浅析管壳式换热器设计、制造中几个常见问题

摘 要：根据作者这几年积累的设计、制造经验，浅析了管壳式换热器设计、制造中经常遇到的几个问题，已达到与同行共勉的目的。

关键词：管壳式换热器 材料代用 连接形式

换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，其广泛运用于石化、冶金、能源等领域，在石化装置中其占总设备总数量和总值的45箛左右，而管壳式换热器以其结构牢固、可靠性高、适应性强等优点在以上领域中一直占主导地位。多数管壳式换热器的使用工况和流通介质常具有高温、高压、易燃、易腐蚀性等特点，其质量的好坏直接影响设备的安全性，可靠性，危及社会安全和国家的财产损失。由于目前是一个机械化高速发展的时代，换热器的强度计算，施工图的绘制均实现了电脑化，且产品的生产制造实现了机械化，从而使得设计、制造人员忽视了操作过程中的一些问题，本文针对管壳式换热器设计，制造中的几个常见问题进行简要的探讨。

一、设计标准的选用

一些换热器的设计人员对设计、制造标准不熟悉，对新老标准的替换不了解，使得在换热器设计时对标准选用不正确。例如：高压管壳式换热器用换热管应选用GB6479-2000标准，而不选用GB9948-2006标准。当设备水压试验压力大于20MPa时，技术要求中应提出“换热管应能承受设备水压试验压力值的压力”，以免换热管按照GB6479-2000标准采购时，因无特殊说明，使得采购的换热管符合该标准（最大试验压力位20MPa）而实际却不能满足设备水压试验要求的问题产生。同时在设备法兰标准选用上，仍选用JB/T4700-2000，而不选用最新的标准NB/T47020-2012，按照JB/T4700-2000，材料Q235A和15MnVR仍可以用于制作设备法兰，而在新标准NB/T47020-2012中已经取消了这两种材料用于制作设备法兰。正是因为设计人员的这种对新老标准替换的不了解，造成制造厂家不必要的损失。

二、材料的代用

尽管《固定式压力容器安全技术监督规程》和《压力容器》对材料代用做出了相关规定，但是在换热器的设计、制造中常常会因为材料采购困难等因素而出现材料代用的现象，而在实际操作中由材料代用所引发的一些问题却容易被人们忽视。

1.以厚代薄

材料“以厚代薄”往往使壳体的受力由平面应力状态向平面应变状态转变，这对容器受力状态来说是弊大于利的，一般情况下，厚壁容器比薄避更容易产生三向拉应力，从而产生平面应变脆性断裂。

1.1对于筒体与封头之间为等厚焊接的容器，若对壳体个别零部件进行“以厚代薄”，必然增加壳体的几何不连续程度，从而引起应力集中，使封头与筒体连接部位的局部应力增大，此时，对于有应力腐蚀倾向的容器会产生较大的危害；对于高变载荷的容器，则有可能引起疲劳裂纹甚至疲劳断裂。

1.2钢板的许用应力与其厚度息息相关，从GB150.2-2011中可见，钢板随着厚度的增加，其许用应力值呈下降趋势。如Q245R钢板在100℃下，板厚从16mm增加到18mm时，许用应力由147MPa下降至140MPa；Q345R钢板在100℃下，板厚从16mm增加到18mm时，许用应力由189MPa下降至185MPa，由此可见，以厚代薄有可能导致设备强度满足不了设计要求，因此，当处于这些临界状态下的以厚代薄时，必须对设备强度进行验算。尤其在封头制造时要引起高度重视，因为对封头下料时往往要增加一定的毛坯厚度来保证冲压成型后封头的最小成型厚度。

1.3对于挠性薄管板、波纹管、膨胀节等零件，原则上不允许以厚代薄，因为随着这类零件厚度的增加，其刚行相应增大，从而消弱了补偿变形的效果，失去了这类零件的实际意义。

