中壓低溫大直徑換熱器的設(shè)計(jì)

李勝利

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

1 換熱器設(shè)計(jì)條件

換熱器設(shè)計(jì)條件見表1，換熱器工況見表2。

表2 換熱器工況

表1 換熱器設(shè)計(jì)條件

2 材料選擇

2.1 材料初選

依據(jù)管程設(shè)計(jì)條件，管程筒體、封頭材料應(yīng)選用低合金鋼+S31603的復(fù)合板或低合金鋼+S31603堆焊。為滿足管程有-45 ℃的低溫設(shè)計(jì)條件，管程筒體的基層材料首先應(yīng)考慮選用低溫用鋼。依據(jù)GB/T 150.2—2011，能滿足-45 ℃低溫用鋼材有15MnNiDR(使用溫度下限為-45 ℃)、15MnNiNbDR(使用溫度下限為-50 ℃)和09MnNiDR(使用溫度下限為-70 ℃)，但因15MnNiDR和15MnNiNbDR的使用溫度上限為200 ℃，不能滿足設(shè)計(jì)溫度240 ℃的要求，因此國內(nèi)能夠使用的材料就只有09MnNiDR了，其使用溫度上限為350 ℃【1】。

因殼程設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度都不高且介質(zhì)很干凈，設(shè)計(jì)條件要求選用低合金鋼材料，因此，可選用Q345R作為殼程筒體材料。

管板材料的選擇同樣因管程存在-45℃的低溫設(shè)計(jì)條件，初步選用09MnNiD鍛件+S31603(覆層或堆焊)。

2.2 試算

2.2.1 管程封頭

因管程設(shè)計(jì)壓力為8.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度為240 ℃，為盡量減小封頭厚度，采用半球形復(fù)合板(基層材料09MnNiDR、覆層材料S31603)封頭。經(jīng)計(jì)算，封頭的名義厚度(62+3) mm(基層厚度62 mm 已考慮了鋼板負(fù)偏差和復(fù)合板爆炸過程中的減薄)可滿足設(shè)計(jì)條件要求。

2.2.2 管箱筒體

管箱筒體采用復(fù)合板(基層材料09MnNiDR、覆層材料S31603)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，筒體名義厚度(130+3) mm已經(jīng)超出了GB/T 150.2—2011 規(guī)定的09MnNiDR鋼板的最大允許厚度120 mm，不能使用。

改選ASME 材料。依據(jù)ASME II SA-20/SA-20M 附表A2.15【2】，滿足-45℃低溫工況的材料有SA-516Gr.60(使用溫度下限為-46 ℃)、SA-537 Class2(使用溫度下限為-46 ℃)和SA-203.F(使用溫度下限為-107 ℃)。經(jīng)試算，若選用SA-516Gr.60，則筒體厚度需要148 mm，若選用SA-537 class2 和SA-203.F，筒體厚度都需要96 mm，而SA-516Gr.60的使用厚度上限為125 mm、SA-537 class2和SA203.F的使用厚度上限都是100 mm。顯然，若選用SA-516Gr.60，筒體厚度已經(jīng)超標(biāo)，選用SA-537 class2和SA203.F，筒體厚度也與使用上限非常接近，在沒有使用經(jīng)驗(yàn)的情況下，不宜貿(mào)然采用。

最后決定采用09MnNiD鍛件作為管箱筒體的基層材料。經(jīng)計(jì)算，09MnNiD鍛件的名義厚度需要117 mm，設(shè)計(jì)實(shí)取120 mm，堆焊S31603。

2.2.3 殼程筒體

殼程筒體材料選用Q345R，按強(qiáng)度進(jìn)行初步計(jì)算，名義厚度可取12 mm。根據(jù)GB/T 151—2014筒體最小厚度的規(guī)定【3】，取20 mm。為進(jìn)一步增加筒體剛性，實(shí)取24 mm。

2.2.4 管板

管板以09MnNiD鍛件為基層材料，管程側(cè)堆焊S31603。

1) 按3種工況分別計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 3種工況的計(jì)算結(jié)果

2) 計(jì)算結(jié)果分析

在正常操作工況下，按照只有管程壓力，只有殼程壓力和管、殼程壓力同時(shí)作用3種情況，再分別考慮不計(jì)溫差應(yīng)力和計(jì)及溫差應(yīng)力的情況進(jìn)行管板、殼程筒體、換熱管拉伸、換熱管與管板之間焊接接頭拉脫力等應(yīng)力計(jì)算，結(jié)果顯示，所有應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。

