甲醇装置中间换热器的制造

2017-07-18丁健

中国设备工程 2017年13期

关键词：管板三通封头

丁健

(中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

甲醇装置中间换热器的制造

丁健

(中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

本文根据中间换热器的主要设计参数及制造过程，综合论述了该设备的主要制造工艺、检验和试验关键点，对该设备的制造难点及解决方法做了详细的阐述，并重点介绍了组装过程。

换热器；制造；组装

换热器在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温介质加热或者把高温介质冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，提高效益。管壳式换热器使用尤为广泛，最常用的有三种型式，固定管板式、浮头式和U形管式。该设备是一种立式浮动式换热器，与普通浮头式换热器的区别在于管程出口端固定，进口端浮动、浮动端与壳程之间采用盘根密封。设备总重：59500kg。

设备规格：φ1500mm×(54+4)mm ×13450mm。

1 中间换热器技术参数及结构介绍

1.1 主要技术参数（如表1）

表1 设备的主要技术参数

1.2 结构

由于该中间换热器工作压力高（8.99（壳）/8.64（管）），工作介质中度危害，易燃易爆（H2，CO，CH4O），壳程和管程材质不一样（，热膨胀系数不一致，综合考虑多种因素及工艺要求，该设备与普通浮头式换热器在结构设计上有很大区别。如图1所示，该设备结构自上而下部件依次是上球形封头、上管板、壳体、换热管、折流板、下管板、蝶形封头、下球形封头、三通及裙座等。由于工作压力高等要求，在管板与封头及筒体的连接形式上也有不同。管束上管板与筒体及上封头采用焊接形式连接，详见图2。管束下管板与蝶形封头同样采用焊接形式连接，且在壳体内自由浮动。管束蝶形封头上的接管与筒体三通自由滑动，通过盘根进行密封。这也是设备管程与壳程采用差压设计的主要原因。

图1 中间换热器结构

图2 管板与球形封头和壳程焊接示意图

1.3 材料

主要构件材质如表2。

表2 材料牌号及标准

2 中间换热器制造难点及解决方案

2.1 难点

（1）该设备管束长8986mm，折流板间距475mm，壳体壁厚（54+4）mm。壳体的不圆度和不直度，筒体内径过大引起的缝隙不匀，会引起壳体介质的短路而影响壳程的换热系数和换热器的总传热系数，并且直接影响管束的装入和抽出的顺利程度。因此控制壳体的圆度和直线度不超标，符合设计及规范要求，是设备制造过程中的第一个难点。（2）管束下端接管A2与三通为滑动结构，采用盘根密封，设备的同心度决定了管束接管与三通间的间隙是否均匀，间隙不均既不利于接管与三通的自如滑动，也影响盘根的安装，进而不能保证密封要求。因此控制管束与壳体同心度，是设备装配过程中的第二个难点。（3）该设备高温高压，且介质易燃易爆，对设备的焊接要求及检测要求较高。采用何种装配顺序，如何合理布置焊缝，既能满足设计图纸要求，又能方便无损检测，保证设备质量是设备制造过程中的第三个难点。

2.2 解决方案

（1）筒体加工直线度和椭圆度控制。该设备直径（φ1500mm），厚壁复合板（54+4）mm。本节主要从板材下料、纵/横缝加工、筒节组对等几个方面进行阐述，具体如下：①板材下料：在计算长度时，考虑复合板的碾长量和焊接收缩量，主要是保证筒节直径和筒节的高度精度，控制在设计或规范允许误差范围内；要求板材对角线尺寸差不大于1.5mm，主要是控制板材卷制后筒节上下端面的水平度，保证筒体组对过程中的垂直度。②筒体纵缝加工：坡口采用机械加工，一是保证了下料尺寸的精度，控制筒节直径在允许误差范围内；二是保证焊缝的直线度，利于自动焊，确保焊接质量；三是确保坡口表面检测合格，坡口表面采用着色+磁粉探伤。③筒体环缝采用V形坡口，坡口采用机械加工，和纵缝一样，同样是为了保证坡口加工质量、加工精度和保证自动焊。计算筒节高度时考虑焊接收缩量，组对时以筒节环缝钝边为基准，控制环缝错边量，要求不大于0.5mm。④板材卷制：筒节在卷制过程中，一是尽可能减少卷制的次数，控制碾长量；二是纵缝的错边量和棱角的大小，主要是由于卷制的质量引起，而且错边和棱角会造成筒体应力分布的不均匀性，从而给设备运行过程埋下隐患。因此在复合板卷制过程中，椭圆度不超过3mm，错边量不大于0.5mm。⑤接管组对：接管组对是为防止接管焊接影响筒体向内收缩，在接管附近和筒体两端设防变形卡具支撑，防变形卡具需在筒体部件3与管板组对完毕再撤掉，保证筒体椭圆度不超标。

