套装置能否顺利运行。在各种换热器中，使用最为普遍用量最大的就是固定管板式换热器，因此，弄清固定管板式换热器的生产制造流程以及主要失效形式十分必要。
关键词：换热器；制造；管板
1、原材料入库验收
用于制造换热器主要受压元件的原材料应由材料制造单位提供加盖质检章的质量证明书原件，质保书内容应齐全、字迹清晰，若制造厂从经销商处购得原材料，则经销商应提供加盖经销商检验章和经办人章的质保书复印件或直接提供材料生产厂家的质保书原件，质保书中应至少包含质保书编号、材质、规格、执行标准、炉批号、交货状态、化学成分、力学性能、材料制造单位全称、国家安全监察机构认可标志等信息。有复验要求的还应进行复验，按炉复验化学成分，按批复验力学性能，逐张检查钢板表面质量和标志，厂家未提供钢板超声检查报告时，还应进行超声检查。
2、下料
下料之前，对于受压元件材料应进行标记移植，每一个移植号对应一个炉批号，以便于材料追踪，移植号必须具有唯一性和可追溯性，相当于材料的身份证号一样。下料一般采用机械方法、气体火焰、等离子、数控水刀等方法，机械方法可用于硬度不高的金属下料，但对于高硬度的材料不适用，且效率较低；气体火焰通常用于碳钢及低合金钢的切割下料，不能切割不锈钢和其他非金属材料，等离子一般用于不锈钢的下料，既能切割金属材料，又能切割非金属材料，应用广泛，数控水刀因其热影响区小，切割速度快，切口平直等优点被用于切割价格昂贵的有色金属材料，起到节约材料的作用。
3、壳体卷焊
换热器的壳体由于需要抽穿管束，因此需要严格控制其长度、展长、直线度、椭圆度、棱角度，一般内直径允差为+10 -0mm，即允许内径大10mm，不允许小，否则将影响管束的安装，椭圆度不大于截面内径的0.5%，当DN≤1200mm时，其值不大于5mm，当DN＞1200mm时，其值不大于7mm，直线度允差为L/1000，当L≤6000mm时，其值不大于4.5mm，当L＞6000mm时，其值不大于8mm，直线度测量时应避开纵缝100mm以上，且应从0°，90°，180°，270°四个方向测量，另外，为了顺利穿入管束，需要将筒体内侧焊缝磨至与母材齐平，组装筒节中，任意一节的长度应不小于300mm，纵缝应错开至少3倍的板厚，且不小于100mm，以避免应力集中，开孔应避开焊缝，若果确实无法避开，则以开孔中心为中心，开孔直径为半径的圆内覆盖的焊缝应进行100%RT或100%UT检查，合格后才能开孔。
4、管箱加工
常见的管箱是由类似于筒体的短节与封头、设备法兰组焊而成的，对于多管程换热器的管箱内还有分层隔板，前管箱的作用是将沿管道而来的介质平均分配到各换热管中，后管箱的作用是将从换热管中流出的介质汇集起来再次送入管道，多管程换热器的管箱还具有改变流体流向的作用。管箱的分层隔板应设置泪孔，便于残液的排净，对于带有分层隔板或管箱短节开孔直径大于管箱公称直径的1/3的碳钢和低合金钢管箱，还应进行焊后热处理，热处理后再加工设备法兰密封面和分层隔板边缘尺寸，所有法兰密封面加工完成后均有有保护措施，防止损伤，设备法兰在与短节组焊时应注意螺栓孔跨中均布。
5、管板和换热管
管板和换热管是固定管板式换热器中两个最重要的受压元件，也是数量最多，重量最大的两个元件，他们的共同作用是将管程和壳程分开，形成两个独立的腔室，与此同时，管板还起到固定换热管的作用，换热管除了与管板焊接之外，不允许任何零部件再与之焊接。管板通常用锻件加工而成，对于直径较大的换热器的管板，也可采用厚钢板拼焊，但所有拼接焊缝均应经过强度校核，有合格的焊接工艺评定支持，焊后均应进行100%的射线探伤或超声波探伤合格，还应进行消除应力热处理。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在管程介质腐蚀性较高时，为了节约材料，常使用复合板作为管板，有爆炸复合板、轧制复合板、堆焊复合板可供选择，无论采用哪种管板，都通过机加工方式加工，主要是车床和钻床，管板是典型的群孔结构，单孔的质量决定了整体质量，管板加工最为关键的是钻孔，可先划线，再点定位孔，最后钻通孔，为了保证穿管的顺利，不划伤换热管表面，可将几块或十几块折流板点焊在一起加工好外圆后与管板一起钻孔，现在较为先进的设备是数控钻床，它定位精准，垂直度好，管孔粗糙度良好，管桥尺寸均匀，应用较为广泛。管板加工完成，应重点检查管孔数量、布局、内径、内表面粗糙度、垂直度、管桥尺寸、倒角尺寸，内表面应光滑清洁，不允许有贯穿性划痕或螺旋形划伤等影响换热管连接质量的缺陷存在。