殼程和管程故障工況的計(jì)算與正常操作工況不同，只需分別考慮2種故障工況各自壓力與有無溫差的組合即可。這一點(diǎn)是設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)特別注意的，特別是應(yīng)用SW6等軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，如果不特別注意，很可能“被程序主宰”，在故障工況下，進(jìn)行管、殼程的壓力危險(xiǎn)組合計(jì)算，并以此得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

2.3 材料確定

依據(jù)本文2.2節(jié)材料初選、試算的結(jié)果，確定換熱器各部分主要受壓元件材料如下：

管程封頭：09MnNiDR+S31603復(fù)合板，厚度(66+3) mm。

管程筒體：09MnNiD Ⅳ級(jí)鍛件+S31603堆焊，鍛件內(nèi)徑φ4 000 mm，厚度124 mm ，鍛后堆焊6 mm。

管板：09MnNiD Ⅳ級(jí)鍛件+S31603堆焊(管程側(cè)內(nèi)表面堆焊6 mm)，厚度200 mm，管板周圈帶凸肩，鍛環(huán)總高320 mm，管程側(cè)凸肩厚度124 mm，殼程側(cè)凸肩厚度60 mm(通過有限元計(jì)算得到，計(jì)算過程略)。

殼程筒體：與管板邊緣凸肩焊接的筒體短節(jié)材料為Q345R，長度750 mm，厚度取60 mm；其余部分筒體材料Q345R，厚度24 mm。

換熱管：S31603 。

3 管板設(shè)計(jì)方案

管板采用09MnNiD Ⅳ級(jí)鍛件+S31603堆焊，厚度200 mm，周圈兩側(cè)各帶60 mm凸肩，其基層的鍛造方案有2種，如圖1和圖2所示。

圖1 分體鍛造

圖2 整體鍛造

方案一是將管板分為中間的1個(gè)餅形(圖形Ⅱ)與周圈1個(gè)環(huán)形(圖形Ⅰ)鍛件的組合件，分別進(jìn)行鍛后熱處理(淬火+回火)，之后將兩部分組焊起來，再進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。此方案的優(yōu)點(diǎn)是將管板化整為零，分2塊鍛造，使鍛件滿足機(jī)械性能(特別是低溫沖擊韌性)的要求變得更容易，質(zhì)量更易得到保證；缺點(diǎn)則是對(duì)焊接質(zhì)量要求過高，焊接變形較難控制，焊接接頭和熱影響區(qū)的力學(xué)性能(特別是低溫沖擊韌性)不易得到保證，且焊接區(qū)域正好位于管板高應(yīng)力區(qū)，不利于管板的受力。

方案二是采取整體鍛造的方式，鍛后進(jìn)行整體熱處理(淬火+回火)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是不用考慮焊接變形、焊接接頭機(jī)械性能以及低溫沖擊性能的下降等問題；缺點(diǎn)是整體鍛造受鋼錠噸位及鍛機(jī)噸位的限制，且公稱厚度已經(jīng)超出了NB/T 47009—2017《低溫承壓設(shè)備用合金鋼鍛件》的上限，存在鍛后熱處理(淬火+回火)淬不透的可能，可能導(dǎo)致鍛件整體性能不均勻，芯部力學(xué)性能(特別是低溫沖擊性能)達(dá)不到指標(biāo)要求。

為此，設(shè)計(jì)人員專門與有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備制造企業(yè)和知名鍛件企業(yè)進(jìn)行溝通、討論，結(jié)果一致認(rèn)為方案一的風(fēng)險(xiǎn)較大。因?yàn)槌鲜龇治鐾?，管板最終還要經(jīng)過3次熱處理(鍛后、焊后、覆層堆焊后)，也不利于鍛件的綜合性能。因此決定選擇方案二，且熱處理前先按圖2虛線(留有一定的加工裕量)將鍛件進(jìn)行機(jī)加工，使其厚度更接近于最終工件厚度，這樣有利于鍛件淬透，確保鍛件的力學(xué)性能，特別是韌性指標(biāo)。

4 材料技術(shù)要求

4.1 管箱封頭

用于管箱封頭的09MnNiDR+S31603復(fù)合板，要求滿足NB/T 47002.1—2009《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板 第1部分：不銹鋼-鋼復(fù)合板》的B1級(jí)要求?；鶎愉摪逡笳鸷蠹铀倮鋮s+回火狀態(tài)供貨，并要求進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)，合格級(jí)別不低于Ⅱ級(jí)要求；化學(xué)成分、力學(xué)性能和低溫沖擊性能滿足GB/T 3531—2014的要求【4】，同時(shí)增加一組鋼板厚度1/2處的-70 ℃的低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合GB/T 3531—2014的規(guī)定，且沖擊吸收能量要留有足夠的裕量，以滿足封頭拼焊以及封頭與管程筒體對(duì)接接頭的沖擊韌性要求。覆層不銹鋼鋼板應(yīng)符合GB/T 24511—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》的規(guī)定。爆炸后復(fù)合板的檢驗(yàn)按照NB/T 47002.1—2009的要求執(zhí)行。

