一種大型雙降膜吸收器的結(jié)構(gòu)介紹和制造要點(diǎn)

劉吉坡* 李芳俠 南海娟 張立峰

(西部寶徳科技股份有限公司 國(guó)家地方聯(lián)合過濾分離工程研究中心 陜西省過濾分離工程研究中心)

0 引言

雙降膜吸收器是利用液體沿管壁下降形成薄膜并與氣體或液體進(jìn)行逆流或并流接觸的一種吸收反應(yīng)器，運(yùn)行時(shí)吸收劑通過布膜器沿垂直列管內(nèi)外壁以薄膜狀下降，氣體或液體自上而下（并流）或自下而上（逆流）通過內(nèi)管外空間，氣液兩相在流動(dòng)的液膜上進(jìn)行傳質(zhì)，冷卻劑在列管外吸收傳熱過程中放出的熱量[1-3]。

該設(shè)備結(jié)構(gòu)按功能設(shè)計(jì)時(shí)可分成三個(gè)部分：上管板以上部分稱為吸收器頭部，在每支吸收管的外部和內(nèi)部都設(shè)置分布裝置，其作用是將吸收管外的成股液體以薄膜形式分布到吸收管外壁，將吸收管內(nèi)部的成股液體以薄膜形式分布到吸收管外壁；上下管板之間的部分為設(shè)備中段，也是整個(gè)吸收管所在的部位。管內(nèi)外的液體薄膜因?yàn)橹亓ψ饔迷谠摱窝毓鼙谙蛳铝魈剩瑸榉乐挂后w薄膜經(jīng)過一段距離后發(fā)生偏流，在吸收管中部設(shè)置兩塊支撐板，支撐板與吸收管接觸部位有入手結(jié)構(gòu)的分布器，對(duì)該處的液體進(jìn)行二次分布，保證管壁外的液體形態(tài)仍為薄膜，最使吸收管全段液體都以薄膜形態(tài)分布，達(dá)到充分傳熱的目的[4-6]。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)備主要參數(shù)

該雙降膜吸收器為某企業(yè)化工項(xiàng)目中的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備直徑為 3 700 mm，長(zhǎng)度為26 000 mm，設(shè)備凈重為120 t，其中管束質(zhì)量為45 t。為了實(shí)現(xiàn)減輕設(shè)備質(zhì)量、降低設(shè)備材料成本的目的，管板采用復(fù)合材料，吸收管長(zhǎng)度達(dá)到了16 000 mm，這對(duì)無縫管管材的制造也提出了更高的要求。設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 設(shè)備主要結(jié)構(gòu)

雙降膜吸收器的結(jié)構(gòu)主要可分為三大部分，自上而下分別為：吸收器頭部、中部和下部。頭部結(jié)構(gòu)由封頭、筒體短節(jié)和設(shè)備法蘭組成類似“帽子”的蓋子，套在吸收器上端，內(nèi)部有多支S 形管，S 形管一端連接液體進(jìn)口，另一端連接吸收管端部。吸收器中部排列了多支平行的吸收管管束，管束兩端分別與上管板和下管板連接，中間段穿過3 塊定位板，吸收器中部結(jié)構(gòu)與管殼式換熱器相似，但原理完全不同，管殼式換熱器支撐板的作用是阻止流體直線流動(dòng)，而吸收器支撐板的作用是固定每支吸收管使其保持直線豎立狀態(tài)，防止吸收管長(zhǎng)度太長(zhǎng)中間段發(fā)生彎曲影響薄膜分布，因此支撐板之間的平行度要求較高。吸收器下端由吸收管下端、下管板、封頭和裙座組成，液體在此匯聚，導(dǎo)出吸收器進(jìn)入外管線。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 制造要點(diǎn)

