Incoloy 825高壓空冷器管束監(jiān)理

石留幫* 王常青 劉真云

（南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司）

0 前言

在蠟油加氫裂化裝置中應(yīng)用一種高效換熱設(shè)備——Incoloy 825高壓空冷器，其設(shè)計(jì)壓力大于10 MPa，應(yīng)用工況苛刻，具有耐高溫、耐腐蝕、高效、節(jié)水、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。管箱、換熱管采用Incoloy 825材料，該材料具有良好的物理性能及化學(xué)性能，解決了管頭腐蝕泄漏問(wèn)題。但其制造過(guò)程存在較高的難度[1]。本文就此類設(shè)備的制造質(zhì)量控制進(jìn)行了介紹，并提出相應(yīng)觀點(diǎn)。本文所述空冷器均指絲堵式管箱結(jié)構(gòu)空冷器。

1 空冷器管束的結(jié)構(gòu)

管束是空冷器是空冷器的主體，由G型翅片管和絲堵式端部管箱構(gòu)成，絲堵形式采用雙堵頭，因高溫工況下將其設(shè)計(jì)為分解式管箱，一臺(tái)管束有4個(gè)管箱，前后各2個(gè)，分三程，前后各一個(gè)管箱，帶進(jìn)出口接管的管箱是固定管箱，另兩個(gè)為滑動(dòng)管箱。固定管箱與外管法蘭連接，管束采用傾斜布置，方向由流向決定。空冷器管束主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 空冷器管束主要技術(shù)參數(shù)

2 生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制

2.1 原材料入庫(kù)驗(yàn)收控制

主要受壓的管箱鋼板、鍛件、基管、焊材等材料的產(chǎn)品質(zhì)量證明書應(yīng)詳細(xì)說(shuō)明化學(xué)成分、力學(xué)性能、彎曲、硬度及晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果。所有鋼板、鍛件、基管、焊材入廠時(shí)均應(yīng)按照ASTM A262 C方法復(fù)驗(yàn)材料的晶間腐蝕情況，5個(gè)周期的腐蝕速率平均值≤0.075 mm/月，換熱管按批進(jìn)行復(fù)驗(yàn)了化學(xué)成分，力學(xué)性能。

該設(shè)備應(yīng)用的是日本神鋼生產(chǎn)的換熱管。換熱管基管入庫(kù)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)尺寸精度的控制，如基管直徑、橢圓度、壁厚偏差、彎曲度等，這些都是影響翅片管繞制能否順利進(jìn)行和繞制質(zhì)量的關(guān)鍵特性。

2.2 翅片管質(zhì)量控制

翅片材料為鋁，型式為G型。

刀頭磨損、機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)、工人操作經(jīng)驗(yàn)都是影響翅片管質(zhì)量的重要因素，工人在進(jìn)行繞片操作時(shí)靠聽異響、觀異常、測(cè)尺寸這些經(jīng)驗(yàn)性操作及時(shí)采取緊急停機(jī)措施，從而保證繞管質(zhì)量。繞管后，第一根成型的翅片管應(yīng)全面檢查其外觀尺寸和拉脫力。

典型的翅片成形后缺陷包括翅片倒塌、翅片周向彎折、翅片外徑偏差超差、翅片與基管結(jié)合不牢及翅片間距大小不均勻等。輕微倒塌是在振動(dòng)和磕碰中造成，在扶正后且無(wú)爛邊時(shí)該缺陷可以接受。翅片周向折彎、翅片外徑偏差超差主要是刀具磨損和基管局部橢圓或彎曲造成的，該類缺陷沿管道軸線超過(guò)一定長(zhǎng)度，需報(bào)廢處理，實(shí)際原因與翅片管傳熱效果及其均勻性相關(guān)，可考慮進(jìn)行熱工試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。在翅片管端部未翅化區(qū)的控制上，制造方并未對(duì)未翅化區(qū)遺留的刻槽進(jìn)行相應(yīng)的質(zhì)量控制。翅片拉脫力試驗(yàn)部位應(yīng)選取可遵循圓盤刀具的磨損周期規(guī)律并結(jié)合翅片成型狀況來(lái)確定。翅片間距大小不均勻在繞片機(jī)開停時(shí)不能避免，繞片機(jī)開機(jī)時(shí)加速和停機(jī)時(shí)降速時(shí)間越短越好。監(jiān)理過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注批量產(chǎn)出翅片管中第一根的全面檢驗(yàn)。

