大型反應(yīng)器管束組裝方法

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(中石化集團 南京化工機械有限公司， 江蘇 南京 210048)

2012年，我公司承接了1臺III 類壓力容器——大型反應(yīng)器的制造任務(wù)，且反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式隸屬于固定管板式熱交換器的結(jié)構(gòu)范疇。此反應(yīng)器的直徑較大(外徑大約為8 m)，換熱管的長度較長(設(shè)備總長度大約22 m)，質(zhì)量較重(凈重大約為900 t),在殼程內(nèi)采用了格柵結(jié)構(gòu)替換傳統(tǒng)使用的折流板來控制換熱功效。因此，此大型反應(yīng)器管束組裝的順利程度及其安裝質(zhì)量是制造反應(yīng)器的關(guān)鍵控制點之一。文中對此進行了簡單的介紹，以供同行參考。

1 反應(yīng)器簡介

遵照TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]的要求，采用JB4732—1995(2005年確認)《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準》[2]和GB 151—1999《管殼式換熱器》[3]進行反應(yīng)器設(shè)計、制造、檢驗與驗收 。

1.1 主要參數(shù)

(1)主要設(shè)計參數(shù) 管程介質(zhì)為反應(yīng)氣體，設(shè)計壓力2.35 MPa，設(shè)計溫度316 ℃；殼程介質(zhì)為鍋爐給水，設(shè)計壓力6.60 MPa，設(shè)計溫度288 ℃。換熱管設(shè)計溫度280 ℃。

(2)部分結(jié)構(gòu)參數(shù) 換熱管材質(zhì)為S31803，規(guī)格(外徑×厚度×長度)為38 mm×2 mm×12 000 mm，數(shù)量超過2萬根，質(zhì)量約430 t。管板材質(zhì)20MnMoNb Ⅳ+堆焊，外徑約8 000 mm，總厚度350 mm，為雙凸肩結(jié)構(gòu)，凸肩寬度約130 mm，堆焊區(qū)域厚度(180+5)mm。換熱管與管板的連接形式采用強度焊接+貼脹。格柵外徑約7 760 mm，高度75 mm，板條規(guī)格(高度×厚度)75 mm×3 mm，材料S30403，每個管孔用4根板條相互鑲嵌、組焊而成。

1.2 主要結(jié)構(gòu)特點

反應(yīng)器與常規(guī)固定管板式熱交換器在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別為，后者管束中，通常采用一定形狀的折流板來達到調(diào)整管外換熱的功效，而反應(yīng)器則是在管束中采用了格柵結(jié)構(gòu)來達到整體的換熱功能。

反應(yīng)器殼程系統(tǒng)主要元件有換熱管、格柵、管板及筒體，見圖1。

圖1 反應(yīng)器管束簡圖

1.3 主要技術(shù)要求

①鋼板、鍛件、無縫鋼管及焊接工藝規(guī)程的制定應(yīng)當符合有關(guān)標準[4-7]。②所有的A、B類焊接接頭按照NB/T 4730.1～4730.6—2005《承壓設(shè)備無損檢測》[8]進行100%射線檢測(II級)+100%超聲檢測(I級)。③設(shè)備制造完畢，按照圖樣要求和有關(guān)的技術(shù)協(xié)議進行焊后熱處理[9]。

1.4 制造難點

1.4.1格柵、管板等元件尺寸精度控制

折流板是機加工件，而格柵是鉚焊件。折流板孔徑和孔間距的偏差程度主要取決于機床的精度，大型格柵主要依靠經(jīng)驗和工裝控制平面度、孔徑和孔間距的偏差。堆焊管板的平面度主要與堆焊工藝和控制預(yù)變形的經(jīng)驗密切相關(guān)。反應(yīng)器格柵、管板的孔徑和孔間距的尺寸精度嚴于GB 151—1999。因而，控制大型格柵、管板等元件相關(guān)尺寸精度的難度較大。

1.4.2管束組裝同軸度控制

大型反應(yīng)器上管板與下管板的間距較大，約有12 m，管板和格柵的管孔精度較高，換熱管和格柵質(zhì)量都比較大，管板與筒體的環(huán)縫施焊的圈數(shù)較多。因而，控制管束組裝的同軸度，避免換熱管等元件損傷程度的難度較大。

