探讨大型列管式干燥机换热管与管板的连接方式
1 概述
大型列管式干燥机是一种应用较成熟的干燥设备，广泛应用于发酵、淀粉、化工、轻工、食品和粮食、饲料、酿酒、酒精等行业物料的干燥。目前大型列管式干燥机面积可达2000 m2 ，总重250t，仅转子就达150t。干燥机主要有以下几部分组成: ( 1)转子，此为干燥机的核心部件，由管束( 换热管和管板) 、进气封头、排气封头、轴承及轴承座、刮板装置; ( 2) 壳体( 干燥室) ;( 3) 进、排气装置，由旋转接头、进、排气管、旋转接头、金属软管、疏水阀等组成; ( 4) 主传动系统，由主电机、减速系统组成( 标准减速器和齿轮减速二级) ; ( 5) 进出料装置; ( 6) 抽气集尘系统。其工作原理是主传动系统带动转子旋转，蒸汽从封头轴中心孔进入封头，再分配到换热管中，冷凝水从另一侧封头的空心轴孔通过旋转接头、金属软管、疏水阀排出。物料由螺旋输送机送入干燥室，被刮板抄起，在换热管中穿行，通过与换热管的接触达到换热的目的，同时物料在刮板的翻炒下逐渐被推向出料口，最后有出料口排出，完成干燥过程，干燥过程中产生的蒸汽由抽气集尘系统排出干燥室外。其优点是物料在换热管间穿行，换热效果好、干燥均匀、处理量大、水分蒸发量大，物料干燥弹性大( 能视不同的物料性质及水分要求对干燥时间进行调整) 可连续生产( 自动化程度高) ，亦可间隙操作( 适合于特殊生产工艺) ; 物料在呈负压状态的封闭内腔被干燥，作业环境清洁，无污染，噪音小。缺点是粘管后不易清理，不适合粘度较大的物料。
列管式换热器换热管与管板的连接一般有以下种连接方式: ( 1) 强度胀接; ( 2) 强度焊接; ( 3) 胀焊并用，分为强度焊加贴胀和强度胀加密封焊。列管式干燥机转子管板采用低合金钢锻件，换热管选用高压无缝钢管，管板和∮ 51 3 的换热管采用强度焊加贴胀方式连接，最高工作压力0. 7MPa，最高工作温度164℃，对于一般换热器采用以上连接方式，完全可以满足密封强度要求，但对于旋转的干燥机转子，由于受力情况比较复杂，密封强度满足有一定困难。
2 干燥机转子换热管接头所承受载荷
运行中的干燥机转子换热管接头所承受载荷主要有以下几种载荷附加而成:
2. 1 重力状态下的拉伸和压缩载荷
自然状态下列管式干燥机管束处于自然下垂状态，管束的上侧换热管处于受压状态，下侧换热管处于拉伸状态，随着干燥机的转动换热管始终处于拉压的交变载荷的作用下。
2. 2 旋转过程中转子所承受的扭矩，使换热管附加一个拉伸载荷
同时在工作中，主动端封头通过管板和换热管带动从动端管板和封头，换热管特别是外侧换热管又附加了一个拉伸载荷。物料进出干燥室的均匀性、物料的干湿度以及运行中的振动也会对载荷产生影响。
2. 3 运行过程中，干燥机的热胀冷缩导致转子轴向位移，使换热管接头附加拉伸或压缩载荷
大型干燥机管束部分在工作时受热伸长量△L = 12 10 - 6[164 - ( - 5) ] 7000 = 14. 2 mm，再考虑两封头的受热膨胀( 参照换热管估算伸长量2. 6 mm) ，总伸长不会低于17mm。干燥机转子运转时两侧封头上的空心轴靠两端轴承支撑: 主动端为固定轴承，从动端可以自由游动、补偿热膨胀。在干燥机开机和停机加热，使用中蒸汽压力和温度的波动，都会使管子和封头热胀冷缩从而推动干燥机从动端游动，使换热管接头附加了拉伸或压缩载荷。
2. 4 制造原因附加在换热管管接头上的内应力
管接头的焊接和胀接以及施工顺序使管接头产生附加的内应力。由于各种载荷的附加，使管接头承受了复杂的交变载荷。对于小型干燥机由于其重量、长度和直径较小，换热管所受的载荷相对较小，在相同制造条件下出现问题的可能性较小，而对于大型干燥机换热管，尤其是外侧换热管在交变载荷下经常会出现换热管焊接接头开裂或换热管管孔内部分被拉裂的问题。
因此，要保证干燥机使用的可靠性，首先必须保证管板和换热管的材料质量，换热管的材料硬度应低于管板的硬度外，还必须保证管孔加工和管接头焊接和胀接质量的稳定。针对干燥机使用中换热管管接头出现的问题，公司组织设计、工艺、制造、设备和质量等有关部门人员进行分析讨论。
3 分析造成制造质量不稳定的原因
( 1) 管孔加工质量有问题，管孔直径超差，管孔与管板端面的垂直度超差，管孔内表面粗糙度不符合要求，都会对换热管的胀接质量、换热管的拉脱力有影响;
