双管板换热器制造工艺探讨

周正亮 陈雄 廖东太 沈雪梅

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060）

摘要：根据双管板换热器的结构特殊性，主要介绍了用模拟管板试验进行强度胀接工艺评定的方法以及制造当中管板加工、强度胀接、管板组装、压力试验等方面的要点，经过本厂前后两次制造双管板换热器得出制造经验，确定了影响双管板强度胀接致密性的关键因素在于管板管孔、胀槽的同心度和胀槽的粗糙度以及合适的胀接参数。 关键词：双管板;胀接;制造工艺

Double shell and tube heat exchanger manufacturing process

points

ZhouZhengLiang

(Tianhua Chemical Machinery and Automation Research and Design Institute Co., Ltd.,GanSu Lanzhou 730060)

Abstract: According to the particularity of the structure of the double tube sheet heat exchanger, introduces a simulation test tube sheet strength Expansion procedure qualification, and manufacture of which the tube plate processing, expanded joint strength, the tube plate assembly, pressure test pointsafter factory manufactured before and after the two on double tube sheet heat exchanger manufacturing experience, determine the impact of the double tube sheet strength expansion density key factor is the tube plate pores, roughness of the concentricity of the expansion slots and expansion slotssuitable expanded joint parameters.

Key words: Double tube sheet; Expanded joint; Manufacturing process

一 、前言

双管板换热器被广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业中，换热器是一种实现物料之间能量传递而被普遍应用的工艺设备。在生产中为了防腐蚀、防毒害、或出于工艺和劳动保护、安全等方面的要求，一些换热器设备必须采用双管板结构来解决问题；但是双管板的制造工艺远比单管板的制造工艺困难的多。为了更好的推广这一设备，首要的是确保制造的质量问题，尤其是换热管的质量，以保证双管板换热器在使用中不出现换热管壁破裂的情况。下面主要介绍制造双管板换热器其中一台。

2012年制造一台双管板换热器，属于二类压力容器。其结构见图1，技术参数见表1

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图1

参数名称 设计压力 工作压力 设计温度 工作温度 介质 介质特性 腐蚀裕量 耐压试验 壳程 0.6/-0.1 0.1948 120 入口92.1出口36 氯气 高度危害 4.0 1.25水压 管程 1.0 0.053 120 入口28出口36 冷却器 / 4.0 1.25水压 积液程 0.1 常压 120 常温 空气 / 0 1.25水压 表一

二、双管板的结构及尺寸

双管板是历年来换热器中一种较新的结构。若管程和壳程中的两种介质混合会是物料报废或产生重大事故，则最好采用这种双管板结构。其结构形式一般有两种，见图2.一种是内管板强度胀接，外管板强度胀+贴胀，另一种是内，外管板均为强度胀接。两管板之间又分为采用哈夫短接连接和两管板通过角焊缝直接连接，这两种结构均形成中间积液腔，本厂此次换热器的管板连接形式为：内管板强度胀接、外管板贴胀+强度焊，即图2中的结构1形式。结构1这种形式便于试压的时候；察看漏气位置。

壳体尺寸为φ1000mm×12mm,材质为Q345R。外管板尺寸为φ1160×58mm,材质为Q345R(正火)；内管板尺寸为φ1024×55mm,材质为16MnⅢ，换热管规格为φ19×2，材质为10.

三、胀接工艺评定

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这种换热器制造工艺的最大难点就是内管板的强度胀接，必须保证胀接后100%合格。一般要求管板的硬度要高于管子的硬度30HB左右，所以为了满足胀接的要求，我厂在选材方面比较严格因此在购买的材料的材质硬度方面做了检测：内管板的硬度值：平均值为170HB;管子的硬度平均值：110HB。这样管子的胀接要求达到了高于30HB。为了保证胀接的合格率，在产品胀接之前必须进行胀接工艺评定，以选取合适的胀接参数。先将我厂的胀接工艺评定试验主要介绍。

胀接工艺评定试验步骤如下：

(1) 胀槽尺寸选择。图3中胀槽的尺寸是按《容规》要求选择的，槽宽3mm，槽深0.5～0.6 mm。

(2) 制作一模拟管板，管板材质、厚度、钻孔直径等均与实际产品一致，见图3,4.

