海水混合冷剂换热器制造质量控制

闫永超，陈永东，李 超，吴晓红

(合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

随着能源需求的快速增长，煤和石油的短缺以及其所带来的环境污染和生态破坏问题越来越严重，因此开展天然气液化技术研究已成为世界各国必然的选择。混合冷剂换热器作为天然气液化流程中的关键设备，主要用于冷却/冷凝多级压缩介质(混合冷剂)， 具有负荷大、能耗影响大等特点【1-2】， 因此， 海水混合冷剂换热器的选型需要满足传热高效、 结构稳固、 运行可靠等严格要求。通过对国内外应用实例的调研可知， 现阶段采用高效换热元件的管壳式换热器能够实现高效性和安全性的和谐统一， 同时在对内波外螺纹管/螺旋折流板换热器与扭曲管换热器的对比试验研究中发现， 前者具有更优异的传热表现，经过比选，最终确定采用钛内波外螺纹管/双螺旋折流板结构的换热器作为海水混合冷剂换热器的首选方案。

1 海水混合冷剂换热器结构及主要参数

海水混合冷剂换热器采用内波外螺纹管/双螺旋折流板的结构，影响其整体可靠性最为重要的因素就是换热管、管板及封头材料的耐腐蚀性能。经过充分调研和大量试验研究【3-4】，决定选用钛材作为海水混合冷剂换热器主体材料。换热器主要参数见表1。

2 换热元件制造质量控制

内波外螺纹管是在光管的基础上通过机械轧制的方法加工而成的管外壁螺纹、管内壁波纹的特形管，是双面强化换热元件，由于管内外流道形状的不断变化，能够很好地阻碍污垢的生成，明显降低管内外污垢热阻，其总传热系数较光滑管可提高30%以上【5】。由于钛材的延伸率较小，缺陷敏感度高，在加工钛内波外螺纹管前，必须进行严格检查，若存在小裂纹、小划痕等缺陷，应立即处理，以免成形过程中产生裂纹。

表1 换热器主要技术参数

2.1 钛管原材料检查

由于钛材的延伸率较小，在制造钛内波外螺纹管时，必须对钛管原材料提出更高的要求，即在满足GB/T 3625—2007《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》【6】规定的前提下，还要对钛管的尺寸公差提出更高的要求，公差取最小值。

钛管力学性能见表2。由表2可见，钛管原材料的力学性能高于技术要求。

表2 钛管力学性能

2.2 钛内波外螺纹管制造

内波外螺纹管的几何尺寸对整台设备的性能及装配工艺至关重要，为保证内波外螺纹管的成形尺寸，在制造过程中，首先选择合格的基管进行预轧制，并在成形的内波外螺纹管上取一段完整的槽道/波纹(长度150 mm的管段)，沿轴线剖开， 采用卷尺、 卡尺等测量工具对成形后的内波外螺纹管进行尺寸检查， 要求槽距偏差不超过±0.3 mm， 外螺纹高度偏差不超过±0.1 mm。预成形的内波外螺纹管尺寸检查合格后，再进行批量轧制。

轧制成形后，对内波外螺纹管进行外观检查。要求在充分照明条件下逐根目视检查，当目视判断不清时，应采用放大镜检查。管子表面不允许有折叠、离层、裂纹、结疤等缺陷，外观完整。外观检查合格后，对内波外螺纹管逐根进行尺寸检查，检验结果应满足技术要求。尺寸检查结果见表3，由表3可见所有成形的内波外螺纹管均满足技术要求。对尺寸合格的内波外螺纹管逐根进行液压试验及致密性试验，试验压力6 MPa，在试验压力下，稳压时间5 s且内波外螺纹管不应出现泄漏及变形现象；单管气密性试验压力为0.7 MPa，试验介质为空气，在试验压力下，内波外螺纹管应完全浸入水中且稳压时间5 s，管子不允许出现泄漏现象。内波外螺纹管的外观检验、尺寸检查、液压试验和致密性试验，只要有一项检验结果不合格，即判断此根管子不合格。