2.以优代劣

换热器所用金属材料的主要性能包括力学性能、化学性能、工艺性能等，然而每一种材料的性能都是固定不变的，从性能比较出发，常常会出现材料间的“优”和“劣”之分，但这种优劣之分也是相对的，具体问题还需具体分析，下面是几种典型的“以优代劣”的事例：

2.1换热器生产制作中，低合金钢强度等机械性能明显要优于碳素钢，但其可焊性和冷加工性能却不如碳素钢。一般来说，强度级别越高，其可焊性和冷加工性能就越较差，所以做这类代用的同时应相应调整焊接工艺等制作方法。

2.2在湿硫化氢环境下及存在应力腐蚀开裂风险的换热器中，随着设备用钢级别的提高，其对应力腐蚀开裂的敏感度就越高，此时若将Q245R系列钢材用Q345R等低合金钢代用就极易产生问题。因此，这类“以优代劣”是行不通的。

2.3不锈钢的耐腐蚀性能较为出色，但在含有氯离子的环境中，其耐腐蚀性能却不如低合金钢和碳素钢。

2.4与普通不锈钢相比，超低碳不锈钢在价格和耐腐蚀性能上更具优势，但其高温热强性却不如普通不锈钢。因为碳在奥氏体不锈钢中具有两面性，从耐腐蚀性来说，需要降低钢中的含碳量，而从耐高温性来说，则需要增加钢中的含碳量。因此，这类“以优代劣”需要特别注意设备的设计温度，必要时需重新计算。

综上所述，材料代用所带来的利弊问题是比较复杂的，在进行代用时，必须取得原设计单位的许可文件，并对改动部位作详细记载，同时，由原设计单位对材料代用的可行性和影响进行综合考虑，之后方可决定其代用是否可行，并对可实施材料代用的设备的焊接工艺、检测方法等作相应的调整，尽可能的消除和减少由材料代用所产生的不利影响。

三、管板与换热管的连接形式

换热管构成换热器的传热面，换热管的规格和形状对传热有很大的影响。根据操作温度、压力、介质等因素，选用不同规格和形状的换热管。不管是哪种规格、形状的换热管，其与管板的连接形式必须保证良好的紧密性，不泄露，以免造成热量和产品的损失，同时应该保证能承受一定的轴向力，避免换热管从管板中脱出，造成安全事故的发生。目前，管板与换热管的连接形式主要有焊接，胀接和胀焊并用。

1.焊接

焊接分为管板断面焊和内孔焊两种

1.1换热管与管板连接采用端面焊时，换热管与管板间存有间隙，介质不流动，会产生间隙腐蚀，同时无法用X光或超声波来检测，难于保证焊接的可靠性，只有通过焊接工艺评定来保证焊缝无裂纹与全焊透。由于这种焊接形式的焊缝承受薄膜应力、温度应力、剪应力及焊接残余应力，焊缝容易破裂，为保证焊接质量，当换热管厚度大于2mm时，换热管与管板的焊接应采用二次焊。

1.2换热管与管板连接采用内孔焊是国内外采用最新最好的连接结构。其既无间隙腐蚀又无换热管胀接与非胀接的过渡区，且无胀接的硬化现象，但制造和检测都比较困难，同时成本相对较高，通常只能在特殊工况条件下采用。

2.胀接

胀接分为机械滚胀法、液压胀接、爆破胀管三种形式。

2.1机械滚胀法易使换热管产生过胀或欠胀，其管内壁易产生加工硬化，同时在高温下工作，由于温差变化作用下，胀接处管子的残余应力逐渐消失，从而降低了密封性与抗拉脱力，造成连接失效。但其具有结构简单，便于更换与修补换热管的优点。

2.2液压胀接法使换热管与管板连接处应力分布较均匀，具有生产效率高、劳动强度低、密封性好等优点，但对管板的管孔及开槽精度要求特别高。

2.3爆破胀管是利用爆炸时的径向力使管子胀紧，同时利用爆炸时的轴向力将残渣甩出管外。

3.胀焊并用

GB151-1998标准中规定，胀焊并用适用于密封性能较高，承受振动或疲劳载荷，有间隙腐蚀，采用复合板的场合。目前对常规的换热器通常采用“贴胀+强度焊”的模式，而重要的或使用工况苛刻的换热器则要求采用“强度胀+密封焊”的模式。无论是哪一种，其制造工序只有先胀后焊和先焊后胀两种。

