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1、验收工作总结报告一、项目概述1、项目基本信息计划类别新材料和新能源指南领域新能源、节能技术及应用项目名称高效节能、高安全性双管板换热器研究与产业化项目编号承担单位南京德邦金属装备工程有限公司技术依托单位无主管部门江宁区科技局项目负责人茆国文项目起止时间201-12-21项目经费概算总投资(万元)单位自筹部门拨款申请市科技拨款银行贷款其他/50500/2、项目来源及立项依据双管板换热器是多晶硅生产装置中的关键设备，原料介质SiHCl3通过该设备进行预热/冷凝后,进入精馏塔分馏得到高纯度的SiHCl3。普通列管式单管板换热器管头焊缝发生泄漏两种换热介质不可避免发生接触的问题。基于安全性考虑由德国首
2、先设计使用了一种安全性设备双管板换热器。双管板换热器确保管壳程介质完全隔离，从而杜绝两种介质接触时导致的腐蚀、爆炸等事故发生。3、研究目的及用途我国已经是世界性的化工装备制造大国，国内化工装备制造业不仅基本上可以满足化学工业发展需求，而且在生产经营体系方面已经初步与国际接轨。为了解决现代化学工业的发展所必需的生产装置大型化问题，提高国内化工装置的先进性和可靠性是十分必要的。我公司研究开发的高效节能、高安全性双管板换热器,其管程，设备换热管与外管板焊接和管箱形成一个封闭的系统；壳程，换热管与内管板胀接连接和壳程筒体形成另一个封闭的系统；两个独立系统因内外管板之间间隔而完全隔离。这种结构避免了单管
3、板结构换热器因焊接或胀接接头失效，两程介质发生混合反应的问题。设备主体结构由左管箱、左侧外/内管板、壳程筒体、右侧内/外管板、右管箱等七部分组成。原料介质SiHCl3通过该设备进行预热/冷凝后，进入精馏塔分流得到高纯度的SiHCl3。工艺过程中避免SiHCl3与循环水反应生成盐酸等强腐蚀介质，对设备造成腐蚀。4、主要研究内容4.1实现管壳程绝对隔离，这种结构避免了单管板结构换热器因管板与换热管接头失效，壳程介质与管程介质发生混合反应的问题，是一种高安全性设备；4.2进行了大量的管子管板胀接型试验，确定胀接参数，编制了双管板胀接操作规程、超高压液压胀管器使用守则，编制了采用连续的柔性链式胀接的先
4、进工艺，增加了管板管孔开槽宽度，使换热管管槽部位产生更大的塑性变形，出现鼓突，形成波节，大幅度提高换热管与管板的拉脱抗力和密封性；4.3产品各项性能指标遵照压力容器安全技术监察规程（99版），GB151-1999管壳式换热器的要求制造，且在结构形式和制造工艺上达到国内同类产品先进水平。5、技术方案，方法和技术路线的选择5.1技术方案和方法由于普通列管式单管板换热器管头焊缝发生泄漏两种介质混合会发生易燃、易爆、易腐蚀的高危险事故，故采用双管板结构。经采用计算机优化设计后，在满足各项性能指标的前提下，开发设计压力0.4Mpa的双管板换热器，以利于提高设备的承压强度，并可以按介质合理选材，达到最佳的
5、设计效果。采用连续的柔性链式胀接的先进工艺，可增加管板管孔开槽宽度，还使换热管管槽部位产生更大的塑性变形，出现鼓突，形成波节，大幅度提高换热管与管板的拉脱抗力和密封性。从安全方面考虑，对换热器的密封性能要求严格。因此，在设计中要解决好胀接问题。5.2技术路线二、项目研发进程与总结1、项目研发进程公司自2010年2月成立了以副总经理茆国文为带头人，由设计、工艺、检验人员及各类操作人员参加的专项研发队伍，在总结原有单管板胀接经验以及消化吸收国内外先进经验的基础上，对此项目展开了研发。2010年3月初步完成了双管板换热器结构设计、焊接性能试验及相应焊接工艺评定，冷热加工成型及双管板加工试验。2010