4.2 管程筒體

管箱筒體材料為09MnNiD Ⅳ級(jí)鍛件+堆焊E309MoL-16+E316L-16。其基層鍛件化學(xué)成分、力學(xué)性能要符合NB/T 47009—2017《低溫承壓設(shè)備用合金鋼鍛件》的要求，鍛后應(yīng)進(jìn)行淬火+回火熱處理，允許快冷處理，低溫沖擊試驗(yàn)溫度為-70 ℃，鍛件取樣位置按標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)要求沖擊吸收能量要留有足夠的裕量，以滿足管板與管程筒體對(duì)接接頭的沖擊韌性要求； 堆焊過渡層和蓋面層各3 mm，堆焊后應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

4.3 管板

管板材料為09MnNiD Ⅳ級(jí)鍛件 +堆焊E309MoL-16+E316L-16。其基層要求整體鍛造，鍛后應(yīng)進(jìn)行淬火+回火熱處理，鍛件化學(xué)成分、力學(xué)性能應(yīng)符合NB/T 47009—2017《低溫承壓設(shè)備用合金鋼鍛件》的要求。該鍛件各檢驗(yàn)項(xiàng)目取樣位置相較NB/T 47009—2017《低溫承壓設(shè)備用合金鋼鍛件》有較大不同，如圖3所示，其目的就是檢測(cè)靠近鍛件中心處材料的力學(xué)性能，特別是低溫沖擊性能。低溫沖擊試驗(yàn)溫度為-70 ℃，同時(shí)要求沖擊吸收能量要留有足夠的裕量，以滿足管板與管程筒體對(duì)接接頭的沖擊韌性要求；堆焊的過渡層和蓋面層各3 mm，堆焊后應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

圖3 整體鍛造取樣位置

4.4 焊接材料

管板管程側(cè)不銹鋼蓋面層焊接材料E316L-16含碳量要求小于等于0.025%。提出這一要求，主要是考慮堆焊過程中，基層碳的析出會(huì)提高面層的含碳量而降低面層耐腐蝕性能。使用含碳量較低的焊材，可使最終面層的含碳量與S31603的含碳量相當(dāng)。

5 制造技術(shù)要求

因篇幅所限，本文僅對(duì)一些特殊的技術(shù)要求進(jìn)行介紹，略去常規(guī)的技術(shù)要求。

5.1 無損檢測(cè)

無損檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013—2015。管程側(cè)A、B類焊接接頭應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測(cè)，技術(shù)等級(jí)AB，質(zhì)量等級(jí)不低于Ⅱ級(jí)合格；所有管程側(cè)焊接接頭均進(jìn)行100磁粉檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格；管程筒節(jié)及管板堆焊前，待堆焊表面應(yīng)進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格，堆焊后不銹鋼表面進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。殼程側(cè)A、B類焊接接頭進(jìn)行20%射線檢測(cè)，技術(shù)等級(jí)AB級(jí)，質(zhì)量等級(jí)不低于Ⅲ級(jí)合格。

5.2 焊后熱處理

管程筒節(jié)及管板堆焊后、封頭成形并組對(duì)焊接后、管程筒節(jié)與封頭組對(duì)焊接后，管程筒節(jié)與管板對(duì)接接頭以及殼程60 mm厚短節(jié)與管板焊接接頭焊后均應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

5.3 換熱管與管板之間的焊接

換熱管與管板之間的焊接應(yīng)采用自動(dòng)焊，焊后進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

5.4 壓力試驗(yàn)及氣密性試驗(yàn)

管、殼程應(yīng)分別進(jìn)行水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)合格后，在殼程進(jìn)行氦泄漏檢測(cè)試驗(yàn)，壓力取0.07 MPa，以檢測(cè)換熱管與管板之間的焊接質(zhì)量。管程進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力8.0 MPa。

6 結(jié)語

該換熱器直徑較大，管程壓力較高且同時(shí)存在低溫、高溫工況和管、殼程故障工況，涉及的壓力容器知識(shí)面較廣，所選材料既要具有較高的強(qiáng)度，又要滿足低溫沖擊韌性要求。其管板直徑大、厚度較厚，設(shè)計(jì)階段就要考慮制造方案，同時(shí)還要滿足綜合機(jī)械性能的要求。本文從選材、設(shè)計(jì)計(jì)算、材料和制造技術(shù)要求等多方面分析總結(jié)了該換熱器選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可為同類設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。目前，該換熱器已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢，即將投入使用。