浅谈管壳式换热器的制造工艺

作者：林雅峰 曹飞祥

欢迎访问e展厅 展厅 4 冷冻机/热交换设备展厅 冷却塔, 冷凝器, 冷却器, 蒸发器, 集热器, ... 在换热器的制造中，筒体、封头等零件的制造工艺与一般容器制造无异，只是要求不同，其中重点把握材料的检验，管板、折流板管孔的配钻，筒体的焊接，法兰的加工等。纵观其制造工艺，大部分用的是传统工艺，其中焊接占的比例较高，因而必须严格按照焊接工艺施焊，并且对焊缝探伤。 1 检验材料 换热器用的材料中，钢材(钢板、钢管、型材、锻件)的质量及规格应符合下列现行国家标准、行业标准或有关技术条件，钢材应符合GB GB713-2008的要求，钢材的选用应接受国家质量技术监督局颁发《压力容器安全技术监察规程》的监察。其中，受压元件以及直接与受压元件焊接的非受压元件用钢材，必须附有钢厂的钢材质量证明书(或复制件，复制件上应加盖供应部门的印章)。常见的有碳素钢和低合金钢（如Q235-B、Q235-C、Q245R、Q345R等）。根据设备的使用条件，需注意材料的供货状态，如正火状态；必要时复验材料的化学成分和检验其机械性能；进行超声波检验等。 标准规定，压力容器用碳素钢和低合金钢，当壳体厚度大于30mm的Q245R和Q345R，其他受压元件（法兰、管板、平盖等）厚度大于50mm的Q245R和Q345R，以及厚度大于16mm的15MnVR，应在正火状态下使用；调质状态下和用于多层包扎容器内筒的碳素钢和低合金钢要逐张进行拉力试验和夏比(V型）常温或低温冲击试验。 凡符合下列条件之一的，应逐张进行超声波检测：①盛装介质毒性程度为极度、高度危害的压力容器②盛装介质为液化石油气且硫化氢含量大于100mg/l的压力容器③最高工作压力大于等于10MPa的压力容器④GB150第二章和附录C、GB151《管壳式换热器》、GB2337《钢制球形储罐》及其他国家标准和行业标准中规定应逐张进行超声波检测的钢板（详见各标准）⑤移动式压力容器。 选材时，经常要对材料焊接试板进行力学性能检验，主要有拉伸试验，弯曲试验和冲击试验。其中弯曲试样按规定要求冷弯到规定角度后，受拉面上不得有沿任何方向单条长度大于3mm的裂纹或缺陷。 常温冲击试验的合格指标：常温冲击功规定按图样或有关技术文件的规定，当不得小于27J（三个标准试样冲击功）。低温冲击功规定值按附录（标准的附录）的有关规定；试验温度下三个试样冲击功平均值不得低于上述规定值，其中一个试验的冲击功可小于规定值，但不得小于规定值的70%。 2 焊接方式 制造过程中，常用的焊接方法有手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊（氩弧焊、CO2保护焊）等。根据不同的材料，不同的厚度，开不同的坡口，采用不同的焊接工艺。手工电弧焊是应用最广泛的焊接方法，其操作灵活，设备简单，可进行全位置的焊接，但焊接质量很大程度上取决于焊工的技术水平；埋弧自动焊电弧热量利用率高，焊接速度较快，生产率高，可节约金属和改善劳动条件，但受其限制，一般只用来焊接直焊缝和大圆周环焊缝。例如：筒体（δ≥18mm时）的纵缝、环缝焊接可以先用手工电弧焊打底，经试验检验合格后，再用埋弧自动焊焊牢；因为换热管比较薄，所以管板与换热管的焊接采用氩弧焊，之后再用胀管器胀接。 焊接过程中产生变形和应力是不可避免的，因而必须想办法降低其危害，采用好的焊接材料，更合理的焊接工艺，合理的工件结构和坡口等，退火消除应力。焊完后，不能保证焊缝中没有缺陷，完全合格，所以根据不同的焊缝（AB类、CD类），采用不同的探伤方式，并且达到一定的等级合格。