E42廢熱鍋爐的設(shè)計及制造

（中航黎明錦西化工機械（集團）有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125001）

廢熱鍋爐是我公司為錦西天然氣公司設(shè)計制造的高壓換熱器。此設(shè)備為首次國產(chǎn)化設(shè)備，原設(shè)備為進(jìn)口設(shè)備。由于原設(shè)備近兩年來管頭部分泄漏嚴(yán)重，接近一半換熱管被堵死，嚴(yán)重影響整套設(shè)備正常生產(chǎn)，該公司從設(shè)備制造周期及運輸便利等方面考慮，委托我公司進(jìn)行設(shè)計制造。

廢熱鍋爐按ASME Ⅷ div2進(jìn)行設(shè)計制造，設(shè)備直徑φ1300，設(shè)備總長7082 mm，換熱管最短直段長為2960 mm，最長直段長為3270 mm。

1 廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)特點及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)見圖1，技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)圖

表1 廢熱鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

工作溫度 ℃ 331 487(in)/380(out)物料名稱 水和蒸汽 工藝氣體腐蝕裕量 mm 3 3換熱面積 m2 84.5液壓試驗壓力 MPa 17.66 22.93

1.2 結(jié)構(gòu)特點

(1)平蓋與管箱法蘭密封采用金屬墊密封結(jié)構(gòu)，金屬墊材料為304+inconel600(堆焊)，法蘭材料為SA336F22CL3，密封面處采用inconel600堆焊，設(shè)備安裝就位后將金屬墊與法蘭進(jìn)行密封焊，既能保證金屬墊的耐高溫性能，又能保證設(shè)備正常運行時的密封性能。

(2)管箱雙管程結(jié)構(gòu)由內(nèi)筒（inconel600材料）分為內(nèi)外兩個管程，內(nèi)筒規(guī)格為φ773×6。

(3)U型管的布置如圖2。

圖2 U型管布管圖

每1/4區(qū)域為一組U型管布管區(qū)，內(nèi)外U制，并按所標(biāo)注的數(shù)字對應(yīng)關(guān)系及順序進(jìn)行穿管，節(jié)點放大圖詳見圖3。

圖3 節(jié)點放大圖

換熱管與管板的連接形式分別見圖4、圖5。圖4為外部區(qū)域132個管頭，換熱管內(nèi)不帶有內(nèi)套管，圖5為內(nèi)部區(qū)域132個管頭，換熱管內(nèi)帶有內(nèi)套管，且內(nèi)部換熱管直段長度比外部換熱管直段長短8 mm，管端與管板堆焊層平齊。

圖4 外部換熱管與管板焊接

圖5 內(nèi)部換熱管與管板焊接

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)高溫高壓下管板與換熱管的連接通常采用脹接與焊接并用的方法，因脹接雖然可以承受較高壓力，但當(dāng)溫度升到300℃- 400℃時，蠕變造成的殘余應(yīng)力很快使換熱管脹接處失效。僅采用強度焊結(jié)構(gòu)，雖然可承受更高溫度和較高壓力，但在高溫下由于循環(huán)應(yīng)力的作用，焊口極易發(fā)生疲勞裂紋，且間隙腐蝕可加速接口被破壞。因此本設(shè)備換熱管與管板的連接采用強度焊加貼脹結(jié)構(gòu)，避免了高溫高壓下?lián)Q熱管與管板連接處發(fā)生應(yīng)力破壞。

(2)由于管箱側(cè)溫度較高，管箱側(cè)管板部分采用堆焊結(jié)構(gòu)，主要起熱防護作用，管板與換熱管的連接處，由于可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，在高溫、高速氣流的沖蝕下，為最薄弱環(huán)節(jié)，所以在管箱側(cè)的管板上堆焊一層inconel600耐高溫材料，并在高溫氣體進(jìn)口處的換熱管端增加一段長度為395mm的內(nèi)套管，材料為inconel600，使管程進(jìn)氣口處的高溫氣體通過內(nèi)套管進(jìn)入換熱管中，從而降低了管板與換熱管連接處的溫度，起到了很好的熱防護作用。

(3)由于本設(shè)備生產(chǎn)工藝具有特殊性：氣體從A2口進(jìn)入管箱內(nèi)，并由A1口進(jìn)入尿塔，由尿塔返回的氣體由A1口中間帶膨脹節(jié)的通道進(jìn)入φ773內(nèi)筒中，并進(jìn)入與內(nèi)筒相通的換熱管內(nèi)，由被內(nèi)筒隔開的外部換熱管返回到管箱內(nèi)，并由A3口排出進(jìn)入下一系統(tǒng)，這就造成內(nèi)部132個管孔的位置無法與外部132個管孔的位置形成對稱等距結(jié)構(gòu)，且每根換熱管的直段長度及彎曲半徑通過計算很難確定，所以通過三維立體圖形的布置解決了此問題，既保證了換熱面積和最小彎曲半徑，又保證了換熱管之間的空間間隙。

(4)由于該設(shè)備屬高溫高壓設(shè)備，故管板與管殼程筒體均采用焊接結(jié)構(gòu)，一是為了減少不必要的重量及成本的增加，二是為了減少泄漏點。管箱采用平蓋加金屬墊密封結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場安裝后金屬墊與法蘭之間進(jìn)行密封焊，避免設(shè)備正常使用時介質(zhì)的泄漏。

