φ1800mm螺纹锁紧环式换热器的制造①

朱生萍 王军杰 贾小斌 张 凯 李义民 王志刚 周彩云

(兰州兰石重型装备股份有限公司 甘肃省压力容器特种材料焊接重点实验室培育基地)

φ1800mm螺纹锁紧环式换热器的制造①

朱生萍 王军杰 贾小斌 张 凯 李义民 王志刚 周彩云

(兰州兰石重型装备股份有限公司 甘肃省压力容器特种材料焊接重点实验室培育基地)

介绍了φ1800mm螺纹锁紧环式换热器的构造与主要技术参数，介绍了该换热器的制造难点、性能检测结果与分析、最终焊后热处理及耐压试验等，最终成功制造出了我国首台直径最大的螺纹锁紧环式换热器。

螺纹锁紧环式换热器 国产化

螺纹锁紧环式换热器是石油化工装置中最常用的一种设备，具有结构紧凑、密封性能好及占地面积小等特点。如果在现场运行过程中发生泄漏问题，不必停止换热器所在的装置，只需紧固压紧螺栓即可，避免了因装置停车而导致的巨大经济损失。

随着石化炼油行业的发展，石化产品愈加激烈的竞争必然驱使化工设备向大型化发展。但目前我国制造的螺纹锁紧环式换热器最大直径为φ1700mm，无法满足石化装置大型化升级换代的需求。而且，我国对于大直径螺纹锁紧环式换热器的设计和制造尚缺乏相关经验，尤其在一些重要零部件的加工制造环节上更是如此。因此，对于直径超过φ1700mm的螺纹锁紧环式换热器暂时只能高价进口。

为了提高我国装备制造业的水平，保障我国炼油工业的发展，大直径螺纹锁紧环式换热器国产化问题已迫在眉睫。在这种大环境的影响下，兰州兰石重型装备股份有限公司开始进行φ1800mm螺纹锁紧环式换热器制造项目的攻关工作，以填补我国在该行业的空白，实现了重大技术突破，增加了企业经济效益。

1 设备简介

兰州兰石重型装备股份有限公司为某蜡油加氢裂化装置制造的第一段反应流出物/热原料油换热器如图1所示，该设备规格为φ1800mm×(138+6.5)mm×10413mm，是目前我国制造的直径最大的螺纹锁紧环式换热器，其具体参数如下：

规格φ1800mm×(138+6.5)mm×10413mm

容器类别 Ⅲ类

设计规范 GB 151-1999

设计压力(管程/壳程) 17.4/18.5MPa

管板设计压差 3.50MPa

设计温度(管程/壳程) 435/420℃

程数(管程/壳程) 2/2

工艺介质(管程/壳程) 第一段反应流出物/热原料油

主体材料(管箱/壳体) 12Cr2Mo1(H)Ⅳ+堆焊/12Cr2Mo1(H)R[1]+堆焊

管板材料 S32168Ⅳ

试验压力(管程/壳程) 22.86/24.47MPa

图1 第一段反应流出物/热原料油换热器

2 主要制造难点

2.1 壳程筒体

由于φ1800mm螺纹锁紧环式换热器的结构形式为双壳程，且具有筒体壁厚大、直径大的特点，因此对筒体圆度、直线度要求比较苛刻。对于单节筒体的制造，兰州兰石重型装备股份有限公司在原制造工艺的基础上加以改进，提出了全新的成型工艺：

a. 在加热到一定温度后，使用重型四辊卷板机将板材卷制成型，可避免因筒节过多导致的直线度难控制的问题。在制造过程中，单节筒体宽度不小于2m。考虑到板材在温卷成型、热处理和工艺打磨过程中的损耗，筒节成型前板厚应在设计图纸最小要求的基础上增加工艺余量。

b. 筒体环缝坡口采用立车加工，以确保环缝坡口的尺寸精度。在组焊过程中环缝的错边量应控制在4mm内，并且在筒体对接环缝时，在端口使用自动定心工装，以保证筒体直线度满足图纸要求。

2.2 球形封头

换热器的封头为球缺形封头，封头按半球制造，采用整体热冲压成型。封头热成型后根据GB 150.1～150.4-2011的要求[2]，应进行恢复性能热处理，即正火(加速冷却)+回火热处理。封头正火出炉后立即在喷淋装置上进行喷淋冷却。

2.3 管箱筒体

管箱筒体材料为12Cr2Mo1(H)Ⅳ锻件，内壁采用双层堆焊(过渡层E309L+表层E347)。考虑到换热器管箱筒体厚度(250mm)较大，且与接管焊接位置的填充金属较多，为了消除因接管焊接造成的管箱筒体变形，采用焊后二次机加工方式，确保管箱内壁尺寸符合图纸要求。

管箱筒体内壁堆焊后，筒体内的管板密封面和螺纹部位各预留2mm的加工余量，在部件完成最终焊后热处理(PWHT)后，使用数控镗铣床，对管箱筒体内螺纹进行最终精加工。

换热器制造过程中，最大的技术难点在于产品在PWHT后，管箱内管板侧密封面的不平度超过0.25mm。由于与管箱端部的距离较远，根据目前的加工手段，如要消除该不平度，需要大幅度地增加落地镗铣床的加工行程，这极大地降低了加工刀头的稳定性和强度，影响加工面的精度和质量。经多方讨论、并结合以往的制造经验，最终确定采用兰州兰石重型装备股份有限公司专用工装进行最终精加工，成功解决了该技术难题。该工装为我国唯一的拥有独立知识产权和国家专利的加工专用装置。