在同批次的内波外螺纹管中随机选取10%的管子，按照GB/T 18851—2014《无损检测 渗透检测》【7】进行渗透检测，若检测存在不合格的管子，则除将不合格管挑出外，还应从同批次剩余管中再抽取双倍数量的内波外螺纹管进行复验，如复验仍存在不合格管，则该批次剩余管子应逐根进行渗透检测，将检测出的不合格管挑出后，该批次其余内波外螺纹管可判为合格。

表3 内波外螺纹管尺寸检查结果

在同批次的内波外螺纹管中随机选取2根管子按照标准GB/T 228—2002《金属材料 室温拉伸试验方法》进行拉伸实验，其抗拉强度、屈服强度及断后伸长率应符合基管的规定。若实验结果不合格， 则应从同批次剩余管中再随机抽取双倍数量的管子进行复验， 若复验结果符合规定， 则除最初检验的不合格内波外螺纹管外，该批次内波外螺纹管判为合格;如复验结果不合格， 则判定该批次管子不合格。力学性能试验结果见表4，由表4可见，内波外螺纹管的力学性能满足技术要求。

表4 内波外螺纹管力学性能

3 关键部件制造质量控制

本台设备的封头、管板均采用钛钢复合板，为保证换热器的制造质量，应对钛钢爆炸复合板原材料进行严格检查。钛钢复合板到厂后，应逐张进行表面质量检查，复合板复层表面不得有结疤、裂纹、夹杂、折叠等缺陷；逐张进行100%超声检测，并符合NB/T 47002.3—2009《压力容器用爆炸焊接复合板 第3部分：钛-钢复合板》中B1级的规定【8】。

3.1 封头、管板制造质量控制

封头、管板均为钛钢爆炸复合板。为保证原材料的质量，对复合板贴合率进行超声检测，应100%贴合；为保证管板与折流板管孔同心，应严格控制管板的加工质量，管板钻孔完成后，对孔径及孔间距进行尺寸检查，管孔应严格垂直于管板密封面，其垂直度公差为0.2 mm。

封头按0.5%椭圆度进行控制，采用整体热压制成形，无拼缝。在压制后立即进行酸洗和铁污染试验，并对封头内表面复层进行贴膜保护。封头成形后， 采用全尺寸内样板对封头内表面的形状偏差进行检查， 检查时应使样板垂直于待测表面， 缩进尺寸为3%Di～5%Di， 其中最大形状偏差外凸不得大于1.25%Di， 内凹不得大于0.625%Di。

封头直边部分不得存在纵向皱折。封头R弧处内表面按NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分:渗透检测》进行100%渗透检测，Ⅰ级合格；外表面按NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》进行100%磁粉检测，Ⅰ级合格。封头几何尺寸检查结果见表5，由表5可以看出，成形封头的几何尺寸满足技术要求。

表5 封头几何尺寸检查结果

3.2 螺旋折流板制造质量控制

螺旋折流板换热器是由连续螺旋状的扇形板及其支持的换热管束构成的拟螺旋流动系统，因此提高管板与螺旋折流板管孔的相对位置精度，才能保证换热器的装配精度。由于管孔与折流板板面之间存在夹角，这使得钻孔采用传统的方式(即直接将折流板固定在机床操作台上进行钻孔)难以实现，无疑是螺旋折流板加工的难点。

为提高管板与螺旋折流板管孔的相对位置精度，首先要制作用来加工螺旋折流板的模板(钻模和底座)。将预制好的模板叠加整齐、四周压紧并点焊固定，使模板与水平面成相应的螺旋倾斜角。采用立式车床对模板的螺旋倾角截面进行车削，加工出用于约束螺旋折流板倾斜角度的基准平面，然后利用数控机床铣基准平面，孔平面的深度应低于模板最低处且不小于1 mm。首孔钻孔完成后应检查孔径、粗糙度、孔与折流板平面的垂直度等，后续钻孔过程中应不定期进行抽检。

