甲醇裝置中間換熱器的制造

丁健

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

甲醇裝置中間換熱器的制造

丁健

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

本文根據(jù)中間換熱器的主要設(shè)計參數(shù)及制造過程，綜合論述了該設(shè)備的主要制造工藝、檢驗和試驗關(guān)鍵點，對該設(shè)備的制造難點及解決方法做了詳細(xì)的闡述，并重點介紹了組裝過程。

換熱器；制造；組裝

換熱器在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常用作把低溫介質(zhì)加熱或者把高溫介質(zhì)冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業(yè)成本降低，提高效益。管殼式換熱器使用尤為廣泛，最常用的有三種型式，固定管板式、浮頭式和U形管式。該設(shè)備是一種立式浮動式換熱器，與普通浮頭式換熱器的區(qū)別在于管程出口端固定，進(jìn)口端浮動、浮動端與殼程之間采用盤根密封 。設(shè)備總重：59500kg。

設(shè)備規(guī)格：φ1500mm×(54+4)mm ×13450mm。

1 中間換熱器技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)介紹

1.1 主要技術(shù)參數(shù)（如表1）

表1 設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)

由于該中間換熱器工作壓力高（8.99（殼）/8.64（管）），工作介質(zhì)中度危害，易燃易爆（H2，CO，CH4O），殼程和管程材質(zhì)不一樣（，熱膨脹系數(shù)不一致，綜合考慮多種因素及工藝要求，該設(shè)備與普通浮頭式換熱器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有很大區(qū)別。如圖1所示，該設(shè)備結(jié)構(gòu)自上而下部件依次是上球形封頭、上管板、殼體、換熱管、折流板、下管板、蝶形封頭、下球形封頭、三通及裙座等。由于工作壓力高等要求，在管板與封頭及筒體的連接形式上也有不同。管束上管板與筒體及上封頭采用焊接形式連接，詳見圖2。管束下管板與蝶形封頭同樣采用焊接形式連接，且在殼體內(nèi)自由浮動。管束蝶形封頭上的接管與筒體三通自由滑動，通過盤根進(jìn)行密封。這也是設(shè)備管程與殼程采用差壓設(shè)計的主要原因。

圖1 中間換熱器結(jié)構(gòu)

圖2 管板與球形封頭和殼程焊接示意圖

1.3 材料

主要構(gòu)件材質(zhì)如表2。

表2 材料牌號及標(biāo)準(zhǔn)

2 中間換熱器制造難點及解決方案

2.1 難點

（1）該設(shè)備管束長8986mm，折流板間距475mm，殼體壁厚（54+4）mm。殼體的不圓度和不直度，筒體內(nèi)徑過大引起的縫隙不勻，會引起殼體介質(zhì)的短路而影響殼程的換熱系數(shù)和換熱器的總傳熱系數(shù)，并且直接影響管束的裝入和抽出的順利程度。因此控制殼體的圓度和直線度不超標(biāo)，符合設(shè)計及規(guī)范要求，是設(shè)備制造過程中的第一個難點。（2）管束下端接管A2與三通為滑動結(jié)構(gòu)，采用盤根密封，設(shè)備的同心度決定了管束接管與三通間的間隙是否均勻，間隙不均既不利于接管與三通的自如滑動，也影響盤根的安裝，進(jìn)而不能保證密封要求。因此控制管束與殼體同心度，是設(shè)備裝配過程中的第二個難點。（3）該設(shè)備高溫高壓，且介質(zhì)易燃易爆，對設(shè)備的焊接要求及檢測要求較高。采用何種裝配順序，如何合理布置焊縫，既能滿足設(shè)計圖紙要求，又能方便無損檢測，保證設(shè)備質(zhì)量是設(shè)備制造過程中的第三個難點。

