不銹鋼管殼式換熱器法蘭結(jié)構(gòu)

鄧香中 陳 罡 張 光

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石油化纖公司機(jī)械廠 遼陽(yáng) 111003）

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不銹鋼管殼式換熱器法蘭結(jié)構(gòu)

鄧香中 陳 罡 張 光

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石油化纖公司機(jī)械廠 遼陽(yáng) 111003）

摘 要：長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭廣泛應(yīng)用于管殼式換熱器的設(shè)計(jì)中，隨著煉化裝置不銹鋼管殼式換熱器應(yīng)用的增多，長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭的不銹鋼結(jié)構(gòu)成為設(shè)計(jì)選擇的焦點(diǎn)。以不銹鋼管殼式換熱器制造中的實(shí)例，分析不銹鋼法蘭結(jié)構(gòu)形式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)已打破常規(guī)觀念，日益傾向整體不銹鋼法蘭的工程應(yīng)用；而對(duì)堆焊法蘭結(jié)構(gòu)則傾向于單層堆焊方式，設(shè)計(jì)應(yīng)推廣使用，促使制造盡快實(shí)施；并對(duì)3種不銹鋼法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)析，給出了不銹鋼法蘭結(jié)構(gòu)選擇的建議。

關(guān)鍵詞：不銹鋼 對(duì)焊法蘭 結(jié)構(gòu) 選擇

在容器建造中，經(jīng)常面臨這樣的問題：此種碳鋼或低合金鋼堆焊300系不銹鋼的對(duì)焊法蘭可否改為襯里300系不銹鋼結(jié)構(gòu)；為何不選擇整體300系不銹鋼結(jié)構(gòu)；如何選擇300系不銹鋼容器上的法蘭結(jié)構(gòu)等。而壓力容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)［1］只適用于公稱壓力0.6～6.4MPa，工作溫度-70～450℃的碳鋼、低合金鋼制法蘭，就是對(duì)襯環(huán)法蘭的使用溫度也要求由設(shè)計(jì)者確定，GB 150及GB 151等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也未有明確規(guī)定［2-4］。為此，文章結(jié)合煉化裝置中的300系不銹鋼管殼式換熱器制造實(shí)例，以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)解讀施工圖中的300系不銹鋼法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 整體300系不銹鋼結(jié)構(gòu)

整體300系不銹鋼對(duì)焊法蘭方便容器制造，簡(jiǎn)化加工成形及焊接工藝，更利于焊接質(zhì)量及使用維修；尤其是在腐蝕或高溫等苛刻工況下，可以避免因襯里的焊接缺陷［5］或堆焊的剝離等問題造成容器泄漏等失效。雖表面上材料成本高，但實(shí)際制造成本卻相對(duì)較低，為容器制造廠的利好結(jié)構(gòu)型式。所以鋼制人孔和手孔標(biāo)準(zhǔn)［6］釋義中說(shuō)明：在較高工作壓力下采用全不銹鋼材料的人孔和手孔是不經(jīng)濟(jì)的，因此本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不銹鋼人孔和手孔主要在工作壓力≤1.6MPa的范圍內(nèi)使用。雖然這一規(guī)定只適用于平焊法蘭結(jié)構(gòu)，但從一些300系不銹鋼管殼式換熱器施工圖看到的法蘭結(jié)構(gòu)正在突破這一限制。

實(shí)例1：環(huán)氧乙烷冷卻器BIU700-0.8/1.0-60-3/19-2。殼程介質(zhì)為環(huán)氧乙烷，設(shè)計(jì)溫度為75℃。鑒于環(huán)氧乙烷與碳鋼的相容性極差，鐵的氧化物與環(huán)氧乙烷發(fā)生聚合反應(yīng)并釋放出大量熱量而有爆炸危險(xiǎn)。所以，設(shè)計(jì)選用304不銹鋼作為殼體材料，并提出酸洗鈍化處理且藍(lán)點(diǎn)法檢驗(yàn)合格。而殼體圓筒厚度則按長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭標(biāo)準(zhǔn)［3］中PN1.0級(jí)選取為8mm（較GB 151的U形管式殼體的最小厚度偏大），是為了與殼體法蘭選用標(biāo)準(zhǔn)中PN1.6級(jí)對(duì)接相適應(yīng)而更易于通過法蘭的GB 150計(jì)算。設(shè)計(jì)根據(jù)介質(zhì)特性選擇長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭FM型，盡管DN＞600mm（人孔標(biāo)準(zhǔn)［6］中整體不銹鋼結(jié)構(gòu)的最大直徑），但還是選用了整體304法蘭，而沒有選擇襯里300系不銹鋼或堆焊300系不銹鋼結(jié)構(gòu)型式，主要是考慮U形管束的抽裝需要?dú)んw法蘭內(nèi)徑與殼體圓筒內(nèi)徑相同，而殼體圓筒厚度較薄不利于堆焊后殼體法蘭的設(shè)計(jì)。