(5)為了減少應(yīng)力集中，管板結(jié)構(gòu)槽處采用R型過渡，所有的接管與殼體的焊縫均為R圓滑過渡，接管內(nèi)伸處也為R圓滑過渡，R值按應(yīng)力分析計算結(jié)構(gòu)確定。

3 設(shè)備制造

由于管板與管殼程筒體為焊接結(jié)構(gòu)，且管箱材料與殼程筒體材料不同，不能同時進(jìn)行熱處理，所以將設(shè)備分為四大部分：(1)平蓋部分；(2)管箱部分；(3)管板與殼程筒體部分；(4)球形封頭組件。并按上述四大部分進(jìn)行部件組焊及熱處理，合攏口為球形封頭與殼程筒體間環(huán)焊縫和管箱筒體與管板間環(huán)焊縫，解決了穿管后管板與殼程筒體環(huán)焊縫無法進(jìn)行射線檢測的難題。

3.1 主要零部件的加工

3.1.1 管箱筒體的制造

管箱筒體規(guī)格：內(nèi)徑φ1250 mm，δ=100 mm，L=1820 mm；材料為SA336F22CL22，筒體上開孔直徑分別為φ856 mm及φ570 mm。φ489 mm，φ40 mm，由于筒體直徑小，壁厚較厚，開孔直徑較大且數(shù)量多，很容造成筒體變形。因此開孔時基本步驟如下：

(1)先在筒體兩端增加合適的工裝支撐圈。

(2)由于管箱筒體材料為耐熱鋼材料，預(yù)開孔前需預(yù)熱至220℃，然后按劃線位置進(jìn)行預(yù)開孔。

(3)轉(zhuǎn)金工車間加工開孔及其坡口。

(4)對坡口表面進(jìn)行100%磁粉檢測。

(5)在大開孔處加工裝支撐圈。

3.1.2 管板的制造

管板規(guī)格：φ1450×625mm，材料為SA336F22CL22，管箱端的管板需堆焊5mm inconel600材料。管板管孔規(guī)格：管孔數(shù)264個，鉆孔處管板厚度365 mm。

加工工藝安排：

(1)管板鍛后粗加工并進(jìn)行100%超聲波檢測，并進(jìn)行一次加工，對被堆焊表面進(jìn)行100% 磁粉檢測。

(2)對管板整體入爐預(yù)熱220℃，進(jìn)行過渡層堆焊，堆焊過程保持層間溫度不得低于180℃，焊后立即進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，然后再進(jìn)行面層堆焊。

(3)對堆焊面進(jìn)行機加工，加工后的堆焊層表面進(jìn)行100%滲透檢測。

(4)管板孔采用多孔數(shù)控鉆床加工，加工后管孔位置準(zhǔn)確，管孔直徑全部在公差范圍之內(nèi)。

3.2 各部件工藝安排

3.2.1 管箱部分

管箱部分包括管箱筒體、管箱法蘭及各接管鍛件，材料全部為SA336F22CL3，屬耐熱材料，為保證焊接質(zhì)量，避免產(chǎn)生熱裂紋，因此在焊接前進(jìn)行了220℃的預(yù)熱處理，焊接過程中保持層間溫度不低于180℃。

由于管箱筒體較厚，組對管箱法蘭與管箱筒體，并采用自動焊，焊后的環(huán)焊縫先進(jìn)行一次中間熱處理，避免待全部接管組對后整體熱處理前產(chǎn)生熱裂紋，所有件組焊后如不能立即進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，必須進(jìn)行消氫處理。24 h后對環(huán)焊縫進(jìn)行100%射線檢測和100%超聲波檢測，對角焊縫進(jìn)行100%超聲波檢測和100%磁粉檢測。實踐證明此工藝安排科學(xué)合理，所有焊縫一次檢測合格。

3.2.2 管板與殼程筒體部分

管板及接管材料為SA336F22CL3，殼程筒體材料為SA302B，為保證焊接質(zhì)量，避免產(chǎn)生熱裂紋，在焊接前進(jìn)行了220℃預(yù)熱處理，焊接過程中保持層間溫度不低于180℃，所有的A、B類焊縫均采用自動焊接，焊后進(jìn)行整體熱處理。所有件組焊后如不能立即進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，必須進(jìn)行消氫處理。為防止熱處理變形，組對前在筒體內(nèi)部增加工裝支撐圈。24 h后對環(huán)焊縫進(jìn)行100%射線檢測和100%超聲波檢測，對角焊縫進(jìn)行100%超聲波檢測和100%磁粉檢測。檢測合格后穿換熱管。

3.3 總組裝

合攏封頭與殼程筒體環(huán)焊縫及管箱與管板的環(huán)焊縫，并按要求進(jìn)行預(yù)熱、消氫處理、消除應(yīng)力熱處理，24 h后對環(huán)焊縫進(jìn)行100%射線檢測和100%超聲波檢測。

4 結(jié)語

通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計及編制詳細(xì)的加工制造工藝，設(shè)備制造順利，沒有返修。該設(shè)備已投入使用，運行狀況良好。

[1]方子風(fēng). 廢熱鍋爐設(shè)計[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1987.

[2]ASME VIII div2[S].美國機械工程學(xué)會，2004.

[3]ASME II A 材料篇[S].美國機械工程學(xué)會，2004.

[4]ASME II D 性能篇[S].美國機械工程學(xué)會，2004.