2.2 解決方案

（1）筒體加工直線度和橢圓度控制。該設(shè)備直徑（φ1500mm），厚壁復(fù)合板（54+4）mm。本節(jié)主要從板材下料、縱/橫縫加工、筒節(jié)組對等幾個方面進(jìn)行闡述，具體如下：①板材下料：在計算長度時，考慮復(fù)合板的碾長量和焊接收縮量，主要是保證筒節(jié)直徑和筒節(jié)的高度精度，控制在設(shè)計或規(guī)范允許誤差范圍內(nèi)；要求板材對角線尺寸差不大于1.5mm，主要是控制板材卷制后筒節(jié)上下端面的水平度，保證筒體組對過程中的垂直度。②筒體縱縫加工：坡口采用機械加工，一是保證了下料尺寸的精度，控制筒節(jié)直徑在允許誤差范圍內(nèi)；二是保證焊縫的直線度，利于自動焊，確保焊接質(zhì)量；三是確保坡口表面檢測合格，坡口表面采用著色+磁粉探傷。③筒體環(huán)縫采用V形坡口，坡口采用機械加工，和縱縫一樣，同樣是為了保證坡口加工質(zhì)量、加工精度和保證自動焊。計算筒節(jié)高度時考慮焊接收縮量，組對時以筒節(jié)環(huán)縫鈍邊為基準(zhǔn)，控制環(huán)縫錯邊量，要求不大于0.5mm。④板材卷制：筒節(jié)在卷制過程中，一是盡可能減少卷制的次數(shù)，控制碾長量；二是縱縫的錯邊量和棱角的大小，主要是由于卷制的質(zhì)量引起，而且錯邊和棱角會造成筒體應(yīng)力分布的不均勻性，從而給設(shè)備運行過程埋下隱患。因此在復(fù)合板卷制過程中，橢圓度不超過3mm，錯邊量不大于0.5mm。⑤接管組對：接管組對是為防止接管焊接影響筒體向內(nèi)收縮，在接管附近和筒體兩端設(shè)防變形卡具支撐，防變形卡具需在筒體部件3與管板組對完畢再撤掉，保證筒體橢圓度不超標(biāo)。

（2）設(shè)備制造分段方案及要求。由于該設(shè)備屬于III類壓力容器，操作條件高溫高壓，且結(jié)構(gòu)特殊，殼體材料又是復(fù)合板，圖紙要求“殼體（復(fù)合板部分）、接管、吊耳、下封頭、裙座與筒體的過渡段，上封頭與接管A1一起進(jìn)行熱處理，A、B類焊縫100%RT+100%UT。管束、管板、蝶形封頭及不銹鋼鍛件不做熱處理”，綜合考慮了焊接、檢驗、熱處理、水壓等多種因素，最終確定將設(shè)備分成四大部件制造完成后，再進(jìn)行最終組對。詳見圖1部件劃分示意。部件1由裙座過渡段、筒體下段（含接管B2，B3）、下球形封頭和三通組成，部件2由筒體及筒體吊耳組成；部件3由接管B1和上部筒節(jié)和上管板組成；部件4由上球形封頭和接管A1組成。各部件具體制造要求如下：①部件1組裝：第一，下封頭外協(xié)，熱成型并進(jìn)行熱處理，坡口采用機械加工。第二，組對筒體與下封頭，焊接，探傷，放接管位置線，開B2、B3接管孔，組對并焊接接管B2、B3，探傷。第三，組對三通與下封頭，放線，開孔，焊接，檢驗。第四，組對裙座上段與設(shè)備筒體、下封頭和三通的組合件，焊接，檢驗。全部組對完成后，和其他部件一起進(jìn)爐熱處理。②部件2組裝：第一，組對筒節(jié)，組對過程中要控制組對的直線度及總長度，焊縫進(jìn)行探傷；第二，吊耳及其墊板，焊接，檢驗。與其他部件一起進(jìn)爐熱處理。③部件3組裝：號上段筒體接管孔線，切割開孔，組對接管A2與筒體焊縫（采用防變形工裝支撐筒體，熱處理完畢再撤掉工裝），檢驗，筒體與接管部件和其它部件一起進(jìn)爐進(jìn)行熱處理。組對筒體與上管板環(huán)縫，焊接，探傷，局部進(jìn)行熱處理。④部件4組裝：上封頭外協(xié)熱成型，熱處理，機加工坡口（端部坡口和接管坡口），探傷，堆焊端部不銹鋼，探傷。組對接管A1與上封頭，焊接，檢驗，上封頭與接管部件和其它部件一起進(jìn)爐進(jìn)行熱處理。各部件熱處理工藝曲線見圖3。⑤部件1-4各自組裝完畢，檢驗、探傷、熱處理合格，待組對；組對部件3與換熱管、折流板、支撐板及下管板，管子與管板先焊后脹的方法，GTAW焊接一遍。管子與管板組對焊接時，嚴(yán)格執(zhí)行安裝工藝，保證管頭與管板脹接部位的清潔，焊接時嚴(yán)格按照焊接順序，先焊接四周定位焊，防止焊接過程發(fā)生內(nèi)焊接變形和管束扭曲。再按焊接工藝對稱焊接管子。⑥組對部件2與部件3合攏縫1，詳見圖4，焊接，檢驗，然后組對工裝筒體與部件2環(huán)縫（由于該設(shè)備為立式浮頭式換熱器，為保證管頭的空氣泄漏試驗，同時不損傷設(shè)備母材，尤其是主體材料及管板，減少打磨工作量，因此設(shè)計了一套管頭泄漏工裝，其與管板連接處為活動結(jié)構(gòu)，詳見圖5節(jié)點Ⅰ），檢驗合格后，組裝工裝法蘭、O型密封圈、試壓螺栓、螺母及法蘭壓蓋，然后管頭氣密進(jìn)行0.5MPa空氣檢漏，待管頭檢漏合格后，管子與管板GTAW焊接第二道，然后管頭進(jìn)行100%PT檢測，探傷合格后，進(jìn)行殼程1MPa水壓試驗，檢驗管頭焊接質(zhì)量。⑦組對焊接上球形封頭與上管板，橢圓封頭與下管板，檢驗合格。管程水壓試驗（壓力≤1MPa），檢查焊縫及換熱管，詳見圖5。拆除試壓工裝，切割時嚴(yán)禁切割到設(shè)備本體，并加工坡口，100%PT檢測合格。⑧組對合攏縫2，組對過程中，利用筒體內(nèi)壁管板處的八塊定位板和工裝找準(zhǔn)中心，使管束接管與三通同心，四周間隙均勻，焊接過程中觀察焊接變形。焊接完畢后，鉗工進(jìn)行接管與三通處的盤根安裝，盤根安裝完畢后，殼程再次進(jìn)行1MPa水壓試，檢查三通與接管處的密封，見圖1。⑨組對裙座下段筒體及其余附件。裙座下段筒體組對時，需確保裙座筒體與設(shè)備整體同心度和同軸度滿足設(shè)計和規(guī)范要求，因為該設(shè)備是立式設(shè)備，裙座不正，將不能保證設(shè)備安裝的垂直度，進(jìn)而影響設(shè)備本體的配管。