實(shí)例2：裂解氣急冷器是用急冷油直接冷卻裂解氣，其設(shè)計(jì)壓力為0.35/-0.05MPa，設(shè)計(jì)溫度為入口560℃/出口410℃。急冷器分為上、中、下三部分，上段為裂解氣與急冷油入口的分布器，中段為裂解氣與急冷油混合器，而下段則是與下游設(shè)備連接的過渡段。其中上段與中段采用法蘭連接，殼體圓筒φ920mm×20mm采用304H，而法蘭則選用整體F304H，并按HG/T20623（B）法蘭WN900-300RF［7］設(shè)計(jì)。

2 襯里300系不銹鋼結(jié)構(gòu)

法蘭襯里300系不銹鋼結(jié)構(gòu)常用于不銹鋼人孔［8］標(biāo)準(zhǔn)中，而長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭的襯里300系不銹鋼結(jié)構(gòu)則見于立式固定管板換熱器的管箱法蘭。

實(shí)例3：立式環(huán)氧乙烷再沸器BEM2000-0.5/3.0-1750-6/25-1。管程介質(zhì)為環(huán)氧乙烷，設(shè)計(jì)溫度為90℃。管箱圓筒DN2000×16選用304，雖未按“所需不銹鋼板厚度大于12mm時(shí)，宜采用襯里、復(fù)合、堆焊等結(jié)構(gòu)形式”的經(jīng)濟(jì)合理原則［4］選用304復(fù)合鋼板，但管箱長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭還是選用了JB/T 4703中的襯里300系不銹鋼結(jié)構(gòu)（見圖1），只是此種襯里300系不銹鋼結(jié)構(gòu)中法蘭與襯筒及襯環(huán)焊接接頭不盡合理，沒有圖2的改進(jìn)結(jié)構(gòu)更適用于腐蝕苛刻的工況［5］。

圖1 管箱法蘭襯里300系不銹鋼結(jié)構(gòu)

圖2 管箱法蘭襯里300系不銹鋼改進(jìn)結(jié)構(gòu)

此種法蘭襯里300系不銹鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于方便設(shè)計(jì)，直接將基體碳鋼或低合金鋼法蘭選擇為標(biāo)準(zhǔn)法蘭，而免除GB 150的法蘭計(jì)算，實(shí)例的管箱法蘭選為16MnⅢ（襯環(huán)304）：法蘭C-FM2000-1.0。

3 堆焊300系不銹鋼結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭的堆焊300系不銹鋼結(jié)構(gòu)多見于臥式浮頭或U形管換熱器的殼程法蘭，尤其是殼體法蘭要通過管束的抽裝，所以，堆焊后的法蘭內(nèi)徑應(yīng)與對(duì)接圓筒內(nèi)徑DN相等，另外尚要考慮懸臂管箱通過法蘭夾持管板與殼體法蘭連接時(shí)對(duì)法蘭密封面受力狀態(tài)的影響，不宜采用法蘭襯里300系不銹鋼結(jié)構(gòu)，而對(duì)殼體圓筒采用300系不銹鋼復(fù)合鋼板的對(duì)接法蘭宜采用堆焊300系不銹鋼結(jié)構(gòu)。這種堆焊300系不銹鋼的法蘭有兩種形式，一種為單層堆焊型式見實(shí)例4；另一種為雙層堆焊型式見實(shí)例5。

實(shí)例4：初底油-減渣換熱器BES900-3.0/2.2-215-6/25-2。殼程介質(zhì)為減渣，設(shè)計(jì)溫度為400℃。殼體圓筒DN900×（16+3）為Q345R+0Cr13，殼體法蘭采用單層堆焊型式見圖3。

圖3 殼體法蘭堆焊300系不銹鋼結(jié)構(gòu)1

圖4 殼體法蘭堆焊300系不銹鋼結(jié)構(gòu)2

這種堆焊型式的法蘭堆焊后內(nèi)徑與殼體圓筒內(nèi)徑DN相等，密封面堆焊在法蘭的凹面內(nèi)，加工后與法蘭厚度上面齊平?；w16MnⅢ法蘭系參照J(rèn)B/T 4703法蘭FM900-4.0結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行的設(shè)計(jì)。而外頭蓋法蘭堆焊內(nèi)徑不必與圓筒內(nèi)徑DN相等，所以可在與圓筒內(nèi)徑DN相等的法蘭基體內(nèi)徑面上堆焊，此時(shí)基體法蘭可以直接選擇標(biāo)準(zhǔn)法蘭，進(jìn)而免除GB 150的法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算。