2.3 管箱制造過(guò)程及質(zhì)量控制

2.3.1 管箱組裝

空冷器的管箱為矩形絲堵式板焊形式[2-3]，包括分管絲板、頂?shù)装搴投税澹灿?jì)6塊板，6條A類焊縫組焊而成，板材下料采用等離子或水刀切割，管箱的直線度，管絲板和蓋板下料后，應(yīng)校平整。坡口采用銑加工，100%PT探傷合格后，打磨清洗使其無(wú)油污、無(wú)毛刺，等待組裝。

2.3.2 焊接質(zhì)量控制

（1）施焊程序的質(zhì)量控制

優(yōu)化的施焊程序及方法可在提高效率的同時(shí)減少管箱變形和應(yīng)力集中程度。工藝決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。監(jiān)理應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注焊接方法及施焊程序是否符合工藝要求，以及是否有正常的工藝變更程序。

（2）管箱縱縫電子束焊接的特點(diǎn)及其質(zhì)量控制管箱縱縫采用真空電子束焊機(jī)，其型號(hào)為THDW-30。

其焊接特點(diǎn)如下： 1）相對(duì)激光焊、電弧焊、等離子焊，其熱影響區(qū)小，變形最小，不用焊材，熱裂紋產(chǎn)生的幾率大大降低；2）飛濺大；3）管箱在真空室外換位翻轉(zhuǎn)，抽真空次數(shù)增加，耗時(shí)長(zhǎng)；4）電子束很容易受到磁場(chǎng)影響而偏轉(zhuǎn)；5）對(duì)坡口表面質(zhì)量、裝配質(zhì)量要求高；6）起弧和收弧電特性不穩(wěn)定易產(chǎn)生裂紋缺陷；7）實(shí)際焊接中因蒸鍍引起產(chǎn)生大量氧化物。

電子束焊接產(chǎn)生常見缺陷質(zhì)量控制措施如下：1）氣孔，坡口清理干凈，焊前預(yù)熱，合理設(shè)置焊接參數(shù)；2）未熔合，控制坡口組對(duì)焊道直線度，控制焊接變形，將表面清理干凈，合理設(shè)置工藝參數(shù)；3）焊穿，控制坡口組對(duì)焊道直線度，焊前點(diǎn)焊固定牢固，控制焊接變形，合理設(shè)置工藝參數(shù)，保持穩(wěn)定的電特性，施焊前進(jìn)行焊道軌跡模擬，確保施焊時(shí)工件行走平穩(wěn)；4）裂紋，伴隨焊穿缺陷出現(xiàn)。

電子束焊接時(shí)管箱應(yīng)通過(guò)兩側(cè)工裝夾緊以減少變形，視情況可增大夾緊工裝與管箱的接觸面積利于導(dǎo)熱。

如果焊后變形較大，從而造成同側(cè)焊縫不直，對(duì)側(cè)焊縫到機(jī)槍距離發(fā)生改變，熔深也會(huì)隨之變化[4]，可能會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷。監(jiān)理工作應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注核對(duì)施焊中的工藝參數(shù)，確保與工藝相符。

（3） 加強(qiáng)板組焊過(guò)程質(zhì)量控制

采用SAW方式，焊絲直徑為2.4 mm，材料選用ERNiCrMo-3，底板兩側(cè)縱縫同時(shí)施焊，頂板側(cè)縱縫亦然。監(jiān)理時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其施焊程序，不應(yīng)引起不可控變形，當(dāng)此處焊縫需要探傷時(shí)，因其不承壓而容易被制造方忽視，應(yīng)加強(qiáng)此處探傷監(jiān)督。

（4）端板組裝組焊過(guò)程質(zhì)量控制

采用SMAW施焊，控制錯(cuò)邊量和，端部外形尺寸。端板組焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮變形，且加強(qiáng)板組焊會(huì)使管絲板產(chǎn)生變形，中心距離較兩端距離小，此變形偏差執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ISO13920 B和E等級(jí)，但實(shí)際變形已超標(biāo)準(zhǔn)3～2 mm。實(shí)際驗(yàn)收中，以適用性為原則，以不影響附近管孔尺寸為限，并參考GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)棱角度控制的條款，當(dāng)該變形影響無(wú)法避免時(shí)，采取焊后鉆孔的二次機(jī)加工措施。因此在工藝優(yōu)化中建議考慮上述變形情況，使變形協(xié)調(diào)同步，以減少反差變形。建議在工藝和設(shè)計(jì)時(shí)考慮該變形的影響，例如設(shè)計(jì)時(shí)采用管板和絲堵板等厚；加強(qiáng)板外伸與管箱端板外表面平齊，將端板分兩塊；采用特殊的焊接工藝參數(shù)和防變形工裝等。

