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U形管换热器的制造工艺简介
王伟
中国石油东北炼化工程有限公司吉林机械制造公司
摘要：介绍U形管换热器的应用、结构设计、材料选择和制造、水压试验等,阐述U形管换热器在结构设计和制造等方面应注意的问题。
关键词：换热器 U形管 结构 设计 制造 应用
1、U形管换热器的应用
换热器是广泛应用于汽车、航空、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工、食品、工程机械等行业的一种通用设备，约占工艺设备总量的20％～70％。按其传热面的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其他形式换热器。目前常用的换热器种类有浮头式、固定管板式和U形管式，其中以浮头式换热器居多。固定管板式换热器由于自身结构，应用的场合有限；浮头式换热器零部件多，易拆卸和清理，但检修的工作量大，容易内漏；而U型管式换热器的管板比固定管板式换热器少，其泄漏点就相应减少。此外,U型管式换热器的壳程水压试验后烘干也比较容易，而且它的适用场合广、检修简单、操作弹性好。如果换热器的换热面积小、壳程与管程的温差较大或壳程介质很容易脏、管束表面需要经常清理地，一般都采用U型管式换热器。
2、U形管换热器的结构设计
2.1U型管换热器的结构
U型管式换热器，单台换热器共有两块管板，如下图1所示(件号45为中间挡板，件号46为U形换热管，件号47为内导流筒)。
这种换热器有一半管束管内外介质的流动方向为并流，另一半管束管内外介质的流动方向为逆流。U型管式换热器的双管板之间一般采用聚液壳彼此连接。聚液壳可以用来调整管板间距且保证两管板相互平行。同时，聚液壳用来封闭相邻两管板之间泄漏出的气(液)体，防止有毒气(液)体的外溢。聚液壳最高和最低处需分别设置放空口和放净口，用于及时导出渗漏气(液)体。如果壳程与管程之间温差很大，为了降低壳程与管程管板与换热管连接处的应力，应尽量降低短节的壁厚，必要时可增加一个膨胀节。
2.2U型管换热器的设计
U形管换热器与其他类型换热器的最大区别是管束结构，在设计换热管布局时应考虑换热管的最小弯曲半径尺i与分程隔板槽两侧相邻管中心距s的关系。管径越大，最小弯曲半径就越大，大部分换热管的最小弯曲半径大于分程隔板槽两侧相邻管中心距；且U形管弯曲段的弯曲半径R（见图2）应不小于两倍的换热管外径，常用换热管的最小弯曲半径R可查手册选取。
因此，为了保证适合分程隔板槽两侧相邻管的中心距，最内层换热管在排列时需要进行斜向交叉排列。如果最内层U形管之间的间距过大时，可设置假管或者挡板。
3、材料的选择
设计时应注意管板与换热管须有一定的硬度差，一般管板比换热管硬度高HB20～HB30。最好是采用强度等级较高的材料作管板(16Mn锻件)，强度等级较低的材料作换热管(如10号无缝钢管)。当两者硬度相近时，可将管端进行退火处理，以降低换热管的硬度。在满足设计要求的同时,选用合适的材料,最大限度的保证强度和传热系数。也就是说,要选择传热性好的材料,要敢于尝试新的材料。要对产品进行可追溯性的记录。
4、U形管换热器的制造
穿管是U形管束制造中的难点，需要对以下几个方面进行严格控制：保证折流板管孔精度和排列同轴度；对U形管的形状偏差进行严格控制；对直线段的直线度进行严格控制；穿管时在管头加装引导装置。管头与管板的连接可采用管板自动焊技术，完全可以使管束在平放的状态完成焊接。
目前U形管换热器大量应用于高温高压的场合。与浮头式换热器相比，由于去掉了浮头密封，U形管换热器的管束小易发生内漏，即使发生内漏，也非常容易处理，尤其是在查找漏点的时候不需要过多的工装；而浮头式换热器在查找内漏时需要有大量专用的工装，操作起来比较繁琐。
U形管换热器的管束发生内漏时一般有两种可能：一种是换热管损坏；另一种是管板接头焊缝腐蚀。第一种情况一般很少发生，发生时可用堵头堵住；第二种情况比较多见，处理时可以对焊缝进行清理补焊。使用状态下的受力状况较好，尤其在管程温差较大时，每个管程的温度不一样，单个管程的换热管所受到的温差应力能够自由平衡，不受浮动管板的限制，有利于保护换热管。使用过程中的操作弹性更大，与同等规格浮头式换热器相比，U形管换热器能够承受更大的温度和压力波动，有利于装置的安稳运行。
5、水压试验
首先按要求压力进行壳程的水压试验，从聚液腔的空间检查换热管与内侧管板的连接质量。壳程水压试验合格后，组焊隔离腔的短节使之成为密闭的腔体。按要求压力进行气密性试验。分别在聚液腔下方的两个排泄孔安装透明的U形管检验工装，U形管内加水，保持一定的水平液位。若有试验气体微渗漏时，则U形管内的水平液位就会发生变化，以气密性试验时U形管内仍保持液位水平为合格。然后进行壳程氨渗透试验，在隔离腔的排泄孔贴试纸，试纸不变色为合格。其次对聚液腔进行气密性试验，最后对管程进行水压试验和气密性试验。
6、结语
综上所述，U形管式换热器在使用性能上的优势相当明显。为此，我国应进一步研制完善满足国内化工装置所要的U形管式换热器产品，开发适应炼油化工装置不同工艺与生产要求的系列产品；完善制造工艺、加工装备及生产环境，提高制造能力及产品质量，力争使国产U形管式换热器的生产、产品性能、质量等达到并超过国外同类产品水平。
参考文献：
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[6]徐刚，麦郁穗，钱颂文，凌长明，等石油化工厂设备检修手册第八分册(换热器)[Ｍ]中国石化出版社，2005.
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