淺談高壓空冷器設(shè)計與制造

郭俊峰

（西安喜而沃化工機(jī)械設(shè)備有限公司，陜西 西安 710032）

近年來石油化工工業(yè)得到大力發(fā)展，原油質(zhì)量持續(xù)下降，煉化技術(shù)不斷進(jìn)步[1],高壓、高溫工況增多，高壓空冷器需求隨之不斷加大[2]。石油、煉化行業(yè)的高壓空冷器主要應(yīng)用在熱高分、催化裂化、加氫制氫等化工工藝過程中[3]。其中，高硫原油加氫裝置高壓空冷器腐蝕和泄漏問題突出，已成為各煉油廠停工的主要原因之一。造成高壓空冷器腐蝕和泄漏的原因是多方面的，問題的分析和解決除了采取工藝、安裝、生產(chǎn)過程方面的管控措施外，設(shè)備設(shè)計、選材、制造、檢驗也是值得重視和加強(qiáng)的查驗和控制環(huán)節(jié)。

1 高壓空冷器特點

高壓空冷器一般指設(shè)計壓力高于10 MPa的空冷器。高壓空冷器主要用作加氫裂解、催化裂化、蠟油加氫及低聚物裂化等裝置上的反應(yīng)產(chǎn)物、熱高分氣冷卻器，往往伴隨著高溫、含氫工況,存在硫化氫泄漏問題[4]。

目前，我國煉化裝置在用高壓空冷器的特點是，設(shè)計壓力實際上均大于15 MPa，有的甚至超過23 MPa，設(shè)計溫度高于200℃，設(shè)備腐蝕裕量大于5 mm(不銹鋼、合金鋼除外)。今后，我國煉化裝置對高壓空冷器的要求是，能夠長期、安全運行而且檢修方便。

高壓空冷器結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的重點是管箱、管束。技術(shù)層面上，管箱重點考慮材料選擇，管束重點考慮結(jié)構(gòu)形式和翅片管制作制作要求。管箱材料可以從 Q345R（R-HIC）、15CrMoR（H）、奧氏體不銹鋼、雙相鋼、Incoloy825(NS1402)等中選用[5-7]。管束的結(jié)構(gòu)形式均為水平鼓風(fēng)式，翅片管選用雙金屬軋制[8]，管箱有集合管式和絲堵式。

2 高壓空冷器結(jié)構(gòu)[9-10]

2.1 集合管高壓空冷器

集合管高壓空冷器管箱為DN125 mm的無縫鋼管，壁厚根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度等確定，實際應(yīng)用的管箱鋼管直徑一般需在16 mm以上。管箱強(qiáng)度按照GB/T 16507.4—2013《水管鍋爐 第4部分：受壓元件強(qiáng)度計算》的規(guī)定進(jìn)行計算[11]。

換熱管為翅片管直段+彎頭部分，彎頭與翅片管可采用焊接，并且按照圖樣做100%射線檢測，I級合格。彎頭的變形量也需控制，要求較低的產(chǎn)品先加工翅片管，彎頭無翅片則直接彎制。翅片管基管規(guī)格為?25 mm×3.0 mm，彎頭規(guī)格為?32 mm×6.0 mm，選擇不同規(guī)格的彎頭主要是為了方便加工彎頭的薄量、減少介質(zhì)回程時對換熱管的沖刷并保證直管與彎頭的焊接質(zhì)量。

法蘭一般為DN100 mm的透鏡墊密封結(jié)構(gòu)。因為U型換熱管排管的局限性，一般為四排管兩管程（圖1），也可以為六排管三管程。

圖1 四排管兩管程集合管空冷器結(jié)構(gòu)簡圖

集合管管箱結(jié)構(gòu)是集合管空冷器管的特點和優(yōu)勢。管箱為圓筒形結(jié)構(gòu)（圖2），其質(zhì)量小，相同質(zhì)量的管箱比絲堵式管箱能承受更大的設(shè)計壓力，每個管箱上只有2排管頭需要焊接，從根本上減少了泄漏點數(shù)量。

