蛇形管高壓加熱器的結構特點及其制造工藝分析【轉貼】

蛇形管高壓加熱器的結構特點及其制造工藝分析
朱建偉
上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠, 上海 200090
摘要:蛇形管高壓加熱器是一種新的結構形式的高壓加熱器,能更好地滿足高參數、大容量機組的需求,但其結構與傳統的高壓加熱器結構差異較大,因此在設備制造過程中存在著許多難點.介紹了蛇形管高壓加熱器在制造加工中主要難點的解決方法,以及確保其達到設計要求的手段,例如,集箱管加工、蛇形管彎制、蛇形管與集箱管障礙焊接、窄間隙內孔焊等新工藝技術和手段,并為結構形式相同的熱交換器的制造提供參考.
關鍵詞高壓加熱器?????蛇形管?????焊接?????工藝
Structure Characteristics of High Pressure Heater with Coil Tubes and Its Manufacture Technology
ZHU Jianwei
Abstract: It is a new type of high pressure heater with coil-tube header, which can meet the requirements of high parameter and large capacity unit.But there exist some differences from the structure of traditional high pressure heater.Therefore, there are a lot of difficulties to solve during the manufacturing.The solutions to the main manufacturing difficulties were introduced in this article using new fabrication technologies including numerical control machining, coil tube bending, tube barrier welding, internal bore welding for narrow gap and so on to make the product quality meet the design requirements.The results can provide a reference for the heat exchanger manufacturing with the same structure.
Key words:?high pressure heater?????coil tube?????welding?????technology

 

隨著對環境污染治理政策的推出, 國家對電廠節能減排的要求不斷提高, 同時電廠本身也希望能提高發電效率, 降低能源消耗, 因此大容量機組開始逐漸發展.由于采用了大容量機組, 設備造價相對降低, 采用高參數或超高參數也使機組熱效率顯著提高, 因此高參數、大容量超臨界或超超臨界機組已成為當今火電燃煤機組發展的必然趨勢, 但采用高參數后對機組所使用的設備材料要求日益提高.高壓加熱器是電廠熱力系統的一個重要輔機設備, 隨著參數逐步提高, 高壓加熱器的管板和殼體材料由最早的碳鋼材料改為合金鋼材料, 材料厚度也在不斷增加.傳統的高壓加熱器采用U形管+管板結構形式, 國內百萬kW等級火電機組的高壓加熱器通常采用此類加熱器, 其制造工藝相對成熟和穩定.由于加熱器換熱性能受制于設計壓力、原材料性能以及換熱管泄漏頻繁等因素, U形管+管板結構形式的高壓加熱器越來越難以滿足高參數、大容量機組的要求.然而, 國外同等級別乃至更高級別的機組均已采用蛇形管+集箱管結構形式的高壓加熱器[1].國內這種結構形式的高壓加熱器是近年來才開始逐步應用于高參數、大容量機組.

隨著火電機組設計參數的不斷提高, U形管+管板結構形式高壓加熱器的管板直徑和厚度不斷增加, 給產品制造帶來了不少困難.該結構形式的高壓加熱器還存在先天不足, 即:頻繁啟停會導致設備產生較大的熱應力, 可能引起殼體和管板連接處的熱裂紋[2], 從而導致泄漏.若高壓加熱器采用蛇形管結構, 則可有效解決U形管式加熱器管板厚度不斷增加的問題.同時, 蛇形管高壓加熱器的換熱管與集箱管管座采用對接焊縫的連接方式, 使得其管束失效率很低, 泄漏幾率大大降低.蛇形管高壓加熱器在高參數、大容量機組中運行的可靠性較高, 有逐步替代U形管高壓加熱器的趨勢.但蛇形管高壓加熱器的制造工藝與常規換熱器有很大的不同, 面臨一系列技術難點, 例如, 集箱管加工、蛇形管彎制、蛇形管與集箱管障礙焊接、窄間隙內孔焊、殼體與管束的裝配等.而其制造工藝研制成功與否是決定設備可靠性的關鍵.