( 2) 虽然采用电动胀管机进行胀接，但由于车间内其他大型设备的使用，造成车间内电压不稳，胀接质量稳定性无法保证;
( 3) 强度焊加贴胀顺序不利于质量控制，因为采用先焊后胀，焊接后会造成换热管管壁与管板管孔间隙不均匀，出现偏胀现象; 另外换热管管头未除锈，管板与管子焊接处未清理，氩气纯度不够，焊接时出现气孔等;
( 4) 由于主从动轴不同心，使设备运转不平稳，从而使管接头承受额外的载荷变动，增大了接头开裂或换热管被拉裂的可能性。
换热管与管板的连接方式贴胀+ 密封焊+ 强度胀制定工艺方案，先通过贴胀消除管子与管孔的间隙，再用密封焊增加密封的可靠性，最后通过强度胀满足管子的拉脱力要求。针对换热管与管板的连接方式及强度问题，成立攻关小组，进行工艺验证，确定合理胀接和焊接工艺参数。
4 换热管与管板的连接质量测定
需要验证的工艺参数: 胀管机控制仪控制电流、贴胀胀紧度( 管子壁厚减薄率表示: Ks = 0 ～ 1%) 、强度胀胀紧度( 管子壁厚减薄率表示: Ks = 6% ～ 7%) 、管子拉脱力。密封焊焊接工艺参数按已评定合格的焊接工艺评定，不再进行参数验证。
4. 1 准备
4. 1. 1 测量器具
内径千分尺、游标卡尺、直尺等。
4. 1. 2 试件
制作三组工艺试件，每组五件( 第三组为备用，根据试验情况调整) 。试件质量要求: 材质符合图纸要求，管孔加工精度和粗糙度符合GB151 中Ⅰ级管束管板管孔要求，分别测量试件管孔尺寸和配对管子壁厚及管径并作好记录。
4. 1. 3 设备及工具
电动胀管机、胀管机控制仪、稳压器、胀管器、万向节、扳手、拉伸试验机等。
4. 2 贴胀胀紧度试验
( 1) 根据经验先预定控制仪控制电流对第一组进行试胀。然后，对试样进行比较性检查，检查胀口部分是否有裂纹，胀接过渡部分是否有突变，检查管板管孔与管子外壁的接触表面的印痕和啮合状况。对贴胀后的管子内孔进行测量，并根据原测数据进行贴胀胀紧度计算。
( 2) 进行拉脱力试验，拉脱力q 不小于1MPa 为合格。
( 3) 根据拉脱力试验结果和胀度测量计算结果确定贴胀时控制仪控制电流。
4. 3 强度胀胀紧度试验
( 1) 先根据确定的贴胀控制电流对第二组试件进行贴胀，再根据经验确定胀管控制仪电流进行强度胀( 注意控制电流益选小值，根据胀接情况逐渐增大) 。随时对胀后试样进行比较性检查，检查胀口部分是否有裂纹，胀接过渡部分是否有突变，检查管板管孔与管子外壁的接触表面的印痕和啮合状况。对贴胀后的管子内孔进行测量，并根据原测数据进行强度胀胀紧度计算，根据计算结果及时调整胀接控制电流。
( 2) 进行拉脱力试验，拉脱力q 不小于4MPa 为合格。
( 3) 根据拉脱力试验结果和胀度测量计算结果确定强度胀时控制仪控制电流。
4. 4 试验中发现的问题及最终方案确定
根据试验结果确定了贴胀和强度胀时胀管机控制仪的控制电流。在对管子强度胀接后测量时发现管子长度增加了3 ～5 mm，原因是由于管子壁厚减薄使管子长度增加。结合干燥机管束的安装制造工艺，贴胀后进行密封焊，使管子强度胀时的伸长量只能在两管板之间，由于两管板间距已固定，管子的伸长势必造成管板的平行度出现问题。为此为了防止密封焊对管子伸长方向的限制，将换热管与管板的连接方式调整为贴胀+ 强度胀+ 密封焊的方案，即按拟定的工艺顺序完成一侧管板与换热管的贴胀+ 强度胀+ 密封焊，再次检查并调整两管板的平行度，进行另一侧管板与换热管的贴胀+ 强度胀+密封焊。
5 方案实施及结论
根据拟定的换热管与管板的连接方式，重新修定了干燥机的制作工艺，对管板管孔加工要求、换热管壁厚及贴胀、强度胀、密封焊顺序做了严格要求。胀管前和胀管后对胀管器进行检查，保证胀管器完好，规定每只胀管器的胀管数量，达到后必须及时更换。胀管时必须使用稳压器保证胀管仪输入电压稳定，从而保证输出转矩的稳定，必须一次胀接完成，尽量避免两次以上对同一管头重复胀接，特别是外侧管头。胀管后必须逐根对管头进行检查，检查胀口部分是否有裂纹，胀接过渡部分是否有突变等。对于主从动轴同心问题另外采取方案解决。在制造过程中有设计和工艺人员进行技术交底并跟班指导监督，专职检验员全程监检，对工序质量严格控制，严禁违章野蛮操作，有效避免了不合格问题的出现，保证了干燥机的制作质量。