铜管管壳式换热器制造要点

丁俊涛*

（南京扬子石化-巴斯夫有限责任公司）

0 前言

1 铜管换热器制造简述

在工艺模拟计算时，由于该换热器管程介质流速较低，若换热管采用普通材质（如碳钢或者不锈钢），则其传热系数无法达到工艺要求的换热效果。通过工艺计算并结合经济性考虑，换热管采用铜管材质，其余受压元件则采用碳钢。为普通的管壳式换热器，其制造过程中需特别注意的地方为换热管与管板的连接处。管板采用碳钢16MnIII 锻件，换热管采用TP2铜管，规格为 19 mm×2 mm，供货的热处理状态为半硬状态。换热管与管板连接需采用强度胀接（刻胀管槽）。该换热器的管程和壳程的设计压力分别为1.7 ，2.8 MPa。

当换热管硬度比管板的硬度小30 HV 时，胀接效果较好，而铜管换热器的硬度很低，只有50～100 HV，与碳钢锻件的硬度相差很大，二者强度差值远远大于30 HV。若贸然加工生产，则不能达到技术和试压要求，如何使换热管和管板满足相关制造标准要求，保持良好的密封性能并通过检验，是必须要解决的问题。该换热器正式生产前，进行了一系列的模拟试验，最终通过了压力试验。

2 铜管换热器制造过程中的注意事项

为保证设备正式制造时顺利进行，其性能满足设计要求，按照以下程序进行前期的验证试验。

2.1 拉脱力试验

根据GB/T 151—2014《热交换器》标准，换热管与管板的拉脱力计算公式如下：

式中：Q——换热管与管板连接的拉脱力；

δt——换热管壁厚；

a ——1 根换热管管壁金属的截面面积；

d ——换热管外径；

斜拉索的索力测试一直是工程界关注的重点问题。本文为解决斜拉桥模型试验中索力测试的难题，研发了一种基于压力环传感器的索力测试系统。结合Ansys分析软件，对该系统按照接触问题进行了仿真分析，得到了索力与测试应变的函数关系式。同时在实验室将该系统的测试结果与传统的测频法的测试结果进行了对比验证，结果表明：本章研发的索力测试系统性能可靠，操作方便，测试结果精度较高，当选择合适的传感元件时，该系统可应用于斜拉索索力的长期、实时监测。

l ——换热管与管板胀接长度或焊脚高度；

F ——拉力试验机所测得的拉力数值；

[q]——许用拉脱力；

其计算结果应满足q ≤ [q]，否则可能会造成换热管与管板脱离，设备失效。根据GB/T 151—2014标准中7.4.7 条要求，有色金属管应满足以下条件： [q] = 3 MPa。

2.1.1 试验试块结构设计

在管板采购时应同时采购试块，试块厚度应与管板相同，形状为圆形，管子应当与设备换热管材和规格相同。为了进一步保证胀接效果，根据实践经验将胀管槽宽度改为8 mm，管孔的排列形式与管孔中心距应与设计条件相同，承受载荷的管子应位于试验中心位置，至少被一排相邻的管子包围（可见图1），试样的管长应满足试验需要，承担载荷管子的管长不应小于试样管板的厚度。该试验共需做3 组，至少2组的测试结果应满足q ≤ [q]。

图1 试样安装示意图

2.1.2 胀接方法选取及主要操作步骤

TP2 铜管硬度较小，若选取机械胀管器进行强度接胀，则会对换热管内壁造成很大的损伤，因此该试验选取液压胀管器，并按以下步骤进行：先计算胀接力范围，选取胀接压力。不同的胀管器生产厂家会提供胀管力的计算方法，根据厂家提供的数据，得出管头胀接时所需要的操作参数。

按设计的试块结构加工试样，测量得到相关数据，按照选取的胀管力进行胀接。试块加工完成后，去除试块上的油污，按设备蓝图上的尺寸及相关公差要求进行检验，试验铜管胀接前需做好保护工作，防止被油污污染或划伤。铜管胀接前，先测量试块管孔内径D，换热管外径d，换热管内径di，换热管壁厚S，并记录数据。胀接时操作工应戴清洁手套，在清洁的环境中进行作业。换热管的胀接部分与不胀部分应圆滑过渡，不得有急剧变化的棱角。

胀接完成后，用千分表测量记录数据，胀后换热管的内径di'，强度胀的胀管率要求为5%～7%，并按下式计算：

将测量结果代入上式进行计算，检查胀度能否满足要求。若胀度不足，则应进行补胀。

在拉力试验机上进行拉脱力试验，分别记录每组拉脱力数据，在试验管子上应分别做出识别标记。得到拉脱力以后，带入拉脱力计算公式进行验证，结果需符合规定要求q ≤ [q]，否则应重新进行试验，之前的试样结果则全部作废。

2.2 换热器模拟液压试验

该试验需做一个缩小版的换热器进行模拟（详见图2），管板厚度应与设备相同，换热管规格与设备换热管相同，模拟换热器的换热管排布、尺寸以及加工、制造、检验过程均按设备原图要求进行。并且生产环境应保持清洁，加工公差则应严格遵照设计要求，接管与筒体、筒体与管板的焊接要求应遵照焊接工程师所制定的焊接工艺。在组装过程中，应做好换热管的保护及清洁工作。胀接前做好相关数据的测量及记录工作，管板管孔、换热管两端长度不小于管板厚度的2 倍，轻度打磨去除表面的氧化皮、油污等。之后按照拉脱力试验的胀接步骤，按照胀管机厂家提供的说明书进行胀接。所有胀接工作完成后（包括胀管率测量合格）按照设计蓝图规定的水压试验压力及正确的操作规范进行水压试验。在水压试验过程中，不可避免会出现管头泄漏现象。用记号笔进行标记，之后再次调整胀接数据进行补胀，并记录补胀时的操作数据。补胀之后，再次进行水压试验，并检查换热管与管板管头。在胀接、补胀过程中应避免出现过胀或者欠胀管头。

图2 换热器模拟液压试验

3 总结

将拉脱力试验结果及换热器模拟液压试验结果作为一组数据来进行评定，该结果可用于指导换热器的制造过程。铜管换热器制造过程中的难点在于换热管与管板的连接，对试样进行拉脱力试验及模拟换热器的水压试验，不仅能确保换热管与管板的连接处强度满足标准要求，同时也能为后续的制造过程模拟正确有效的操作步骤。

事实证明，按照上述2 个试验总结得到的数据及注意事项指导生产制造，可以大大降低该类铜管换热器或者类似的换热器制造失败的概率，大大提高生产的质量和设备可靠性。