浅析绿色制造在管壳式换热器中的应用

[摘 要]在分析制造业发展的基础上，总结国内外现有状况，指出当前制造业的困境以及未来所面对的困局。针对制造过程提出实施绿色制造的可行性方案，说明实施绿色制造的效果，从理论上说明绿色制造在换热设备制造中的可行性和必要性。

[关键词]绿色制造 管壳式换热器 环境 资源

中图分类号：U73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0233-02

1.前言

制造已有200多年的发展史，按传统的理解，制造是产品的机械工艺加工过程。制造技术的发展是一个国家持续发展的动力，为了在竞争激烈的国际市场占领一席之地，就必须对制造技术进行研究。20世纪以来，随着生产力的提高和经济规模的不断扩大，人们采用扩大开发自然资源和无偿利用环境的经济增长方式，造成了全球自然环境破坏，资源过度消耗，生态急剧破坏，环境空前恶化，人与自然的关系达到了空前紧张的程度。面对工业社会所带来的严峻问题，我们必须走可持续发展的道路，从产品的设计、制造、包装、运输、使用、回收等各个环节展开绿色生产[1-2]。

2 .绿色制造在管壳式换热器生产中的必然性

管壳式换热器的制造与发展与钢铁行业息息相关。资料表明，我国2007年上半年累计粗钢产量为2.371亿吨，同比增长率17.8%，与这一成绩并在的却是钢铁行业发展中的重重危机[3]。钢铁行业的发展受到“高污染、高能耗”的严重制约，绿色制造作为现代制造模式，是解决这一问题的有效制造模式。推行绿色制造和清洁生产是本行业实现可持续发展和环境保护的必由之路[4]。

在换热设备生产过程中，要实现可持续发展，就要求企业改变传统的生产方式和经营观念，对产品的设计、材料选择、生产工艺、生产设施、市场利用、废物产生和售后服务及处置都要有环境意识和可持续发展的思想。为获得市场竞争力，企业必须做到五点：生产成本低、生产周期短、产品质量高、技术水平高、不影响生态环境，即进行绿色制造。

2.1 管壳式换热器的设计

绿色产品设计要求设计人员要改变传统选材程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用和性能，而且应考虑环境约束准则，同时必须了解材料对环境的影响，选用无毒、无污染材料和易回收、可重用、易降解材料。这为材料科学的发展也提出了新的要求，即要设计出适合绿色产品设计的绿色材料[5]。

换热器一般为金属材料，也有许多陶瓷、塑料的换热器，但是在设计者对换热器进行最初设计时，可充分考虑介质的组成选择环保、节约成本的材料。如焦化厂常见的氨水换热器，一些厂家选择使用S31603（国标牌号022Cr17Ni12Mo2）设备，但氨水换热器的介质中含氨量只有4%～5%，完全可以用常见的S30408（国标牌号06Cr19Ni10）不锈钢材料代替，既减少了对稀有金属钼（Mo）的使用，又节约了成本。同时垫片的选择也是至关重要的，换热器的垫片，拆卸之后一般不可再次利用，可以从易降解、可重用方面进行设计。

2.2 管壳式换热器的制造

2.2.1 材料管理

制造厂应加强材料的管理。不能把含有有害成份的材料与无害成份的材料混放在一起。如除油污使用的丙酮、防腐的油漆与橡胶用品及劳保用品的放置需要分离。同时，达到寿命周期的产品，有用部分要充分回收利用，不可用部分要采用一定的工艺方法处理、回收，使其对环境的影响降低到最低限度，降低材料成本。

2.2.2 管板的加工

管板是管壳式换热器的重要组成部分。管板的加工，需要割、切、车、削、钻等各种工艺。

最主要的加工工艺过程是车和钻，而这两种加工过程又不可避免的需要使用金属切削液来冷却、、清洗和防锈等。然而切削液的大量使用，切削废液的排放对环境和生态造成了巨大的副作用。如何降低切削液对环境的不良影响，已成为实现机械制造业可持续发展中急待解决的难题之一。目前，由于严格的环境立法和激烈的市场竞争，干式切削技术在所有材料和切削加工中广泛应用。西欧国家已有很多企业采用了干式切削加工，德国尤甚。我国关于洁净制造技术的研究方兴未艾[6]。

在干式切削技术在国内普及之前，仍需使用切削液，如何使切削液具有良好的环境友好性能、不对操作者造成伤害、不影响加工质量和生产安全都迫切的需要解决。2007年，何彦等提出面向绿色制造的机械加工系统任务优化调度模型，以减少机械加工所产生的环境影响和资源消耗，对其模型进行了应用分析[7]。

2.2.3 下料与焊接

在换热器的制造过程中，钢板、钢管等材料的下料过程普遍为气割和等离子切割。气割所需要的氧气和乙炔是主要的工业用气，等离子电弧切割使用的则是电流激发，两种切割方式都会产生大量的空气污染物。焊接过程中的电弧焊、埋弧焊以及二保焊等焊接方式同样会因为药皮或药芯的存在产生大量烟雾，完全使用氩弧焊会极大的提高生产成本。