2.3.3 接管法蘭與管箱組焊質(zhì)量控制

法蘭與管箱裝配時(shí)，應(yīng)對(duì)間隙、坡口、外伸等進(jìn)行檢查，控制裝配質(zhì)量，可減少焊接尺寸變形和焊接應(yīng)力，同時(shí)保證接管承受外載荷與圖紙要求的符合性和可靠性。

進(jìn)出口接管內(nèi)徑與管箱頂?shù)装鍖挾鹊睦碚摬顬?.4 mm，考慮裝配和焊接變形后，實(shí)際差為0～1 mm，此接管開孔處使管箱縱縫焊縫斷面與介質(zhì)直接接觸，建議在機(jī)加工后對(duì)焊縫進(jìn)行100%PT探傷，并體現(xiàn)在工藝文件中。

3 管箱機(jī)加工過(guò)程質(zhì)量控制

絲堵采用板機(jī)加工，絲孔密封面采用沉孔，因絲堵板存在不平度，必須用百分表對(duì)每個(gè)孔密封面深度方向進(jìn)行定位。

攻絲時(shí)易造成鐵屑粘牙，及絲堵孔爛牙。爛牙是比較常見的缺陷，返修時(shí)應(yīng)制定具體返修方案，采用手工氬弧焊堆焊，PT探傷合格后重新攻絲，再次進(jìn)行100%PT探傷合格。

管孔與絲孔應(yīng)進(jìn)行同心度檢查，確保偏差控制在工藝要求以內(nèi)，便于后續(xù)管頭焊機(jī)定位施焊[4]。貼脹要求也決定了管孔機(jī)加工精度需滿足更高的要求。

監(jiān)理時(shí)的關(guān)注重點(diǎn)是在機(jī)加工完工后見證加工質(zhì)量，若采用批量加工則應(yīng)對(duì)首檢管箱管孔進(jìn)行全面檢查，并對(duì)此作出分析，反饋至質(zhì)量?jī)?nèi)控領(lǐng)導(dǎo)層作出質(zhì)控方面的評(píng)估和調(diào)整。

4 管束組裝質(zhì)量控制

管束由側(cè)梁、橫梁、管箱、翅片管、定位管卡組成，主要受壓的元件是管箱和管道，管束組裝時(shí)應(yīng)檢查管箱與側(cè)梁的定位尺寸、側(cè)梁尺寸，保證管道組裝時(shí)的傾斜角度，并使管道有足夠的熱脹冷縮空間，減小因管道變形時(shí)產(chǎn)生的阻力。

5 管道管板組焊過(guò)程質(zhì)量控制

管道管板組焊技術(shù)被認(rèn)為是高壓空冷器制造的關(guān)鍵工藝。管板與翅片管處的焊縫通常是空冷器的薄弱環(huán)節(jié)，也是使用過(guò)程中產(chǎn)生泄漏的主要部位[5]，該環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制是監(jiān)理工作的重點(diǎn)。

管道管板組焊接頭型式采用平管頭，焊腳可達(dá)到管道壁厚高度，焊接工藝評(píng)定拉脫試驗(yàn)合格。但管孔開坡口為深1.5 mm，管頭與坡口根部平齊，在與制造廠溝通后，一致認(rèn)為該接頭有別于API 661中的內(nèi)縮焊接頭[7]。外伸管頭在施焊過(guò)程中對(duì)機(jī)頭空間走位限制更大一些。但平管頭若焊接操作不當(dāng)易使管道內(nèi)徑縮小，后續(xù)脹接時(shí)脹接頭難以插入。內(nèi)徑縮小時(shí)采用錐形頭磨頭修磨管頭進(jìn)行擴(kuò)徑比較合適，禁止采用脹管器擴(kuò)孔。

焊接采用深孔全位置鎢極氬弧焊，焊絲材料采用ERNiCrMo-3，規(guī)格為 0.8 mm。管道管板焊縫底層焊道后續(xù)探傷發(fā)現(xiàn)不合格缺陷，返修比較困難，為保證焊縫一次施焊合格，坡口形式和尺寸應(yīng)與工藝一致，檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用坡口檢驗(yàn)?zāi)＞哌M(jìn)行檢驗(yàn)。