（3）裝配方案中合攏縫不能滿足設(shè)計圖紙要求的“A、B類焊縫進(jìn)行100%RT+100%UT”，因此在確定裝配方案前，已經(jīng)過設(shè)計的書面確認(rèn)后，對設(shè)備合攏縫的無損檢測方案進(jìn)行調(diào)整。焊后進(jìn)行TOFT檢測，Ⅰ級合格，技術(shù)等級為C級；焊后表面100%PT，Ⅰ級合格。焊接前，焊縫進(jìn)行100%PT檢測合格，先進(jìn)行復(fù)合層焊接，PT檢測合格，再進(jìn)行基層的焊接。嚴(yán)格按照焊接工藝卡進(jìn)行焊接，每一道工序嚴(yán)格檢查，確保焊縫質(zhì)量一次檢驗合格。

圖3 熱處理曲線

圖4 殼體合攏縫坡口示意圖

3 焊接質(zhì)量控制

焊接過程中，除通過對焊縫進(jìn)行無損檢測和熱處理保證焊縫質(zhì)量和消除焊縫應(yīng)力外，焊縫余高和焊縫咬邊的控制非常重要。焊縫余高雖然對最后一層焊道具有保溫與緩冷作用，且有利于消除焊接應(yīng)力，改善焊縫組織、性能及成形質(zhì)量，但如果焊縫余高過高，則會造成應(yīng)力集中。如日本經(jīng)疲勞試驗發(fā)現(xiàn)的裂紋均產(chǎn)生于余高邊 緣，打磨余高與未打磨余高的焊縫，兩者比較，其疲勞壽命提高2.1倍。焊縫咬邊不僅減少焊縫承載面積，也同樣會超成應(yīng)力集中，如果材料延塑性不足而不能進(jìn)行局部應(yīng)力再分布，則此咬邊就會成為裂紋的起點。該設(shè)備材料強度級別較高、材料厚度較大，因此對咬邊控制更加嚴(yán)格。

4 結(jié)語

采用合理的工藝措施，嚴(yán)格控制筒體、三通、球形封頭、橢圓形封頭、裙座等零部件尺寸，在裝配和檢驗過程中采用浮頭試壓工裝、定位工裝等措施，過程管頭氣密試驗、殼程水壓試驗、管程水壓試驗，全部制造完畢后，再進(jìn)行整體水壓試驗，檢驗設(shè)備管程、殼程之間的密封性能和設(shè)備強度，保證設(shè)備在生產(chǎn)過程中的安全運行。

近年來，隨著煤化工、石油化工裝置越來越大型化和化工設(shè)備的深入研究，管殼式換熱器不僅向著大型化的方向發(fā)展，而且在設(shè)計結(jié)構(gòu)上也有了許多新的突破，這就為換熱器的制造提出了更高的要求，因此在材料選用，焊接工藝制定，設(shè)備裝配工藝選擇上，要更加嚴(yán)格，嚴(yán)格質(zhì)量監(jiān)督和檢查，保證設(shè)備質(zhì)量合格。

TG457.11

A

1671-0711（2017）07（上）-0141-04