1 集箱管加工

在結構形式上, 蛇形管高壓加熱器與傳統的高壓加熱器有很大的差異, 蛇形管高壓加熱器的集箱管替代了常規加熱器的管板.選用集箱管的設計方案不僅解決了在高參數下管板設計厚度不斷增大而管板卻面臨無料可供的窘境, 而且大幅提高了蛇形管高壓加熱器的使用壽命.蛇形管高壓加熱器的集箱管不同于U形管加熱器的平板式管板, 在集箱管表面帶有許多管接頭.集箱管示意圖和剖面圖如圖 1所示.按一定規律在整個集箱管表面排布了數千個管接頭, 各管接頭以一定角度在集箱管表面周向等距布置.在集箱管表面的軸線方向上, 各管接頭以固定間距線性排布.

圖 1?集箱管示意圖和剖面圖Fig.1?Schematic diagram and sectional view of the header

集箱管為整體鍛造管, 鍛坯件外表面應留有一定的加工余量, 以滿足各管接頭的加工要求.在加工前, 先利用三維建模軟件, 對集箱管進行仿真模擬加工, 以確認加工軌跡和切削參數.在確認模擬加工程序無誤后, 利用可調節角度的裝夾工裝對集箱管鍛坯件進行一次裝夾, 以保證零件的加工精度.采用數控加工機床, 對集箱管表面的管接頭進行整體加工成形.可選用的加工機床通常為數控龍門式鏜銑床或臥式數控鏜銑床.

2 蛇形管彎制

蛇形管彎制是蛇形管高壓加熱器制造中的關鍵工序, 也是推進國產化制造的一個重要節點.

蛇形換熱管比常規加熱器換熱管管徑大, 長度長.蛇形換熱管有多個彎管, 且每一層換熱管的彎曲半徑和角度均不相同, 但每一列換熱管的彎制形狀相同.

經調研, 目前國內管材供應商還不具備提供蛇形換熱管的能力, 若在國內采購成形的蛇形管, 則供應商必須增加固定資產投入并進行研制, 且其初步報價也明顯高于市場價.因此, 為了確保蛇形換熱管的加工周期及質量, 并控制成本, 必須采購直管并自行彎制蛇形管換熱管.因此, 分別進行了人工整體彎管、半自動整體彎管和全自動整體彎管的工藝試驗.不同彎管工藝對比如表 1所示, 以確定蛇形彎管的加工工藝.為了便于彎管后尺寸對樣, 還設計制作了專用的彎管平臺.該平臺可兼顧蛇形管的裝夾與固定, 成為蛇形管的對接工裝.這不僅便于檢查彎管尺寸, 而且為后續工序創造了條件.

表 1?不同彎管工藝對比Table 1?Comparison among different tube bending process

3 蛇形管與集箱管障礙焊接

每層蛇形換熱管與集箱管的連接方式均采用環繞式對接焊接, 如圖 2所示.由于每層蛇形換熱管之間的空間狹小, 大大增加了焊接操作的難度.蛇形換熱管與集箱管的對接焊接時需要逐一組對, 逐個焊接, 因受空間和位置的限制, 無法進行自動焊接, 只能采用手工氬弧焊的焊接方式.為保證焊縫的焊接質量, 在打底層焊接時, 需要采用內加絲的特殊焊接工藝.在焊接過程中, 因存在施焊盲區, 焊工需使用左、右手分別從兩個半圈完成施焊.在施焊前期, 需進行大量的專項焊接培訓工作.為此, 還制作了1: 1的模擬件, 以便進行實體焊接訓練.通過焊接培訓, 最終使蛇形管與集箱管管座的焊縫一次合格率達到99%以上, 縮短了產品的制造周期, 并提高了焊接質量.