固定管板式熱交換器殼程系統(tǒng)制造、管束組裝及穿管方法均適用于格柵結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器。因此，確定大型反應(yīng)器管束組裝以及穿管方法是文中的主要內(nèi)容。

2 固定管板式熱交換器穿管方法[10-11]

有固定拉桿的管板稱為第1塊管板，不與拉桿相連接的管板稱為第2塊管板。管束組裝的同軸度集中體現(xiàn)在換熱管穿過折流板和第2塊管板時的順利程度。采用相對合理的穿管方法有利于控制管束組裝的同軸度，是穿管順利的有效措施，采用導(dǎo)向器穿管是微調(diào)管孔的同軸度、順利穿管最有效的輔助措施。

2.1 穿管方法分類

筆者根據(jù)組裝折流板階段以及全部換熱管首次穿過折流板時的能見度特征，進行了穿管方法的分類，大致可以分為明穿、暗穿及盲穿三大類。

2.1.1明穿

在筒體外面，將換熱管穿過折流板的過程，稱為明穿換熱管，亦稱裸穿換熱管。

明穿階段程序：將折流板與第1塊管板固定，并且穿入少量換熱管進行同軸度的調(diào)整，從折流板開始朝著第1塊管板方向穿入全部換熱管。

2.1.2暗穿

在半封閉狀態(tài)的筒體內(nèi)，將換熱管穿過折流板的過程，稱為暗穿換熱管。

根據(jù)穿管方向的不同，暗穿又可以細分為前進式暗穿和后退式暗穿兩種方法，即始于最后一塊折流板朝著第1塊管板方向穿入全部換熱管，稱為前進式暗穿方法；而始于第1塊管板朝著折流板，逐塊依次地穿入全部換熱管，稱為后退式暗穿方法。

前進式暗穿程序：①第1塊管板先與筒體部件組焊。②全部折流板按順序通過拉桿與第1塊管板固定，并且穿入少量換熱管進行同軸度的調(diào)整。③從最后一塊折流板開始朝著第1塊管板方向穿入全部換熱管。

后退式暗穿程序：①第1塊管板先與筒體部件組焊。②折流板與第1塊管板固定，始于第1塊管板朝第1塊折流板方向穿入全部換熱管。③再組裝第2塊折流板，始于第1塊管板朝第2塊折流板方向穿入全部換熱管。④依次類推，組裝全部折流板，穿入全部換熱管。

2.1.3盲穿

在全封閉的筒體內(nèi)，換熱管依次穿過第1塊管板、全部折流板和第2塊管板的方法，稱為盲穿換熱管。

盲穿程序：①筒體部件先與第1塊管板組焊，在筒體里裝入折流板，并且穿入少量換熱管進行同軸度的調(diào)整。②筒體部件與第2塊管板組焊。③全部換熱管從第1塊管板方向穿過折流板后穿入第2塊管板。

2.2 3種穿管方法分析與比較

采用不同的穿管方法，在控制折流板和2塊管板的同軸度時，有一定程度的難易之別。因此，在施工過程中，3種方法對換熱管等元件的損傷程度也有可能不同。

明穿是類似于U形管式熱交換器管束的組裝方法。其優(yōu)點是換熱管在穿過各塊折流板的全過程中均能看見換熱管，穿管進度比較快。缺點是明穿方法不宜用在筒體直徑過大、管束過重以及管壁過薄的場合。

暗穿是固定管板式熱交換器組裝管束通用的、傳統(tǒng)的方法。優(yōu)點是各種型式的固定管板式熱交換器，均都可以用暗穿方法組裝管束。通常，對固定管板式熱交換器的管束組裝采用前進式暗穿的方法。對極少數(shù)特殊結(jié)構(gòu)的固定管板式換熱器管束，管孔和孔間距的加工精度沒有把握或組裝同軸度缺乏信心時，采用后退式暗穿的方法。優(yōu)點是管束組裝最保險，能及時發(fā)現(xiàn)折流板等影響穿管的問題，返工較為方便。缺點是需要一定的工裝，施工進度較慢。采用暗穿方法的筒體直徑既不能過小、也不宜太大，筒壁不宜太厚，管束也不宜太重。