管頭管板焊縫焊接中容易產(chǎn)生的缺陷有氣孔、收弧處弧坑、及弧坑內(nèi)的縮孔和微裂紋。確保坡口干凈、均勻、無(wú)鐵屑、無(wú)毛刺，可減少施焊過(guò)程中對(duì)鎢極的障礙和損傷，穩(wěn)定氬弧，從而降低產(chǎn)生缺陷的機(jī)率。而弧坑和弧坑內(nèi)的微裂紋和縮孔均可通過(guò)調(diào)節(jié)焊機(jī)收弧時(shí)的電特性來(lái)避免。

管頭管板焊縫返修時(shí)一般應(yīng)將周向焊縫刮除直到缺陷清理干凈，然后重新用原工藝施焊，但當(dāng)缺陷尺寸較小且深度較淺時(shí)應(yīng)清除局部缺陷，然后使用焊條或焊絲進(jìn)行手工焊。如果返修在脹接后進(jìn)行，監(jiān)理時(shí)應(yīng)重新審查評(píng)定和執(zhí)行的返修工藝。

6 絲堵組裝質(zhì)量控制

絲堵孔密封采用堵頭密封，密封面在絲孔下部，用絲堵預(yù)緊壓堵頭進(jìn)行密封，該錐形密封結(jié)構(gòu)更易加工[6]。密封墊采用金屬M(fèi)ONEL墊，堵頭材料為N08825鍛件，絲堵采用F316L鍛件，絲堵中心開泄漏孔，絲堵采用組裝前檢查螺紋是否完好，檢查密封面，無(wú)鐵屑、劃痕，組裝絲堵時(shí)采用力矩扳手調(diào)至設(shè)計(jì)規(guī)定力矩進(jìn)行適度預(yù)緊。

部分管箱絲堵采用鍍鎳，鍍鎳厚度的檢驗(yàn)要求可參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 3497。

絲堵孔幾何特性決定了管道管板組焊可視性和可操作性。這些幾何特性包含但不限于絲堵孔直徑、絲堵板厚度、孔間距、管孔直徑、管板與絲堵板間距等。管道管板施焊時(shí)的最佳可視位置是在左右臨近的2個(gè)絲堵孔。

7 管道管板脹接質(zhì)量控制

采用液壓柔性貼脹方式，嚴(yán)格按評(píng)定合格脹接工藝保證管道脹度，防止管道因不適當(dāng)?shù)拿浗佣斐蓹C(jī)械損壞或管內(nèi)缺欠擴(kuò)展。

8 無(wú)損探傷質(zhì)量控制

管箱縱縫采用PAUT探傷，這種探傷方法操作簡(jiǎn)單，探傷后形成圖像記錄[7]，評(píng)定缺陷時(shí)更加直觀。端板采用UT探傷，接管與管箱組焊縫也采用UT探傷。設(shè)備接管與管箱組焊所處位置受結(jié)構(gòu)影響無(wú)法使用現(xiàn)有探傷方式進(jìn)行探傷，設(shè)計(jì)階段應(yīng)組織進(jìn)行協(xié)調(diào)會(huì)，設(shè)計(jì)和工藝人員進(jìn)行充分溝通。監(jiān)理時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注探傷是否符合探傷工藝，如有變更應(yīng)經(jīng)過(guò)變更控制程序。

9 壓力試驗(yàn)質(zhì)量控制

壓力試驗(yàn)按試壓順序包括：（1）管頭施焊完后脹管前進(jìn)行管頭泄漏試驗(yàn)；（2）脹管后進(jìn)行水壓試驗(yàn)；（3）氣密試驗(yàn)。

水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)在監(jiān)理工作中一般均作為停止點(diǎn)控制。檢驗(yàn)員應(yīng)提前通知設(shè)備監(jiān)理人員見證壓力試驗(yàn)，監(jiān)理人員應(yīng)對(duì)試驗(yàn)用壓力表、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)溫度、保壓時(shí)間等條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查和確認(rèn)。

10 結(jié)論

國(guó)內(nèi)企業(yè)已有高壓Incoloy8825空冷器的生產(chǎn)制造能力，該空冷器的應(yīng)用將日趨廣泛。因此，應(yīng)重視空冷器制造過(guò)程中質(zhì)量檢驗(yàn)計(jì)劃的確定，并使其在監(jiān)理過(guò)程中得以實(shí)施。