圖2 集合管管箱結(jié)構(gòu)簡圖

集合管空冷器管的缺點也較為突出，①彎頭加工較為困難。②彎頭與翅片管的焊接要求高。③每個焊接接頭均需做100%射線檢測。④翅片管之間不能使用波形板，只能使用固定環(huán)來隔開每個翅片管以防咬合。⑤翅片管裝配較為困難。⑥結(jié)構(gòu)不便清洗，要求使用的介質(zhì)較為干凈。

2.2 絲堵式高壓空冷器

絲堵式高壓空冷器管箱與絲堵式中、低壓空冷器一樣，由4塊壁板組焊而成，形成矩形管箱（圖3），兩端用端板焊接。4塊壁板分別為1塊管板、1塊絲堵板、1塊頂板及1塊底板，其中管板與翅片管連接，絲堵孔與管孔同心[1,10,12]，而且同軸度小于等于0.25 mm。

圖3 絲堵式空冷器結(jié)構(gòu)簡圖

管排數(shù)、管程數(shù)根據(jù)工藝計算確定。一般絲堵孔直徑須不小于翅片管基管外徑3 mm，這樣便于脹管、檢修。管箱的寬度根據(jù)法蘭的大小來確定，矩形管箱因其結(jié)構(gòu)所限應(yīng)力較為集中，且焊接產(chǎn)生應(yīng)力較大而受力不好，所以4塊壁板一般較厚，管箱質(zhì)量較大。

絲堵式高壓空冷器的優(yōu)點是，①換熱管排數(shù)、管程數(shù)不受結(jié)構(gòu)的限制，最多可以設(shè)計成8排，管程數(shù)也可以為多管程。②管頭檢修方便，可沿對應(yīng)的絲堵孔檢修管頭[1,9]。③翅片管裝配簡單，節(jié)省時間。④可以使用波形板來阻隔翅片的咬合。

絲堵式高壓空冷器的缺點是，①矩形管箱4塊壁板較厚。②焊接工作量加大，需焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。③絲堵的存在增加了泄漏點的數(shù)量[13]。

絲堵式高壓空冷器的優(yōu)缺點相比，優(yōu)點更為突出，已得到廣大使用單位的一致認(rèn)可，且廣泛應(yīng)用在各石油煉化裝置上。

3 絲堵式高壓空冷器設(shè)計

3.1 管箱設(shè)計

由于高壓空冷器進(jìn)出口法蘭不宜采用變徑接管，可將法蘭與接管設(shè)計成整體高徑對焊法蘭。第一步，根據(jù)法蘭大小，確定管箱的內(nèi)腔寬度，內(nèi)腔寬度大于法蘭內(nèi)徑。第二步，根據(jù)工作溫度及熱應(yīng)力，確定管箱是否為分解管箱。第三步，基于設(shè)計壓力、設(shè)計溫度，根據(jù)GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》附錄A或采用LANSYS 2013軟件進(jìn)行強(qiáng)度計算，計算出4塊壁板、加強(qiáng)板（或隔板）的厚度，計算管板、絲堵板、加強(qiáng)板時應(yīng)分別考慮其強(qiáng)度削弱系數(shù)。第五步，計算矩形管箱的端板厚度，端板厚度根據(jù)GB/T 150.3—2011第5.9章平蓋公式計算，但其公式中的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K取0.33，或采用LANSYS 2013軟件計算厚度。最后，根據(jù)GB/T 150.3—2011第6.3章計算頂?shù)装彘_孔補(bǔ)強(qiáng)是否滿足法蘭接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)需要[12]。

3.2 絲堵密封設(shè)計

絲堵式空冷器的絲堵面泄漏較為常見，是由于傳統(tǒng)絲堵自身的平面密封結(jié)構(gòu)局限性所致。平面密封絲堵結(jié)構(gòu)見圖4。其中，金屬平墊屬于平面壓力密封，平墊的材質(zhì)根據(jù)介質(zhì)而定，厚度不小于1.5 mm，這樣需要的絲堵預(yù)緊力較大。

