超高压套管换热器更新制造工艺研究

耿焕然

北京燕华工程建设有限公司 北京 102502

超高压套管换热器是某高压聚乙烯装置的主要换热设备之一，一线、二线及三线共9 台。每台设备总重15t，长×宽×高为10m×1m×4m，由22 支套管式超高压直管组件及21 支U 型超高压弯管通过超高压螺纹法兰、锥型垫、高压螺栓等连接而成。超高压内管规格为Do/ Di=φ60.5/ φ25mm，外套管规格为φ108mm×6mm。每台设备超高压管总长达210m。设备主要设计参数见表1。

表1 超高压套管换热器设计参数一览表

1 更新制造工艺要点

1.1 换热器运行情况

由于设备运行时间已达20 年，加上水质等方面原因，某高压聚乙烯装置在用的9 台超高压套管换热器本体腐蚀十分严重，内管已出现多处裂纹，为了运行安全必须对其进行更换。2019 年6 月，对腐蚀最严重的二线的3 台设备首先进行了更换。2019 年9 月，开始筹备更换一线及三线的6 台设备。此次更新在原1999 版图纸的基础上，吸纳了新标准，采用了新材料和新技术，在水质不能有效改变的前提下，对换热器重新设计制造，并做了部分修改。

1.2 更新设计修改内容

（1）鉴于AISI4340 钢在高压聚乙烯装置上的应用越来越少，因此对超高压内管材料进行改变，采用目前国际通用的AISI4333M4 钢材[1]，这样材料在各方面性能上可提高15%左右。二线更新时已采用国产化小口径超高压管，但使用中发现其气动声音大，分析原因是超高压管内表面粗糙度过大。另外，2020 年5 月发现二线有一根套管组件泄漏，此时运行还不到一年，拆下来对管子剖析检查发现有夹渣类缺陷。此次更新制造工期允许，因此对一、三线的6 台设备采用国外进口的超高压管材。虽然成本略高，但超高压钢管质量较好，也能和二线对比以查找原因。

（2）为改变超高压管表面的应力腐蚀问题，采用超高压管表面套铜管的办法，使超高压管表面彻底与冷却介质隔绝，减轻超高压管表面的腐蚀。

（3）改变原设备的十字调心环型定心结构形式，采用目前国际上通用的三点定心销型结构。这样不仅结构简单，而且可以减轻8m 长超高压管因定心不好而产生的振动问题。但在使用单位的要求下，内外管的定心改为两点定心销加一点可调螺钉的定心形式。

（4）适当地改变填料箱的结构形式和过盈量，将两端的填料箱形式改为一端凹凸面、一端光面的结构，以改善外套管的受力情况[1]，同时增加填料箱的可靠性。

（5）为改善振动问题，将原有钢结构设计加粗加厚，并对弯管增设加固结构。

2 制造总体要求

由于设备在超高压条件下工作，所以在材料、制造、加工和装配上要求较高而且严格。

（1）超高压管材料牌号为AISI4333M4，管子入厂后首先要到具有国家级检验资质的单位进行材料复验，复验其化学成分、机械性能等指标；入厂后要逐根检查尺寸和直线度，逐根检查内外表面质量。

（2）由于高温高压的工作条件，对管子的操作要求也很严格，不得采用热切割、热弯和热矫，且管子成品上不得留有划线冲眼。

（3）吊装必须使用尼龙吊装带，严禁使用钢丝绳等金属制品。吊装时应有两个捆绑点。在起吊、搬运、堆放及加工过程中，热套面、螺纹、锥孔及端面不得有任何碰伤和划伤。

（4）管子加工前应目视检查，确保没有明显机械损伤或腐蚀损伤。若有缺陷，应按规定方法进行打磨处理。

3 技术保证

在2019 年9 月接到提交材料计划的任务后，项目组就开始进行准备工作。技术人员重新编制了各主要工序的制造工艺，采用大量工艺记录表格来记录制造过程的原始数据，对关键环节的制造过程进行质量控制。这些记录表包括超高压直管、弯管下料记录表，超高压直管机械加工质量检查记录表，超高压弯管机加工质量检查记录表，超高压弯管弯制质量检查记录表，超高压管内孔清理记录表，超高压管热套面及填料箱配合面尺寸检查记录表，设备排列图及组装记录图表，外套管单根压力试验记录表，超高压套管换热器试压记录表等。这些记录均以每根超高压管入厂时唯一不可变更的钢印标识即管号作为依据，对制造过程的每一数据进行详细记录和控制。由于每根管的热套面加工尺寸不同，与所配合的填料箱是一一对应的关系。这些记录表按管号编制，保证实际操作中不易出错。在设备排列图上详细标记管子的组装位置，按管号即可查到加工、组装等过程的数据，确保设备制造过程和结果的可追溯性。