根據(jù)雙降膜吸收器的工作原理和結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)可知，其核心原理是介質(zhì)在吸收管內(nèi)外壁表面形成一層厚度均勻的薄膜。該設(shè)備為立式結(jié)構(gòu)，吸收管長(zhǎng)度近20 000 mm，如果吸收管直線度較差（如圖2 所示）或吸收管直線度合格但設(shè)備發(fā)生傾斜（如圖3 所示），按照“水往低處流”的規(guī)律，管內(nèi)外介質(zhì)會(huì)往吸收管的低點(diǎn)集中，低點(diǎn)膜厚增加，若吸收管局部彎曲或設(shè)備傾斜嚴(yán)重會(huì)液體薄膜會(huì)在吸收管的低點(diǎn)(圖2 及圖3 中的A 點(diǎn))形成“水滴”。同樣按照“水往低處流”的規(guī)律，吸收管的高點(diǎn)（圖2 及圖3 中的B 點(diǎn)）會(huì)出現(xiàn)膜厚減小，若吸收管彎曲或設(shè)備傾斜嚴(yán)重，高點(diǎn)處薄膜會(huì)消失，形成薄膜分布盲區(qū)，低點(diǎn)會(huì)集流成股，造成的結(jié)果為高點(diǎn)膜厚減薄或沒有液體分布，使設(shè)備的降膜吸收效率迅速降低[7-9]。

圖2 吸收管彎曲示意圖

圖3 吸收管傾斜示意圖

綜上所述，保持吸收管處于豎直狀態(tài)是制造環(huán)節(jié)的要點(diǎn)，要便吸收管保持直線狀態(tài)，主要控制點(diǎn)包括：設(shè)備筒體直線度控制；上管板、定位板和下管板平行度控制；上管板、定位板和下管板周向?qū)χ薪嵌瓤刂?；設(shè)備整體傾斜度控制。另外，吸收管與下管板連接接頭處是易出現(xiàn)泄漏的部位，其連接可靠性也是該設(shè)備質(zhì)量的重要控制點(diǎn)。

2.1 筒體直線度

吸收管的固定元件上管板、3 塊定位板和下管板固定在設(shè)備筒體筒體上，筒體直線度允差控制是吸收管的固定元件上管板、定位板和下管板保持軸向同心不發(fā)生徑向偏移的有效保證。

筒體由多個(gè)筒節(jié)組成，制造單個(gè)筒節(jié)時(shí)，為了保證其上下端面的平行度，在工藝文件上對(duì)板面展開的對(duì)角線允差規(guī)定≤1.5 mm。為保證筒體整體直線度，在筒節(jié)組對(duì)時(shí)，使用經(jīng)緯儀對(duì)各個(gè)筒節(jié)點(diǎn)焊時(shí)進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)方法如圖4 所示測(cè)量時(shí)先用激光經(jīng)緯儀找出筒體最高點(diǎn)A點(diǎn)所在的環(huán)焊縫，保持經(jīng)緯儀不動(dòng)，在經(jīng)緯儀與筒體之間放置光靶并保持不動(dòng)，在光靶上標(biāo)示出A點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)a，調(diào)整經(jīng)緯儀高度找出筒體最低點(diǎn)B點(diǎn)所在的環(huán)焊縫，在光靶上標(biāo)示出B點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)b，根據(jù)光學(xué)原理，σAB=ab=△K,直線度偏差為△K/L，其數(shù)值不應(yīng)超過0.5‰。

圖4 筒體直線度檢測(cè)示意圖

2.2 上管板、3塊定位板和下管板之間平行度控制

吸收管貫穿上管板、3 塊定位板和下管板，如果上管板、3 塊定位板和下管板之間不平行，會(huì)對(duì)吸收管產(chǎn)生偏向剪切力，使吸收管發(fā)生局部彎曲和傾斜，如圖2 和圖3 所示。

首先，確保上管板、3 塊定位板和下管板個(gè)零件自身的平面度符合圖紙要求，確定上管板、3 塊定位板和下管板相互平行的關(guān)鍵是確保相互間距離相等。保證措施如下：下管板與筒體有配合的凹凸環(huán)形槽，確保組對(duì)間隙即可；在下管板外圓周選擇至少8 個(gè)點(diǎn)（均布）進(jìn)行標(biāo)記，在上管板、3 塊定位板外圓周與下管板相同角度找出8 個(gè)點(diǎn)并進(jìn)行標(biāo)記，組對(duì)時(shí)，對(duì)上管板與下管板、3 塊定位板與下管板的距離進(jìn)行測(cè)量，若距離誤差符合工藝文件，則上管板、3 塊定位板和下管板間的平行度合格。

2.3 上管板、3定位板、下管板之間管孔的對(duì)中角度

與平行度原理相似，吸收管貫穿上管板、3 塊定位板和下管板，如果上管板、3 塊定位板、下管板管孔角度對(duì)中超差，會(huì)對(duì)吸收管產(chǎn)生周向剪切力，吸收管因剪切發(fā)生彎曲和傾斜，如圖2 及圖3 所示。