模板加工完成后即可进行折流板的批量加工。将点焊成摞的折流板准确固定在钻模和底座之间，调整螺旋折流板在钻模胎具上的合理位置，此过程中需预留折流板外圆车削加工裕量，采用焊接限位挡块的方式对折流板的滑动方向进行约束，同时采用双头螺栓对折流板及工装卡具进行锁紧，使工件装夹牢固可靠。固定牢固后，采用钻床进行钻孔，保证每摞折流板的钻孔角度一致。钻孔过程中对前5个管孔进行首检，采用三爪式内径千分尺测量孔直径，尺寸偏差应符合图纸或技术条件要求；采用粗糙度对比试块检查管孔粗糙度是否满足图纸要求；采用万能角度尺对管孔倾斜角度进行测量，若发现倾斜角度超差，应立即停止钻孔，检查工装是否牢固，工件底部是否存在异物等，待问题解决后再进行钻孔。螺旋折流板钻孔结束后，分区域对5%管孔进行尺寸抽检，相邻2孔中心距极限偏差为±0.3 mm，任意2孔中心距的极限偏差为±1.0 mm。为了更好地提高管板和折流板管孔相对位置精度，采用线切割的方式对螺旋折流板外圆进行加工，从而保证了车削精度。螺旋折流板制造见图1。

4 设备组装过程质量控制

4.1 管束装配

管束装配前必须淸除壳程筒体内表面的油污。装配时，首先调整好一侧管板安装角度，采用工卡具将其固定在台架上，然后从管板侧开始按次序将定距管、折流板穿入拉杆中，并按照图样规定保证折流板的倾斜角度。先固定下排折流板、拉杆组件，检查合格后，将拉杆端部与管板点焊，然后再组装左右侧的折流板和拉杆组件。最后组装上排折流板和拉杆组件，全部组装完成后，从管束的4个方向检查其同轴度，确认合格后，将拉杆与管板焊接，并采用螺母将拉杆另一侧锁紧在支撑板上。

图1 螺旋折流板制造

折流板、拉杆组件组装好后，开始穿管束。穿管顺序应先下排后上排，管子伸出固定管板约100 mm。管束穿装完成后，将筒体穿入，然后采用卡具将另一侧管板固定在台架上。调整2管板、管板与筒体间距并检查同轴度，合格后将筒体与管板进行焊接，焊接完成后再次检查同轴度，合格后将换热管反向逐根穿入另一侧管板中。

管束组装时不应强行敲打，拉杆上的螺母应拧紧，避免因折流板窜动导致换热管在穿入或撤出时损伤表面。管束装配应保证管板、管子垂直及2管板相互平行，2管板间距公差应符合要求。除换热管与管板间焊接外，其他任何零件均不允许与换热管相焊。

4.2 换热管与管板连接

换热管与管板的连接采用强度焊加贴胀。焊接时应严格按照焊接工艺进行，为保证管头焊接质量，焊接时在壳程内通入氩气保护。胀接前应检查清理换热管内孔，去除毛刺，必要时对管内壁进行吹扫，保证换热管内壁的清洁。修正管端伸出长度，使其符合图样要求。胀接时应严格按照胀管工艺参数进行，从初始扭矩起胀，观察、测量胀接效果，调整扭矩设定值，直至胀接稳定合格。每胀8～14个管头，应对胀头进行冷却润滑。胀接管头时应注意胀接次序，以减少管板的变形。胀接完成后应采用冲洗、干燥、吹扫、擦拭等方法去除管口内侧的油污、杂质。抽取4%～10%左右的管头，测量胀管率，其值在1%～5%之间为合格，管头应无起皱、裂纹、伤痕和异常变形。采用渗透无损检测方法对管头逐个进行检查，同时进行泄漏检查，保证管头一次成形合格。