图3

图4

试验要求：

对试样进行比较性检查，检查胀口部分是否有裂纹，胀接过度部分是否有突变，测试胀接接头的拉脱力时，贴胀应达到1Mpa,强度胀接应达到4Mpa.胀接时可通过增加胀接压力使

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其达到规定的拉脱强度并且要计算其胀度（胀管率）。

ρ=(d1-d2)-(D-d3)/2tx100%

式中：ρ——胀度；

d1—胀完后的管子实际内径mm； D—管孔径，mm；

d2——为胀前时管子实测内径,mm； d3——为胀时管子实测外径，mm； t——为换热管的壁厚，t=2mm；

要求贴胀胀接的胀度为ρ=1.0～3.3%为宜； 强度胀胀接的胀度为ρ=5.0～9.0%为宜；

(3) 根据管板和管子尺寸及需要胀接的尺寸大小选定合适的胀管器，这次产品本厂胀接选用电动胀管机。

(4) 根据电动胀管机的空载试验我们确定它的初始胀接值，在电动胀管机上的控制仪器上面显示出它空载时的值为：I=0.7A。

(5) 我们在已做好的试验样板上取了6个管子作为胀接试样，如图5所示：

图5

(6) 根据空载电流值逐级按在此基础上再增加0.1A作为初始胀紧度的预设值。 (7) 对于6个试样分别进行胀接；每个试样的上胀接预设电流值分别不同，逐次在原来的基础上增加0.1A,因此6个试样的电流分别为：I=0.8A、I=0.9A、I=1.0A、I=1.1A、I=1.2、I=1.3A。

(8) 下面是我们进行的模拟试验设计的图：筒体直径φ200x177x12，管板厚度选用跟实际的产品厚度一样，外管板厚度为58mm，内管板为55mm。先对试验外管板上的管头进行强度焊和贴胀，按照预设的电流值分别对这6个试验内管板侧管头进行强度胀接。胀接完后进行水压试验，通过观察它的管口就能发现内管板侧是否有泄漏和渗透。

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图6

(9) 对每个试样进行强度胀接后对试验装置进行水压试验，试压的压力和按照实际产品压力一样P=1.25Mpa;待试验压力上升到1.25Mpa时候，对管口进行细致的观察发现管1和管2有泄漏，管3有微量的渗透而管5、管6、管4则正常无泄漏和渗漏。我们对试样进行局部

测量和剖开分析。

(10) 以下我们对试样进行局部车削：分别测量6个的管子胀接后的内径，依次比较胀接前管子内径及胀接填充率，见表二： 管子名称 管1 管2 管3 管4 管5 管6 预设电流值（A） 胀前管内径 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 14.48 14.5 14.46 14.5 14.48 14.50 胀后管内径 15.1 15.28 15.3 15.36 15.5 15.6 管内径差 0.62 0.78 0.84 0.86 1.02 1.1 胀接填充率% 62% 78% 84% 86% 100% 100% 表二 (11) 为了试验胀接的可靠性，我们对这6个试样分别进行胀度的计算见下表三所示：

管子名称 管1 管2 管3 管4 管5 管6 预设电流值（A） 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 胀度(ρ) 6.8% 7.6% 7.8% 8.2% 8.6% 10.5% 表三 (12) 将6个试样在万能试验机上拉拔。从开始到接头破坏，试验机记录的最大拉 力被视为接头拉脱力，见表四： 管子名称 预设电流值(A) - 5 -

拉脱力（N） 管1 管2 管3 管4 管5 管6 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 表四

3.8 3.95 4.1 4.3 4.5 4.6

对表二、表三、表四数据进行对比发现，在预设电流值不同情况下，管1～管6随着电流值增加其胀接填充率、胀度和拉脱力而增加，过胀则导致管子产生加工硬化，管子的强度和刚度增加，而韧性和塑性下降；欠胀则换热管与管口连接不牢导致泄漏。通过模拟试验将电动胀管仪电流参数值定位I=1.2A;其胀接填充率、胀度、拉脱力均符合规定要求。按照这个电流值对本产品进行强度胀接，经过水压试验和气密性试验发现无任何泄漏和渗漏。