6、换热管与管板的连接形式
换热管与管板的连接是换热器制造中最为关键也是使用时最容易出问题的地方，一台换热器质量的好坏可以说就是管头连接质量的好坏。破坏形式有：①高温应力失效破坏②高温高压下腐蚀破坏③管束在流体冲击下产生振动，使接头疲劳破坏④制造工艺不合理，接头焊接残余应力大，引起应力腐蚀和疲劳破坏⑤温度波动引起疲劳破坏。常用的换热管与管板的连接形式有强度胀、强度焊、胀焊并用、内孔焊四种，适用于不同的场合。
强度胀 胀接是利用专用工具使管端产生塑性变形，而管板仅产生弹性变形，当撤去外力后，管板会恢复到原来的形状，而此时的换热管已发生塑性变形无法复原，管板对换热管就会有一个很大的挤压力，使二者紧紧的结合在一起，但是要满足管端的硬度要小于管板的硬度。强度胀适用于设计压力≤4.0MPa，设计温度≤300℃，操作中无振动无过大的温度波动无明显的应力腐蚀倾向，强度胀要在管孔内壁开槽，还要做胀接工艺评定，测定拉脱力要满足标准要求。
强度焊 适用于无较大振动，有缝隙腐蚀倾向的场合，且设计压力不大于35MPa的换热器。焊接连接比胀接连接的优越性体现在连接牢固、泄漏少、生产效率高。
胀焊并用 适用于振动或循环载荷，存在缝隙腐蚀倾向时，采用复合管板时，高温高压的换热器，其管端接头受到反复热变形、热冲击、热腐蚀及介质压力的作用，极容易破坏，这时就要用到抗疲劳破坏能力强、可消除应力腐蚀和间隙腐蚀的胀焊并用方法。
内孔焊 这种接头形式是通过对管板管孔进行特殊加工，在壳程侧进行对接焊接将换热管与管板连接在一起的。内孔焊需要有专门的内孔焊机，将焊枪从管板侧的管孔深入到焊缝处进行焊接，与普通的连接方式相比，由角接变成了对接，优化了换热管与管板连接处的应力状态，大大减少了边缘应力，对于有应力腐蚀、缝隙腐蚀、管壳程温差较大、振动强烈的场合非常实用。主要特点有：技术水平高、难度大，任何焊接缺陷都将导致整台设备的报废，因为无法返修，只有重要场合才采用；采用脉冲焊机和氩气保护，焊接参数的正确性直接影响焊接效果；对焊缝要进行100%的射线照相检测，需要制作专用工装。
7、换热管与管板的焊接顺序
在固定管板式换热器中，焊接量最大的就是管端焊和管板与筒体的角焊缝或者对接焊缝，由于焊接会有残余应力（主要是热应力和相变应力）存在，若焊接残余应力过大就会引起焊接变形或结构拘束度过大，因此要有合理的施焊顺序来避免以上不利因素。一般是先焊壳体与管板相连接的环焊缝（打底焊），不宜一次性焊完，否则焊接变形会导致管板的密封效果下降，然后焊换热管与管板相连接的管头焊缝，最后焊接管板与壳体环缝的填充层和盖面层；当换热管数量较多，管板面积很大时，为防止焊接变形，在进行换热管管端焊时也应注意施焊顺序，一般先将换热管点焊固定，然后在管板中心位置和1/4管板直径位置选取数根换热管组成“梅花桩”焊接固定，最后按照对称比例将管板等分成若干份，从内到外对称焊接，这样可以避免产生过大的焊接残余应力。
8、结语
固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。
参考文献：
[1]朱方鸣 王志斌 《化工机械制造技术》化学工业出版社 2004.11
[2]秦叔经 叶文邦《化工设备设计全书-换热器》化学工业出版社2002.12
论文作者:康帅
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/21
标签：换热器论文; 应力论文; 热管论文; 壳体论文; 材料论文; 强度论文; 加工论文; 《基层建设》2020年第1期论文;