超高壓套管換熱器更新制造工藝研究

耿煥然

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

超高壓套管換熱器是某高壓聚乙烯裝置的主要換熱設(shè)備之一，一線、二線及三線共9 臺。每臺設(shè)備總重15t，長×寬×高為10m×1m×4m，由22 支套管式超高壓直管組件及21 支U 型超高壓彎管通過超高壓螺紋法蘭、錐型墊、高壓螺栓等連接而成。超高壓內(nèi)管規(guī)格為Do/ Di=φ60.5/ φ25mm，外套管規(guī)格為φ108mm×6mm。每臺設(shè)備超高壓管總長達(dá)210m。設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 超高壓套管換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表

1 更新制造工藝要點(diǎn)

1.1 換熱器運(yùn)行情況

由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)間已達(dá)20 年，加上水質(zhì)等方面原因，某高壓聚乙烯裝置在用的9 臺超高壓套管換熱器本體腐蝕十分嚴(yán)重，內(nèi)管已出現(xiàn)多處裂紋，為了運(yùn)行安全必須對其進(jìn)行更換。2019 年6 月，對腐蝕最嚴(yán)重的二線的3 臺設(shè)備首先進(jìn)行了更換。2019 年9 月，開始籌備更換一線及三線的6 臺設(shè)備。此次更新在原1999 版圖紙的基礎(chǔ)上，吸納了新標(biāo)準(zhǔn)，采用了新材料和新技術(shù)，在水質(zhì)不能有效改變的前提下，對換熱器重新設(shè)計(jì)制造，并做了部分修改。

1.2 更新設(shè)計(jì)修改內(nèi)容

（1）鑒于AISI4340 鋼在高壓聚乙烯裝置上的應(yīng)用越來越少，因此對超高壓內(nèi)管材料進(jìn)行改變，采用目前國際通用的AISI4333M4 鋼材[1]，這樣材料在各方面性能上可提高15%左右。二線更新時(shí)已采用國產(chǎn)化小口徑超高壓管，但使用中發(fā)現(xiàn)其氣動(dòng)聲音大，分析原因是超高壓管內(nèi)表面粗糙度過大。另外，2020 年5 月發(fā)現(xiàn)二線有一根套管組件泄漏，此時(shí)運(yùn)行還不到一年，拆下來對管子剖析檢查發(fā)現(xiàn)有夾渣類缺陷。此次更新制造工期允許，因此對一、三線的6 臺設(shè)備采用國外進(jìn)口的超高壓管材。雖然成本略高，但超高壓鋼管質(zhì)量較好，也能和二線對比以查找原因。

（2）為改變超高壓管表面的應(yīng)力腐蝕問題，采用超高壓管表面套銅管的辦法，使超高壓管表面徹底與冷卻介質(zhì)隔絕，減輕超高壓管表面的腐蝕。

（3）改變原設(shè)備的十字調(diào)心環(huán)型定心結(jié)構(gòu)形式，采用目前國際上通用的三點(diǎn)定心銷型結(jié)構(gòu)。這樣不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且可以減輕8m 長超高壓管因定心不好而產(chǎn)生的振動(dòng)問題。但在使用單位的要求下，內(nèi)外管的定心改為兩點(diǎn)定心銷加一點(diǎn)可調(diào)螺釘?shù)亩ㄐ男问健?/p>

（4）適當(dāng)?shù)馗淖兲盍舷涞慕Y(jié)構(gòu)形式和過盈量，將兩端的填料箱形式改為一端凹凸面、一端光面的結(jié)構(gòu)，以改善外套管的受力情況[1]，同時(shí)增加填料箱的可靠性。

（5）為改善振動(dòng)問題，將原有鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加粗加厚，并對彎管增設(shè)加固結(jié)構(gòu)。

2 制造總體要求

由于設(shè)備在超高壓條件下工作，所以在材料、制造、加工和裝配上要求較高而且嚴(yán)格。

（1）超高壓管材料牌號為AISI4333M4，管子入廠后首先要到具有國家級檢驗(yàn)資質(zhì)的單位進(jìn)行材料復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)其化學(xué)成分、機(jī)械性能等指標(biāo)；入廠后要逐根檢查尺寸和直線度，逐根檢查內(nèi)外表面質(zhì)量。