為了保證各板間的管控對(duì)中一致，采用以下保證措施：組對(duì)前，上管板、3 塊定位板、下管板按照管孔分布對(duì)中、壓緊，在靠近外圓側(cè)均勻選擇8 ～10個(gè)管孔，將與吸收管外徑相同的鋼管插入孔中，保證貫穿上管板、3 塊定位板、下管板，然后在上管板、3 塊定位板、下管板的外圓選擇8 個(gè)均勻分布的角度作為標(biāo)記點(diǎn)，在每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)對(duì)上管板、3 塊定位板、下管板進(jìn)行標(biāo)記，保證每塊板在相同的角度標(biāo)記相同，如上管板、3 塊定位板、下管板在0°處標(biāo)記為均為1，90°處標(biāo)記為均為2，將上管板、3 塊定位板放入筒體后，在圓周方向?qū)Ω髯缘慕嵌冗M(jìn)行調(diào)整，上管板、3 塊定位板、下管板的標(biāo)記“1”調(diào)整到同一角度即可，同理，調(diào)整其他標(biāo)記到同一角度，即可保證以上各板周向的對(duì)中角度[10-12]。

為了保證管孔的對(duì)中質(zhì)量，采用光束透射法進(jìn)行檢驗(yàn)，在每塊板上選擇多組位置相同的管孔，為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量選擇靠外側(cè)且較為分散的管孔，在選擇的管孔中放入中心帶小孔的小圓板，在管板側(cè)放置多個(gè)光源，調(diào)整上管板、3 塊定位板周向角度，若同一束光束同時(shí)通過所上管板、3 塊定位和下管板放置小圓板的中心孔（如圖5 所示），則各塊板間管孔對(duì)中準(zhǔn)確，對(duì)各板進(jìn)行固定即可。

圖5 光束透射法檢測(cè)各塊板管孔對(duì)中示意圖

2.4 設(shè)備傾斜度控制

控制上管板、3 塊定位板和下管板間平行度、對(duì)中角度，可以保證吸收管垂直線，但如果設(shè)備安裝時(shí)發(fā)生傾斜，處于直線狀態(tài)的吸收管上的液體薄膜在重力作用下也會(huì)發(fā)生偏流，導(dǎo)致薄膜分布不均，因此設(shè)備安裝時(shí)的傾斜度應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)控制。

在設(shè)備吊裝前，先在設(shè)備兩個(gè)互呈90°的方位，上下部位做好測(cè)點(diǎn)標(biāo)記A、B，待設(shè)備吊裝就位后，用經(jīng)緯儀測(cè)量塔體上下部A、B 兩側(cè)點(diǎn)，若A 點(diǎn)的垂直投影能與B 點(diǎn)重合，即說明設(shè)備垂直，若A 點(diǎn)投影不能與B 點(diǎn)重合，即說明設(shè)備不垂直，此時(shí)可用測(cè)量標(biāo)桿測(cè)量其偏差值△，垂直度為△/h，采用千斤頂將設(shè)備底部輕微頂起，調(diào)整墊鐵組高度，直至垂直度△/h≤H/1 000（H為設(shè)備總高度）。

2.5 吸收管與下管板的連接質(zhì)量

2.5.1 連接形式

吸收管與下管板的連接處是該本設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)，也是設(shè)備容易發(fā)生泄漏的重點(diǎn)部位。根據(jù)圖紙要求，吸收管與管板采用強(qiáng)度脹+密封焊的連接形式，采用先脹接后焊接的順序進(jìn)行。

2.5.2 管孔加工質(zhì)量控制

管板管孔與吸收管的間隙大小直接決定了脹接后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的大小，按照?qǐng)D紙要求，管孔直徑允許偏差為0 ～0.2 mm，管孔表面粗糙度Ra≤6.3 μm，管與管板面垂直度允差為0.10 mm，其相鄰兩管孔之間≥96%的孔橋?qū)挾菳應(yīng)大于24.40 mm，≤4%的孔橋數(shù)最小孔橋?qū)挾菳min為12.73 mm，加工質(zhì)量均嚴(yán)格執(zhí)行圖紙要求。

管孔的表面粗糙度直接影響管與管板的拉脫力，因此管孔表面不得存在縱向貫通性劃痕和螺旋形刻痕，為了保證管孔質(zhì)量，采用的工藝路線為：數(shù)控繪圖→鉆孔→鉸孔→劃脹管槽→倒角→清洗→檢驗(yàn)→入庫，且加工設(shè)備采用數(shù)控鉆，保證了管孔、管橋尺寸和管孔與管板面的垂直度公差。管孔尺寸可見圖6。

