钛管折流杆换热器的设计与制造

刘桂荣

（黄石聚达电力设备有限公司，湖北 黄石 435000）

0 概 述

某型水－水换热器管束的钛管壁厚仅为0.5 mm，钛管可能因振动而造成损坏，为此，对换热器进行了设计改进。为南方沿海某390MW电厂配套设计的卧式填料函式折流杆水－水换热器，公称直径为1 400mm，换热面积1 200m2，长度11 000 mm，换热管为 TA2Ø19×0.5mm焊接管，换热器采用单回程。开式循环冷却水（海水）进入水－水热交换器管程，将壳侧闭式循环冷却水（除盐水）冷却后排入循环水排水管，闭式循环冷却水回水经闭式循环冷却水泵升压，经水－水热交换器冷却后向闭式水系统提供冷却水。该换热器的结构布置，如图1所示。

图1 折流杆换热器结构图

1 折流杆换热器的设计

折流圈的折流杆被分为左右45°布置，管束组装时，奇数折流圈布置在左45°，偶数折流圈布置在右45°。折流杆的材质为不锈钢，折流圈之间的组装间距为150mm。2个折流圈形成的19.5mm×19.5mm方孔用于固定换热管，使每根折流杆均能起到支持换热管的作用，同时增强传热效果。折流杆与换热管的支撑形式，如图2所示。

图2 折流杆与换热管的支撑形式

该折流杆换热器在全圆截面内布管，提高了壳程流体的流速，改善了进、出口处流体的流动状态，有效地利用了换热器的换热面积。在壳体上设置了外导流筒，还在壳体圆筒内设有防冲装置，如图3所示。

图3 壳体圆筒内设有防冲装置

当流体介质通过普通管壳式换热器的折流板时，主流区A是传热主区，85%左右的热传递量在该区域内完成。B区是顺流区，约能完成传热量的15%。C区是涡流区，流体在此原地旋转或静止不动，即为“传热死区”。也就是说，设备能力的15%～20%没有得到充分发挥，如图4所示。由于折流杆换热器采用了外导流筒设计，流体介质的流动状态与普通管壳式换热器不同，因而基本消除了普通管壳式换热器通常存在的“传热死区”，使设备换热面积的利用率达到98%以上。

图4 换热器的传热区

折流杆换热器管束中的换热管采用交错折流杆进行固定，这种结构使壳程内流体能够沿换热管长度方向流动，换热管内外介质能沿换热管轴向相互逆流，改善了介质的流动状态，因而具有更好的传热性能，并彻底消除了流体诱导振动，延长了钛管的使用寿命。由于壳程流体流速增加，流体对管外边界层液膜的剪力加大，从而使液膜变薄，再加上折流杆、折流环干扰产生的旋涡和湍流作用，既可提高该类传热器的传热系数，还有除垢防垢的作用。由于折流杆换热器将折流板换热器的流体横掠管束变为纵向流，因此大大减小了壳程流体的阻力，降低了管程的泵用功率，减少了能源消耗。

2 钛管折流杆换热器的制造

壳体的不圆度和不直度、筒体内径超差，均会引起壳体内流体介质的短路，从而影响壳程的换热系数和换热器的传热效率，并且直接影响管束的装入和抽出的顺利程度。该产品设计间隙为8mm，间隙流体约2%，热力计算漏流系数已含此因数，如间隙增大至12mm，间隙流体约5%，设备运行时传热系数与计算值相比将下降6%，因此必须控制折流圈与壳体内径之间的间隙。由于严格执行工艺规程，壳体加工精度完全达到了设计要求，使管束的穿装顺利进行。壳体加工尺寸精度，如表1所示。

表1 壳体的加工精度 mm

按照设计图纸要求，折流杆外园为 Ø5.5＋0.05mm不锈冷拉圆钢，下料后需对每根折流杆进行矫直，要求直线度允差≤0.1mm。使用特制工装加工折流环，车加工折流环的内、外圆后钻拉杆孔，拉杆孔之间弦长误差不超过±0.15mm。使用专用工装进行折流圈的组焊，组焊时利用折流环拉杆孔定位，按图样要求，将不锈钢折流杆与折流环进行焊接，折流圈的加工精度，如图5所示。