6、年4月8月完成2#塔冷凝器设计工作。2010年8月2011年3月完成了首台2#塔冷凝器制造工作。2011年4月通过南京市锅炉压力容器检验研究院监督检验，结论：按照特种设备安全监察条例的规定，该台产品，安全性能符合固定式压力容器安全技术监察规程、GB150-1998钢制压力容器、GB151-1999管壳式换热器的规定。2.研发总结2.1结构简图2.2设备情况设备材质为0Cr18Ni9,公称直径DN500，换热管规格为252mm。通过应力分析设计内管板厚度为44mm，外管板厚度为36mm。内外管板之间采用聚液槽结构。换热管与内管板通过强度胀实现设备使用要求的抗拉脱性能和密封性能。薄管板和小径厚壁换
7、热管强度胀接结构具有很大的制造难度，胀接质量直接关系到设备能否投入运行。通过采取原材料质量控制、换热管胀接型式试验、换热器管板加工要求、管束组装、换热管与内管板胀接等工艺措施产品制造完工后顺利通过压力试验等检验，验收合格。设备主要技术参数项目壳程管程设计压力MPa1.01.0工作压力MPa0.50.5设计温度15080平均壁温67.550工作温度90/4532/42水压试验压力MPa1.31.3气密性试验压力MPa1.0MPa/物料名称氯硅烷、H2、HCl气液混合循环水物料特性易爆/管子与管板连接强度胀强度焊+贴胀2.3设备制作难点换热管与内管板的胀接质量是设备制作的难点，由以下几方面体现：(
8、1)换热管规格为252mm。换热管管径小，管壁厚度大，换热管变形需要很大的胀接压力；(2)管板厚度为44mm,比同类型强度胀接结构的管板薄，胀接易导致管板变形；(3)名义管桥宽度为管板钻孔后96%允许孔桥宽度必须4.82，允许4%的最小孔桥宽度为2.98，管桥很小。若控制不当胀接使管桥产生过量塑性变形，胀接压力撤消后管桥回弹，使周围已胀换热管与管板的残余接触应力减小，密封性降低。(4)换热管与管板同为材质0Cr18Ni9,换热管与管板材料强度接近，胀接过程中管子与管板易同时出现塑性变形，胀接压力撤消后管孔比换热管弹性回弹少，胀接密封性降低；(5)双管板设备内管板与换热管通过胀接连接，胀接位置远
9、离换热管管端，胀接操作及胀接质量的检验难度很大。(6)内外管板厚度均为44mm,管板较薄，内管板与壳体及外管板与换热管的焊接很容易引起管板变形，影响胀接质量。2.4设备制作工艺控制要点设备内管板与换热管胀接接头质量直接决定该设备的成败，围绕胀接质量的实现制定和落实工艺措施。针对上述技术难点，我们设计以下技术方案：(1)换热管与内管板胀接接头质量保证措施1)管板材料管板和换热管的硬度保证存在HB20-30的硬度差。一般不锈钢锻件比不锈钢热轧板的硬度高，因此管板材料选用0Cr18Ni9锻件，满足换热管与管板的硬度差要求。管板材料加工之前在管板表面进行硬度测试。2)换热管质量要求换热管规格为252m
10、m，采购前与供应厂家进行沟通协商，满足GB/T13296-2007锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管1标准的要求，同时外径控制为25.20.1mm,厚度控制为20.1mm；换热管水压试验现场验证。换热管逐根测量尺寸；换热管表面检测无裂纹、纵向划痕。按标准对换热管强度、硬度、扩口和压扁等性能进行复验。穿管前胀接范围采用丙酮清洗清除油污。(2）换热管胀接型式试验根据双管板换热器结构，设计型式试验模型，型式试验确定胀接参数。1)换热管与管板准备胀接试验模型：管板的厚度、内外管板之间的间距和换热管排列方式等与产品一致。管板胀槽确定是根据压力容器安全技术监察规程2第105条“胀接的基本要求：强度胀接管板孔内
11、应开矩形槽，开槽宽度为(1.11.3)(dt)1/2,开槽深度为0.5mm”。产品内管板厚度为44mm,换热管规格为252mm,根据制造经验确定胀槽尺寸链8/3/6/3mm，胀槽深度0.5mm。胀槽在内管板厚度方向上对称布置。2)计算胀接压力本设备中换热管管径小，管壁厚度大，换热管之间距离小，采取低的胀接压力，适当增加保压时间使换热管在胀接压力下充分变形，降低胀接时换热管之间的相互影响。参考一些经验公式计算胀接压力，同时通过制造经验确定胀管率控制在1216。以计算压力为基准确定试验压力范围，采用液压胀管器进行胀接，胀接完成测量胀管率。3)型式试验胀接模型进行水压试验、拉脱试验和解剖宏观晶像试验
