提高列管式换热器制造质量关键制造工序的管理和检测

2014-07-18 07:11杜秀萍曹兵

化工进展 2014年7期

杜秀萍，曹兵

（1南京圣诺热管有限公司，江苏南京 211009；2江苏中圣高科技产业有限公司，江苏南京 211112）

列管式换热器因结构简单、传热效果好、有效换热面积大、承受的压力高、适用多个领域、选用的结构材料范围广、易于维修和维护，是化工装备中常用的热交换设备[1]。在国内外多种材质制造方面积累了实用的制造技术，现将对于提高换热器制造质量的关键环节提出以供探讨[2]。

1 原材料控制

设备制造的基础是用于制造设备的原材料不仅要满足化工工艺规定的化学性能和力学性能等要求，而且原材料的表面不能有凹坑、划伤等缺陷，这些缺陷会大大降低设备使用过程中的耐蚀性能。

（1）制造厂商选择有资质的制造厂商。一般是尽可能地选择企业规模较大和信誉较好的企业，对于一些新开发的供应商，要求能够对供应商的分包商的质量管理体系进行审查，确保其提供的原材料没有质量隐患。

（2）材料厂家的地理区域尽可能地选择离制造企业较近、控制力较强和位于制造业集中和发达区域的材料供应商。通常在这些区域，由于产业集群的作用，制造的技术水平较好，发现原材料质量问题时，容易找到有效的检验设备和检验人员进行质量验证，发现问题后能快速地找到解决问题的途径。

2 制造工艺控制

化工设备的最终质量与设备在制造过程中采用的制造方法和各个制造工序的制造顺序有着密切的联系，对于列管式换热器来说，将封头压制、管板钻孔、筒体卷制工序安排好是提高换热器质量的必备条件[3]。

（1）制造工艺过程流转卡制造过程要编制详细的技术文件，确保每个工件都有制造的工艺过程卡，每个制造工序都必须有制造者和检验人员的签字并注明日期，保证可追溯性，能充分保证一线制造人员的责任感，提高产品质量意识。

（2）封头制造的关键点封头在拼焊后，应该将焊接后的内外焊缝磨平，防止在封头的压制过程中焊缝余高对封头的外观和焊缝质量有影响；封头在压制之前应该进行射线探伤，及时发现焊接缺陷后及时返修，防止在封头的压制过程中把固有的缺陷范围扩大，尽量避免在封头压制以后进行RT探伤，因为成型后返修将影响封头的外观质量。封头在压制前要做好内外标识，将最终焊接的焊道置于封头的内表面，这样最终焊道没有经过后道焊接工序的“热影响”可以保证封头内焊缝的焊缝具有优质耐蚀性能。

（3）管板钻孔管板的制造质量，尤其是管孔加工的质量对后续的胀管工序有着至关重要的影响。管板的加工建议采用数控钻引定位孔，后采用普通钻床钻通孔并铰孔的方法制造，这种加工工艺既利用了数控钻高精度定位性能和高效率的优势，同时又避免了数控钻较高的成本并充分发挥普通钻床的功能低成本的优势，通过这种工艺制造出来的管板，经过多次的生产实践证明能够满足在后续的焊接过程中，焊缝不会因为孔桥不同而产生焊缝重叠现象，也不会发生管程垫片与管头焊缝的干涉现象。

（4）筒体卷制对于不锈钢和特种金属材料的卷制，需适当的措施保护筒节的内外表面。例如可以把三辊卷板机的上辊覆上特制的橡胶，并把筒节的外表面覆上保护膜。具体的方法见图 1。橡胶辊能保证在筒节的卷制过程中，内表面接触到橡胶的辊子，不会导致因卷制而划伤筒节内壁或内壁被卷辊上的铁离子等污物的污染，壳体表面的保护膜能保证设备的外表面不被铁质的辊子接触导致划伤和污染，同时外表面的保护膜又能防止设备在后续工序的制造过程中被污染，这是一个既经济又行之有效的办法。

图1 卷板示意图

（5）换热管和管板之间的胀接根据设备结构和各种材料的特点，选择在管板上开槽的尺寸，制定合理的胀接工艺，并且在对产品胀接之前先进行同种规格的换热管和相同材料和厚度的管板模拟试验，并对试样进行胀管率和拉脱力检查，合格后方可进行设备的胀接。胀接的参数按照胀接试验时得到的数值进行。胀接方法优先选择的液压胀的方式，液压胀具有不划伤、不污染换热管内壁的优点。

（6）对于带较大接管的管箱制造由于管箱上的大接管开孔，再组对接管法兰组件并将角焊缝焊接完成以后，设备的管箱法兰和大接管法兰的密封面都会发生一定的变形。因此，设备法兰密封面在与管箱筒体焊接之前留有二次加工余量，在制造工艺上安排在大接管的D类焊接后，再进行一次管箱密封面的车加工，可以消除管道和筒体之间的焊接造成管箱法兰密封面的变形，保证设备的整体密封性能。

3 焊接工艺

对于列管式换热器来说，焊接质量是影响换热器质量的关键因素之一，尤其是管头的焊接质量尤为重要。

（1）焊接热输入控制焊接过程应严格遵守焊接工艺，对于贵重的材料或重要的焊缝优先采用手工氩弧焊、等离子等焊接方式，控制热输入量，以得到尽可能细的晶粒组织，确保其力学和化学性能。