明穿和暗穿的共性缺點是全部換熱管均需要2次穿過折流板，2塊管板之間的距離愈大，筒體內(nèi)的管束質(zhì)量也愈大，控制2塊管板的同軸度難度也在加大，換熱管等元件損傷的可能性也就愈大。大型管束的組裝順利程度對整體制造進度的影響較大。

盲穿方法是近年來用于有整體熱處理技術(shù)要求的固定管板式熱交換器的穿管方法，其優(yōu)點是全部換熱管一次性穿過折流板，2塊管板的同軸度較易控制，對換熱管或筒體內(nèi)表面的損傷較小。缺點是管束組裝的風險較大，對折流板(或格柵)的孔徑、孔間距的偏差及組裝同軸度有較高的要求。

對不同材質(zhì)、不同規(guī)格、不同結(jié)構(gòu)及不同要求的固定管板式熱交換器，在分析了明穿、暗穿和盲穿利弊的基礎(chǔ)上，根據(jù)元件精度、實際可能產(chǎn)生的偏差程度以及制造廠積累的經(jīng)驗，方能選用相對合理的穿管方法，以保證管束的順利組裝。

3 大型反應(yīng)器管束特殊性

3.1 大型格柵

格柵是鉚焊件，存在焊接殘余應(yīng)力對變形的影響。直徑越大，影響變形程度越大。因而，控制大型格柵相關(guān)尺寸的偏差難度較大。管孔及孔間距是直接影響穿管順利程度的關(guān)鍵因素之一。

南京化工機械有限公司(以下簡稱南化機)自制的高精度梅花形群規(guī)對任意格柵孔的檢測均能達到相應(yīng)的技術(shù)要求，也可用此對管板的管孔進行檢測，來確保格柵孔與管板孔的同一性，以保證穿管的順利進行。

疊置的格柵示意圖見圖2，放置在管板上的梅花形群規(guī)示意圖見圖3。

圖2 疊置的格柵

圖3 梅花形群規(guī)

3.2 大型管板

管板為單面堆焊結(jié)構(gòu)，管板面積愈大，堆焊平面度愈難保證。管板與筒體焊接時，凸肩(凹)型結(jié)構(gòu)的管板愈大，凸肩愈寬，不但與筒體對接焊接的焊接量愈大，而且工件轉(zhuǎn)動施焊的圈數(shù)愈多，對管板平面度的影響愈明顯。

準備鉆孔的帶極堆焊管板示意圖見圖4。

圖4 帶極堆焊的管板準備鉆孔

3.3 大型筒體

大型筒體的厚度較大，與大型管板的焊接工作量也相應(yīng)較大，在工件施焊過程中轉(zhuǎn)動的圈數(shù)也較多。此反應(yīng)器筒體雖然較厚，但是直徑較大，因而相對厚度較小，臥置狀態(tài)存在較大的自重圓度。筒體存在的自重圓度愈大，對管板的環(huán)向錯邊量影響愈大，對管板的平面度影響也愈大。

胎具撐圓的單節(jié)筒體示意圖見圖5。

圖5 胎具撐圓的單節(jié)筒體

3.4 大型管束

殼程筒體、管板和格柵的直徑均比較大，換熱管較長，換熱管數(shù)量較多，管束質(zhì)量也較大。管板凸肩與筒體對接施焊的工作量較大，工件轉(zhuǎn)動施焊的圈數(shù)較多，換熱管在筒體內(nèi)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)也較多。管板愈大，換熱管愈長、愈重，因此大型管束組裝同軸度的控制難度愈大。

為了順利穿管，如何減少換熱管等元件的損傷程度、組裝方法的選擇和工裝措施等方法的采用對控制同軸度的大小尤為重要。

4 大型反應(yīng)器換熱管組裝方法[12-22]

從1990年成功制造第1臺格柵結(jié)構(gòu)的固定管板式熱交換器以來，南化機積累了較為豐富的經(jīng)驗。依據(jù)同一臺反應(yīng)器中每塊格柵外徑相等的特征，針對大型反應(yīng)器殼程系統(tǒng)主要元件的特殊性，使用導(dǎo)向器，采用盲穿換熱管的組裝方法。