图5 折流圈的加工精度

管板管孔的排列形式为转角正方形排列，孔中心间距为25mm。大管板与海水接触面为钛复合层，小管板与海水接触面及小管板的外圆为钛复合层，钛复合层厚≥5mm，管板用数控钻床进行钻孔，管孔直径 Ø19.2＋0.05mm，管孔表面粗糙度 Ra3.2 μm，管孔加工完毕后，再钻8×Ø10.5拉杆螺杆孔。

管箱圆筒为钛－碳钢复合板，管箱其余与海水接触部分的碳钢接管、法兰等进行防腐衬胶。钛－碳钢复合板焊接接头坡口，如图6所示。钛－钢复合板施焊前进行焊接工艺评定，焊接工艺评定应符合NB／T47014标准要求，坡口采用冷加工方法成形，坡口表面及两侧25mm的材料表面应呈现金属光泽，并进行表面清理，去除油污、氮化物、氧化物、水及有机杂质等，钛焊丝和钛层应清理干净，焊前严禁污染，不要用手触摸焊接部位，否则应重新进行清理。焊前应对焊接操作人员培训，经考试合格后持证上岗。碳钢焊缝焊接合格后才能焊接钛层，钛层焊接采用氩弧焊，选用钨极气体保护焊，氩气的纯度不低于99.99%，当瓶装氩气压力低于0.5MPa时应更换氩气瓶，钛层焊缝表面应呈银白色。

图6 复合板焊接坡口

对管箱其它部位进行防腐衬胶，衬胶材料为丁基胶（HR），丁基胶是异丁烯和少量异戊二烯或丁二烯的共聚体，具有优良的耐酸、碱、盐水和大气老化的特性。防腐衬胶符合GB18241.1《设备防腐衬里》标准要求，衬里方式：加热硫化衬里（H）半硬胶（HB）。

管束组装必须按工艺规程要求进行，管板及管孔采用HS－50清洗液进行清洗，清洗后用白绸布蘸酒精（95%）检查管孔及管板，白绸布表面应无任何污渍为合格。对折流圈、拉杆、定距管及六角螺母等进行表面清理，去除油污、氧化物。将清理干净的大、小管板、折流圈等零部件进行组装，组装应保证管板孔与折流圈相应管孔同心，同轴度误差≤0.12 mm。组装合格后，用洁净的塑料薄膜覆盖管束，防止污染。组装后的管束，如图7所示。

图7 组装后的管束

检验钛管的外观质量，管材内、外表面应无裂纹、折叠、起皮、针孔等目视可见的缺陷，焊管焊缝处应填充充分，圆滑过渡，管材表面允许有不超出外径和壁厚允许偏差的凹坑、凸点。用白绸布擦拭管材表面应洁净不染色，否则应对管材进行清洗。钛管应具有材质证明书和合格证，并经涡流探伤和气压试验合格（供方进行），标识符合GB3625标准要求；对钛管抽样进行尺寸检验，并取样管进行压扁试验、展平试验、扩口试验，试验应符合GB3625标准要求。

穿管前用白绸布蘸酒精检查管板管孔，应不染色无任何污渍，如有染色污渍则对所有管孔进行再清洗，直至管孔清洁度符合要求。穿管时，必须保持管子表面的清洁度，工作人员应穿戴洁净的工作服和脱脂纯涤纶手套，由三人分别持钛管的两端及中间，保持钛管与相应管孔同心平直。钛管一端插装引导器，用力平衡缓慢穿管。穿管时，从前管箱向后管箱进行穿装，严禁用蛮力或锤击穿管。钛管穿装间隔期或钛管穿装完毕后，用洁净的塑料薄膜完整覆盖管束，防止污染。

