【摘 要】浮頭式冷卻器的組裝工藝設(shè)計(jì)包括管箱、管束、殼體和總裝配工藝設(shè)計(jì)，并確定用水壓試驗(yàn)來檢測(cè)質(zhì)量的方案。

【關(guān)鍵詞】浮頭式；冷卻器；制造工藝；質(zhì)量控制

冷卻器是國民生產(chǎn)中的重要設(shè)備，其應(yīng)用遍及化工、石油化工、動(dòng)力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工、海水淡化等各工業(yè)部門。例如，鍋爐熱力系統(tǒng)中的過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、凝氣器、除氧器、給水加熱器、冷卻塔等；金屬冶煉系統(tǒng)中的熱風(fēng)爐、空氣或煤氣預(yù)熱器、廢熱鍋爐等；制冷及低溫系統(tǒng)中的蒸發(fā)器、冷凝器、回?zé)崞鞯?；石油化工工業(yè)中廣泛采用的加熱及冷卻設(shè)備等，制糖工業(yè)和造紙工業(yè)的糖液蒸發(fā)器和紙漿蒸發(fā)器，這些都是冷卻器應(yīng)用的大量實(shí)例。它不但是一種廣泛應(yīng)用的通用設(shè)備，并且在某些工業(yè)企業(yè)中占有很重要的地位。例如在石油化工工廠中，它的投資要占到整個(gè)建廠投資的1/5左右，它的重量占工藝設(shè)備總重的40%；在年產(chǎn)30萬噸的乙烯裝置中，它的投資占總投資的25%。

冷卻器的工作任務(wù)，不外乎冷卻熱流體或加熱冷流體，包括有相變時(shí)的讓蒸汽冷凝或者讓液體蒸發(fā)成蒸汽。于是換熱器被劃分為加熱器，冷卻器，冷凝器和蒸發(fā)器。例如鍋爐就是在一個(gè)磚砌耐火墻體圍成的箱形大殼體內(nèi)有省煤器（給水預(yù)熱器），蒸發(fā)器和煙道中蒸汽過熱器串聯(lián)組成的換熱器聯(lián)合體。當(dāng)今換熱器技術(shù)的發(fā)展以CFD、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個(gè)高技術(shù)體系。

冷卻器的制造工藝過程是保證設(shè)備完好運(yùn)行的關(guān)鍵過程，而制造過程則是由原材料到各零部件經(jīng)鉚焊、組裝成整體設(shè)備的制造過程。一般包括：浮頭式冷卻器的概況與準(zhǔn)備制造工序、焊接工藝的確定、零部件成型質(zhì)量控制及加工工藝的設(shè)計(jì)（封頭、筒體、管板、折流板）和各部件的組裝等幾個(gè)關(guān)鍵工序。

浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是一端管板與殼體固定，而另一端的管板可以在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)。殼體和管束對(duì)熱膨脹是自由的，故當(dāng)兩種介質(zhì)的溫差較大時(shí)，管束與殼體之間不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束可以容易地插入或抽出，這樣為檢修和清洗提供了方便。這種形式的換熱器特別適用于殼體與換熱管溫差應(yīng)力較大，而且要求殼程與管程都要進(jìn)行清洗的工況。浮頭式換熱器的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴，而且浮頭端小蓋在操作時(shí)無法知道泄漏情況，所以裝配時(shí)一定要注意密封性能。因此要針對(duì)此換熱器的特點(diǎn)及使用情況來設(shè)計(jì)。了解浮頭式換熱器的作用和使用特性以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其工藝設(shè)計(jì)有所了解，在生產(chǎn)中有更好的應(yīng)用[1]。

該設(shè)備為Ⅰ類浮頭式壓力容器，規(guī)格φ900×12×6200，材質(zhì)Q345R；換熱管Φ19×2，材質(zhì)10#；工作介質(zhì)殼程焦化富氣，管程水；A、B類焊縫檢測(cè)RT20%。

1、管箱的組裝焊接與加工工藝設(shè)計(jì)