大量的烟气一方面会对施焊工人的身体健康造成威胁，如尘肺病；另一方面，直接排入空气，有害气体和微小颗粒对空气质量造成严重危害，目前空气质量状况的PM2.5指数，不可避免的与这些因素有关，洁净生产已成为大势所趋。企业可在车间安置多个排风机，将排风机换出的气体进行空气过滤和洁净，使排放入大气的气体洁净程度达到最高。

2.2.4 无损检测

管壳式换热器在组装之前，为避免出现焊接缺陷，壳体的焊缝需要进行无损检测。常用的表面检测技术有渗透和磁粉检测，内部检测则需要通过超声、射线、声发射等检测手段。目前，多数换热器的检测依赖于X射线检测，但X射线对人体有害，且穿透性较强，若防护措施不当，极易射入外界环境中。

当今，检测专业的人才着力于研究磁记忆检测，利用材料的磁畴变化产生的漏磁场及磁记忆特征判断缺陷的位置。同时，金属磁记忆法除了能发现早期正在发展的缺陷外，还能给出受检对象的实际应力-应变状态，找出生成缺陷的根源[9]。而且操作简单，是一种无损检测的发展趋势，一旦技术成熟，有可能会替代射线检测。

2.2.5 耐压试验和泄漏性试验

管壳式换热器的压力试验分为液压、气压和气液组合试验。设备厂常用的试验方法是水压试验。面向绿色生产，水压试验可形成水路闭合，循环用水，节水且减少废水排放。

泄漏性试验有气密、氨渗、氦渗漏等多种检验方法，空气或氮气做气密较常见，当介质对设备致密性要求较高时，需选用氨渗或氦渗漏等试验方法。此时，企业应严格按照排放标准将氨气引入水中避免发生中毒事件，减少有害气体的挥发。此后对溶解氨水进行处理，可灌溉农田充当氮肥，也可蒸出氨用于化工生产或回收压缩重新利用。

2.2.6 喷漆与包装

碳钢的换热器一般需要喷漆以起到防锈防腐作用，不锈钢或钛制设备表面需要酸洗钝化处理。喷漆和酸洗都带来了不同程度的环境问题。

喷漆过程中，许多企业为减少生产投入，直接在室外进行喷漆，复杂的挥发性物质直接进入大气，污染了空气质量。为同时兼顾喷漆工人的身体健康以及尽量减少对大气的污染，可在建立的独立喷漆空间的顶部安装大气循环装置和废气处理装置，以达到绿色生产的目的。

酸洗则带来了土壤及地下水的酸性污染。为了我们共同的家园，必须要在固定的位置进行酸洗操作，并将冲洗用水用一定量的石灰或苛性钠进行中和。中性水可以用来做水压试验。

换热器包装避免不了使用塑料包装。塑料的可降解性能差，是绿色生产中可以完全被替代的一种材料。在包装设计中，应广泛利用天然生物包装，大力发展纸质包装，使用可重复利用、可再生包装材料，使用可降解的塑料包装[10]。在经济效益和环境效益上都有着重要的意义。

3.结论

绿色制造是不可逆转的发展趋势，也是一项复杂的系统工程。绿色材料的使用和有效的回收再利用是其中的首要环节，绿色生产是重中之重，末端治理已经出现了不可挽回的缺点和弊端。只有绿色材料的开发应用和循环回收以及生产过程的绿色化同步发展，才能实现真正的绿色循环。然而，作为一相对较新的概念，它还存在着很多混淆和难以理解的地方。绿色制造研究的多目标性、跨学科性需要国际国内的合作，更需要政府、企业、科研院校及其多学科门类密切的合作，与大力的支持与推广，才能实现理论和技术上的突破。

参考文献

[1] 刘光复，刘志峰.等. 绿色制造 北京：中国科学文化出版社.

[2] Samir B. Billators， Nadia A. Basaly， Green Technology And Design for the Environment， Taylor & Francis， 1997.

[3] 田溪，张志红. 绿色制造在钢铁行业中的必要性. 节能与环保. 2009（12）：19-22.

[4] Klemes Jiri， Huisingh.Making progress toward sustainability by using cleaner production technologies， improved design and economically sound operation of production facilities [J]. Journal of Cleaner Production，2005，13（5）：451 -454.

[5] 刘光复等编著.绿色设计与绿色制造.北京：北京机械工业出版社，2000

[6] 刘志峰. 干切削加工技术的发展及应用. 机械制造. 1997.9：6-8.

[7] 何彦，刘飞，曹华军，刘纯. 面向绿色制造的机械加工系统任务优化高度模型. 机械工程学报. 2007.43（4）：27-33.

[8] 任家隆. 冷却切削液的集中循环系统. 机电工程. 2000.17（3）：58-60.

[9] Makarov 1I.Criterion of all estimation of technological imperfections in welded structures[J] Svarochnoye Proisvodstvo，1975，（12）：9-11.

[10] 胡海燕，刘 晶，逯海勇. 绿色包装的材料应用. 山东农业大学学报. 2009.41（3）：451-454.

作者简介

王福坤（1991-），男，山东聊城人，助理工程师，山东省历城区唐王镇石徐村南，机械设计。