（2）由于高溫高壓的工作條件，對管子的操作要求也很嚴(yán)格，不得采用熱切割、熱彎和熱矯，且管子成品上不得留有劃線沖眼。

（3）吊裝必須使用尼龍吊裝帶，嚴(yán)禁使用鋼絲繩等金屬制品。吊裝時(shí)應(yīng)有兩個(gè)捆綁點(diǎn)。在起吊、搬運(yùn)、堆放及加工過程中，熱套面、螺紋、錐孔及端面不得有任何碰傷和劃傷。

（4）管子加工前應(yīng)目視檢查，確保沒有明顯機(jī)械損傷或腐蝕損傷。若有缺陷，應(yīng)按規(guī)定方法進(jìn)行打磨處理。

3 技術(shù)保證

在2019 年9 月接到提交材料計(jì)劃的任務(wù)后，項(xiàng)目組就開始進(jìn)行準(zhǔn)備工作。技術(shù)人員重新編制了各主要工序的制造工藝，采用大量工藝記錄表格來記錄制造過程的原始數(shù)據(jù)，對關(guān)鍵環(huán)節(jié)的制造過程進(jìn)行質(zhì)量控制。這些記錄表包括超高壓直管、彎管下料記錄表，超高壓直管機(jī)械加工質(zhì)量檢查記錄表，超高壓彎管機(jī)加工質(zhì)量檢查記錄表，超高壓彎管彎制質(zhì)量檢查記錄表，超高壓管內(nèi)孔清理記錄表，超高壓管熱套面及填料箱配合面尺寸檢查記錄表，設(shè)備排列圖及組裝記錄圖表，外套管單根壓力試驗(yàn)記錄表，超高壓套管換熱器試壓記錄表等。這些記錄均以每根超高壓管入廠時(shí)唯一不可變更的鋼印標(biāo)識即管號作為依據(jù)，對制造過程的每一數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄和控制。由于每根管的熱套面加工尺寸不同，與所配合的填料箱是一一對應(yīng)的關(guān)系。這些記錄表按管號編制，保證實(shí)際操作中不易出錯(cuò)。在設(shè)備排列圖上詳細(xì)標(biāo)記管子的組裝位置，按管號即可查到加工、組裝等過程的數(shù)據(jù)，確保設(shè)備制造過程和結(jié)果的可追溯性。

4 制造過程

換熱器設(shè)備的制造內(nèi)容主要包括：超高壓內(nèi)管加工；外套管預(yù)制以及填料箱、定心銷等零件加工；超高壓彎管制造；超高壓法蘭加工；超高壓錐型墊圈加工；超高壓內(nèi)管與外套管組裝；單根外套管試壓；鋼結(jié)構(gòu)制造；設(shè)備組裝；超高壓彎管加固結(jié)構(gòu)安裝；成套設(shè)備壓力試驗(yàn)。

4.1 超高壓管的加工

為了防止超高壓管外壁受到介質(zhì)腐蝕，超高壓直管采用套銅管。套銅管的防護(hù)效果取決于銅管的質(zhì)量、套銅過程的變形量、套銅管的密實(shí)度、厚度的均勻性和夾層間的清潔程度。套銅層的最終厚度不小于2.0mm。銅管材料為紫銅，應(yīng)符合ASTM B75、UNS C1220 或DIN 1787 SF- Cu 無縫冷拔退火銅管的要求[2]，且目視檢查不得有破口、裂紋、壓傷等可見缺陷。

超高壓管材料硬度較高、塑性和韌性很強(qiáng)，導(dǎo)熱性差，在加工過程中不易斷屑，容易粘刀，造成刀具磨損，影響表面質(zhì)量，這給機(jī)械切削加工造成了很大難度。超高壓管各個(gè)部分的加工要求很高[3]，每根管的成本也很高，加工面的表面粗糙度要求不超過Ra0.8μm，最好達(dá)到Ra0.4μm。針對這些特點(diǎn)和要求，選用了精度非常高的數(shù)控切削設(shè)備來保證加工質(zhì)量。其加工工藝路線為：裝夾→粗、精加工端面→粗加工密封面→粗、精加工外圓面→粗、精加工管螺紋→精加工密封面。

超高壓管各個(gè)加工部分之間的位置精度要求也很高，在加工過程中定位基準(zhǔn)必須統(tǒng)一。在加工裝夾時(shí)，以內(nèi)孔軸線為基準(zhǔn)，用百分表校準(zhǔn)找正，使工件和主軸同軸度誤差≤0.04mm。