先將焊好并經(jīng)檢驗(yàn)合格后的筒節(jié)，轉(zhuǎn)機(jī)加車間吊裝、找正、卡緊，與封頭焊接的一側(cè)環(huán)縫車削邊，GB150中規(guī)定削邊長度L≥3（δ1-δ2），即L=3X（16-12）=12mm。管箱法蘭粗加工，管箱法蘭密封面與隔板端面焊后加工，其余尺寸車達(dá)圖。短節(jié)利用支撐胎找正，管箱法蘭吊裝并與短節(jié)組對(duì)，組對(duì)間隙由3塊2mm的銅片確定后即可點(diǎn)焊，法蘭密封面與短節(jié)軸線不垂直度≤1mm，焊接方法見第3章殼體縱環(huán)縫焊接工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容，待環(huán)焊縫檢驗(yàn)合格后再部分打磨平焊縫并裝焊分程隔板，分程隔板密封端留3-5mm加工余量。劃各接管位置線，割磨接管口，組焊接管及接管法蘭[2]。

由于管箱部分焊縫布置較密集，因而焊接應(yīng)力亦相應(yīng)較大，當(dāng)投入使用后，隨著高溫下應(yīng)力松弛的變形和操作壓力的作用，往往會(huì)出現(xiàn)密封面連接的泄漏。故在管箱制作時(shí)通常應(yīng)在做好消除應(yīng)力的退火處理后再加工管箱的密封，車管箱法蘭及分程隔板密封面。熱處理曲線見圖1-1所示。

管箱熱處理：碳鋼、低合金鋼制的焊有分程隔板的管箱和浮頭蓋以及管箱的側(cè)向開孔超過1/3圓筒內(nèi)徑的管箱，在施焊后作消除應(yīng)力的熱處理，設(shè)備法蘭密封面應(yīng)在熱處理后加工。

管箱組裝技術(shù)要求：

（1）隔板與法蘭形成的缺口處要焊平。

（2）必須在環(huán)縫焊完檢查合格后再組對(duì)隔板。

（3）法蘭螺孔跨中裝配，允許中心線旋轉(zhuǎn)1°。

焊后熱處理應(yīng)優(yōu)先選用在爐內(nèi)加熱的方法，其操作應(yīng)符合如下規(guī)定：

（1）焊件進(jìn)爐時(shí)爐內(nèi)溫度不得高于400℃。

（2）焊件升溫至400最小可為50℃/h。加熱區(qū)升溫速度不得超過5000/δS℃/h，且不超過200℃/h，最小可為50℃/h。

（3）升溫時(shí)，加熱區(qū)內(nèi)任意5000mm長度內(nèi)的溫差不得大于120℃。

（4）保溫時(shí)，加熱區(qū)內(nèi)最高與最低溫度之差不宜超過65℃。

（5）升溫及保溫時(shí)應(yīng)控制加熱區(qū)溫度，防止焊件表面過度氧化。

（6）溫度高于400℃時(shí)，加熱區(qū)降溫速度不得超過6500/δS℃/h，且不得超過260℃/h，最小可為50℃/h。

（7）焊件出爐時(shí)，爐溫不得高于400℃，出爐后應(yīng)在靜止空氣中繼續(xù)冷卻[3]。

機(jī)械加工法蘭密封面：

本設(shè)備容器法蘭密封面共兩件，一件是管箱法蘭，另一件是浮頭蓋法蘭，所以要對(duì)兩件法蘭的密封面進(jìn)行加工。管箱法蘭密封面尺寸不車，其余尺寸車達(dá)圖，法蘭密封面深度為6mm，轉(zhuǎn)組焊車間按圖與其件組焊。

密封面的加工分粗加工和精加工兩步。管箱組件，浮頭蓋組件采用精車，浮頭蓋法蘭密封面及隔板密封精車，終極加工精度為6.3級(jí)精度。管箱法蘭密封面與隔板端面應(yīng)進(jìn)行焊后加工，加工前進(jìn)行焊后熱處理。

具體加工步驟為：

轉(zhuǎn)劃線工序按圖劃管箱法蘭螺栓孔位置線36-19，吊裝卡立車工作臺(tái)，鉆孔36-19。

2、浮頭蓋和外頭蓋的加工與組裝

浮頭蓋與浮頭法蘭之間的焊縫見附圖1-2所示[4]。焊后應(yīng)做整體的熱處理，方法同上。浮頭法蘭密封面也要加工，加工方法為精車。精度等級(jí)為6.3，加工方法同上。

外頭蓋法蘭與短節(jié)及箱體之間的焊接方法與殼體的環(huán)焊縫的焊接相同。外頭蓋上有接管，接管孔的劃線方法用直交管的延長劃線法。外頭蓋與箱體的組裝與封頭管箱組裝工藝相同。外頭蓋組裝技術(shù)要求：法蘭螺孔跨中裝配，允許中心線旋轉(zhuǎn)1°。