4.3 接管衬里与封头衬里及法兰衬里的连接

钛衬管采用钛板卷制焊接而成。首先对衬管展开板两端进行预压成形，按图纸规定卷制衬管，找正后点焊固定，错变量应≤1 mm；然后根据焊接工艺进行施焊成形，并打磨外壁焊缝与母材平齐，去毛刺；最后对衬管进行校圆，保证椭圆度≤4 mm，棱角≤2.3 mm。焊缝焊接完成后，按NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测 第2部分:射线检测》进行100%射线检测，Ⅰ级合格；按NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分:渗透检测》进行100%渗透检测，Ⅰ级合格。

考虑到异种材料的膨胀系数不同，为避免在压力试验过程中因局部塑性变形导致封头与接管衬里发生相对位移，在焊制封头和接管的基材焊缝时，需加工处理掉封头基材焊缝坡口附近的复层，待基层焊缝焊接完成后，在相应的空隙处增加钛填板，在钛填板之上再覆盖一层钛盖板，将钛盖板与封头复层搭接，与接管复层角焊。封头与设备法兰的基层对接焊缝在焊接之前，需要将位于基材坡口附近的封头复层加工处理掉，基材焊接好之后，在空隙处增加钛填板，钛填板上方增加钛盖板，分别与封头复层和管箱法兰复层角接。采用钛螺钉将钛密封环固定在法兰面上，并对螺钉尾部进行焊接密封。最后机加工密封面，实现法兰面的密封。

4.4 焊接质量控制

设备焊接应严格按照焊接工艺参数进行，钛材间的焊接工艺参数见表6。所有焊接接头必须为全焊透形式，焊接前焊接接头坡口及坡口50 mm 范围内均需清理油污，焊缝与母材应圆滑过渡，角焊缝的外形应凹形圆滑过渡。焊接过程中预热温度应大于5 ℃，层间温度不超过200 ℃，其中钛材之间焊接的层间温度不应超过60 ℃。焊接接头表面不得有裂纹、未焊透、未熔合、表面气孔、弧坑、未填满、夹渣、飞溅等缺陷，内测焊缝余高为0～1.5 mm，外侧焊缝余高0～1.5 mm，焊接接头检查结果见表7。壳程筒体内壁焊缝应打磨至与壳体内表面平齐。

表6 钛材间的焊接工艺参数

4.5 无损检测及压力试验

设备焊接完成后对壳程、管程A、B类焊接接头进行100%磁粉+100%射线检测，其中磁粉检测按NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》的要求进行，Ⅰ级合格，射线检测按NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测 第2部分:射线检测》的要求进行，Ⅱ级合格，射线检测技术等级不低于AB级；管程和壳程的C、D、E类焊接接头(不包括换热管与管板间的焊接接头、钛材间的焊接接头、异种钢间的焊接接头)，按NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》进行100%磁粉检测，Ⅰ级合格，换热管与管板间的焊接接头、钛材间的焊接接头、异种钢间的焊接接头应按NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分:渗透检测》进行100%渗透检测，Ⅰ级合格。

表7 焊接接头检查结果

无损检测合格后，分别对壳程、管程进行卧置水压试验，试验压力分别为5.37 MPa和2.18 MPa，在试验压力下保压30 min，未出现泄漏及变形现象为合格。水压试验合格后，立即将水渍清理干净，待管、壳程吹扫干净后，对壳程进行气密性试验，试验压力为4.0 MPa，在试验压力下保压30 min，未出现泄漏现象为合格。图2为制造完成的海水混合冷剂换热器。

5 结语

在混合冷剂换热器制造过程中，考虑到原材料质量对整台设备可靠性的影响，对原材料提出更高的要求，并进行严格检验；综合考虑钛的物理性能、化学性能及焊接的冶金特点，严格控制钛材换热器焊接质量；考虑到该换热器中钛换热管壁厚较薄的问题，针对换热管与管板连接接头，采取合理的连接方式及无损检测方法确保焊接接头质量；组装过程中，严格控制折流板的组装角度、保证管束装配质量，为海水混合冷剂换热器的研制奠定了基础。

图2 海水混合冷剂换热器