U形管式换热器设计与制造工艺分析

秦汝敏

南京扬子检修安装有限责任公司 江苏南京 210000

摘要：U形管换热器只有一块管板，没有浮头，结构比较简单。文章论述了U形换热器的设计和制造工艺，着重阐述了材料的检验与验收，封头及筒体的成型，管板的机加工，U形换热管的弯制，换热管与管板的连接结构等重点部位的设计和制造工艺。

关键词：U形换热器；制造；强度焊+贴胀；

1引言

反应产物-原料热交换器(E-101C)在炼油厂石脑油加氢设备炉前的换热过程中发挥着至关重要的作用，它的换热器构造为U形管式，可以有效地提升换导热效果，从而实现更高的效率。U形管式换热器是一种常见的换热设备，其结构特点是由U形弯管和连接弯管的管板组成，具有结构紧凑、传热效率高等特点，适用于高温高压、腐蚀性强的场合，被广泛应用于各种工业领域。在U形管式换热器的设计和制造过程中，需要充分考虑换热器的工作条件、传热需求和材料性能等因素，以保证换热器具有良好的传热效果和稳定的工作性能。

1.1设备主要参数

根据TSG21-2016固容规和《GB/T150—2011》和《GB/T151—2014》，我们对反应产物-原料热交换器的设计进行了严格的审查和评估。表1是该项目详细的设计参数。

表1 E-101C主要设计参数

1.2设备结构型式

这台换热器采用了U形管束，其管箱和壳体类似，包括封头、筒体、设备法兰和接管及管法兰。换热器的质量约为24.76吨，全长约为8419毫米，内部直径为1200毫米。为满足规范标准及使用要求，换热器的主体材料采用了S32168+15CrMoR（H）不锈钢-铬钼钢复合板，厚度为3+32毫米。其接管法兰和设备法兰处采用了15CrMo（H）ⅳ级锻件，并进行了S32168的堆焊处理。此外，管板采用S32168ⅳ级锻件，换热管尺寸为φ19×2，材质也是S32168的。

1.3 U形换热器的重要特点

U形管式换热器是一种常见的换热设备，其主要技术特点包括：

1）U 形管束可以自由伸缩，不受管壳程温差影响，热补偿性能好；

2）只有一块管板，法兰数量少，泄露点少，运行可靠，结构紧凑；

3）管束可抽出，清洗方便；

4）管箱有分程隔板，最内层布管间距大，布管少；

5）U 形换热管内清洗困难，适用于管程的介质是清洁且不易结垢。

2材料的要求及验收

2.1基层材料的要求

15CrMoR（H）钢板和15CrMo（H）锻件材料的化学组成和力学特性必须符合国家标准GB/T713—2014和NB/T47008—2017的要求，并且必须满足特定的技术要求。

钢板应在正火+回火的情况下进行交付，锻件应在正火+回火+调质状态下使用，以确保其质量达到最佳状态。

对于每一块钢材，我们都会对其100%的超声检查，并且根据NB/T47013.3-2015的规定， I级合格。对于每一块锻造材料，我们都会对其进行超声检查，如果发现的缺陷，无论是小的还是大的，都被判定为Ⅱ级。材料表面不得有白点、裂纹等缺陷。

2.2复合板

生产出的复合板必须满足NB/T47002.1规定的B1级标准。在制作过程中，钢板的底部与上部可采用爆炸复合。使用的钢板必须完整，而且不能有任何拼接。此外，复层不锈钢表面必须经过酸洗钝化。对复合钢板界面结合部的超声检查，必须经过热处理和校平，并且要求每一块板材都要完整地被检查，而且每个检查点的重合部位也必须大于15%。

2.3 S32168锻件的要求

S32168锻件是U形管式换热器中至关重要的组成部分，其质量和性能的好坏直接影响到整个换热器的质量和性能。因此，在制造过程中需要严格按照规范和标准要求进行，保证S32168锻件的质量和性能符合要求。

2.4 S32168换热管的要求

不锈钢换热管材料必须遵守GB/T13296—2013标准具有较高的精度，换热管整根供货不允许拼接。并且每根换热管弯制后都要按管壳程的最大水压试验压力值进行耐压试验。每根换热管还需要进行涡流检测，并对其采用压扁和扩口试验。根据GB/T4334—2020标准中的E法，对于换热管的晶间耐腐蚀有着严格的要求。此外，在选择换热管时，也要同时满足NB/T47019—2021《锅炉热交换器用管订货技术条件》标准要求。

2.5管板与换热管之间的连接结构

管壳式换热器设计和生产中，最重要和困难的部分包括管板和换热管之间的连接结构。既要确保能承受设备运行时管壳之间因温度差产生的压力和拉力，还要保证每个连接点都密封不能有一点泄露，且工艺复杂，加工量大。

换热管与管板之间主要有三种连接结构形式:强度胀接、强度焊接、胀焊并用。

(1)强度胀接

胀接结构工艺简单，生产效率高，检修方便。但胀接结构是利用胀管产生塑性形变使换热管与管板紧贴以达到胀接的目的，但是存在残余应力，随着温度的上升它会下降或消失，这样管头的结合力就会降低，导致管头密封失效产生泄漏。主要适用于设计压力小于等于4.0mPa，设计温度小于等于300℃的场合。

