热交换器换热管与管板的连接评定实践

热交换器换热管与管板的连接评定实践

严爱军 严越

南京汽轮电机集团泰兴宁兴机械有限公司 江苏泰兴 225442

摘要： 火力发电厂的高压给水加热器简称“高加”。它是利用从汽轮机抽取的蒸汽加热锅炉给水的装置。高压加热器可以提高电厂的热效率，节省燃料，并有利于机组的安全、稳定、环保、经济地运行。高压给水加热器均为表面式加热器，以管子为传热面，汽轮机抽汽进入加热器壳内，因分程隔板的阻挡，给水转弯向下流入管板的上端，由此进入管子，加热蒸汽（汽轮机抽汽）的热量通过管壁传递给管内给水，给水流经U形管过程被加热，之后进入水室的出口侧，经出水口流出加热器，被送往锅炉。从汽轮机中抽出一定数量的做过部分功的蒸汽用来加热锅炉给水的回热过程，可提高机组循环热效率。管侧给水设计压力大于或等于9.8MPa的高压至超超临界压力等级机组的高压加热器。其管子和管板之间的连接一般采用液压胀管加焊接。如何保证换热管与管板的可靠连接，进而保证高压给水加热器的安全可靠运行，是热交换器制造企业的一个重要课题。

关键词：胀接 拉脱 焊接连接 工艺评定

2019年由我公司为华能济宁高新区热电有限公司2×350MW机组设计的图号为NX2019-119的高压给水加热器其壳程设计温度达420℃，压力9.2MPa,管程设计给水温度325℃，设计压力35MPa。设计参数如此高的热交换器，在我公司的制造生产中还比较少见，高压加热器的换热管和管板连接处发生泄漏是高压加热器的主要故障之一，为了确保产品质量，保证高压加热器的安全可靠性，我们对换热管与管板的连接进行了试验评定。

1. 换热管与管板之间的胀接连接

换热管与管板之间的间隙在设备运行中会产生间隙腐蚀，同时高温、高压、高速的蒸汽作用也加剧了换热管的震动，增加了换热管与管板孔之间的磨损，因此通过胀接换热管消除其与管板孔之间的间隙，是管束制造过程中的重要环节，为了保证既不欠胀又不过胀，我们做了以下胀接试验的评定。

1. 胀接试验材料的准备

1.1胀接试板 规格 110×140×440 1块 材质 20MnMoⅣ

1.2换热管 规格 ф16×2.2×550 12根 材质 SA556-C2

(换热管管壁外涂红丹)

2 .胀接试验

胀接试验图见图

2.1胀接压力的计算

2.1.1使管子与试板孔开始产生剩余应力的最小胀管压力Pmin(MPa)

(1)

式中：σ_sp……管板材料的屈服应力 MPa

其中： Fp……考虑胀管两侧管板影响的内压放大系数。

k……管子的外、内径之比 k=do/di

K1……考虑周围管桥影响后的外、内径之比。对于正三角形排列，

H……换热管中心距；

D……管板孔径

式中：R……试板孔距mm D-试板孔径mm

式中：do-换热管外径mm di-换热管内径mm l-胀管长度mm

已知：k=do/di=16.08/11.65=1.3803

k₁=（3.5R-2.5D）/D=(3.5×22-2.5×16.29)/16.29=2.2268

fp=1+(D /(2×l)=1+(16.29 )/(2×380)=1.024

σst=280 MPa

计算：Pmin=(σst / )fp(K₁²K²-1)/ K₁²

=（280/ )×1.024(2.2268²×1.3803²-1)/2.2268²

=282.01MPa≈282 MPa

2.1.2试板孔内壁开始塑性变形的胀管压力

Pmax=Po+σspfp(K₁²-1)/ (K₁²+1) (2)

其中：Po=(2σst / ) ft lnk (3)

ft-考虑胀管两侧管子影响的内压放大系数

ft=1+(di /2l)