圖4 平面密封絲堵結(jié)構(gòu)示圖

新型絲堵為線性密封結(jié)構(gòu)，見圖5。其中，墊片為橢圓形，板底孔為錐形，這種結(jié)構(gòu)上形成了密封墊與絲堵板底孔構(gòu)成的線性密封，用密封墊就能將絲堵上緊。線性密封需要較小的預(yù)緊力就可以獲得足以滿足密封要求的密封比壓，特別適合高壓工況[2]，且密封墊與絲堵之間不會發(fā)生損傷墊片的相對運動，因此提高了密封的可靠性。同時密封結(jié)構(gòu)設(shè)置在管箱內(nèi)側(cè)，介質(zhì)無法與螺紋接觸，就不會產(chǎn)生絲堵螺紋咬死的現(xiàn)象。

圖5 線性密封絲堵結(jié)構(gòu)

對線性絲堵密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行的試驗表明，這種結(jié)構(gòu)可以承受高于35 MPa的壓力，其使用范圍因此極大提高。線性絲堵密封結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是，絲堵可以選用不同于墊片的材質(zhì)。對于特殊材質(zhì)，如不銹鋼、雙相鋼、合金鋼制造的空冷器，絲堵可以選擇低碳素鋼，絲堵成本可以極大降低，而且絲堵的密封性能更加可靠。

3.3 管板管孔設(shè)計

絲全堵式高壓空冷器的管孔需按照NB/T 47007—2018《空冷式熱交換器》[10]的要求進(jìn)行，換熱管焊接采用強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹，管板上需要為脹接加工2道槽。考慮翅片管受熱膨脹會產(chǎn)生拉脫力，對管孔設(shè)計提出建議，①管頭伸出管板3 mm。②焊接坡口尺寸為 2.5 mm×45°[10,14]。

3.4 其他要求

高壓空冷器不允許使用空心絲堵，宜采用鍛制。絲堵墊片材質(zhì)應(yīng)與管板相適應(yīng)，且應(yīng)為實心金屬墊片，平面密封絲堵墊片厚度不小于1.5 mm。碳鋼金屬絲堵墊片的布氏硬度不大于120 HB，奧氏體不銹鋼或雙相鋼金屬絲堵墊片的硬度不大于160 HB，同時應(yīng)保證絲堵板硬度大于絲堵硬度，墊片硬度最小。

受壓材料應(yīng)按第Ⅲ類壓力容器用材進(jìn)行入廠材料復(fù)驗，管箱用板材均應(yīng)逐張進(jìn)行超聲檢測、正火供應(yīng)，加強(qiáng)板/隔板應(yīng)與壁板同材質(zhì)，且同樣作為受壓元件對待，隔板還應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。

換熱管采用較高級冷拔無縫鋼管，逐根按2倍的設(shè)計壓力或鋼管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大試驗壓力的最小值進(jìn)行，在不小于10 s的保壓時間內(nèi)，不得有漏水和滲漏現(xiàn)象，還應(yīng)逐根進(jìn)行超聲檢測及磁粉（或渦流）檢測[10]。

法蘭宜采用整體法蘭，其鍛件級別不得小于Ⅲ級。

4 高壓空冷器制造及檢驗

4.1 焊接及無損檢測

絲堵式高壓空冷器一般在圖樣設(shè)計完成后進(jìn)行焊接工藝評定[15]。絲堵式高壓管箱壁板較厚，其焊接需要設(shè)計成U型[15]，這樣的坡口更容易做到全焊透和全熔合。絲堵式高壓空冷器各個板在組對前按焊接工藝加工坡口，法蘭管口邊沿應(yīng)進(jìn)行100%的磁粉或滲透檢測，I級合格。

組對矩形管箱時，采用組對機(jī)操作4塊壁板，以提高各條焊縫的焊接坡口尺寸 精度[16-17]?？刹捎眯‰娏?、多道焊，確保每道焊縫焊接質(zhì)量。可采用氬弧焊打底，電弧焊焊接，再用管箱內(nèi)角焊焊接焊縫的背面，保證焊接的全焊透和全熔合。最后，組對焊接管箱的端板和接管法蘭。