3、殼體的組裝和焊接

筒體裝焊兩端法蘭時(shí)，除注意使筒體縱縫的布置符合臥式容器規(guī)定外，還必須以法蘭端面為基準(zhǔn)來保證法蘭與筒體軸線的垂直度與法蘭螺孔方位。法蘭螺孔除圖樣另有規(guī)定外，一般應(yīng)以縱軸對(duì)稱跨中分布，其偏差不得大于5度角。當(dāng)兩法蘭間的形位公差符合要求即可點(diǎn)固定位。

按圖劃筒體上各接管、補(bǔ)強(qiáng)圈、鞍座等件位置線，割磨各接管孔，按圖組對(duì)、焊接各零件[5]。

4、管束的組裝

浮頭式熱交換器的管板連接與固定管板換熱器不同，它是依靠列管來連接固定的。因此要保證兩管板的平行度和同軸度以及對(duì)軸心線的垂直度的偏差在要求范圍內(nèi)較為困難。為此，組裝管束時(shí)一般可按下述方式進(jìn)行。即先在平臺(tái)上根據(jù)劃線位置分別裝置好一個(gè)固定兩管板的支架，并按預(yù)先選定的方位將固定管板裝在支架上，當(dāng)裝進(jìn)拉桿后就可依次的裝入定距管、折流板、緊固螺栓等。待穿入一定數(shù)量的管子后，即可在支架上將浮動(dòng)管板借助于這些管子而予以固定[6]。組裝圖見圖1-3所示。

E0403浮頭式冷卻器管束的組裝要求

（1）檢查換熱管有無傷痕。

（2）檢查管板孔有無縱向溝痕。

（3）防沖板如焊接在換熱管上時(shí)，不得燒傷管外。

（4）換熱管端頭2倍管板厚度長內(nèi)除銹，去油等孔擦洗干凈，無毛刺。

（5）滑道要平直，無棱角。

（1-管子，2-支座，3-固定管板4-定距管，5-折留板，6-螺母，7-拉桿，8-浮頭管板，9-浮頭定支架）

本設(shè)備中折流板與定距管、管板、拉桿相互之間連接情況見圖1-4。

5、殼體與管束的裝配

管束裝入筒體常用的有臥式與立式兩種裝配方法。

這里采用的是占地少、操作簡(jiǎn)便的附加裝置臥式牽引法。這種附加裝置由一個(gè)短節(jié)容器法蘭和一個(gè)小型的卷揚(yáng)機(jī)組成。容器法蘭和卷揚(yáng)機(jī)分別裝焊在短筒節(jié)的端口上和筒內(nèi)中心位置上。需將這種附加裝置的端法蘭對(duì)準(zhǔn)熱交換器的浮頭端大法蘭上，并且用幾只螺栓連接即可。然后將卷揚(yáng)機(jī)的鋼絲繩一端連接在管束上，開動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)后便可將管束順利牽入。利用附加裝置牽引不僅使?fàn)恳较蛞恢露粫?huì)拉損表面，而且效率高，不需要較大的占地面積和行車配合。

由于換熱器的安裝是以臥式容器的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，為防止接管部發(fā)生泄漏，在搬運(yùn)和安裝時(shí)應(yīng)注意不要沖擊換熱器。而且換熱設(shè)備要考慮熱膨脹的問題。要將一側(cè)的鞍孔制成橢圓形的使其能吸收延伸量，所以對(duì)地角螺栓的位置和螺母的緊固情況要加以注意。

在鋼構(gòu)架內(nèi)安裝時(shí)，需要進(jìn)行將設(shè)備搬入構(gòu)架內(nèi)的作業(yè)。搬入的方法除滾道搬運(yùn)外，還有取下上部低面后用兩臺(tái)起重機(jī)邊交替起吊邊移動(dòng)的方法[7]。

6、換熱器的總裝配

（1）臥式設(shè)備的安裝：

①多數(shù)設(shè)備安裝高度較低，因此使用短起重臂可以最大限度的發(fā)揮起重機(jī)性能；

②它起吊的設(shè)備發(fā)生旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)時(shí)，與起重臂接觸的危險(xiǎn)性大；

