超大型管壳式固定管板换热器研制难点和新技术开发应用

周志斌 张维东

(中国石化镇海炼化分公司；中国石油兰州石化公司)

镇海炼化100万t/a乙烯工程EO/EG装置中有一台循环气冷却器E-6111，内径4 000mm，管板采用整体锻造并堆焊不锈钢，管束长度为20 000mm，换热面积达12 325m2。GB 151-1999适用的最大直径为2 600mm，国际通用的TEMA一般适用直径不超过2 540mm。可见在现行的国内外标准规范中，对此类超大型换热器没有完全适用的计算方法，为确保结构的安全性和合理性，除参照可用标准进行计算外，还需要运用有限元应力分析等方法对其进行分析、研究，此类大型换热器在当时国内尚无任何设计、制造经验，国产化存在相当大的难度。经过一系列的国内外技术交流、考察和国产化可行性论证，最终确定由国内一家大型机械集团公司设计和制造，国内厂家研发制造如此超大规格管壳式换热器在当时尚属首次。

1 设备介绍

循环气冷却器结构形式为立式固定管板式换热器，设备净重370 t，总高43 725mm，管、壳程内径均为4 000mm，壁厚30mm。管束部分由上/下管板、折流板、支持板、筒节、接管、拉杆、定距管和连接板组成，属超大型管壳式换热器。此换热器不单是一台换热器，管箱内设计有喷淋装置，同时兼有塔设备的功能，不但承担着换热功能，还有传质的功能。从EO反应器气/气换热器来的含有2%左右EO的循环气在该换热器中被喷入碱性洗涤水吸收循环气中生成的醛类、NOx等杂质，以便于在随后的EO吸收、分离中确保产品质量。E-6111设备参数为：

壳程设计压力 1.128/-0.1MPa

管程设计压力 2.344/-0.1MPa

壳程(管程)设计温度 185℃

程数 1

换热管数量 6 283根

壳程介质 冷却水

管程介质 环氧乙烷等工艺气

管板规格φ4 084mm(上)/φ4 096mm(下)×160mm

换热管规格φ31.750mm×1.651mm

管板材料 SA-765-II(管程侧堆焊不锈钢)

换热管材料 SA-213 TP304/304L

管子与管板连接形式 强度胀+密封焊

2 研制难点及新技术开发应用

2.1 新型折流板支撑结构设计

众所周知，在管壳式换热器中，当壳程流体横向流过管束时，壳程进、出口接管的附近、折流板缺口区、U形弯管处易激起管子振动或声振动。在换热设备大型化的过程中，管束振动问题更需要重视。由于壳程流体横向穿越管束时，管子受到卡曼旋涡和紊流抖振的影响，会激发管束振动或声振动，如果管束振动剧烈到一定程度，将导致管子疲劳破坏或管子撞击折流板孔边而被切断。通过对管束振动频率进行核算，在折流板之间采取一些结构上的改进措施可以有效避免管束振动。本换热器的管程介质为循环气，壳程为冷却水，设备体积庞大，壳程中冷却水的流量大、流路复杂、流体流速的大小和方向不断变化，整个管束处于不均匀流场，管束极易由于流体原因诱导振动。为避免管束振动，在设计中采用ANSYS有限元计算软件，建立管束动力学分析的计算模型等方法和手段，最后确定放弃传统的壳程弓形折流板结构，采用了NTIW折流板支撑结构(图1)，在各折流板窗口区不布管、采用标准要求最小的折流板(支持板)管孔间隙、折流板之间增加3块支持板、增加流通通道、减小换热管支撑跨距，壳程入口处增加3排防冲杆结构等措施防止诱发管束振动。该结构在降低壳程流速及压降的同时，也降低了管束振动发生的可能性。

图1 换热器支持板与折流板结构

2.2 超大尺寸的管板及换热管、管板连接形式设计

本换热器的结构尺寸超过GB 151-1999标准的适用范围，管壳程温差达22℃，无膨胀节，设计条件苛刻。复杂温度场条件下管板太厚，会增加管板的刚性产生很大的温差应力；管板太薄，可能会无法满足承受压力载荷所需的强度要求。根据其工作原理及结构特点，研制单位按标准要求提出了产品的所有载荷工况，并在三维模型上施加上述载荷进行模拟。

针对管板的强度计算无标准可依，且22℃的管壳程温差会在大型固定管板结构的换热器上产生较大的温差应力，研制单位最终设计出了一种加厚管板附近管箱壳体的结构，通过局部加厚管板附近的壳程壳体，增强管板周边的支撑作用，减小管板在内压载荷作用下的弯曲变形，降低管板的整体应力水平，从而可以用较薄的管板承受压力载荷，同时解决了温差应力的问题。为保证设计的安全可靠性，采用ANSYS软件建立有限元计算模型，采取管板当量化简化模型与三维实体模型对比应力计算优化管板的设计方法。

由于本换热器直径较大，减弱了筒节对管板的支撑作用，管板厚度也随之增加。尤其对固定管板式换热器，管板边缘应力往往表现为弯曲应力与拉伸应力相互叠加作用下的复杂应力状态。为降低管板与壳体连接部位的应力，本换热器采用了管板带对接凸缘的设计结构(图2)。这种连接结构不但能够改善管板与筒体之间的应力分布，还有利于焊接操作及RT 或UT无损检测。

