换热器制造过程中的质量标准

江镇海

(中石化南京化学工业公司上海办事处)

换热器制造过程中的质量标准

江镇海*

(中石化南京化学工业公司上海办事处)

对换热器制造过程中的质量标准进行分析，并对主要控制方法提出了看法。关键词 换热器 管板 管子 胀接 焊接 质量标准

0 引言

随着石油化工、核工业及能源等工业的迅速发展，管壳式换热器已成为工艺过程中应用最广泛的设备之一。在石油化工装置中，换热设备约占设备总投资的30%～45%。由于化工生产的连续性，对换热器的运行可靠性要求较高，一旦系统中设备发生故障，将直接影响到系统的安稳运行。由于设备故障导致的非正常停车所造成的损失远远超过故障设备本身的价值，因此换热器的制造质量已成为化工装置长周期安稳运行的主要因素。

压力容器是一种可靠性要求非常高的特种设备，由于压力容器在高温、高压等苛刻的工艺条件下工作，容器内易燃、易爆、剧毒的介质危害性极大，极易发生安全事故，危及人身和财产安全，因而我国一直把换热器的制造置于严格的质量保证体系之下。我国压力容器制造质量保证体系有以下特点：采用世界上最复杂、要求最严格的第五种质量认证方法，即实行制造资格许可证制度和产品安全性能强制监督检验制度；有一整套严密的法规标准对设计、制造、安装、使用、检验、修理和改造七个环节进行全方位的安全监察和监督检验。压力容器制造质量保证体系的正确建立和有效运行是保证压力容器制造质量的基础。

1 换热器的主要标准及质量控制

换热器管子与管板的连接质量是影响换热器可靠性的关键因素，大多数换热器的失效都发生在管子与管板的连接部位。衡量连接部位质量的主要指标是接头的密封性能和拉脱性能，它直接影响到换热器操作运行的可靠性和安全性。造成连接失效的原因是多方面的，如接头因高温应力松弛失效；管束在流体的冲击下产生振动，导致接头的破坏；工艺操作不当造成频繁的温度和压力波动引起的循环载荷导致的疲劳失效等。

在换热器制造过程中，换热器与管板连接结构的质量是影响换热器制造的关键之一。影响换热管与管板连接结构质量的关键因素是管板加工、换热器与管板的胀接和焊接。为此，国家颁布了许多有关的质量标准来对制造过程中的质量进行控制、监督。

1.1 管板加工质量标准和控制

管板加工质量控制的要点是管板孔的尺寸精度、管板孔与管板的垂直度、孔桥的偏差以及胀槽与管板孔的同心度等。管板孔的精度直接影响换热管与管板孔的胀接质量。管板孔的精度有管板孔直径偏差及粗糙度两个质量指标。管板孔直径偏差直接影响管板孔与换热管间的间隙大小。间隙越大，胀管时间就越长，所需胀管力矩也越大，其密封性能也越差。对于有腐蚀要求的管束和有振动的管束以及脆性材料的换热管其间隙越小越好。

管板孔的粗糙度对胀接强度及接头密封性能关系密切。粗糙的管板孔，其胀接强度高；管板孔光滑，则其接头密封性能好，壁厚薄的管子比厚的管子需要较小的管板孔粗糙度；对于胀管率要求不高的不锈钢、铜、铝等管子，其要求粗糙度更小。实际上，大多数接头在强度方面是有裕量的，而失效多由腐蚀泄漏所致，因此降低管板孔粗糙度以保证密封性是必要的。

GB 151—1999《管壳式换热器》标准规定,Ⅰ级换热器管板孔直径偏差为 Ø19.25+00.15mm(Ø19 mm换热管)或Ø25.25+00.15mm （Ø25 mm换热管），这与TEMA标准有一定的差距。GB 151—1999Ⅰ级管束的管板孔与换热管间的最小间隙为0.05 mm，最大间隙 为0.6 mm，与TEMA标准相比，最大间隙相差较大，而Ⅱ级的间隙就更大了。TEMA标准为了把加工硬化所引起的耐腐蚀性能下降的程度限制在最小的范围之内，对奥氏体不锈钢管又规定了特殊紧配合，而GB 151—1999对于国产不锈钢管即使是高级精度也不能满足TEMA标准中特殊紧配合的要求，因而对此未予考虑。