③由于多數(shù)場(chǎng)合沒有吊耳，因此對(duì)于起吊點(diǎn)的滑動(dòng)要格外注意；不需要鋪吊起重機(jī)；

④萬不得已而進(jìn)行兩端對(duì)吊時(shí)，計(jì)劃中的作業(yè)最好不改變起重臂傾角；

⑤對(duì)于重心和起吊點(diǎn)要特別注意。

（2）找正

在臥式槽類及換熱器的找正作業(yè)中，要進(jìn)行水平調(diào)整。設(shè)備為臥式時(shí)，在設(shè)計(jì)上為了使鞍座能隨著設(shè)備的熱膨脹而滑動(dòng)，必須考慮將接觸鞍座下面整個(gè)面的滑板插入墊塊和設(shè)備鞍座之間，水平調(diào)整結(jié)束后焊接墊塊和滑板，使設(shè)備的墊塊和滑板經(jīng)常保持自由狀態(tài)，以致不對(duì)設(shè)備產(chǎn)生熱應(yīng)力。

（3）總組裝技術(shù)要求

①裝前止口要檢查，除掉毛刺，墊片放平。

②螺栓兩頭長度相等，螺母對(duì)稱均力把緊。

③凡有泄露經(jīng)修后要重做試驗(yàn)。泄壓后吹干，接管孔盲封。

④換熱器組裝的尺寸允許偏差如圖1-5。

封頭管箱與筒體組裝時(shí)須注意法蘭螺栓的緊固程序，尤其是高壓大直徑的換熱器，必須均勻的按圖1-6所示，沿直徑方向相對(duì)錯(cuò)開上緊，這一點(diǎn)很重要。否則很難保證水壓試驗(yàn)時(shí)達(dá)到嚴(yán)密不漏[8]?？傃b配工序過程如表1-1。

表1-1總裝配工序

序號(hào)工序名稱工序內(nèi)容工序要求

1裝配管束臥式裝入殼體內(nèi)，裝浮頭，法蘭等。

2試壓進(jìn)行殼程試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力：0.55MPa，檢查焊縫有無泄漏后拆浮頭按LPM/QBG18-2001進(jìn)行

3裝配裝管箱、浮頭蓋等。

4試壓進(jìn)行管程試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力：0.69

Mpa。檢查焊縫和密封面有無泄漏。試后泄壓。按LPM/QBG18-2001進(jìn)行

5裝配裝外頭蓋，盲板等。

6試壓（1）再進(jìn)行殼程試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力：0.55Mpa。檢查焊縫和密封面有無泄漏。

（2）補(bǔ)強(qiáng)圈應(yīng)由信號(hào)孔進(jìn)行0.4～0.5MPa氣密試驗(yàn)，檢查焊縫有無泄露。按LPM/QBG18-2001進(jìn)行

7、浮頭式冷卻器最終檢驗(yàn)

必須用兩個(gè)量程相同的且經(jīng)過校正的壓力表。壓力表的量程在試驗(yàn)壓力的兩倍左右為宜，但不能底于1.5倍和高于4倍。試驗(yàn)時(shí)容器頂部應(yīng)設(shè)排氣口。充液時(shí)應(yīng)將容器內(nèi)的氣體排空。試驗(yàn)過程中應(yīng)盡量保證容器表面的干燥。試驗(yàn)時(shí)壓力應(yīng)緩慢上升，達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)壓力后保壓足夠長時(shí)間，對(duì)所有焊接接頭和連接部位進(jìn)行泄漏檢查。

浮頭式冷卻器的水壓試驗(yàn)按下列程序進(jìn)行：

（1）管子與管板連接處的試壓：為便于水壓試驗(yàn)時(shí)的檢漏，必須依據(jù)浮頭式換熱器的不同規(guī)格，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)夾具。試壓前先將管束穿入筒體，再將夾具法蘭固定在固定端筒體上并將固定管板夾緊，然后將浮頭套的法蘭端對(duì)裝在浮動(dòng)端法蘭上，并裝好密封墊圈和壓蓋法蘭圈，此后可按試壓要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)，見圖1-7。

當(dāng)殼程與管程的壓差較大，而且管程的壓力高于殼程的壓力時(shí)，可以在校核殼體的一次薄膜應(yīng)力的條件下，用提高殼程壓力至管程壓力的水壓試驗(yàn)，來檢驗(yàn)管子與管板的連接強(qiáng)度與密封性能。

