大直徑立式換熱器大噸位管束制造

鄭紅果 魏劍平

（1.新疆蘭石重裝能源工程有限公司；2.中特檢檢測科技（北京）有限公司）

近年來， 我國石油化工和煤化工發(fā)展迅速。隨著化工企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)， 為追求最佳的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，裝置的規(guī)模大型化促使化工設(shè)備向著大型化的方向發(fā)展［1］，設(shè)備零部件的成型、加工、焊接、熱處理及無損檢測等制造難度加大，這對(duì)制造廠的制造能力也是一種考驗(yàn)，不僅要求制造設(shè)備能力配套到位， 而且產(chǎn)品制造工藝技術(shù)也需要提升，通過不斷優(yōu)化傳統(tǒng)制造工藝，尋求更高效更合理的設(shè)備制造方案。

1 設(shè)備概況

為某化工企業(yè)制造的一臺(tái)荒煤氣綜合利用年產(chǎn)40萬噸乙二醇項(xiàng)目加氫反應(yīng)器（圖1），主要由上下球缺形封頭、筒體、接管法蘭、管板、折流板、換熱管及裙座等零部件組成。

圖1 加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡圖

加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)和主要受壓元件材料 見表1。

表1 加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)和主要受壓元件材料

2 關(guān)鍵制造技術(shù)

設(shè)備內(nèi)徑4 400 mm，單臺(tái)總質(zhì)量225 t，換熱管5 686根，管束部分質(zhì)量約147 t。 大直徑立式固定管板式換熱器的制造，尤其是大重量管束部分的制造， 不僅對(duì)制造廠的生產(chǎn)設(shè)備能力要求高，而且對(duì)制造工藝技術(shù)也是一種考驗(yàn)。

2.1 主要零件制造

大直徑立式換熱器管束的制造過程中堆焊管板的堆焊變形控制、 加工平面度及精度控制，管板與折流板管孔的同心度控制，管頭焊接及脹接對(duì)管板的變形控制，殼程筒體長度控制及管束裝配工藝順序等都是影響管束制造質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2］。

2.1.1 管板

管板結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。 在管板管程側(cè)4 300 mm長度范圍內(nèi)堆焊8 mm（其余部位堆焊6 mm） 厚的不銹鋼層 （過渡層E309L+表層E308L）。 管板采用埋弧自動(dòng)焊（SAW）進(jìn)行堆焊，根據(jù)NB/T 47014—2011［3］進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。 堆焊工藝參數(shù)見表2。

圖2 管板結(jié)構(gòu)簡圖

表2 焊接材料和焊接工藝參數(shù)

大直徑管板堆焊后產(chǎn)生的變形量較大，借鑒參考文獻(xiàn)［4］，對(duì)于外徑4 845 mm、厚度190 mm+6.5 mm的管板，在管板制造過程中要著重考慮反變形措施， 訂料時(shí)實(shí)際待堆焊面預(yù)留約10 mm的余量，堆焊后采用萬噸油壓機(jī)進(jìn)行校平。 因制造設(shè)備能力有限，缺少大噸位校平設(shè)備，因此該管板在訂貨時(shí)的實(shí)際尺寸如圖3所示， 堆焊側(cè)坯料加工后預(yù)留15 mm的外凸余量， 同時(shí)配對(duì)兩件管板背向連接（圖4），采用限位法來減小焊后變形量［5］。

圖3 管板粗加工圖

圖4 配對(duì)管板限位變形

2.1.2 折流板

折流板共7件，包括兩種結(jié)構(gòu)，分別為4件外圓環(huán)和3件內(nèi)圓盤， 相互間隔裝配， 折流板間距570 mm。 外圓環(huán)和內(nèi)圓盤均采用厚26 mm的鋼板制造。外圓環(huán)外徑為4 390 mm，內(nèi)徑為2 400 mm；內(nèi)圓盤直徑為2 800 mm。由于殼程筒體為板卷制造，根據(jù)GB/T 151—2014［6］的要求，本設(shè)備圓筒同一截面的最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑之差不應(yīng)大于圓通斷面公稱直徑的0.5%，即22 mm，因此折流板的外圓尺寸應(yīng)按照實(shí)測筒體內(nèi)徑在車床進(jìn)行精加工，以保證折流板能夠順利裝入筒體。 折流板的制造難點(diǎn)主要是管孔同心度的控制，折流板制造中采用數(shù)控鉆床單件鉆孔，這樣容易造成外圓環(huán)折流板與內(nèi)圓盤折流板管孔同心度有偏差，而管板制造時(shí)采用TBT深孔鉆進(jìn)行鉆孔［7］，故要求管束組裝前檢測折流板與管板管孔的同心度 （圖5），對(duì)于局部誤差較大的管孔應(yīng)進(jìn)行二次修孔。

2.1.3 殼程筒體

換熱管選用的是φ45 mm×2 mm的S22053雙相不銹鋼無縫鋼管。 由于換熱管為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，因此采購時(shí)換熱管附加余量有限，故要求殼程殼體制造中要嚴(yán)格控制整體尺寸，不得出現(xiàn)換熱管無法伸出管板的現(xiàn)象，也要盡量減小穿管后管頭的加工余量。