管子管板胀接前对操作人员进行培训，同时进行模拟产品胀管试验，以确定钛管胀管后的管壁减薄率。选用进口数控象鼻子胀管器，胀管器尺寸为Ø19×0.5mm。试样的材料、加工方法、管孔尺寸精度和表面粗糙度等与产品完全一致。试样胀管分5组进行编号，预选分组扭矩为9.0、10.0、11.0、12.0、13.0Nm 。按预选扭矩对试样分组胀接，胀管后模拟产品试样进行水压试验，试验压力为1.5倍设计压力，保压时间不少于2h，检查管子管板胀接接头的密封性并作记录。对预选扭矩试样胀接接头进行拉伸试验，获得每组接头的拉脱载荷。对胀管工艺试验记录进行分析对比，当试验拉脱载荷大于设计允许最大拉脱载荷［q］＝4MPa、水压试验合格的条件下，选取管壁减薄率小的1组即k＝4%～5%、胀管扭矩为10Nm，作为胀接时胀管控制仪扭矩设定值。首先胀接进水处管板，由于穿管时管子露出管板的长度不一，因此必须调整管子露出管板长度，将管子伸出量统一控制在0.3～0.5mm，以保证管子管板焊接质量。后胀出水处管板，胀管前必须先切除管子余量，仔细清洗切管时带来的污渍和金属粉末等。胀管时胀头插入管子，轻轻顶住象鼻头再开始胀管。为防止胀接管板发生变形及换热管受力不均，出水管板胀管分区由外周向中心胀接。胀接过程中随时检查胀杆和胀珠，如有损坏必须立即更换，每胀100～120根管子用HS－50清洗液对胀管器进行冷却和清洗。胀管过程中随时用内径量表测量胀管内径，保持胀管后管壁的减薄率k＝4%～5%，杜绝出现过胀或欠胀现象。

胀管管壁减薄率用式（1）计算：

式（1）中：k —管壁减薄率100%；

d2—换热管胀后内径mm；

d1—换热管胀前内径mm；

b—管板管孔与换热管径向间隙mm；

δ—换热管管壁厚度mm。

对进水侧已胀接完成的出水侧相应部分管头进行切管，切管器采用220V600W1 000r／min驱动电机进行切管，仔细调整切管器定距外套，确保换热管露出管板0.3～0.5mm，保持刀尖锋利，避免管口出现卷边、毛刺、斜口现象，根据需要及时更换刀头，操作时切管器要垂直顶在管板上，启动电钻且缓慢加力前推电钻，不得用猛力顶及上下左右晃动电钻。

钛具有很高的化学活泼性，由于气体等杂质污染可引起焊接接头脆化及其他焊缝缺陷，因此管口焊接必须严格执行DL／T1097及相关的工艺规程，确保管口焊接质量。凡参加施焊的焊工应经过理论和实际操作技能培训，并经考核合格。管子管板自动钨极氩弧焊机的电弧特性稳定，具有提前送气、延时停气、脉冲、非接触引弧和电流衰减功能。氩气纯度应不小于99.99%。管子管板焊接应采取防风和避免灰尘污染的措施。焊工应穿戴洁净的工作服和脱脂纯涤纶手套。焊前应先清除管板和胀管部分的杂物，然后用HS－50清洗液或浓度大于95%的酒精擦洗。管口清洁度以白绸布蘸酒精擦拭不染色为合格，加工及清洗完毕的管口严禁用手触摸，暂时不焊的管口必须用洁净的塑料薄膜覆盖，以防污染。

管板管子焊接操作人员应严格执行焊接工艺规程，焊机中心定位杆尺寸与胀后管孔内径间隙为0.1～0.12mm，确保在焊接过程中不晃动，钨极加工形状、焊接接头形式、钨极的设置尺寸，如图8所示。

图8 焊接方法

安装钨极时，钨极应处于焊枪喷嘴的中心位置，不得偏斜。焊接时要经常注意钨棒尖端的形状，如果钨极尖端变圆，电弧的方向就会改变，焊缝就不圆滑，出毛边，这时就应更换钨极。一侧施焊另一侧严禁胀管或切管操作，以保证焊接质量，双侧施焊时，不得同时焊接一根钛管。

管子管板的焊接参数参数，如表2所示。

表2 管子管板焊接参数

管子管板焊接时起弧和收弧位置，如图9所示。从11点（时钟11点位）位置起弧，顺时针旋转焊接一周后在12点位置开始衰减，在3点位置收弧，焊嘴自动返回到11点起弧位置，准备下道焊口的焊接。

图9 管子管板的焊接位置

焊接时宜采用跳焊法，由下而上逐排焊接。焊缝表面应均匀光滑、美观。焊缝余高应不大于0.5 mm，焊缝宽度为2～2.5mm。焊缝表面不允许有裂纹、气孔、未熔合、焊偏等缺陷。焊缝表面呈银白色，不允许出现紫色、蓝色、灰色、金黄色等。对焊缝表面检查合格后进行着色检验。

3 结 语

采用高效传热的折流杆换热器设计，与传统折流板换热器相比，不仅消除了换热管流体的诱导振动，在等效情况下，换热面积减少了18%，减轻了设备重量，节省了设备的投资费用。