4 制造过程

换热器设备的制造内容主要包括：超高压内管加工；外套管预制以及填料箱、定心销等零件加工；超高压弯管制造；超高压法兰加工；超高压锥型垫圈加工；超高压内管与外套管组装；单根外套管试压；钢结构制造；设备组装；超高压弯管加固结构安装；成套设备压力试验。

4.1 超高压管的加工

为了防止超高压管外壁受到介质腐蚀，超高压直管采用套铜管。套铜管的防护效果取决于铜管的质量、套铜过程的变形量、套铜管的密实度、厚度的均匀性和夹层间的清洁程度。套铜层的最终厚度不小于2.0mm。铜管材料为紫铜，应符合ASTM B75、UNS C1220 或DIN 1787 SF- Cu 无缝冷拔退火铜管的要求[2]，且目视检查不得有破口、裂纹、压伤等可见缺陷。

超高压管材料硬度较高、塑性和韧性很强，导热性差，在加工过程中不易断屑，容易粘刀，造成刀具磨损，影响表面质量，这给机械切削加工造成了很大难度。超高压管各个部分的加工要求很高[3]，每根管的成本也很高，加工面的表面粗糙度要求不超过Ra0.8μm，最好达到Ra0.4μm。针对这些特点和要求，选用了精度非常高的数控切削设备来保证加工质量。其加工工艺路线为：装夹→粗、精加工端面→粗加工密封面→粗、精加工外圆面→粗、精加工管螺纹→精加工密封面。

超高压管各个加工部分之间的位置精度要求也很高，在加工过程中定位基准必须统一。在加工装夹时，以内孔轴线为基准，用百分表校准找正，使工件和主轴同轴度误差≤0.04mm。

超高压管的直管长8m，为了在加工时能保持高速平稳旋转，采用了弹性浮动支架。即装夹时，用四爪卡盘夹住加工端外圆，机床以外的超高压管部分用两个弹性浮动支架支撑。此种支架能有效减震[3]，使加工非常平稳，工件转速最高可达到300r/ min。螺纹加工后用螺纹极限量规检查，通规通过螺纹全长，止规拧进不超过两扣。

超高压管加工后，用中性溶剂清洗内壁至无污渍，然后涂白油保护；管端螺纹安装铸铝管帽以保护螺纹及内孔；已加工好的热套面用纸包紧，以防碰伤。

4.2 超高压弯管制造

超高压弯管采用冷弯。在弯管机上安装与管径相应的弯管胎具、钳口夹块，找准起弯点，通过调整机床控制弯管半径及弯管角度，保证弯管尺寸。由于管子弯制后钢管有伸长，因此管子下料长度不能按弯管展开理论值计算，应减去弯管伸长量。在加工管端螺纹前必须通过弯曲试验找出弯管伸长量数据，然后才能确定管子下料长度及管端螺纹加工后长度。

考虑到弯管回弹，首先要通过弯曲试验，找准起弯点，以确定钳口位置，设定弯管机角度。弯后尺寸满足表1 要求，不允许L2 小于L1。当(L2- L1)＞+8mm 时，可采用专用胎具进行调整[4]。管子弯曲后不得回弯。首件弯曲时，用游标卡尺及超声测厚仪测量弯管前后各测量点的外径及壁厚，计算出外径椭圆度和壁厚减薄量。最大外径椭圆度不应超过公称外径的1.5%，最大壁厚减薄量不应超过公称壁厚的4%。