四、制造重点

双管板换热器制造的重点是内、外管板管孔的同心度、平行度，而最关键是内管板强度胀槽与管孔的同心度、粗糙度。 (1)内、外管板的加工

要达到内、外管板同心度、垂直度，对钻床进行打底孔、钻孔，必须严格按照制造工艺执行，控制孔径及粗糙度，最好是在数控机床上进行；不允许出现螺旋状或者纵向划痕。对四块管板进行配钻以确保同心；按照设备组装工序将4块管板分为两组重叠起来用定位销定位选用若干个换热管分别试穿直至换热管顺利无阻的插入所有管孔为止，否则重新修铰。其次外管板孔径要比内管板大0.1mm左右，这是因为内、外管板间距较小，两者之间的管子的刚度很大，局部调整很困难，这样做也便于组装外管板。为了便于穿管要求折流板与管板的钻孔方向应与穿管方向一致。按照图纸和GB151规定还要对单块管板进行检查，不允许有贯通性的螺旋形或纵向条痕；因此对管板钻的时候留有0.2～0.3mm铰孔余量使其达到图纸要求的管孔尺寸。待铰孔完后用游标卡尺测量管孔的直径保证公差范围在0～0.15mm之间。对于内管板测得胀槽是否与管孔同心需要简易工装配合内径千分尺，用一块宽度大约5mm,长度约70mm平直的板条插入管孔当中；以管孔的四个象限点为基准，插入板条配合内径千分尺并读取内径千分尺表上的尺寸。如果四个象限点读取尺寸不一致则胀槽与管孔偏心需要修镗；直至四个象限点的读取尺寸一致。

（2）内、外管板组装

首先必须清洗内外管板管孔里面的铁屑、油污等异物，本厂对双管板组装将内、外管板视为一个整体管板进行组装，前提是两管板用换热管定位中间通过固定拉筋连接；中间的积液程短节先与内、外管板不焊；这样便于试压时观看内管板与换热管连接质量。 (3) 内管板的强度胀接

在双管板换热器上内管板胀槽的质量直接决定了强度胀接的质量，如果胀槽与管孔同心度超差，可导致胀槽浅的一侧在胀槽深的一侧的拉力作用下无法胀紧，从而就达不到密封的作用。如果胀槽的粗糙度超差，强度胀接时管子不能与槽贴实，同样密封不严。因此必须采用专用的孔槽镗刀进行加工，及时排屑，这样才能保证公差及粗糙度。通过强度胀接模拟试验选用合适的胀接参数进行胀接并不时的检查胀管器胀杆轴的定位尺寸；保证每次胀珠在胀接范围内,确保每个管子的胀接质量。

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（4）压力试压：

双管板的试压比较麻烦，首先对壳程进行水压试验，从积液程观察内管板与换热管的连接质量；待水压试验合格后，组焊积液程的短接将内、外管板连接起来成为一个密闭的腔体。根据设计的图样对壳程进行气密性试验通入氨、氮混合气体通过积液程接管口放入试纸以不变色为合格。其次对积液程按照图纸要求进行水压试验和气密性试验直至合格为止。然后再对管程按照图纸要求进行水压试验。

五、小结

通过本厂对双管板制造得出：①选定合适的胀管仪并模拟双管板的内管板侧强度胀接，初定胀接的参数值并通过水压试验合格而确定选用胀接本台设备的参数值。②管板加工：选用数控机床对内、外管板进行钻孔保证管孔的同心度、垂直度、平行度及粗糙度满足图纸规定的要求；内管板侧胀槽与管孔必须同心才能保证胀接质量的要求。③内、外管板的组装前必须清理及预组装。检查管孔是否有油污、毛刺和划痕等。重叠内、外管板用定位销定位选用若干换热管进行试穿合格为止。④根据图纸要求进行试压，要求做到一点不能渗漏为止。通过本厂不断摸索和试验现总结制造工艺要求，数台设备已顺利出厂并且运转成功。

参考文献：

【1】压力容器安全技术监察规程【S】.1999 【2】GB151—1999，管壳式换热器【S】.

【3】钱婷婷，孔智文.双管板换热器的设计和制造[J].化工装备技术,2006,27(6)：43-44. 【4】蔡莲莲.双管板换热器的设计、制造及应用产[J].产品开发与设计，2009，36(11)：-55.

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