GB 151—1999标准对管板孔表面的粗糙度规定：当换热管与管板焊接时，管板孔表面粗糙度不大于25 μm；当换热管与管板胀接连接时，管板孔表面粗糙度不大于12.5 μm。一般而言，设计文件的要求均要高于上述要求。国内的制造单位对管板孔的加工工艺采用先钻孔，再扩孔，最后铰孔的工艺要求，管板孔直径偏差控制在0.05 mm之内，管板孔的表面粗糙度控制在6.3 μm之内。

管板孔桥偏差的大小直接影响焊管、胀管的施工质量，尤其是对厚管板和不锈钢管板更为重要。GB 151—1999标准规定了Ⅰ级、Ⅱ级换热器孔桥宽度的限值，不同管板厚度的孔桥宽度用插入法查找。另外，还给出了标准孔桥宽度的计算公式，规定终钻后应抽查不小于60°管板中心角区域内的孔桥宽度，如有超过规定合格率时，则应全管板检查。

管板钻孔时应将钻杆与管板之间的垂直度控制在0.03 mm之内。管板孔与管板之间的垂直度是与管板孔桥偏差相关联的参数，垂直度误差不但会给穿管带来困难，而且还会因换热管弯曲变形给胀管带来附加应力， 使换热管与管板贴合不均而影响接头质量，一般通过管板孔桥偏差对垂直度误差进行检查，以确保质量。

管板孔胀槽的加工是胀接质量得以保证的重要工序。管板孔胀槽加工质量的控制指标主要有管板孔胀槽与管板孔的同心度及管板孔胀槽的粗糙度。中石化南京化工机械厂为了解决液压胀接胀槽的加工，专门研制了专用的管板孔胀槽加工专用工具，保证了管板孔胀槽的加工质量。沈阳机床有限责任公司生产的GDC 2540动龙门式数控铣钻床，可加工管板最大直径为2 500 mm，最大厚度为250 mm，大大拓展了加工范围。

1.2 换热管与管板焊接质量标准和控制

GB151—1999标准规定的换热管与管板焊接分为强度焊和密封焊，其差异主要反映在管板孔的焊接坡口及换热管的伸出长度。强度焊必须是填丝的氩弧焊，而不填丝的熔化焊最多只能作为密封焊。换热管与管板焊接质量的过程指标一般有换热管管头的清洁度、管板孔的清洁度和焊接工艺参数。换热管管头2倍管板厚度的区域打磨除锈、管板孔丙酮清洗和合适的焊接工艺参数，保证了换热管与管板的焊接质量。换热管与管板连接质量的最终检查一般采用压力试验、氨渗透、焊接接头表面着色检测和射线探伤检测等。

中石化南京化工机械厂制造了17台换热器，其换热管与管板连接均为强度焊，采用手工氩弧焊，焊2层，第1道不填丝，第2道填丝焊接。在最终的检验工序中，即压力试验、焊接接头表面着色检测、射线探伤检测中，无一管头泄漏，射线探伤检测一次全部合格。

1.3 换热管与管板的胀接质量标准与控制

GB 151—1999标准规定的换热管与管板的胀接分强度胀和贴胀，其差异主要为管板孔是否开槽。换热管与管板的胀接有非均匀胀接 （机械滚珠胀）和均匀胀接 （液压胀接、液袋胀接、橡胶胀接、爆炸胀接）两大类。其中滚珠胀接为最早的胀接方法，这种方法简便快捷，但需要使用油润滑，受油污染后就不能保证焊接的质量。非均匀的碾轧使管径扩大产生较大的冷作应力，易产生应力腐蚀，加之胀杆不能太细，胀接长度不能太长。但因为其简便，目前仍广泛应用于薄、中厚度管板的胀接上。

