U形双管板管束制造工艺

㊀２０１８年㊀第３期Ｐｉｐｅｌｉｎｅ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ２０１８㊀Ｎｏ ３㊀收稿日期：２０１７－１２－０２Ｕ形双管板管束制造工艺李进一，巫国斌，刘学东（江苏昆仲机械有限公司，江苏镇江㊀２１２０２８）㊀㊀摘要：对Ｕ形双管板管束在制造过程中可能影响产品质量的关键点进行分析，发现内管板与换热管的强度胀接质量是影响整台Ｕ形双管板管束质量的关键㊂采用理论计算与胀接试验相结合的方法合理选择液压胀接压力，确保胀接质量㊂对管板加工㊁管束组装㊁液压胀接㊁隔离腔与管板组装㊁压力试验等进行了详细介绍，合理选择装配顺序并严格控制㊂实践证明，生产过程中严格按照制造工艺制作Ｕ形双管板管束，产品质量得到了保证㊂关键词：Ｕ形双管板管束；胀接试验；液压胀接；制造工艺中图分类号：ＴＫ１７２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００４－９６１４（２０１８）０３－００２８－０３ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｏｆＵ⁃ｓｈａｐｅｄＤｏｕｂｌｅＴｕｂｅＳｈｅｅｔＢｕｎｄｌｅＬＩＪｉｎ⁃ｙｉ，ＷＵＧｕｏ⁃ｂｉｎ，ＬＩＵＸｕｅ⁃ｄｏｎｇ（ＪｉａｎｇｓｕＫｕｎｚｈｏｎｇＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２０２８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔｓｏｆＵ⁃ｓｈａｐｅｄｄｏｕｂｌｅｔｕｂｅｓｈｅｅｔｂｕｎｄｌｅｉｎｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｔｈａｔｍａｙａｆｆｅｃｔｐｒｏｄｕｃｔｑｕａｌｉｔｙ，ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｘｐａｎｄｅｄｊｏｉｎｔｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｕｂｅｓｈｅｅｔａｎｄｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｔｕｂｅｗａｓｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｓｅｔｏｆＵ⁃ｓｈａｐｅｄｄｏｕｂｌｅｔｕｂｅｓｈｅｅｔｂｕｎｄｌｅｓ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐａｎｓｉｏｎｔｅｓｔｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｅｌｅｃｔｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｅｘｐａｎｓｉｏｎ．Ｔｕｂｅｓｈｅｅｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｂｕｎｄｌｅａｓｓｅｍｂｌｙ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｐａｎ⁃ｓｉｏｎ，ｉｓｏｌａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒａｎｄｔｕｂｅｐｌａｔｅａｓｓｅｍｂｌｙ，ｐｒｅｓｓｕｒｅｔｅｓｔｉｎｇｅｔｃｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ａｓｓｅｍｂｌｙｓｅｑｕｅｎｃｅｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄｒｅａ⁃ｓｏｎａｂｌｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｔｒｉｃｔｌｙ．Ｐｒａｃｔｉｃｅｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅＵ⁃ｓｈａｐｅｄｄｏｕｂｌｅｔｕｂｅｂｕｎｄｌｅｉｓｍａｄｅｉｎｓｔｒｉｃｔａｃ⁃ｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｑｕａｌｉｔｙｉｓｇｕａｒａｎｔｅｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｕ⁃ｓｈａｐｅｄｄｏｕｂｌｅｔｕｂｅｓｈｅｅｔｂｕｎｄｌｅ；ｅｘｐａｎｓｉｏｎｔｅｓｔ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｐａｎｓｉｏｎ；ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ１㊀Ｕ形双管板管束概况对于Ｕ形双管板管束，内管板与换热管的胀接质量是制造的关键［１］㊂胀接压力，两块管板的同轴度㊁平行度㊁扭曲度，内管板管孔的加工精度以及粗糙度等都是影响内管板强度胀接的重要因素㊂因此，在管束制造过程中须严格控制制造工艺㊂双管板结构形式一般有２种：内管板强度胀接㊁外管板强度焊＋贴胀；内外管板均为强度胀接，两块管板之间通过隔离腔短节连接㊂文中Ｕ形双管板管束的管板连接形式为：内管板强度胀㊁外管板强度焊＋贴胀，具体结构形式如图１所示㊂隔离腔壳体尺寸为ＤＮ６５０ˑ１２ｍｍ，材质为Ｑ３４５Ｒ；外管板尺寸为Φ７８０ˑ４５ｍｍ，内管板尺寸为Φ７８０ˑ６０ｍｍ，材质均为１６ＭｎＩＩ锻件；换热管规格为Φ２５ˑ２．５ｍｍ，材质为２０＃钢㊂Ｕ形双管板管束制造工艺的最大难点是内管板的图１㊀Ｕ形双管板管束结构强度胀接，必须保证胀接后１００％合格㊂文中Ｕ形双管板管束内管板强度胀接采用液压胀接，可靠性高，胀接过程中受力比较均匀，管子不易过胀㊂胀接的部位不产生窜动，因胀接的整个过程位置固定不变，换热管与管板连接处在整个长度上的应力分布均匀㊂液压胀接的最大优点是胀管不受内外管板距离的限制，最长可达３ｍ以上，它的输压管在工作时不承受扭矩［２］㊂外管板与换热管之间采用强度焊＋机械贴胀的方法，这样可以确保换热管与管板连接的严密性㊂一般要求管板的硬度要高于管子的硬度，两者相差㊀㊀㊀㊀㊀第３期李进一等：Ｕ形双管板管束制造工艺２９㊀㊀３０ＨＢＷ左右㊂为了保证胀接的合格率，在产品胀接前必须进行胀接工艺评定，以选取合适的胀接参数［３］㊂２㊀胀接工艺评定胀接力的选择直接影响胀接质量，确定胀接力应采用理论计算与胀接试验相结合的方法㊂２．１㊀胀接力理论计算胀接力的理论计算主要是确定使换热管与管板开始产生残余应力的最小胀管压力ｐｍｉｎ，以及管板内壁开始塑性变形的最大胀管压力ｐｍａｘ，从而为试胀压力的选择提供理论依据及范围［４］，具体计算公式如下：ｐｍｉｎ＝ＲｅＬｔ３ＦｐＫ２ｋ２－１Ｋ２（１）ｐｍａｘ＝ｐ＋ＲｅＬｓＦｐＫ２－１Ｋ２＋１（２）ｐ＝２ＲｅＬｔ３Ｆｔｌｎｋ（３）式中：Ｆｐ为考虑胀管两侧管板影响的内压放大系数；Ｋ为考虑周围管桥影响后的外㊁内径之比；ｋ为换热管外㊁内径之比；ＲｅＬｔ为换热管材料的屈服强度，ＭＰａ；ＲｅＬｓ为管板材料的屈服强度，ＭＰａ；ｐ为换热管刚产生塑性变形的胀管压力，ＭＰａ；Ｆｔ为考虑胀管两侧换热管的内压放大系数㊂根据上述公式并代入相关数据计算得出：ｐｍｉｎ＝１８０ＭＰａ，ｐｍａｘ＝２５８ＭＰａ㊂２．２㊀内管板开槽尺寸及位置确定按ＧＢ／Ｔ１５１－２０１４标准中规定［５］，当采用柔性胀接工艺时，开槽宽度Ｈ按式（４）计算，且不得大于１３ｍｍ㊂Ｈ＝１．１ｄδｔ（４）式中：Ｈ为开槽宽度，ｍｍ；ｄ为换热管外径，ｍｍ；δｔ为换热管壁厚，ｍｍ㊂经计算得出开槽宽度为８．７ｍｍ，结合以往经验并查阅相关文献最终确定开槽宽度为９ｍｍ，开槽位置距管板表面１５ｍｍ，具体开槽结构如图２所示㊂２．３㊀胀接试验本试验选用ＧＹＺＪ－３５０型液压胀管机进行柔性胀接，最大胀接压力３２０ＭＰａ㊂制作胀接试件，选用与实际管束同批换热管和同一厂家生产的１６ＭｎＩＩ锻件，管板厚度㊁钻孔直径㊁隔离腔长度等均与实际产品一致，胀接试件结构如图３所示㊂胀接试验采用两次胀接，第１次胀接压力设置为２３０ＭＰａ，第２次联接压力设置为２４０ＭＰａ㊂胀接试验完毕，先对胀接试件进行水压试验，试验压力为１．８５图２㊀液压胀开槽结构图３㊀胀接试件结构ＭＰａ，保压０．５ｈ无渗漏，再提高压力至２．５ＭＰａ，仍未发现漏点㊂最终确定产品第１次胀接压力为２３０ＭＰａ，第２次胀接压力为２４０ＭＰａ㊂３㊀制造工艺Ｕ形双管板管束制造的要点是内外管板管孔的同心度㊁平行度，而其关键是内管板强度胀槽与管孔的同心度㊁粗糙度㊂３．１㊀内㊁外管板加工为保证两块管板的同心度㊁垂直度，采用高效数控钻床进行钻孔，必要时增加铰孔工序㊂严格按照制造工艺执行，控制孔径及粗糙度，管孔表面粗糙度不大于６．３μｍ，管孔壁不允许出现螺旋状或纵向划痕㊂加工时应注意外管板孔径要比内管板大０．１ｍｍ左右，这是因为内㊁外管板间距较小，两者之间管子的刚度很大，很难进行局部调整，不利于穿管㊂３．