整體法蘭與頂?shù)装搴附訒r，可采用安放式，但必須為全焊透、全熔合形式，且需保證頂、底板的開孔與法蘭內(nèi)徑一致。翅片管與管板的焊接采用數(shù)控全位置深孔脈沖TIG自動焊，強(qiáng)度焊一般采用3遍焊接，第一遍采用自熔，使換熱管與管板的根部充分熔透，第二、三遍采用填絲焊，每次起弧錯開180°，從而保證焊縫金屬厚度達(dá)到一定的要求[15,18]。 最后進(jìn)行強(qiáng)度脹。

管箱為高壓空冷器的受壓部分，焊接完成后需對各焊接接頭進(jìn)行無損檢測[19]。4塊壁板之間的A類焊縫，按圖樣進(jìn)行100%的射線或超聲檢測；壁板與端板之間的A類焊縫，按圖樣進(jìn)行100%的超聲檢測；接管與法蘭及管箱的連接焊縫應(yīng)進(jìn)行100%的射線檢測；翅片管與管板之間的焊縫應(yīng)進(jìn)行100%滲透檢測。最后在耐壓試驗合格后，對所有外部承壓焊縫和接管內(nèi)部焊縫，應(yīng)進(jìn)行100%磁粉或滲透檢測[19-20]。

對于碳素鋼和低合金鋼管箱,要求在焊接完成后還需整體進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理[21]，熱處理嚴(yán)格按NB/T 47015—2011 《壓力容器焊接規(guī)程》[15]的要求進(jìn)行。

4.2 氣密和壓力試驗

制造高壓空冷器時，需做2次氣密試驗、1次耐壓試驗。具體為，①管頭焊接完畢后，安裝好試驗墊片、絲堵，將整個管束浸入水槽，管箱內(nèi)通入0.2 MPa的壓縮空氣，檢查管板外側(cè)是否產(chǎn)生水泡，以驗證管頭的密封性能。②管頭氣密試驗合格后，拆除絲堵、墊片，對管頭進(jìn)行柔性的液壓脹接。③吹掃清潔絲堵孔，裝配密封墊，在絲堵板上涂上二硫化鉬，以防螺紋咬死，緊固絲堵時注意均勻用力[14]，防止密封墊傾斜，以促進(jìn)絲堵裝卸過程順利進(jìn)行。④組裝完畢后對管束按GB/T 150—2011中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行耐壓試驗，耐壓試壓一般為水壓試壓。對于奧氏體不銹鋼、合金鋼材料管束，試驗前需進(jìn)行水中氯離子的檢測，測試結(jié)果不應(yīng)超過25 mg/L。

考慮試壓時試驗壓力較高，整個過程需緩慢升壓、降壓，①將壓力緩慢升至4.0 MPa，檢查管束是否有泄漏，如無泄漏再按每次20%的試壓壓力遞增（遞增時留檢查各個泄漏點時間）至設(shè)計壓力，檢查整個管束，合格后再一次將壓力緩慢升至需要的試驗壓力。②保壓時間大于1 h，檢查焊縫、密封面等有無泄漏、滲水、異響及變形。合格后，將壓力降至設(shè)計壓力，再一次檢查各個泄漏點，無異常后才能確認(rèn)最終試壓合格。③排凈試壓用水，用壓縮空氣吹干管束內(nèi)部。④最后，將管束浸入水槽，管束內(nèi)通入0.2 MPa的壓縮空氣，檢查所有絲堵、帶有墊片的接頭是否泄漏[5]。

5 結(jié)語

對煉化裝置高壓空冷器進(jìn)行了歸納和總結(jié)。目前，我國的高壓空冷器設(shè)計制造已經(jīng)完成了從國外進(jìn)口到國產(chǎn)化[4]、材質(zhì)從奧氏體不銹鋼到雙相鋼、合金鋼升級。高壓空冷器設(shè)計與制造的重點是管箱，常用的2種類型是集合管式高壓空冷器和絲堵式高壓空冷器。其中，絲堵式高壓空冷器優(yōu)勢明顯，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在化工、煉油各領(lǐng)域，工況越來越苛刻，相關(guān)技術(shù)人員需要重點掌握和深入研究優(yōu)化。