均匀胀接是发展较晚的胀接技术，尤其适用于厚管板的液压胀接和液袋胀接中，胀接长度与压力没有关系，胀接压力只与管子的材料、厚度及管子与管板孔的间隙大小有关。胀接压力波形为梯形，胀接压力达到预定值后有一定的保压时间，使管子有足够的塑性流动时间，以保证胀接质量。液袋胀接目前在国内外的应用越来越广泛，并逐步取代了液压胀接、橡胶胀接、爆炸胀接，成为均匀胀接的代表。

中石化南京化工机械厂对液袋胀接技术制定了具体的工艺要求：采购换热管时，要求每台换热器所使用的换热管在冷拔加工时采用同一炉批次的原料，并在同一台经校验、试验合格的拉管机上生产，以确保每根换热管具有相同的材质、规格与精度。换热管外径均匀一致能保证管子与管板管孔的间隙，换热管内径均匀一致能保证其与液袋式胀管机胀头的相互匹配，从而延长胀头的使用寿命。一般管子与管板孔隙要求控制在0.30±0.05 mm，而液袋式胀管机胀头外径与管子内径的公差也应控制在0.30±0.05 mm内。中石化南京化工机械厂生产的换热器全部采用液袋胀接技术，从而有效地保证了胀接质量。

2 壳体与折流板的质量标准与控制

2.1 壳体尺寸偏差和控制

壳体尺寸偏差有壳体内径偏差、壳体圆度偏差及壳体圆筒直线度偏差。考虑到经常地抽装浮头式或U形管式换热器管束， GB 151—1999标准对上述壳体尺寸偏差的控制要比GB 150—1998严得多。壳体内径的偏差决定于周长偏差，而周长偏差在忽略冷卷冷校时的延伸后，仅取决于下料、刨边、纵缝的条数及焊缝收缩的误差。除了应考虑筒体直径与壁厚的比率外，壳体圆筒的圆度主要取决于冷卷冷校的实际操作水平，而壳体圆筒的直线度也主要取决于下料、刨边，特别是刨边后每张钢板两端的尺寸偏差。因此控制筒体下料、刨边尺寸附合工艺要求，并严格按焊接工艺进行施焊，就可以满足GB 151—1999标准的规定，对浮头式或者U形管式换热器而言，就完全能保证顺利抽装管束，达到质量标准的要求。

2.2 折流板质量标准和控制

折流板加工质量对换热管穿管、保护换热管的表面不被机械划伤及管束与壳体的装配有比较重要的影响。一般来讲，折流板加工质量的控制指标有：折流板管孔直径及偏差，折流板外圆与壳体间的间隙，孔心距偏差，以及粗糙度、尖角倒钝、除刺等。加工时，每组折流板采用GDC 2540动龙门式数控铣钻床先划窝，再钻孔，每块折流板管孔两边倒角，每组折流板车外圆时采用专用工装，即能满足GB 151—1999标准中的规定，保证折流板的加工满足产品质量要求。

3 结论

换热器的失效大部分是由换热管与管板连接接头的泄漏所造成的。换热器制造质量的控制主要包括管板、折流板的加工，壳体的制作及换热管与管板之间的胀接和焊接。通过工艺的改进和完善，控制各个工序的过程质量指标，就完全能达到提高换热器制造质量的目的，使换热器的制造质量完全达到GB 151—1999《管壳式换热器》标准中规定的质量要求。

[1]桑芝富，朱跃钊.换热器管子—管板胀接结构的安全可靠性研究[J].石油化工设备，1997，18（1）：52-55.

[2]颜惠庚，石庭瑞.换热器液袋式液压胀接技术及其应用[J].化工机械，1998，25（6）：29-31.

The Quality Standards of the Heat Exchanger Manufacturing Process

Jiang Zhenghai

This paper analyzed the quality standards of the heat exchanger manufacturing process and proposed the view of the main control methods.

Heat exchanger;Pipe plate； Pipe； Expansion； Welding； Quality standard

TQ 051.5

*江镇海，男，1946年8月生，高级工程师。上海市，200860。

2011-01-26)