12、等试验后确定产品换热管胀接的压力范围。a.胀接后进行水压试验产品压力试验要求为卧式水压1.3MPa。型式试验水压远远超过产品试验压力未出现渗漏(图3)。b.换热器管子与管板胀接接头进行拉脱性能检测（图4)产品设计强度胀接接头拉脱强度的要求：GB1511999换热管与管板开槽胀接连接的许用拉脱力大于4MPa。试验中在胀接管基础上焊接一辅助拉脱夹持管，拉脱实验在60KN75KN之间时焊接接头部位断裂，而换热管尚未从管孔内拉脱。计算拉断强度为425MPa530MPa。图3水压试验图4拉脱试验c.胀接接头剖切试验沿换热管直径剖切换热管胀接接头，展示不同胀接压力下换热管的变形状态。较低胀接压力时，在胀槽
13、部位换热管有一定变形。随着胀接压力的提高，胀槽部位出现明显变形，即换热管鼓凸形成波节嵌入胀槽内（图5）。在换热管与胀槽部位进行宏观晶相分析，换热管胀接过程中换热管变形，胀槽台阶与换热管壁咬合在一起（图6）。该状态的胀接接头具有良好的密封性能和很高的抗拉脱强度。图5剖切试样图6宏观晶相(3）换热器管板加工要求管板、折流板采用数控钻床进行加工。管孔加工采用钻铰工艺，钻孔留0.1mm铰孔余量，铰孔后勾槽。管孔加工孔径25.250.05mm,，管孔内表表面粗糙度小于6.3m。胀槽尺寸链8/3/6/3mm，胀槽深度0.5mm。管板密封面应与轴线垂直，其垂直度允差为0.3mm；管孔应严格垂直于管板密封面，
14、其垂直度允差为0.05mm；管孔内表面不得有贯穿的纵向刻痕或螺旋状刻痕。胀槽位于管板内部，胀槽的深度和宽度大，切削量很大。若勾槽器一次切削成型两道胀槽，勾槽器刀杆细刚度小，刀杆弯曲会产生让刀，勾槽出现深度不均。故沟槽时选择刀杆刚性好的勾槽器，一刀切削一道槽。勾槽器刀具深入准备切削和切削完成退出管孔时钻床不得转动，避免破坏勾槽台阶和管孔内壁。检测胀槽尺寸，管孔孔壁不得有划伤、刻痕等缺陷，管孔内不得有毛刺等杂物。管板、折流板管孔倒角清除毛刺，按组装顺序叠合逐孔穿插样管，检测合格。(4）管束组装组装过程中防止管板和换热管二次污染。管束组装保证直线度、水平度、同轴度等，避免管孔和换热管表面产生划伤。1
15、)组装管板和折流板管板、折流板组装前进行除油和酸洗。校正内外管板各管孔同轴线，根据图样要求调整内外管板之间间距，筋板连接焊固；内外管板相互加强，增加管板刚性，减少内管板与壳程筒体及外管板与换热管焊接时产生较大变形，进而影响内管板与换热管的胀接质量和外管板的密封性能。带拉杆孔的管板和折流板、定距管和拉杆进行组装，架设在300mm的槽钢上，逐片穿入折流板，折流板和定距管组装紧凑。穿入样管校正管板和折流板的管孔在同一轴线上。2)穿换热管穿管工作区域选择在无尘车间进行。穿管之前对管孔和换热管再次清理，检查合格。穿管过程中穿管顺畅，不得强力穿管。出现阻滞，查明原因消除阻碍后再继续穿管。逐根穿管，穿入（出
16、）内管板后检查确认换热管表面无划伤等痕迹出现。(5）换热管与内管板胀接1)胀接操作控制内管板与壳程筒体焊接后进行换热管与内管板的胀接。专人胀接操作。胀接现场设立胀接指示栏，明确设备胀接工艺、胀接控制要求。胀管器按工艺要求调整好，检查设备各部件运行正常。复测尺寸，胀袋位置在内管板的胀接区域内。先在边缘部位对换热管进行试胀，观测换热管内外变形状态，胀接变形段在内管板厚度范围内，测量、计算胀管率在工艺要求范围内。此后连续胀接，胀接完成一根标识一根，避免漏胀。2)胀接质量检测通过氨渗漏和压力试验确定胀接接头密封性和抗拉脱强度达到设备使用要求。氨检法换热管与内管板胀接完成后参照GB20584-1998钢制化工容器制造技术要求2附录A压力容器
