中壓分解器中間管接頭的設(shè)計與制造

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(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

TOYO尿素裝置中立式降膜蒸發(fā)中壓分解器(結(jié)構(gòu)示意見圖1)殼程分為兩段，上段采用入口溫度為155℃左右的蒸汽加熱介質(zhì)，下段采用入口溫度為214℃左右的蒸汽冷凝液加熱介質(zhì)，整個設(shè)備可看作由上下兩個固定管板換熱器組成。該結(jié)構(gòu)形式可以降低能耗，但是上下腔體分隔處的中間管板的設(shè)計與制造成為該設(shè)備的難點之一，中間管接頭的泄漏也是導致該類型設(shè)備最終失效的因素之一。本文結(jié)合某項目中壓分解器換熱管的選材、管接頭計算、脹接工藝評定、水壓試驗，詳細描述其設(shè)計及制造過程中需要注意的關(guān)鍵點。

1 中間管接頭的設(shè)計

1.1 換熱管選材

中壓分解器換熱管選材不合適，最終導致設(shè)備失效的案例較多[1]。目前，具有成功經(jīng)驗的材料以及認可度較高的材料及廠家見表1。其中，針對部分廠家的換熱管如FEREALIUM-255/329J4L，還需補做腐蝕試驗。各牌號換熱管材料的強度及線膨脹系數(shù)存在差異，應(yīng)根據(jù)項目要求及原材料價格等因素合理選擇換熱管材質(zhì)。

表1 中壓分解器換熱管牌號及廠家

1.2 拉脫力計算

中壓分解器上、中、下3處的管接頭見圖2(從左至右依次對應(yīng))。上段由于分布頭的原因保留50mm不貼脹，中間管接頭由于結(jié)構(gòu)原因無法進行焊接，只能采用開槽脹+貼脹。采用SW6或者PVELITE建模計算時，應(yīng)將設(shè)備按3種固定管板換熱器分別建模進行計算，具體為上段(上管板、中間管板)、下段(中間管板、下管板)、整體(上管板、下管板)，同時由于各管接頭的連接形式均不一致，需要分別按照兩端連接形式建模進行計算分析。中壓分解器的殼程筒體一般為碳鋼，而換熱管為不銹鋼或者雙相鋼，兩者線膨脹系數(shù)相差較大，而且該類型設(shè)備的工況較為復雜，需同時結(jié)合開停車、操作、緊急事故全過程的各個工況來核算設(shè)備強度與剛度。

中間管板上換熱管的脹接區(qū)域距管端口較遠，脹接前的定位要求精度高，同時要保證兩端預留一定區(qū)域不予貼脹，脹接控制精度要求較高。因此，在滿足工藝要求的換熱面積及拉脫力的前提下，可以在設(shè)計之初確定中間管板厚度時，預留一定長度范圍內(nèi)的不脹接長度，來保證脹接過程的有效實施。

圖1 中壓分解器結(jié)構(gòu)示意

圖2 管接頭節(jié)點

2 中間管接頭的制造

三管板中壓分解器的制造流程如下：先組裝對穿管，然后脹焊上下兩端的管接頭，最后通過下管板表面定位脹接中間管接頭。水壓試驗過程中如出現(xiàn)泄漏，無法判斷具體泄漏點時，需將所有中間管接頭重新補脹一遍。中間管接頭脹接要求精度高、難度大、工作量大。

2.1 管間隙的控制

在購買換熱管原材料時應(yīng)提出外徑及壁厚偏差的要求，管板開孔也需提出緊密配合的要求，雖然存在制造的誤差，但換熱管與管板的間隙基本控制在一定的范圍內(nèi)。為了保證質(zhì)量，應(yīng)嚴格執(zhí)行“大孔配大管，小孔配小管”的原則，在換熱管穿管之前嚴格測量每一根換熱管脹接處的外徑和管板管口內(nèi)徑，并一一記錄，進行匹配，使整體的管間隙較為均布。

2.2 脹接工藝評定

在中間管板的脹接工藝評定中，管接頭脹接壓力的確定應(yīng)按如下步驟：首先，應(yīng)計算出最小和最大脹接壓力，并結(jié)合設(shè)備實際的差異進行校正；其次，根據(jù)校正后的壓力區(qū)間給出4個壓力等級(數(shù)值為等差數(shù)列)進行單管脹接試驗；最后，根據(jù)拉脫力試驗結(jié)果，并結(jié)合解剖(換熱管對半切割)照片，查看換熱管內(nèi)外表面是否有裂紋及是否貼合緊密，來評判試驗壓力，在滿足要求的情況下取壓力較低值作為產(chǎn)品脹接壓力。在制定脹接工藝時，需考慮多次補脹對管接頭性能的影響。脹評試驗中試樣管脹接后的表面見圖3，脹評試驗中試樣在產(chǎn)品脹接壓力下脹后解剖見圖4。

圖3 脹評試驗中試樣管脹接后的表面注：從上至下，壓力依次增大。

圖4 脹評試驗中試樣在產(chǎn)品脹接壓力下脹后解剖圖

2.3 水壓試驗與補脹

對于中間管接頭的脹接，最理想的狀態(tài)為一次脹接水壓試驗后無泄漏現(xiàn)象。如果水壓試驗時中間管板處有微滲現(xiàn)象，但是泄漏量滿足專利商的規(guī)定且不影響設(shè)備的使用，依舊可以認為制造是合格且滿足工藝性能要求的。如泄漏量超出要求，說明部分換熱管的脹接質(zhì)量沒有得到保證，且無法判別泄漏管接頭的具體位置，需要將所有換熱管重新全部補脹一遍，可以按照原來設(shè)定脹接壓力，或者是將脹接壓力上調(diào)一檔，具體根據(jù)實際泄漏情況進行選擇。

3 結(jié)語

對于中壓分解器中間管接頭，在設(shè)計方面需要考慮其換熱管材質(zhì)的耐蝕性能，同時結(jié)合各工況分別核算在強度脹或強度焊+貼脹管模型下各端管接頭的接頭拉脫力；在制造方面，嚴格控制管間隙，制定符合實際生產(chǎn)的脹接工藝，最終設(shè)備的水壓試驗驗收標準嚴格按照專利商要求執(zhí)行。本文結(jié)合實際工程項目中尿素裝置中壓分解器中間管接頭的設(shè)計及制造進行要點總結(jié)，為類似帶中間管板的換熱器的設(shè)備提供參考與借鑒。