（2）氩弧焊接过程中气体保护氩弧焊焊接过程中，确保焊后炽热的焊缝在惰性气体的保护之下，正面的焊缝要全部带焊枪的氩气保护下，焊接熄弧时应使焊枪停留在焊缝尾端，继续通氩气，待到焊缝冷却到 150℃以下再移开焊枪。焊缝的背面同样使用保护拖罩保护焊缝金属，防止焊缝高温氧化。

（3）最终焊道的安排焊接的最终焊道应该安排在设备与介质接触的内表面，防止最终焊缝在后续焊缝的焊接过程中被热处理而发生性能劣化，保证与介质接触的内表面焊缝有最好的晶粒组织，从而能确保其有较好的耐蚀性能。

（4）管板与壳体焊缝的焊接对于使用条件苛刻并且重要的换热器，可以采用对接焊的形式。这类焊缝可以采用氩弧焊打底，然后采用手工电弧焊或自动焊盖面的焊接工艺，能够较好地保证管板和筒体之间的焊缝连接；对于更苛刻的使用场合，可以采用先分别焊接筒体和管板之间的角焊缝，并且是双面焊接，经过无损检测合格后再对接筒体环缝，因为这时筒体内部通常已经传了换热管，不能够进行RT检测，这道最终环缝需要进行Toft超声检测以确保最终焊缝质量。

①换热管与管板的焊接换热管和管板之间焊接是决定换热器质量的关键点[1]。管头的焊接通常应采用两道焊接成型，每道焊缝分成两次焊接成型，第一次是从时钟5点的位置按照顺时针方向12点的位置进行焊接；第二次是从时钟5点的位置按照逆时针的方向朝向12点的位置进行焊接，以确保每道焊缝在施焊时是按“上坡”的方向进行施焊，具体的焊接顺序见图 2。第二道焊缝施焊的起弧点和收弧点要与第一道焊缝的起弧点和收弧点错开90度，保证焊缝质量。在起弧点和收弧点焊接时因注意焊接手法，即“重熔起弧，回头收弧”的方法焊接起弧点和收弧点，具体的焊接过程见图 3。对于换热管壁厚小于1.5mm的情况，第一道焊缝要求在焊接过程中钨极指向管板，确保大部分来自焊枪的热输入量由管板承担，以免将换热管管壁熔穿或管头熔塌，在焊接过程中依靠管板和换热管的自熔和填充少量的焊丝焊接，保证底层焊缝的质量；第二道焊缝的起始点和第一道焊缝的起始点要错开90°，以保证两道焊缝焊接接头的重合影响焊缝的质量，保证焊脚高度按图纸的设计要求。

图2 焊接顺序图

图3 起弧和收弧示意图

②换热管分区域焊接对于直径大，换热管的数量多，管板较薄的换热器，除了在焊接的过程中依据设备的特点制造防变形工装外，还可以采取将设备管板分区对称焊接的方法来制造[4-5]，这样制造的目的有以下几点：①管板分区后，可以按管板的不同的区分给不同的焊接工人焊接，在后道检验的工序发现问题可以保证有较好的追溯性，分清责任；②管板分区后，因为每块区域的范围较小，整个区域内的换热管的长度相对固定，因此可以在穿换热管之前将换热管的长度车到比较接近总长的尺寸，减少在成型换热器上加工换热管的多余长度，节省制造时间。

4 关键检验点控制

设置适当的关键检验环节，检查关键制造工序和焊接过程质量是否能够达到设计的要求，是保证设备出厂前质量的重要过程[6]。

（1）材料的到厂检验对于重要的设备材料，到厂检验非常重要，材料要经过目视检查、尺寸检验（包括厚度负偏差，长度和宽度等）、UT检查和PMI检验以保证材入库前各项性能能够满足设备的设计和制造要求[6]。

（2）换热器管头焊缝的检验

①模拟试验在对产品进行施焊前，用相同规格的焊接试样和焊接材料模拟的焊接试验，剖开后检查焊缝的内部，检查焊缝的喉颈高度和拉脱力。第一道焊缝焊接完成以后进行气密性试验，保证首道焊缝的焊接全部合格以后再进行第二道焊缝的焊接，第二道焊缝焊接完成以后对焊缝进行管头焊缝RT检测。

②氦检漏试验换热器的制作完成以后，对于严格防止泄露的设备，应采用氦检漏的方法检查全部管头的焊接性能和设备密封性能，并根据设备的工作条件和结构特点选择正压法或负压法检漏，一般情况下负压法的检测效果好于正压法，但是检测的成本较高并且对检验装置的要求也较高。

③热气循环试验对于复合板制造的设备或高温条件下使用的换热设备，仅仅通过水压试验检验其强度是不能保证其在高温条件下复层焊缝的质量，利用热气循环试验检验复合板复层焊缝在模拟高温条件下的运行性能是一个非常好的检验方法。

5 结语

换热器的制造是一个系统工程，需要设计、工艺、焊接、检验、运输、安装等各个环节通力合作和协调控制才能最终保证设备的最终使用性能。

[1]史建涛.换热器管子和管板焊接接头浅见[J].广州化工，2009，37（6）：168-170

[2]矫明，徐宏，程泉，等.新型高效换热器发展现状及研究方向[J].化工设计通讯，2007，33（3）：50-55.

[3]王元文.管壳式换热器的优化设计[J].广东化工，2005（3）：43-44 .

[4]张秋利，宋永辉，兰新哲，等.列管式换热器设计软件的开发[J].广东化工，2006（7）：60-63 .

[5]李其朋，陈国华，王磊.不等厚板对接焊疲劳寿命结构形状影响分析[J].石油化工设备，2009（3）：47-51.