图2 换热器管板与壳体连接结构

本换热器换热管与管板的连接接头采用了密封焊+强度胀(液压胀)连接形式(图3)，针对φ31.750mm×1.651mm薄壁双等级不锈钢钢管，研制单位通过试件胀接后拉脱力试验检测和试件解剖分析等技术手段，最后确定了合适的胀接力，并且选择了在换热管连接接头中将管孔槽宽加宽为6.4mm，槽间距加宽为10mm，在管端留7.5mm长的未胀管腔的结构设计，保证了在设计参数下换热管连接接头的可靠性。同时为了确保焊接接头的质量，在制造前研制单位用工艺评定管和管板试板制作了大量焊接试件。由于专利工艺商要求的上、下管板管头形式不同，研制单位分别采用自动和手工做了上管板和下管板管头焊接试件，外观成形和质量都相当成功。在正式制造阶段，为保证管头焊接质量和整体制造进度，研制单位采用了自动氩弧焊。

图3 上、下管板与换热管连接形式

2.3 大型管板堆焊焊接变形控制

本换热器管板直径超过4 000mm，其中锻件SA-765II厚160mm，管程侧单面堆焊过渡层TP309L(3.0mm)，面层TP308L(3.5mm)，堆焊时极易产生管板挠变形，造成管板报废。

为此，研制单位借助有限元计算与堆焊实验相结合的方法，预测管板变形并加以控制。通过计算与实验相结合预测出管板堆焊挠曲变形，通过凸面加工预留反变形量，解决了管板堆焊变形的技术难题。

在制造环节制造单位采用两块管板背靠背组对点固，上堆焊设备工作台进行带极堆焊的方法控制管板的变形量。堆焊期间中心部位以及靠近外缘凸台附近无法带极堆焊的，采用手工堆焊。一块过渡层堆焊完毕后，再翻转过来堆焊另一块管板的过渡层。过渡层堆焊完后进行消氢处理，面层堆焊完后进行消应力处理，消应力处理时两块管板整体进炉处理。

2.4 管子-管板角接焊接接头射线检测技术

在换热器的制造过程中，管子-管板角接焊接接头的质量一直是换热器质量控制的关键问题之一。由于管子-管板角接焊接接头的焊肉较薄，即使小的焊接缺陷也会大大降低该类接头的密封性和联接强度。研究表明，气孔缺陷是造成管子-管板角接焊接接头泄漏失效的重要原因。在设备投入使用后的前三年内，由于腐蚀的作用，有气孔存在的部位会出现穿透，发生泄漏，导致停产，造成重大经济损失和环境污染。

按照我国现有的换热器制造技术标准和规范，换热器管子-管板焊缝的最终质量评估均采用表面磁粉或渗透检测。这两种检测方法本身具有局限性：磁粉检测只能检测铁磁性材料焊缝表面和近表面缺陷；渗透检测只能检测非多孔性材料表面开口缺陷，都无法进行焊缝内部缺陷的检测。因此，针对管子-管板角接焊接接头中的裂纹、未熔合、未焊透、夹渣，尤其是最为常见的气孔等各类内部缺陷，采用射线照相技术进行检测(图4)，可使管子-管板角接焊接接头中的气孔检测灵敏度达到φ0.5mm，远高于其他无损检测技术和方法。采用射线检测技术降低了换热器失效概率，有效预防管子-管板角接焊接接头的泄漏。国外的应用实践表明，管子-管板角接焊接接头射线检测技术的应用使换热器泄漏事故发生率从18%降至3%，从而减少了生产成本，提高了经济效益。该项技术是工厂避免意外停车和环境污染的一种重要预防性措施，是保证石油化工装置长周期运行的有效措施。

图4 管子-管板射线检测方法示意图

2.5 大换热器超长管束装配技术

本换热器管束部分长20 000mm、壳体直径4 000mm、重150t，由17块支持板和折流板、26根

定距拉杆、820多根定距管、225根φ33mm×3 200mm防冲杆、6 283根φ31.75 mm×1.651mm换热管组成，其中支持板单重720kg，折流板单重980kg，管束与壳体单边间隙只有5mm。管束如何安装到壳体内，支持板、折流板如何固定，如何实现超长管束装配是该换热器制造的难点，也是该换热器能否制造成功的关键。

经过研制单位技术人员的反复论证，成功开发出一套管束装配专用工装。装配时首先将下管板、支持板、折流板固定在专用工装上，将定距管、拉杆就位后进行换热管的安装，然后将壳体置于装有纵向导轮的工装上并移动壳体，使壳体套在管束上。装配专用工装的研发和装配程序的科学合理制定最终实现了该换热器超长管束在卧式状态下的顺利装配。

3 结束语

该换热器于2009年9月底在中国石化镇海炼化分公司100万t/a乙烯项目EO/EG装置完成工程安装，2010年4月18日产出合格产品后至今连续满负荷平稳运行1 000多天。该设备的监控数据显示其完全满足生产需求，工艺性能达到技术要求，能够实现长周期安全平稳运行，其成功研制打破了国外长期对大型换热器的垄断格局，提高了我国石化装备制造业的创新能力，缩小了我国石化装备制造业同世界先进水平的差距。在研制该设备过程中对相关新技术的成功开发及应用为国内同行业制造类似设备提供了参考依据，也为中大型换热器国产化奠定了基础。