表1 弯管尺寸要求

5 超高压内管与外套管组装

早在超高压管入厂前，外套管部分就先按图纸进行了预制，焊接好了三通、法兰，钻好定心销孔并焊接定心销。为了找正法兰位置，专门制做了组对支架，此组对支架升角与设备相同。在超高压内管加工完成后按图纸穿管，穿管前要再次检查超高压管套铜，确保外表面没有损伤，热套面没有油污灰尘。在支架上放置预制好的外套管（没装定心销的一面向下），采用专用的穿管工具，使高压管能沿外套管内壁顺利滑入。找正位置后，将事先加热好的填料箱套入，套入时注意不得碰伤螺纹及密封面。由于套铜管的传热速度较快，安装填料箱时必须快速、准确、一次到位，因而特别制作了定位模板来辅助安装。待填料箱自然冷却后按图精确找正水套法兰的位置，并点焊填料箱与三通的接口[4]。再套装另一端的填料箱，找正法兰后点焊，安装可调定心销。将各焊缝用氩弧焊施焊完毕，在填料箱内按要求装入碳纤维盘根，装上填料压盖并紧固压盖螺母。组装完成后，还要进行单根水压实验。

6 设备组装

将套管组件按图纸要求在钢结构上进行连接。首先取下管帽，目视检查管内无杂物，管端面无损伤；管端螺纹上涂抹适量Molykote 1000 润滑剂，轻轻旋入超高压法兰，要求法兰凹台面与内管端面齐平；超高压螺栓、螺母上也要涂抹Molykote 1000 润滑剂，锥形垫片上涂抹硅脂，垫片与法兰保持同心，找正后用手把紧；然后测量上下左右四个方向的法兰间距，两法兰面的距离差最高不得超过0.7mm，最好小于0.5mm；因为是6 条螺栓，采用三角形对称把紧[4]，把紧后测量螺栓伸长量，螺栓伸长量在0.10～0.20mm 时把紧力足够，把紧力矩约为350～550N·m。

7 整台设备的压力试验

先进行内管压力试验，再进行外管压力试验，以下以内管的压力试验为例进行说明。由于设备内管试验压力高达350MPa，对压力试验系统要求可靠性高，升压、卸压安全。同时，为加快试压速度，应有低高压切换。压力试验系统示意图见图1。

图1 超高压内管试压系统示意图

其中三通、压力表三通、二通、弯头和截止阀均为1000MPa，两止回阀为1/ 4″VOT- 400S，连接管为1/ 4″超高压管。所有的管与管件、阀门的连接均为垫连接，即1/ 4″管两端加工成左旋螺纹加上锁母，配合大螺母加上垫再与管件连接，这样可以省去加工管的时间。试压时为节省注入时间，首先用低压泵注入试压介质，低压泵为60MPa、40L/ h 的注入泵。当设备注满且压力达到40MPa 后，关上截止阀。升压时开启超高压泵，由于超高压泵不允许带压启动，对超高压泵增加了卸压系统，即打开截止阀超高压泵入口压力为零，而试压设备本身因有单向阀而不会降压。卸压系统采用两个截止阀加一个三通，最外面一个截止阀为备用，基本是全开的，当卸压后如果上面的截止阀密封不住，再使用该备用截止阀。在三通出口处加了卸压缓冲装置，以减轻卸压时高压对阀芯的冲刷，增加试压的成功率[5]。

严格按照安全操作规程进行进行压力试验。压力试验全过程不但要自检，而且要邀请高压车间代表共同检查。内管试压介质为正烷烃Lp- 14（白油），外管试压介质为水。内管试验由于是超高压，试验压力应分级上升，每级升压50MPa，保压5min；升至规定试验压力后保持30min；卸压时,每级降压100MPa，保压5min[5]；试压合格后，将管内介质排尽，用压缩空气将内部吹干，然后在内管内部充氮气保护，并将气体出入口用管堵密封。

8 结语

目前一、三线的6 台设备均已制造完成，并已平稳运行一年多时间。但有两点有待设备运行过程的检验：

（1）两点定心销加一点可调螺钉的定心形式，可调螺钉所在的管箍密封用的橡胶石棉垫片有可能经受不住长期冷热温度变化而发生泄漏，可能要定期更换垫片，不如三点定心结构可靠；

（2）弯管加固部分按照图纸要求制造，加固后的整台设备与钢结构连为一体，在高温下内管的受热膨胀会受到制约，甚至造成结构框架变形。解决方法是在设备安装后将一端弯管加固部分的槽钢切断，使其与主体钢结构分开。