超高壓管的直管長8m，為了在加工時(shí)能保持高速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，采用了彈性浮動(dòng)支架。即裝夾時(shí)，用四爪卡盤夾住加工端外圓，機(jī)床以外的超高壓管部分用兩個(gè)彈性浮動(dòng)支架支撐。此種支架能有效減震[3]，使加工非常平穩(wěn)，工件轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到300r/ min。螺紋加工后用螺紋極限量規(guī)檢查，通規(guī)通過螺紋全長，止規(guī)擰進(jìn)不超過兩扣。

超高壓管加工后，用中性溶劑清洗內(nèi)壁至無污漬，然后涂白油保護(hù)；管端螺紋安裝鑄鋁管帽以保護(hù)螺紋及內(nèi)孔；已加工好的熱套面用紙包緊，以防碰傷。

4.2 超高壓彎管制造

超高壓彎管采用冷彎。在彎管機(jī)上安裝與管徑相應(yīng)的彎管胎具、鉗口夾塊，找準(zhǔn)起彎點(diǎn)，通過調(diào)整機(jī)床控制彎管半徑及彎管角度，保證彎管尺寸。由于管子彎制后鋼管有伸長，因此管子下料長度不能按彎管展開理論值計(jì)算，應(yīng)減去彎管伸長量。在加工管端螺紋前必須通過彎曲試驗(yàn)找出彎管伸長量數(shù)據(jù)，然后才能確定管子下料長度及管端螺紋加工后長度。

考慮到彎管回彈，首先要通過彎曲試驗(yàn)，找準(zhǔn)起彎點(diǎn)，以確定鉗口位置，設(shè)定彎管機(jī)角度。彎后尺寸滿足表1 要求，不允許L2 小于L1。當(dāng)(L2- L1)＞+8mm 時(shí)，可采用專用胎具進(jìn)行調(diào)整[4]。管子彎曲后不得回彎。首件彎曲時(shí)，用游標(biāo)卡尺及超聲測厚儀測量彎管前后各測量點(diǎn)的外徑及壁厚，計(jì)算出外徑橢圓度和壁厚減薄量。最大外徑橢圓度不應(yīng)超過公稱外徑的1.5%，最大壁厚減薄量不應(yīng)超過公稱壁厚的4%。

表1 彎管尺寸要求

5 超高壓內(nèi)管與外套管組裝

早在超高壓管入廠前，外套管部分就先按圖紙進(jìn)行了預(yù)制，焊接好了三通、法蘭，鉆好定心銷孔并焊接定心銷。為了找正法蘭位置，專門制做了組對支架，此組對支架升角與設(shè)備相同。在超高壓內(nèi)管加工完成后按圖紙穿管，穿管前要再次檢查超高壓管套銅，確保外表面沒有損傷，熱套面沒有油污灰塵。在支架上放置預(yù)制好的外套管（沒裝定心銷的一面向下），采用專用的穿管工具，使高壓管能沿外套管內(nèi)壁順利滑入。找正位置后，將事先加熱好的填料箱套入，套入時(shí)注意不得碰傷螺紋及密封面。由于套銅管的傳熱速度較快，安裝填料箱時(shí)必須快速、準(zhǔn)確、一次到位，因而特別制作了定位模板來輔助安裝。待填料箱自然冷卻后按圖精確找正水套法蘭的位置，并點(diǎn)焊填料箱與三通的接口[4]。再套裝另一端的填料箱，找正法蘭后點(diǎn)焊，安裝可調(diào)定心銷。將各焊縫用氬弧焊施焊完畢，在填料箱內(nèi)按要求裝入碳纖維盤根，裝上填料壓蓋并緊固壓蓋螺母。組裝完成后，還要進(jìn)行單根水壓實(shí)驗(yàn)。

