铜镍合金换热器的制造及质量控制.doc

乙二醇高通量换热器的制造质量控制方案探讨张 勇，戴建军，王印力，郭 灏，张国松 （大庆石化公司机械厂，黑龙江 大庆 163714）摘要：乙二醇高通量换热器具有管内强化蒸发、管外强化冷凝的工艺特点，较普通换热器的传热效率高50%以上。文中针对该换热器的结构特点及监督检验时需要控制的关键环节，阐述了该类设备制造的材料检验、部件加工、管束组装、管接头焊接和胀接等工序的质量控制技术措施。关键词：乙二醇高通量换热器；高效；质量控制；胀接；管接头焊接某石化企业新建360 kt/a乙二醇装置需制造4台乙二醇高通量换热器，该换热器结构复杂、制造难度较大。某设备制造企业高度重视该乙二醇高通量换热器的制造质量，制定了严格的制造质量控制方案、焊接工艺，对设备制造过程的各个环节进行监督和检验，对制造中可能存在的问题提前进行预防和控制，确保了该设备顺利制造完成，达到了设计技术条件要求。1 设备主要参数和结构特点该4台换热器为立式结构，属于中压设备，按GB/T151-2014热交换器进行设计和制造1。换热器管板采用16Mn或0Cr18Ni9复合蒙乃尔合金400（即镍铜合金），换热管采用国外专利产品-高通量换热管（换热管基材牌号C70600，90Cu-10Ni），管板与换热管连接形式为强度焊+贴胀。设备主要技术参数见表1。 表1 设备主要技术参数 项 目EG第一浓缩塔再沸器EG第三浓缩塔再沸器筒体和封头0Cr18Ni90Cr18Ni9管板16Mn/SB127-4000Cr18Ni9/SB127-400换热管SB466-C70600/31.752.11mmSB466-C70600/31.751.65mm 总重量/kg68 80034 300设计温度/壳程250；管程250壳程235；管程230设计压力/MPa壳程2.8；管程2.4壳程1.9；管程1.4介质蒸汽/EG第一浓缩塔釜液工艺蒸汽/EG第三浓缩塔釜液液压试验/MPa壳程3.987；管程3.481壳程2.673；管程2.017无损检测RT 100%、II级RT 20%、级设备规格2 40011 65730/26 1 90010 60720/16 2 质量控制和实施2.1 材料检验控制乙二醇高通量换热器的关键部件是UOP高通量换热管和复合管板2.1.1 高通量换热管的检验及防护 UOP高通量换热管的基管为牌号C70600，90Cu-10Ni，属于有色金属的铜镍合金类。 （1）高通量换热管到货后在换热厂房专用制造场地运输木箱内进行存放，开箱后随用随取，使用塑料布设立封闭绝尘区域，防止铁离子的污染。 （2）高通量换热管到货后，按照每种规格的换热管抽检10%进行气压试验，试验压力为0.5 MPa，如在发现有渗漏情况，将进行100%气压试验复验。同时每种规格的换热管抽检5%进行外径尺寸偏差检查。 （3）换热管在搬运过程中，严禁出现弯曲变形、磕碰等现象。2.1.2 复合管板的检验 换热器管板为16Mn/0Cr18Ni9锻件，复层蒙乃尔合金400（镍铜合金）。按NB/T47002.1-2009压力容器用爆炸焊接复合板 第1部分：不锈钢钢复合板B1级对管板复层与基层的贴合率及结合面剪切强度进行控制，贴合率要求达到100%，结合面剪切强度210MPa。2.2 管板加工控制在乙二醇高通量换热器制造中，管板钻孔是重要的机械加工工序。乙二醇高通量换热器管束为GB/T151-2014中I级管束。管孔直径为32+0.15 mm，管孔垂直度公差为0.1 mm，管孔表面粗糙度Ra6.4m。 （1）在数控钻床上采用一钻两铰孔工艺来保证孔径公差和管孔粗糙度。 （2）在数控钻床上制作试件，用32 mm和32.15 mm的通止规检查，确定数控钻床的系统误差，并在正式加工时制作管板配钻模板，从而控制了管板加工中的人为误差。通过上述方法控制了管板孔桥宽度符合设计图样要求。 （3）对于管板孔直径的控制，采用制作32 mm和32.15 mm的通规和止规对每个管孔进行检查。 制造加工后实测上述精度均控制在设计规范要求内。2.3 管束组装控制该换热器管束组装采用专用胎具将管板固定，保证管板与其轴线的垂直度符合标准要求，然后安装拉杆、定距管、折流板。穿管时，在换热管管头加装了穿引器，保证了高通量换热管的顺利组装，穿引器的结构见图1。1-引头；2-胶圈图1 穿引器结构另外，由于铜镍合金换热管硬度较低，在穿管时，为避免损伤换热管的现象出现，对折流板孔采取双面倒角；在穿管前，用酒精或丙酮清洗管板、折流板表面及管孔内部杂质，用干净的抹布检查，无油污、颗粒状杂质为合格。2.4 管接头焊接控制2.4.1 铜镍合金的焊接特点 根据相关资料介绍2，铜镍合金材料的焊接具有4个特点。 （1）铜与镍在固态和液态都能无限固溶，形成一系列连续固溶体，不会形成金属间化合物，这有利于它们之间的焊接。 （2）焊接时，铜、镍母材侧易与S、P、Pb、As等杂质生成低熔点共晶物，引起接头脆化开裂， （3）铜、镍合金在熔点、导热性能、线膨胀系数及电阻率等方面差异较大，焊缝冷却时产生较大的变形，导致较大的焊接应力而产生焊接裂纹。 （4） 氧、氢在镍中的溶解度液态时很大，冷却时变小，也可能导致焊缝出现气孔。2.4.2 焊接工艺评定 该换热器管接头焊接是设备制造的关键工序，为保证产品焊接时的质量，按NB/T47014-2011承压设备焊接工艺评定进行焊接工艺评定。其中管孔直径为32.10+0.12 mm，焊接工艺评定试样见图2。图2 焊接工艺评定试板 焊接采用管对管板自动钨极氩弧焊，保护气体为高纯氩气，纯度99.99%氩气。焊接时的各参数选择见表5。 