設(shè)備制造過程中，換熱管長度預(yù)留的工藝余量為20 mm， 經(jīng)測量管板加工后管程側(cè)平面度誤差為+3 mm， 考慮到管板與殼程筒體焊接并熱處理后會(huì)再產(chǎn)生外凸變形，因此在殼程筒體制造時(shí)要求長度按-15 mm的公差控制。 此外，大直徑殼程筒體的縱環(huán)向焊接接頭在焊接時(shí)要注意棱角度的控制［8］。

2.2 管束裝配制造

由于管束部分重量較大， 管子數(shù)量較多，而且折流板結(jié)構(gòu)獨(dú)特， 導(dǎo)致傳統(tǒng)換熱管盲穿工藝［9］或管束裝配后套入殼體的制造工藝均無法滿足制造要求。 因此必須調(diào)整制造順序，保證產(chǎn)品制造質(zhì)量。

經(jīng)過多次論證，最終選擇在殼體內(nèi)部搭建管束骨架的制造工藝。 具體操作如下：

a. 裝配固定管板與殼程筒體之間的環(huán)縫，按照表2參數(shù)施焊。 為減小焊接變形，先采用鎢極氬弧焊打底，再采用焊條電弧焊焊接至埋弧自動(dòng)焊可施焊深度，最后采用埋弧自動(dòng)焊蓋面。 環(huán)縫按照NB/T 47013.1～47013.13［10］進(jìn) 行TOFD+UT+MT檢測，并采用電加熱進(jìn)行PWHT熱處理［11］，在熱處理時(shí)筒體內(nèi)側(cè)采用工裝固定管板，以盡量減小熱處理變形。 PWHT并檢測合格后， 測量管板平面度。

b. 殼體內(nèi)搭建管束骨架， 圖6所示為折流板采用工裝聯(lián)接并利用天車配重安裝的現(xiàn)場情況。裝配過程中折流板下側(cè)采用墊塊調(diào)節(jié)折流板與筒體之間的間隙，以保證管孔的同心度。

c. 在筒體內(nèi)穿管（圖7），管頭安裝柔性錐形導(dǎo)引頭輔助穿管［12］，出現(xiàn)卡頓時(shí)人員可從折流板缺口處進(jìn)入進(jìn)行調(diào)整。 穿管時(shí)應(yīng)留出從人孔到活動(dòng)管板之間的空隙，便于后續(xù)制造過程中人員出入。 此外也避免了焊接時(shí)焊瘤焊渣附著在換熱管上。

圖7 穿管

d. 裝配活動(dòng)管板，調(diào)整焊縫間隙，采用拉筋板固定連接。 為避免活動(dòng)管板焊接變形，兩側(cè)管板采用多根工藝?yán)瓧U兩端安裝雙螺母均勻固定聯(lián)接。 焊接過程中應(yīng)采用小電流施焊（按照表2參數(shù)），避免管板產(chǎn)生較大變形。 焊后人員通過人孔進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部清理焊接產(chǎn)生的焊瘤焊渣等雜物。環(huán)縫的無損檢測及熱處理與固定管板側(cè)環(huán)向焊縫的工藝要求一致。

e. 從活動(dòng)管板側(cè)引出換熱管，并調(diào)整伸出長度以滿足圖紙要求。 一側(cè)管板與換熱管點(diǎn)焊固定，余量留在另一側(cè)采用移動(dòng)鏜床加工去除。

f. 管頭焊接采用手工氬弧焊（按照表2參數(shù)），焊接時(shí)要求兩側(cè)管板同時(shí)分區(qū)對(duì)稱焊，避免出現(xiàn)焊接過程中收縮變形的現(xiàn)象，導(dǎo)致另一端無法伸出管板［13］。

為保證管頭焊接質(zhì)量，設(shè)備設(shè)計(jì)圖樣要求換熱器與管板的焊接接頭需進(jìn)行RT檢測（圖8）。 為此， 首次引進(jìn)陽極棒X射線技術(shù)對(duì)管頭進(jìn)行無損探傷［14］。 根據(jù)GB/T 151—2014，該設(shè)備的管頭連接選擇強(qiáng)度焊+貼脹， 因此管板與換熱管采用柔性脹接進(jìn)行貼脹脹管，根據(jù)評(píng)定液壓脹管壓力為170 MPa，脹管時(shí)間為每根10 s。 管束部分的水壓試驗(yàn)應(yīng)符合GB/T 151—2014和GB 150.1～150.4—2011［15］的相關(guān)規(guī)定。

圖8 管頭RT檢測

3 結(jié)束語

通過對(duì)大直徑立式換熱器管束的制造，一些關(guān)鍵技術(shù)如大直徑厚壁堆焊管板的制造加工技術(shù)、大直徑管束裝配工藝技術(shù)、大厚度管板與換熱管管頭的射線檢測技術(shù)、高強(qiáng)度雙相不銹鋼換熱管與管板的管頭焊接技術(shù)等都得到創(chuàng)新和優(yōu)化， 特別是管頭陽極棒射線檢測技術(shù)的首次使用，極大地提升了制造廠的制造能力，為后續(xù)類似產(chǎn)品的制造積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。 同時(shí)，化工裝置的大型化也促使制造廠不斷提升自身的制造能力（包括制造設(shè)備能力的提升、制造工藝的創(chuàng)新優(yōu)化、先進(jìn)制造技術(shù)的引進(jìn)），以適應(yīng)行業(yè)的快速發(fā)展。