6 設(shè)備組裝

將套管組件按圖紙要求在鋼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行連接。首先取下管帽，目視檢查管內(nèi)無雜物，管端面無損傷；管端螺紋上涂抹適量Molykote 1000 潤滑劑，輕輕旋入超高壓法蘭，要求法蘭凹臺面與內(nèi)管端面齊平；超高壓螺栓、螺母上也要涂抹Molykote 1000 潤滑劑，錐形墊片上涂抹硅脂，墊片與法蘭保持同心，找正后用手把緊；然后測量上下左右四個(gè)方向的法蘭間距，兩法蘭面的距離差最高不得超過0.7mm，最好小于0.5mm；因?yàn)槭? 條螺栓，采用三角形對稱把緊[4]，把緊后測量螺栓伸長量，螺栓伸長量在0.10～0.20mm 時(shí)把緊力足夠，把緊力矩約為350～550N·m。

7 整臺設(shè)備的壓力試驗(yàn)

先進(jìn)行內(nèi)管壓力試驗(yàn)，再進(jìn)行外管壓力試驗(yàn)，以下以內(nèi)管的壓力試驗(yàn)為例進(jìn)行說明。由于設(shè)備內(nèi)管試驗(yàn)壓力高達(dá)350MPa，對壓力試驗(yàn)系統(tǒng)要求可靠性高，升壓、卸壓安全。同時(shí)，為加快試壓速度，應(yīng)有低高壓切換。壓力試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 超高壓內(nèi)管試壓系統(tǒng)示意圖

其中三通、壓力表三通、二通、彎頭和截止閥均為1000MPa，兩止回閥為1/ 4″VOT- 400S，連接管為1/ 4″超高壓管。所有的管與管件、閥門的連接均為墊連接，即1/ 4″管兩端加工成左旋螺紋加上鎖母，配合大螺母加上墊再與管件連接，這樣可以省去加工管的時(shí)間。試壓時(shí)為節(jié)省注入時(shí)間，首先用低壓泵注入試壓介質(zhì)，低壓泵為60MPa、40L/ h 的注入泵。當(dāng)設(shè)備注滿且壓力達(dá)到40MPa 后，關(guān)上截止閥。升壓時(shí)開啟超高壓泵，由于超高壓泵不允許帶壓啟動(dòng)，對超高壓泵增加了卸壓系統(tǒng)，即打開截止閥超高壓泵入口壓力為零，而試壓設(shè)備本身因有單向閥而不會降壓。卸壓系統(tǒng)采用兩個(gè)截止閥加一個(gè)三通，最外面一個(gè)截止閥為備用，基本是全開的，當(dāng)卸壓后如果上面的截止閥密封不住，再使用該備用截止閥。在三通出口處加了卸壓緩沖裝置，以減輕卸壓時(shí)高壓對閥芯的沖刷，增加試壓的成功率[5]。

嚴(yán)格按照安全操作規(guī)程進(jìn)行進(jìn)行壓力試驗(yàn)。壓力試驗(yàn)全過程不但要自檢，而且要邀請高壓車間代表共同檢查。內(nèi)管試壓介質(zhì)為正烷烴Lp- 14（白油），外管試壓介質(zhì)為水。內(nèi)管試驗(yàn)由于是超高壓，試驗(yàn)壓力應(yīng)分級上升，每級升壓50MPa，保壓5min；升至規(guī)定試驗(yàn)壓力后保持30min；卸壓時(shí),每級降壓100MPa，保壓5min[5]；試壓合格后，將管內(nèi)介質(zhì)排盡，用壓縮空氣將內(nèi)部吹干，然后在內(nèi)管內(nèi)部充氮?dú)獗Ｗo(hù)，并將氣體出入口用管堵密封。

8 結(jié)語

目前一、三線的6 臺設(shè)備均已制造完成，并已平穩(wěn)運(yùn)行一年多時(shí)間。但有兩點(diǎn)有待設(shè)備運(yùn)行過程的檢驗(yàn)：

（1）兩點(diǎn)定心銷加一點(diǎn)可調(diào)螺釘?shù)亩ㄐ男问剑烧{(diào)螺釘所在的管箍密封用的橡膠石棉墊片有可能經(jīng)受不住長期冷熱溫度變化而發(fā)生泄漏，可能要定期更換墊片，不如三點(diǎn)定心結(jié)構(gòu)可靠；

（2）彎管加固部分按照圖紙要求制造，加固后的整臺設(shè)備與鋼結(jié)構(gòu)連為一體，在高溫下內(nèi)管的受熱膨脹會受到制約，甚至造成結(jié)構(gòu)框架變形。解決方法是在設(shè)備安裝后將一端彎管加固部分的槽鋼切斷，使其與主體鋼結(jié)構(gòu)分開。