（2）管箱和浮頭端蓋的試壓：試壓前將管箱和浮頭端蓋分別安裝在固定端法蘭和浮頭上，然后通過管程試壓來檢驗(yàn)焊縫和連接部分的滲漏情況。

（3）殼程的整體試壓：這式換熱器的最后試壓檢驗(yàn)階段，常稱為整體試壓。試驗(yàn)檢驗(yàn)要求與壓力容器要求相同。

試驗(yàn)結(jié)束后，立即將水排放干凈，并且用壓縮空氣將夾套內(nèi)部的表面吹干，防止積水和水氣腐蝕。

設(shè)備在組裝完成后應(yīng)該進(jìn)行外觀的檢查，包括外形尺寸檢驗(yàn)，連接尺寸檢驗(yàn)和特性尺寸檢驗(yàn)。

（1）外形尺寸的檢驗(yàn)：分別以筒體的中心軸線和右側(cè)法蘭端面為長度和高度的定位基準(zhǔn)，測(cè)量各接管及其它附件的裝配尺寸是否滿足圖紙的設(shè)計(jì)要求，基本偏差為±3mm。焊縫外觀尺寸檢查是否有飛濺、凹坑、棱角度超差。

（2）設(shè)備的連接尺寸檢驗(yàn)：屬于連接尺寸的有法蘭螺孔與安裝支座支座位置和其它連接件位置尺寸，連接尺寸直接影響到設(shè)備的安裝就位可能性，精度等級(jí)較高的連接尺寸不僅有利于設(shè)備的安裝和檢修，而且可以節(jié)省檢修時(shí)間。

①接管法蘭：當(dāng)無特殊要求時(shí)，接管法蘭的螺孔不應(yīng)與殼體主軸中心線重合，而應(yīng)對(duì)稱分布在軸線的兩側(cè)，見圖1-8。這樣有利于改蓋螺栓的受力狀況。法蘭面應(yīng)垂直于接管或筒體的主軸中心線，法蘭面的水平或垂直偏差，一般不超過法蘭外徑的1%，且不大于3mm。

②支座位置：支座直接與基礎(chǔ)連接，設(shè)備的基礎(chǔ)施工往往先于設(shè)備，如果支座位置偏差較大，不僅會(huì)影響到設(shè)備的基礎(chǔ)就位，而且當(dāng)檢修更換設(shè)備時(shí)，還要受到連接管線的限制。因此支座位置的尺寸的檢驗(yàn)實(shí)際上包括了支座連接尺寸和支座與開口接管間的相應(yīng)位置尺寸的檢驗(yàn)。本設(shè)備為臥式容器，但只有一個(gè)鞍座，由于很多重量集中在支座上，支座間的跨距以及距端部間的距離對(duì)受力的合理性影響很大。設(shè)備上有較多開孔時(shí)，支座的位置與尺寸精度也相應(yīng)要求較高。要求支座間的跨距以及支座距法蘭端的距離偏差必須小于±3mm，支座的基準(zhǔn)面到殼體主軸中心線間的位置偏差不得大于0～-5毫米。

（3）特性尺寸檢驗(yàn)：設(shè)備的特性尺寸是指影響強(qiáng)度安全性和使用性能的尺寸。最終檢驗(yàn)時(shí)要依筒體直線度和圓度等形狀公差的檢驗(yàn)。筒體的直線度的檢驗(yàn)是通過容器中心線的水平和垂直面，沿圓周0°、90°、150°和270°角四個(gè)部位拉0.5mm細(xì)的鋼絲測(cè)量。為防止鋼絲彎曲帶來的誤差，鋼絲應(yīng)該布置在容器的水平位置上測(cè)量容器的四個(gè)部位的偏差，測(cè)量時(shí)要求測(cè)量位置離縱焊縫的距離不小于100mm。本設(shè)備長度L≤6米，所以公差數(shù)值不得超過5mm。

設(shè)備制造完畢后，其外表面涂1～2道鐵紅酚醛底漆，涂1道灰酚醛防銹漆，其油漆、包裝、運(yùn)輸按JB/T4711-2003《壓力容器涂敷與運(yùn)輸包裝》中規(guī)定。

8、結(jié)語

目前冷卻器的基本發(fā)展趨勢(shì)：提高傳熱效率，提高緊湊性，降低材料消耗，增強(qiáng)承受高溫、高壓、超低溫以及耐腐蝕能力，保證互換性及擴(kuò)大容量的靈活性。隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，能源短缺問題越來越突出，開發(fā)新能源和節(jié)約能量的消耗已受到世界各國的廣泛重視，設(shè)計(jì)和制造高性能的換熱設(shè)備成為開發(fā)和利用能源的重要手段之一。