圖6 管板管孔結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2.5.3 脹接

（1）脹接方法

脹接采用液壓脹，用有機(jī)溶劑將管孔、大于管板厚度30 mm 長(zhǎng)度范圍管頭位置清洗干凈，按照?qǐng)D紙要求尺寸調(diào)整吸收管伸出長(zhǎng)度，脹接壓力應(yīng)按照脹接工藝評(píng)定的數(shù)值執(zhí)行，若壓力過低，會(huì)減少間隙腐蝕，達(dá)不到密封效果，壓力過大則會(huì)導(dǎo)致吸收管開裂和吸收管管壁過度減薄，具體步驟為：a）施加脹接壓力，使吸收管管壁開始屈服；b）逐漸加壓，吸收管開始發(fā)生徑向彈性變形，與管板發(fā)生接觸；c）繼續(xù)加壓，吸收管開始發(fā)生徑向塑性變形，管外表面與管孔貼合面緊密貼合，使管與管板產(chǎn)生軸向拉脫強(qiáng)度；d）泄壓，清理管頭表面。

（2）脹接順序

為避免脹接引起管板變形和吸收管彎曲而產(chǎn)生局部應(yīng)力，脹接應(yīng)分區(qū)按要求順序進(jìn)行，先從中心、水平、豎直兩端各脹好20 ～30 根管子，再?gòu)膬啥嗣浗?5 組，每組兩列管子，轉(zhuǎn)動(dòng)120°，重復(fù)上述過程，最后將設(shè)備回到原始位置，從邊緣向中心依次脹接完所有吸收管。

2.5.4 焊接（1）焊接規(guī)范

吸收管與管板焊接時(shí)采用手工TIG 焊，共焊接2遍，第1 遍自熔，第2 遍添加填充材料。焊接時(shí)每一道焊接整圈一次進(jìn)行，中間不能間斷，避免在一個(gè)位置長(zhǎng)時(shí)間停留，形成貫通性弧坑，使兩道焊接起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)相互錯(cuò)開，焊接參數(shù)如表2 所示。

表2 焊接參數(shù)

（2）焊接順序

為了防止焊接變形和焊接引起的應(yīng)力集中，應(yīng)根據(jù)管孔排列布置合理的焊接順序，按照縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)將管板分割成四個(gè)象限，由圓心向四周對(duì)稱焊接，即由中心區(qū)域逐漸向四周發(fā)散，在同一圓周的管頭應(yīng)采用對(duì)稱焊接，避免焊接應(yīng)力集中造成管板變形，同時(shí)可以增強(qiáng)管板的剛度，焊接順序如圖7 所示。

圖7 焊接順序編號(hào)示意圖

（3）管頭焊縫檢測(cè)

脹接、焊接完畢后應(yīng)對(duì)管與管板焊縫進(jìn)行以下檢測(cè)，確保管與管板連接的可靠性和密封性。

（1）對(duì)吸收管與管板焊縫進(jìn)行PT 檢測(cè)，結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.5—2015 Ⅰ級(jí)要求；

（2）對(duì)殼程進(jìn)行1.0 MPa 水壓試驗(yàn)，對(duì)管頭逐個(gè)進(jìn)行肥皂水檢漏，檢驗(yàn)合格。

（3）殼程通入壓力0.07 MPa 的氦氣和空氣的混合氣體，在容器外部檢測(cè)用靈敏度為10-7Pa·m3/s 的質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)，檢驗(yàn)合格。

4 結(jié)論

通過對(duì)筒體直線度進(jìn)行控制，以及對(duì)上管板、3塊支撐板和下管板平行度與同心度進(jìn)行控制，有效保證了吸收管的直線度；通過對(duì)設(shè)備整體安裝傾斜度進(jìn)行控制，保證了吸收管不發(fā)生傾斜，以上兩點(diǎn)綜合控制有效保證了吸收管內(nèi)外壁介質(zhì)薄膜分布均勻。通過脹接分區(qū)域、按預(yù)定順序進(jìn)行焊接等措施，有效控制了管板的變形量。結(jié)合壓力試驗(yàn)、PT 檢測(cè)、氦檢漏等檢驗(yàn)手段，有效地保證了設(shè)備整體強(qiáng)度和密封效果的可靠性。