表2 焊接工艺评定规范参数焊接方法层数电源极性焊接材料规格电流/A电压/V焊速/( cm min -1)钨极氩弧焊1直流正接ERNi-10.812017061580110钨极氩弧焊2直流正接ERNi-10.812017061580110焊接后，试样按NB/T47013-2015进行100%PT+100%RT检测，检查焊缝内部质量，不允许存在裂纹、条孔、密集孔、夹杂、未熔合、未焊透等缺陷。气孔接受标准为：直径dmax0.25 t（管壁厚），任何管头不超过2个气孔，相邻气孔的环向间距2dmax，所有接头气孔总数不超过6个。PT和RT探伤完成后，试件管接头剖切，对焊缝剖面进行宏观金相检查，无裂纹、未熔合等缺陷，并且焊缝接头的焊肉高度管壁厚度的1.4倍3，4。管接头焊接工艺评定合格，表明焊接工艺参数及规范合理，能够保证产品焊接质量。2.5 胀接工艺控制管板与换热管的胀接是乙二醇高通量换热器制造的另1个关键工序，它直接影响换热器的长周期使用性能。由于设备壳程的介质为乙二醇浓缩液，管板采用了16Mn或0Cr18Ni9复合蒙乃尔合金400的措施，以防止介质对管板表面的腐蚀，而对于因介质进入换热管与管板孔之间而可能产生的对管板（特别是管板基层）的间隙腐蚀，则需靠胀管后换热管与管板内侧基层严密贴合来控制。因此，该铜镍合金换热器的管板与换热管为贴胀+强度焊。换热器管接头常用的胀接方式为机械胀接和柔性胀接2种。机械胀接时需要用油作为润滑剂，在胀后会对管接头造成污染且不易清理，影响管束制造的整体质量；而柔性胀接的介质为水，对管接头没有污染，只要将管头部位水吹干即可，且具有管壁受力均匀、换热管无轴向延伸及无加工硬化等特点5。液袋柔性胀接的胀接压力按液压胀管机供应商提供的公式计算选择，同时制作试样进行试胀确定实际胀接工艺参数。另外，为检验胀接管接头的密封性能，按实际管孔尺寸和确定的胀接工艺参数制作模拟试样，进行拉脱力试验。试胀试验数据见表6。 表3 胀接工艺试验数据试件编号胀接压力/MPa胀接时间/s拉脱力/MPa胀管率/%1#5030.51.42#6031.13.93#7033.16.54#8035.37.95#9037.29.7根据胀接工艺试验结果，确定铜镍合金管接头液压胀接压力为80 MPa，胀接时间3 s，换热管与管板胀接结构见图3。图3 换热管与管板胀接结构对设备上所有管接头胀接成型后，最终壳程水压试验检查，未发现管接头泄漏，试压1次合格。3 结束语 该设备虽然制造难度大、技术含量高，但只要组装工艺合理、严格控制每道工序的质量，是完全可以实现原设计提出的技术质量标准。通过控制该换热器制造的关键技术指标，使焊接拍片1次合格率达到100%，经壳程水压试验无管接头出现泄漏现象。参考文献：1 刘俊伟，赵滨江，李晓陶. ASME、ISO及GB管子管板接头检验探讨J.化工设备与管道，2013，50(3)：36-38.2 陈剑虹.中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第2卷）材料的焊接M.北京：机械工业出版社，2001：824-825.3 陈裕川.钢制压力容器焊接工艺M.北京：机械工业出版社，2007：44-46.4 张勇.铜镍合金高通量换热器焊接工艺试验与应用J.石油和化工设备，2015（11）：5-8.5 曹福勤.多种胀管方法在生产中应用的特点分析J.电站辅机，2015（9）：29-33.收稿日期：2016-10-27作者简介：张勇，男，高级工程师，1996年毕业于沈阳工业大学焊接工艺及设备专业，现从事压力容器制造技术管理及新产品研制工作。 Structural characteristics and manufacturing quality control of ethylene glycol high flux heat exchangerZhang Yong，Dai Jianjun，Wang Yinli，Guo Hao，Zhang Guosong(Daqing Petrochemical Machinery Factory of Petrochina，Daqing, Heilongjiang, P.R China.163714)Abstract：A kind of special structure of high efficient heat exchanger with ethylene glycol high flux heat exchanger,The heat transfer efficiency is very high, which has the characteristics of enhanced condensation outside the tube and outside tube, and the heat transfer efficiency is very high,Compared with the ordinary heat exchanger,Heat transfer efficiency can be increased by more than 50%,So it is widely used in petrochemical enterprises.In this paper, the structural characteristics of the high flux heat exchanger and the key steps to control the high flux heat exchanger,In this paper, the key technologies in the manufacture quality control of the new type high efficiency heat exchanger are introduced,To provide reference for the quali