(2)强度焊接

管壳式换热器广泛采用强度焊接的连接结构形式。强度焊接结构形式的特点包括：工艺简单，加工方便，不开槽，不退火，焊接强度高，不受温度、压力的应用范围限制。在没有较大振动和间隙时可以适用于所有GB/T151-2014规定的设计压力。

(3)胀焊并用

先胀后焊与先焊后胀两种连接方式都属于胀焊并用连接结构。焊前应将油污清除干净，防止胀管时使用的润滑油渗入接头缝隙，在焊接的过程中产生气体，致焊缝产生气孔，严重破坏焊缝质量。先胀后焊可防止焊接后再胀管引起焊缝产生裂纹，有助于提高焊缝抗疲劳性能。

先焊后胀，为了保证焊缝质量防止残留在接头缝隙中油污或空气的受热膨胀可以采用先焊后胀，但可能因胀接使焊缝有裂纹。要控制离管程侧的管板表面15mm以内不要进行胀接，还要求在胀接时认真操控，以免胀接时破坏焊缝。

① 胀焊并用

1. 强度胀接加密封焊，为确保换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度使用强度胀接，为确保换热管与管板的连接密封性更好使用密封焊。
2. 强度焊加贴胀，为确保换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度使用强度焊，为消除换热管与管孔之间缝隙使用贴胀。

② 胀焊并用的使用范围

1. 有较高密封性能要求的场所;
2. 有振动或载荷的应用场所;
3. 有间隙腐蚀的场所;
4. 使用复合管板的场所。

换热管与管板连接方式中的强度焊指保证换热管与管板连接的密封性能和抗拉脱性能的焊接，密封焊是增强换热管与管板连接的密封性能，均要求管头的焊脚高度大于或等于换热管壁厚的1.4倍，一般不宜小于管子的壁厚。消除换热管与管孔之间隙作的轻度胀接叫贴胀。全面分析，为了使换热管与管板之间连接的密封性能达到最佳，本设备采用了强度焊加贴胀的连接结构形式。本台设备换热管规格为φ19×2，贴胀胀接压力为150～160MPa。

3主要制造要点

3.1封头

EHA1200的实际厚度为δ=3+32mm。根据设计需求，我们使用了整块板子进行热压成型。由于这种冲压方法需要进行拉伸，所以金属材料可能出现复杂的变形，从而造成一定的厚度损失。为了确保符合规定的厚度，我们投料厚度为δ=3+36mm。在热压成形完毕之后，为了提升封头的机械强度，必须采用正火+回火热处理。在此过程中，应该尽可能地提升冷却速率，使得晶粒更小，从而提升更强的抗拉强度，从而达到设计的最终目标。在进行加热操作时，应使用仪器来监测P和S的含量。采用正火热处理技术，将保温温度调节在910~930℃之间，并以55~170℃/h的速率进行升温，持续45分钟，降温处理是当温度低于10℃时进行空气冷却，当温度高于10℃时进行喷雾。在经过回火热处理时，需将其加热至660~680℃，温度上升速度55~170℃/h，然后保持80分钟，最终将其放置于室内，并经过空气冷却。封头制作成型后按GB/T25198-2010标准和设计图纸的要求，对其外观、大小及成型后厚度等进行检验。

3.2筒体

筒体共分3节。筒体制作工艺流程包括：划线—落料—刨坡口—卷圆—焊接—检验—无损检测。筒体检验应符合以下要求：复层错边量不超过1.5mm，端面不平度≤2mm，棱角度不超过5mm，筒节外圆周长公差±5.5mm，表面机械损伤≤1.8mm。

复合板的AB类焊缝先进行基层焊接，焊接完成后进行100%RT+100%MT检测，检测合格后再焊接复层，复层表面按NB/T47013.5-2015标准要求进行100%PT检测Ⅰ级合格。

3.3管板

该换热器管板采用了S32168Ⅳ级锻件材料，它的主要技术标准是：管板的钻孔孔径必须为φ19.25±0.1mm。管子的孔径必须与管板的密封面完全垂直，且它的垂直度的误差必须小于0.1mm毫米，并且管板密封面不得有裂纹及其它降低管板强度和可靠性的缺陷。由于管板要求的精度高，我们选择了使用数控钻床进行划线和钻孔，并结合摇臂钻进行加工。整个加工过程包括：车削、划线、钻孔、铣胀槽及隔板槽、倒角、拉杆孔攻丝和密封面保护。

3.4 U形管

U形管不宜热弯，其弯管段的圆度偏差必须小于1.9mm。然而，由于管子的回弹性，实际弯曲半径会变大，使得穿管变得更加困难，甚至无法完成。为了确保U形管的弯管尺寸，应当精确把握回弹规律，并且严格控制回弹量，因此将弯管模具尺寸制作的尺寸偏小一些，以达到与图纸及标准的要求。每根换热管弯制成型后都要按管壳程的最大水压试验压力值进行耐压试验，保压时间不少于30秒。

参考文献：

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