圖 2?蛇形管與集箱管的連接方式Fig.2?Connection between the header and coil tubes

4 射線探傷設備的改制

蛇形管高壓加熱器的結構較為特殊, 圍繞著蛇形換熱管的焊接工作量很大.根據相關規定[3-4], 蛇形換熱管的對接焊縫必須進行無損檢測.由于結構原因, 每層蛇形換熱管焊接完成后, 必須進行無損檢測, 確定焊縫無缺陷后, 才能進行下一層的裝配及焊接.為此, 需將管束從裝配場地吊運至拍片室, 多次頻繁往返, 增加了起吊和檢測的工作量.為了提高效率, 降低勞動強度, 確保產品質量, 對射線探傷設備進行了改制.改進后的便攜式X光射線機替代了進口的單極X射線機, 可在現場進行無損檢測.同時, 還設計制造了移動導軌的對焦移動框架, 提高了X光機的拍片效率, 減輕了無損檢測的工作強度.

5 殼體與管束的裝配

蛇形管高壓加熱器殼體與管束的裝配有別于傳統的U形管高壓加熱器裝配, 裝配前, 須先將殼體固定, 通過牽引方式將整個管束拉入殼體內.為了保證管束順利套裝, 在前期準備時需將殼體中心線與管束中心線調整至同一高度, 并處于同一直線上.為此, 制作了專用的管束套裝平臺, 且在平臺上安裝了與殼體內相同高度的滾輪支架, 以降低管束套裝阻力, 使管束組件能輕松地從裝配平臺滑入殼體內.同時, 在殼體一側安裝了配重裝置, 避免套裝時殼體發生移動, 確保套裝過程安全可靠.蛇形管高壓加熱器管束的套裝如圖 3所示.

圖 3?蛇形管高壓加熱器管束的套裝Fig.3?Assembling for the coil tubes of high pressure heater bundle

6 集箱管與延伸段的焊接

須待管束套裝完成后才可對蛇形管高壓加熱器的集箱管與集箱管延伸段進行裝配和焊接, 這類焊縫質量直接關系到整個設備的運行安全.在焊接過程中, 因空間狹小, 且集箱管管壁較厚(大于100 mm), 若此焊縫采用手工焊, 則當焊縫有缺陷需返修時, 焊工操作將難以展開.通過方案論證和市場調研, 并結合制造中的客觀條件, 通過多項焊接試驗, 聯合某焊機廠研制了一套內孔焊的焊接設備, 并開發了全新的焊接工藝, 利用窄間隙自動氬弧焊完成了該類焊縫的焊接.焊接前, 先將集箱管與延伸段裝配就位, 在延伸段一側, 將內孔焊機置于集箱管內, 并安裝固定, 通過焊機機頭的傳動機構, 焊槍沿著焊縫坡口, 可作360°無干涉回轉; 然后, 按照窄間隙焊接工藝, 完成集箱管與延伸段內坡口的自動焊接.

采用窄間隙自動氬弧焊機后, 有效地解決了集箱管與延伸段的焊接難題, 提高了焊縫質量和焊接效率, 也降低了焊工的勞動強度.集箱管與延伸段的焊接方式如圖 4所示.

圖 4?集箱管與延伸段的焊接方式Fig.4?Welding method for the header and its extended section

7 結語

隨著我國電力工業的發展, 高參數、大容量機組的數量不斷增加, 因此, 與之配套的高壓加熱器參數也越來越高.在比較蛇形管高壓加熱器與傳統的U形管高壓加熱器結構特點的基礎上, 指出了蛇形管高壓加熱器在高參數、大容量機組中應用的優勢, 并成功開發了蛇形管高壓加熱器的主要加工工藝, 為其應用創造了工藝條件.

參考文獻

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凌峰. 蛇形管式高壓加熱器在大型火電機組中的應用[J].?電站輔機, 2014, 35(3): 5-7.
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蔡錫琮. 高壓給水加熱器[M]. 北京: 水利電力出版社, 1995.
[3]
壓力容器: GB 150-2011[S]. 北京: 中國標準出版社, 2012.
[4]
國家質量監督檢驗檢疫總局. TSG 21-2016固定式壓力容器安全技術監察規程[S]. 北京: 新華出版社, 2016.

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