2.4 管束部分

管板立车加工时，在管板的两侧密封面各预留1mm的加工余量；管板换热管孔采用数控深孔钻床加工，保证管孔精度符合要求。

换热管采用整根管子煨制方式，U形管成型后，对弯管部位和附近300mm的直管段进行固溶处理。换热管煨弯后逐根进行水压试验，试验压力为7.0MPa；靠近中心的3排换热管进行100%PT检测，需达到JB/T 4730.5-2005中的I级合格[3]。

管束装配中，设备换热管与管板连接采用强度焊加贴胀，胀接采用液压强度胀接。因管板直径大，管头焊接和胀接易导致管板变形，且随直径的加大，其变形也相应增大。为确保管板壳程侧密封的可靠性，在管束管头胀、焊完毕后，依靠专用加工工装，使用数控镗铣床对管板密封面进行二次机加工，从而满足管板密封面的平面度要求。

2.5 密封盘

密封盘是螺纹换热器的重要组成部件，其直径大、厚度薄，属于大型薄盘类加工件，加工要求表面精度高、上下表面平齐度高。密封盘材料通常为不锈钢，具有含碳量低、韧性高、塑性差和膨胀系数高的特点，因此加工困难。而现有技术与设备无法解决它在加工过程中的变形与精度问题。为确保密封的可靠性，密封盘采用整板制作。在制造过程中笔者采用专用的工装夹具，调整转速、进刀量，改变冷却条件，同时增大时效处理，通过这些措施来保证密封盘平面度和厚度满足公差要求，粗糙度满足图样要求。

3 最终焊后热处理

按照GB 150.1～150.4-2011[2]、NB/T 47015-2011[4]和相关技术条件的要求，换热器需要进行整体PWHT。由于其壳程部分与管箱部分厚度相差较大，在升温与降温阶段中极易产生较大的温度梯度。对于Cr-Mo钢材料而言，这种温度梯度会造成焊接接头韧性严重下降[5]，为设备日后的正常运行埋下极大的安全隐患。因此，实际的焊后热处理工艺参数需根据管箱厚度(设备最大热处理厚度)计算，最终确定升温和冷却速率为50℃/h。PWHT后，对随炉试板进行检测，其力学性能(表1)均满足相关技术要求。对筒体纵向焊接接头进行硬度HV10检测，参数(表2)均符合设计要求和相关标准要求。

表1 筒体纵向焊接接头试样PWHT后的力学性能

表2 筒体纵向焊接接头试样PWHT后的硬度HV10检测

4 耐压试验

首先，将管、壳程同时充水加压，管程加压至22.86MPa，壳程加压至24.47MPa，两侧同时保压1h以上。水压试验合格后，管、壳程同时降压直至放空，水压试验时管程和壳程的压力差不得超过3.50MPa[6]。

耐压试验用水的温度不低于15℃，水中氯离子含量不得超过0.25‰。

压力表精度等级1.6，量程0～60MPa，压力表检定日期符合要求。氯离子含量6mg/L，环境温度8℃，水温度17℃。24.47MPa/22.86MPa耐压试验结果表明，无泄漏、无可见的异常变形、无异常响声。试验结论：合格。

5 结束语

在制造过程中，面对有关φ1800mm螺纹锁紧环式换热器制造方面的新问题，兰州兰石重型装备股份有限公司在以往制造经验的基础上，组织专家会审、结合优势力量与各单位之间加强信息沟通，同时延伸售后服务，利用现场技术服务经验，完成了多项技术难题的攻关。所制造的φ1800mm螺纹锁紧环式换热器在性能检测、热处理及耐压试验等方面均满足要求。该换热器的成功制造，降低了设备费用(仅为进口价格的70%)，减少了不必要的资金支出，填补了大直径 螺纹锁紧环式换热器国产化的行业空白，增强了 我国石化装备制造业在国际市场上的影响力和竞争力。

[1] GB 713-2008,锅炉和压力容器用钢板[S].北京:中国质检出版社,2008.

[2] GB 150.1～150.4-2011,压力容器[S].北京:中国标准出版社,2011.

[3] JB/T 4730.5-2005,承压设备无损检测第5部分：渗透检测[S].北京:新华出版社,2005.

[4] NB/T 47015-2011,压力容器焊接规程[S].北京:中国标准出版社,2011.

[5] 王尊策,何宝林,韩建荒,等.高温换热器多场耦合数值模拟研究[J].化工机械,2013,40(2):188～192.

[6] 李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M].北京:新华出版社,2005.

朱生萍(1984-)，工程师，从事压力容器设计与制造工作。

联系人王志刚(1980-)，高级工程师，从事压力容器焊接热处理技术的研究与设备自动化工作，13919292199@163.com。

TQ051.5

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0254-6094(2017)01-0101-04

2016-02-19，

2016-03-21)