GB150-1998标准规定符合以下情况的压力容器的A类和B类焊缝应进行100%的射线或超声波检测： ①钢材厚度δs>30mm的碳素钢、Q345R; ②钢材厚度δs>25mm的15MnVR、15MnV、15MnNbR、20MnMo和奥氏体不锈钢 ③进行气压试验的压力容器 ④图样注明盛装毒性为极度危险或高度危害介质的容器 ⑤多层包扎压力容器内筒的A类焊接接头 等等 同时标准规定，凡符合下列条件之一的焊接接头，需按图样规定的方法，对其表面进行磁粉或渗透检测： ①凡属标准规定的容器上的C类和D类焊接接头； ②堆焊表面； ③复合钢板的复合层焊接接头； ④层板材料标准抗拉强度下限值δb>540MPa的多层包扎压力容器的层板C类焊接接头 等等 焊缝的射线检测按JB4730-94进行，其检查结果对100%检测的A类、B类焊缝，Ⅱ级为合格；对局部检测的A类和B类焊缝，Ⅲ级为合格。 焊缝的超声波检测按JB4730-94进行，其检查结果对100%检测的A类、B类焊缝，Ⅰ级为合格；对局部检测的A类和B类焊缝，Ⅱ级为合格。 经由射线或超声波检测不合格的焊缝，用碳弧气刨清根处理，重新施焊，并用原来的探伤方式进行探伤，直至检验合格。 3 几个重要的工艺 ①管板、折流板的制造是制造过程中突出问题。管板由机械加工完成，其孔径和孔间距根据不同的管束有公差要求。钻孔可用划线钻孔、钻模钻孔，先进一点可以采用数控机床。但采用划线钻孔时，由于精度较差，在钻折流板管孔时，必须将管板和折流板重叠起来配钻，钻后再把折流板依次编号和方位图，便于装配。折流板应按整块圆板钻孔，钻完孔后再划线切割成所需形状。 ②管子与管板的连接，常见的有以下几种：a、强度胀b、强度焊c、强度胀加密封焊d、强度焊家贴胀。目前广泛采用的是胀焊并用，这种方法可提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀。对于焊接管接头的检测，目前普遍采用表面渗透或磁粉检测方法控制接头质量，对于焊接接头内部缺陷并没有任何检测要求。 ③容器大部分采用焊接工艺，必须对焊缝进行消氢处理和焊后热处理。焊接过程中，来自焊条、焊剂和空气中的氢气，在高温下分解成原子状态溶于液态金属中，焊缝冷却时，氢在钢中的溶解度急剧下降，由于焊缝冷却很快，氢来不及逸出，留在焊缝金属中，过一段时间形成延迟裂纹。焊后对焊缝加热至200℃，16小时，进行消氢处理。焊后热处理有将焊件整体或局部加热到A线（相变点）以下某一温度进行保温，然后炉冷或空冷。其只要目的是消除和降低焊接过程中产生的应力，避免焊接结构产生裂纹（氢裂纹），恢复冷作而损失的力学性能等。需注意的是，管箱设备法兰，为了保证其密封，往往要求整体热处理后，再加工其密封面。 4 总装工艺 换热器的装配工艺，也没有一个标准，只要讲究合理，容易装配，就是好工艺。根据不用公司的设备情况，先焊接接管或是管法兰，没有一个定论。以下是固定管板式换热器的制造和装配，其顺序如下： （1）将一块管板垂直立稳作为基准零件； （2）将拉杆拧紧在管板上； （3）按图将定距管和折流板； （4）穿入全部换热管； （5）套入筒体 （6）装上另一块管板，并将全部管子的右端引入此管板内，校正后将管板与筒体点焊好； （7）在辊轮架上焊接管板与筒体联接环缝； （8）管子与管板的胀接或焊接，若采用焊接，则先点焊再将换热器竖直，使管板处于水平位置，以便于施焊； （9）装接管、支座。接管可根据具体操作情况在筒体套入前定位开孔，甚至装焊在筒体上； （10）壳层水压试验，目的在于检查胀管质量，管子的质量，筒体与管板连接的焊缝质量，筒体的纵、环焊缝质量等； （11）装上两头管箱； （12）管程水压试验，主要检查管板与封头联结处的密封面，封头上的接管焊缝质量； （13）清理、油漆 装配是一个烦琐的过程，但仍需注意对焊缝的探伤，和壳层、管程的试压试验，以及保护法兰密封面，最后注意装配工时，按时交货给客户。 综上所述是管壳式换热器的主要制作工艺及其注意点，设计与制造按照标准进行。尽管工艺已经成熟，但是没有相应的工艺设备条件及其技术也是难做成，材料、工艺，设备相辅相成。(end)

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