3.1先胀后焊

换热管与管板胀接后，在管端应留有15mm长的未胀管腔，以避免胀接应力与焊接应力的叠加，减少焊接应力对胀接的影响。由于15mm的未胀管段与管板孔之间存在一定的间隙，在焊接时，高温熔化金属的影响，间隙内气体被加热而急剧膨胀，间隙腔内压力在焊接收口时能达到200MPa以上的超高压状态，间隙腔中的高温高压气体在外泄时对强度胀的密封性能造成致命的损伤，且焊缝收口处易留下肉眼难以觉察的针孔。目前胀接常采用的是机械胀接，在机械胀接时，机械油渗透进入裂纹、气孔等缺陷，焊接时产生的缺陷就更为严重，同时这些渗入间隙的油污又很难清除干净。因此在采用先胀后焊工序时，不宜采用机械胀的方式。由于贴胀是不耐压的，但可消除换热管与管板管孔的间隙，所以能有效的阻尼管束振动到管口的焊接部位。而要达到均匀的贴胀要求只有采用由电脑控制胀接压力的液压胀管机，其能方便、均匀的实现贴胀要求。为了使胀接结果达到理想值，胀接前换热管与管板孔的尺寸配合在设计制造上必须严格符合要求。只有这样，对于常规设计的“贴胀+强度焊”可以采用先胀后焊的方式。

3.2先焊后胀

采用先焊后胀工序时，焊前管板坡口容易清洗干净，焊接时换热管与管板间隙处的空气可以从正反两侧排除，对于防止焊缝产生气孔及保证焊接接头的质量都十分有利；同时，先焊后胀可使胀后残余应力不会松弛，避免了因焊接高温的影响而发生松弛。但对于焊接性能较差的换热管与管板接头，胀接时焊缝容易产生微裂纹，甚至将焊缝胀裂，对于这种情况应采用深度胀（即管口10～15mm左右不胀），使胀接部位避开焊缝，从而减小胀接对焊缝的影响，这也是先焊后胀工序的最大弊端。据相关研究资料阐述，采用先焊后胀工序，换热管与管板的泄漏率只有采用先胀后焊工序的十分之一左右，而且检验结果显示，采用先焊后胀工序的焊缝外观均匀，有金属光泽，成型美观。

四、管箱的焊后热处理

设计中常常要考虑管箱要不要做热处理。是否要进行热处理，要根据实际情况而定：

1.碳素钢、低合金钢制的并焊有分程隔板的官箱，以及官箱的测向开孔超过1/3圆筒内径的管箱，应在组焊后做消除应力的热处理。

2.奥氏体不锈钢管箱，一般不做焊后消除应力热处理。当有较高抗腐蚀要求或高温下使用时，应进行消除应力热处理，对于超低碳不锈钢消除应力热处理的温度可在550～600℃下进行，因为在此温度下超低碳不锈钢不会产生贫铬；当隔板两侧温差较大时，结构上应另作考虑。

五、结束语

通过对以上问题的浅述，换热器设计、制造者应该充分了解并熟悉各相关标准，重视标准细节，避免因忽视个别看似不重要的问题而导致设备使用的不可靠性，给社会安全及国家经济带来损伤。

参考文献

[1]GB150.1～150.4--2011 压力容器[S].

[2]GB151--1998 管壳式换热器[S].

[3]TSGR0004--2009 固定式压力容器安全技术监督规程[S].

[4]李培学.黄桂东.周长会 浅谈换热器管板与换热管胀接并用连接的制造工艺[07].

作者简介：倪雁峰（1985-）男，湖南衡阳人，助理工程师，2009年毕业于西安石油大学，现就职于西安亚剑石化设备有限公司 主要从事石油、化工、环保方面设备设计制造工作。