σsp-试板的屈服极限 MPa

ft=1+(11.65 /2×380)=1.0094

k=do/di=16.08/11.65=1.3803

σsp=350 MPa σst=280 MPa

计算: Po=(2σst / ) ft lnk

=(2×280/1.732)×1.0094ln1.3803

=142.75MPa

Pmax=Po+σspfp(K₁²-1)/ (K₁²+1)

=142.75+350×1.024(2.2268²-1)/ (2.2268²+1)

=142.75+238.10

=380.85 MPa≈381 MPa

2.2试胀压力的选取及胀接

据计算：胀接压力 282＜p＜381(MPa),试胀压力取310 MPa、320 MPa、350 MPa，分别胀接管孔号1-4、5-8、9-12

3.拉脱试验

为了检验试胀效果，我们对胀接后的管子与试板做了拉脱试验和解剖试验，拉脱后的管外壁与内孔壁呈现出强烈磨擦后的光亮痕迹，表面完整，从拉脱试验记录（略）可以看出以下3点：

1. 1. 管端不卷板试板孔不开槽胀接时，管子从管板孔中拉脱的实际拉脱力最小为2.25MPa,最大为2.41MPa,均大于许用拉脱力[q]=2MPa,说明换热管与管板的贴胀是可靠的

   2. 当管子与试板孔尺寸一定时，在许用的胀接压力范围内，胀接压力取值越大，管子相对于试板的实际拉脱力[q]越大，胀接压力取值大些，一定程度上可增加贴胀的可靠性。

   3. 将试胀前后的管子、试板孔尺寸代入管子壁厚减薄率ε验算，ε值在2%左右，符合贴胀时管壁减薄率的推荐值

4、胀接压力的确定

根据试板换热管试胀结果，图号NX2019-11的高加胀接压力推荐350MPa

二、换热管头与管板之间的焊接连接

换热管管头与管板孔之间的连接焊缝必须有足够的强度，以承受管程的高压给水壳程的高压蒸汽产生的轴向力。另外焊缝不允许存在任何的焊缝缺陷，否则，在设备的长期运转过程中，温差压力随着开停车次数的增加会增大，在温差压力的作用下，焊接缺陷会不断扩展，因此管头与管板孔的焊接工艺必须通过焊评才能应用与实际生产。

1、焊前清理准备：清理管头毛刺、锈迹、污物，试板孔内锈迹，污物。

2、焊接方法：钨极气体保护焊

3、焊接工艺参数

4、焊接工艺评定

a、外观检查，管头焊缝表面无裂纹、气孔、弧坑和飞溅物，焊缝与母材圆滑过渡。

b、焊缝无损检测：管头焊缝做100%PT检测，按NB/T47013-2015Ⅰ级合格

c、切面宏观晶相检验：8个晶相检验面上无裂纹，无未熔合。

d、焊缝厚度测定：8个检验面上焊缝厚度都大于2/3管壁厚度

5、常温下管头焊缝的拉脱试验

在万能拉伸试验机上做管头焊缝的拉伸试验显示，换热管发生断裂，管头焊缝完好，断裂时σb=495MPa.

由管头焊接工艺的评定及拉脱试验表明，管头与试板孔焊缝是可靠的，该焊接工艺参数用于实际生产中换热管与管板的焊接是适用的。

结束语：对于火电企业超高压机组所用的高压给水加热器时，由于设备运行中高温高压的特点，为了确保后来实际运行中的长期稳定，高效，安全，可靠，对于管头与管板的连接，在设备制造前，根据不同材料，不同规格的换热管，管板进行预胀接，预焊接评定十分重要，只有经过试验并经过评定合格的胀接工艺，焊接工艺方能应用与实际生产中去。

主要参考书籍:1、蔡锡琮 编著.《火电厂热交换器》. 中国电力出版社，2016

2、GB/T151《热换热器》

3、GB/T150《压力容器》

4、YZT-3-500F型液压胀管试验机说明书