實(shí)例5：環(huán)氧乙烷冷凝器BES2500-0.8/0.5-22325-7.5/25-4。殼程介質(zhì)為環(huán)氧乙烷，設(shè)計(jì)溫度為75℃。殼體圓筒DN2500×16為304，殼體法蘭采用雙層堆焊型式見圖4。

這種堆焊型式的法蘭堆焊后內(nèi)徑與殼體圓筒內(nèi)徑DN相等，而密封環(huán)系在法蘭厚度上堆焊出12mm的突臺(tái)，然后加工密封面。基體16MnⅢ法蘭系非標(biāo)法蘭設(shè)計(jì)。此圖例應(yīng)探討單層堆焊的可能性。

上述法蘭堆焊結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑面在堆焊后會(huì)產(chǎn)生徑向收縮，設(shè)計(jì)時(shí)往往忽略了，但制造時(shí)卻要面對(duì)，收縮量與堆焊工藝及施焊操作等因素有關(guān)，需要經(jīng)驗(yàn)積累，這直接影響基體法蘭內(nèi)徑面加工的預(yù)擴(kuò)量，即影響法蘭頸部的大、小端厚度所決定的法蘭強(qiáng)度?？梢姡ㄌm堆焊并非象設(shè)計(jì)繪圖加一道粗實(shí)線那樣簡(jiǎn)單，因?yàn)?，徑向收縮量的確定潛在著對(duì)法蘭強(qiáng)度的影響，而設(shè)計(jì)要求雙層堆焊4mm的實(shí)際操作尚存在保證復(fù)層有效厚度及均勻程度的可能性問題，這都影響法蘭設(shè)計(jì)預(yù)期的使用性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著高硫原油的煉化，裝置日益需要不銹鋼換熱器增加，以滿足長(zhǎng)周期運(yùn)行。而長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭系換熱器的常用關(guān)鍵元件，其合理的結(jié)構(gòu)不僅在于經(jīng)濟(jì)性降低成本，更關(guān)系能否符合使用性而防止失效。所以設(shè)計(jì)應(yīng)謹(jǐn)慎考慮，權(quán)衡利弊選擇即方便制造與檢修又防止失效的合理結(jié)構(gòu)。

1）整體300系不銹鋼結(jié)構(gòu)在受介質(zhì)腐蝕或高溫等苛刻工況的工程應(yīng)用已被設(shè)計(jì)所看重，表面上較碳鋼或低合金鋼堆焊300系不銹鋼成本高，但在對(duì)接300系不銹鋼圓筒厚度≤12mm時(shí)值得探討選用整體300系不銹鋼結(jié)構(gòu)的可能性，以避免襯里300系不銹鋼結(jié)構(gòu)的缺憾和堆焊300系不銹鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜工藝，并利于容器的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

2）襯里300系不銹鋼結(jié)構(gòu)在防止腐蝕介質(zhì)（潔凈介質(zhì)）或與介質(zhì)不相容且設(shè)計(jì)溫度＜300℃工況下，立式固定管板換熱器的管箱可以考慮選用。這種結(jié)構(gòu)法蘭與300系不銹鋼圓筒對(duì)接，更常見于不銹鋼人孔結(jié)構(gòu)。

3）堆焊300系不銹鋼結(jié)構(gòu)常見于臥式浮頭或U形管換熱器的殼程法蘭或管箱法蘭，這種結(jié)構(gòu)法蘭與300系不銹鋼復(fù)合鋼板圓筒對(duì)接。堆焊300系不銹鋼結(jié)構(gòu)的加工工藝較為復(fù)雜：基體表面加工處理→MT→堆焊過渡層→消除應(yīng)力熱處理→PT→堆焊面層→PT→加工處理。所以設(shè)計(jì)應(yīng)推薦單層堆焊的可能性，促進(jìn)制造推廣應(yīng)用。

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Flange Structure of Stainless Steel Shell and Tube Heat Exchanger

Deng Xiangzhong Chen Gang Zhang Guang
（CNPC Liaoyang Petrochemical Fiber Company Machinery Factory Liaoyang 111003）

AbstractWelding neck flange is widely used in shell and tube heat exchanger design， with the increase of stainless steel shell and tube heat exchanger in refinery device， stainless steel structure of welding neck flange has become the focus of the design choices. With a living example of stainless steel shell and tube type heat exchanger manufacturing， stainless steel flange structure is analyzed. It is found that the design has broken the conventional ideas，and the integral stainless steel flange is more used in engineering application. For welding flange structure， single layer surfacing method is suggested to be implemented as soon as possible. Three kinds of stainless steel flange structure are assessed， and the stainless steel flange structure selection proposal is given.

KeywordsStainless steel Welding flange Structure Selection

作者簡(jiǎn)介：鄧香中（1982～），男，本科，工程師，從事壓力容器設(shè)計(jì)、校核和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工作。

收稿日期：（2015-10-23）

中圖分類號(hào)：X933.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）06-0031-03

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.007