組裝之前，應(yīng)完成筒體圓度，管板及格柵的孔徑、孔間距，換熱管的相關(guān)尺寸以及管板與格柵及筒體的方位線等的核查。

4.1 管板與殼程筒體組焊

上管板部件工序：①第1塊管板分別與上管箱筒節(jié)、殼程筒體組焊。②殼程筒體內(nèi)組裝擋流箱和9塊格柵。

下管板部件工序：①第2塊管板分別與下管箱筒節(jié)、殼程筒體中的一節(jié)筒節(jié)組焊。②殼程筒體內(nèi)組裝氣體分布器和1塊格柵。

4.2 標注基準線

①以第1塊管板的十字方位線為基準，標注筒體內(nèi)表面的方位線，這是各塊格柵與筒體同軸、同方位的基準線，也是各塊格柵與第1塊管板同軸、同方位的基準線。②依據(jù)各塊格柵至第1塊管板的距離，標注筒體內(nèi)表面相對應(yīng)的環(huán)向位置線，這是各塊格柵與第1塊管板平行度的基準線。

4.3 安裝導(dǎo)向器

在每根換熱管裝上導(dǎo)向器。采用導(dǎo)向器導(dǎo)向穿管，不僅具有高效率的特點，而且還有微調(diào)同軸度的作用，有利于降低管端表面的損傷程度。

導(dǎo)向器安裝示意圖見圖6。

4.4 組裝格柵

①將殼程筒體置于滾輪架上，使第1塊管板十字方位線中的一對方位線基本處于垂直位置，另一對方位線基本處于水平位置。②逐塊調(diào)整格柵的方

圖6 換熱管安裝導(dǎo)向器

位線與筒體內(nèi)表面的方位線，基本對正。③依據(jù)各塊格柵圓周方向與筒體內(nèi)表面之間的具體間隙，均布配制適當數(shù)量的楔形塊，分別與各塊格柵固定焊接。④按照圖樣技術(shù)要求組裝格柵支承件等。⑤優(yōu)先在第1塊管板周邊的管孔穿入換熱管，進行格柵的定位。周邊管孔優(yōu)先穿管示意圖見圖7。

圖7 周邊管孔優(yōu)先穿管

4.5 殼體全封閉

①將位于第1塊管板周邊的換熱管穿過第2塊管板，進行殼程合攏縫的組對、定位、固定焊。②管板周邊的換熱管退回到適宜施焊合攏縫的位置。③對合攏縫進行施焊，并按照有關(guān)技術(shù)規(guī)定進行無損檢測。④進行局部消應(yīng)力熱處理。

4.6 管板周邊優(yōu)先穿管

固定管板式熱交換器管束組裝時管板、折流板組裝的最大偏差量位于周邊的管孔。倘若最大偏差位置的管孔穿管順利，則其余的管孔也能正常穿管。為此，反應(yīng)器管束也優(yōu)先對管板周邊的管孔進行穿管(圖7)。

上、下管板間距較大，在格柵和換熱管自重等因素的共同影響下，開始穿少量換熱管時，其管束具有較大的撓度，因而穿管的阻力最大，此時穿管更需要細心、耐心。

4.7 調(diào)整平臺高度

穿入一定數(shù)量的換熱管之后，管板管孔與相對應(yīng)格柵管孔的同軸度經(jīng)過了自動調(diào)整，當逐步體現(xiàn)出較為輕松的效果時，直接把穿管平臺架高，對管板直徑水平方向區(qū)域的管孔進行穿管。

4.8 米字形穿管

①裝有導(dǎo)向器的換熱管始穿于第1塊管板(圖8)。②穿過折流板，最后穿過第2塊管板、拆卸導(dǎo)向器，見圖9。③根據(jù)管板均布等分的原則，滾輪轉(zhuǎn)胎轉(zhuǎn)動反應(yīng)器，依次轉(zhuǎn)到管板直徑位于水平方向，類似于米字形位置進行穿管，直至穿完全部換熱管。

圖8 始穿于第1塊管板

圖9 穿過第2塊管板拆卸導(dǎo)向器

5 結(jié)語

大型反應(yīng)器成功制造、順利安裝5 a多來，運行正常，用戶反映良好。由此也驗證了對大型反應(yīng)器的管束，采用盲穿換熱管的方法是安全、合格、正確、有效的。

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