（2）设备制造分段方案及要求。由于该设备属于III类压力容器，操作条件高温高压，且结构特殊，壳体材料又是复合板，图纸要求“壳体（复合板部分）、接管、吊耳、下封头、裙座与筒体的过渡段，上封头与接管A1一起进行热处理，A、B类焊缝100%RT+100%UT。管束、管板、蝶形封头及不锈钢锻件不做热处理”，综合考虑了焊接、检验、热处理、水压等多种因素，最终确定将设备分成四大部件制造完成后，再进行最终组对。详见图1部件划分示意。部件1由裙座过渡段、筒体下段（含接管B2，B3）、下球形封头和三通组成，部件2由筒体及筒体吊耳组成；部件3由接管B1和上部筒节和上管板组成；部件4由上球形封头和接管A1组成。各部件具体制造要求如下：①部件1组装：第一，下封头外协，热成型并进行热处理，坡口采用机械加工。第二，组对筒体与下封头，焊接，探伤，放接管位置线，开B2、B3接管孔，组对并焊接接管B2、B3，探伤。第三，组对三通与下封头，放线，开孔，焊接，检验。第四，组对裙座上段与设备筒体、下封头和三通的组合件，焊接，检验。全部组对完成后，和其他部件一起进炉热处理。②部件2组装：第一，组对筒节，组对过程中要控制组对的直线度及总长度，焊缝进行探伤；第二，吊耳及其垫板，焊接，检验。与其他部件一起进炉热处理。③部件3组装：号上段筒体接管孔线，切割开孔，组对接管A2与筒体焊缝（采用防变形工装支撑筒体，热处理完毕再撤掉工装），检验，筒体与接管部件和其它部件一起进炉进行热处理。组对筒体与上管板环缝，焊接，探伤，局部进行热处理。④部件4组装：上封头外协热成型，热处理，机加工坡口（端部坡口和接管坡口），探伤，堆焊端部不锈钢，探伤。组对接管A1与上封头，焊接，检验，上封头与接管部件和其它部件一起进炉进行热处理。各部件热处理工艺曲线见图3。⑤部件1-4各自组装完毕，检验、探伤、热处理合格，待组对；组对部件3与换热管、折流板、支撑板及下管板，管子与管板先焊后胀的方法，GTAW焊接一遍。管子与管板组对焊接时，严格执行安装工艺，保证管头与管板胀接部位的清洁，焊接时严格按照焊接顺序，先焊接四周定位焊，防止焊接过程发生内焊接变形和管束扭曲。再按焊接工艺对称焊接管子。⑥组对部件2与部件3合拢缝1，详见图4，焊接，检验，然后组对工装筒体与部件2环缝（由于该设备为立式浮头式换热器，为保证管头的空气泄漏试验，同时不损伤设备母材，尤其是主体材料及管板，减少打磨工作量，因此设计了一套管头泄漏工装，其与管板连接处为活动结构，详见图5节点Ⅰ），检验合格后，组装工装法兰、O型密封圈、试压螺栓、螺母及法兰压盖，然后管头气密进行0.5MPa空气检漏，待管头检漏合格后，管子与管板GTAW焊接第二道，然后管头进行100%PT检测，探伤合格后，进行壳程1MPa水压试验，检验管头焊接质量。⑦组对焊接上球形封头与上管板，椭圆封头与下管板，检验合格。管程水压试验（压力≤1MPa），检查焊缝及换热管，详见图5。拆除试压工装，切割时严禁切割到设备本体，并加工坡口，100%PT检测合格。⑧组对合拢缝2，组对过程中，利用筒体内壁管板处的八块定位板和工装找准中心，使管束接管与三通同心，四周间隙均匀，焊接过程中观察焊接变形。焊接完毕后，钳工进行接管与三通处的盘根安装，盘根安装完毕后，壳程再次进行1MPa水压试，检查三通与接管处的密封，见图1。⑨组对裙座下段筒体及其余附件。裙座下段筒体组对时，需确保裙座筒体与设备整体同心度和同轴度满足设计和规范要求，因为该设备是立式设备，裙座不正，将不能保证设备安装的垂直度，进而影响设备本体的配管。

（3）装配方案中合拢缝不能满足设计图纸要求的“A、B类焊缝进行100%RT+100%UT”，因此在确定装配方案前，已经过设计的书面确认后，对设备合拢缝的无损检测方案进行调整。焊后进行TOFT检测，Ⅰ级合格，技术等级为C级；焊后表面100%PT，Ⅰ级合格。焊接前，焊缝进行100%PT检测合格，先进行复合层焊接，PT检测合格，再进行基层的焊接。严格按照焊接工艺卡进行焊接，每一道工序严格检查，确保焊缝质量一次检验合格。

图3 热处理曲线

图4 壳体合拢缝坡口示意图

3 焊接质量控制

焊接过程中，除通过对焊缝进行无损检测和热处理保证焊缝质量和消除焊缝应力外，焊缝余高和焊缝咬边的控制非常重要。焊缝余高虽然对最后一层焊道具有保温与缓冷作用，且有利于消除焊接应力，改善焊缝组织、性能及成形质量，但如果焊缝余高过高，则会造成应力集中。如日本经疲劳试验发现的裂纹均产生于余高边缘，打磨余高与未打磨余高的焊缝，两者比较，其疲劳寿命提高2.1倍。焊缝咬边不仅减少焊缝承载面积，也同样会超成应力集中，如果材料延塑性不足而不能进行局部应力再分布，则此咬边就会成为裂纹的起点。该设备材料强度级别较高、材料厚度较大，因此对咬边控制更加严格。