２㊀折流板加工为利于穿管，管板和折流板的钻孔方向应与穿管方向保持一致㊂折流板孔与管板孔的同心度直接影㊀㊀㊀㊀㊀３０㊀ＰｉｐｅｌｉｎｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｙ ２０１８㊀响管子能否顺利穿入管孔中，因此折流板的加工应以象限为组，将一个象限内的折流板用直板固定到一起，并做好正面标记㊂折流板孔两端均要倒角并去除毛刺，防止穿管时损伤管子的外表面，进而影响管板孔表面质量㊂３．３㊀管束组装清除内外管板管孔的铁屑，用丙酮或酒精去除管孔油污，将内外管板按产品顺序重叠，先用４根加工好的芯棒进行定位，然后用换热管逐孔试穿，检查两块管板孔的同心度㊁垂直度，并做好方位标记㊁正反标记㊂以内管板为基准，依次穿好拉杆㊁定距管㊁折流板等，然后根据内㊁外管板间的距离，加工６根定位柱（Φ３０ｍｍ圆钢），靠近管板边缘均匀布置，点焊固定在内㊁外管板之间㊂定位柱在换热管与内管板胀接后，隔离腔短节和内外管板焊接前去除㊂清除管头表面（约３０ｃｍ长）的铁锈，管头采用细砂纸打磨至光亮㊂穿管时由内向外进行，每穿一排调整一排管头，使之伸出外管板的长度为３ ４ｍｍ㊂穿管过程中切勿用铁锤直接敲击管子，应上下轻微晃动Ｕ形管，同时在管子端部采用牵引工装，让管子顺利穿入管孔㊂３．４㊀内管板液压胀接内管板与换热管的强度胀接是整台Ｕ形双管板管束制造的最大难点，液压胀接时采用胀管加长机构进行㊂胀接前要先精确测量管头到内管板胀区的距离，然后加工挡环以精确定位㊂采用两次胀接法：第１次按胀接工艺试验确定的胀接压力２３０ＭＰａ进行胀接，第２次胀接压力为２４０ＭＰａ㊂胀接顺序应该从管板的中心开始逐步向周围逐根进行，便于应力逐步成圆形向周围扩散㊂为防止漏胀或重胀，胀接时应逐孔做好标记㊂根据胀接情况，要不定期地复检胀杆轴定位尺寸，确保液袋位于管板孔的胀接范围之内㊂３．５㊀壳程试压考虑到将Ｕ形管束外管板取下再重新装配难度太大，隔离腔的外壳采用哈夫短节㊂为了便于试压时观察壳程管板泄漏位置，应在壳程试压合格后组装焊接隔离腔短节㊂将Ｕ形管束穿入水压工装用壳体，进行壳程水压试验，试验压力为１．８５ＭＰａ，检测内管板胀接质量㊂若内管板管头出现漏点，可采用液压胀进行补胀，补胀时可适当提高胀接压力，但不可超出最大胀接压力ｐｍａｘ，直至试验合格㊂胀接操作过程中应严格按胀接工艺，避免出现过胀㊂３．６㊀隔离腔与内外管板组焊焊接隔离腔与内管板时，应采用适当措施，防止内管板受热膨胀导致内管板与换热管胀接状态发生变化㊂根据以往的经验，在制造过程中采用的方法是在焊接隔离腔与内管板前，将工装用壳体注满水后再进行施焊，从而实现对内管板的冷却，实践证明这种方法效果很好㊂组焊时采用氩弧焊打底，手工焊盖面，焊接完内管板后再进行隔离腔与外管板的焊接㊂３．７㊀外管板焊接＋贴胀对于胀㊁焊的先后顺序，虽无统一规定，但一般认为以先焊后胀为宜㊂因为当采用机械胀时需用润滑油，胀后又难以洗净，在焊接时存在与缝隙中的油污在高温下生成气体从焊面逸出，导致焊缝产生气孔，严重影响焊缝的质量㊂外管板管头采用管板自动焊机进行焊接，采用两道填丝的方法进行㊂焊接时为防止热量太大造成管板变形，采用梅花桩式进行焊接㊂焊接完毕，对管头进行１００％ＰＴ检测，合格后对外管板管头进行机械贴胀㊂３．８㊀压力试验对隔离腔进行气密性试验，经肥皂液检查无漏气为合格㊂按图样要求对壳程进行氨检漏试验，在隔离腔的排泄孔处贴酚酞试纸，试纸不变色为合格㊂４㊀结论内外管板管孔㊁胀槽的同心度㊁垂直度是Ｕ形双管板管束制造的要点，而内管板的强度胀接是Ｕ形双管板管束制造的难点，制造过程要严格控制㊂按照上述制造工艺制作４台Ｕ形双管板管束，在压力试验过程中未发现任何泄漏，液压胀管合格率１００％㊂目前该批Ｕ形双管板管束已正常运行１ａ，满足系统工艺要求，各工艺参数均正常㊂参考文献：［１］㊀刘敏．管壳式换热器换热管与管板胀管率的确定［Ｊ］．压力容器，２００７，２４（６）：５９－６２．［２］㊀徐福生，陈静，王雷．双管板换热器的设计与制造［Ｊ］．石油和化工设备，２００９（３）：２９－３１．［３］㊀王荣贵．换热器换热管与管板的胀管技术［Ｊ］．化肥设计，２００２，４０（６）：８－１１．［４］㊀秦叔经，叶文邦．化工设备设计全书 换热器［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５．［５］㊀全国锅炉压力容器标准化技术委员会．热交换器：第６部分㊀结构设计：ＧＢ／Ｔ１５１ ２０１４［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１５．作者简介：李进一（１９８８ ），工程师，从事压力容器技术工作㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｊｉｎｙｉ８８０３１２＠１６３．ｃｏｍ。