浅谈高压空冷器设计与制造

郭俊峰

（西安喜而沃化工机械设备有限公司，陕西 西安 710032）

近年来石油化工工业得到大力发展，原油质量持续下降，炼化技术不断进步[1],高压、高温工况增多，高压空冷器需求随之不断加大[2]。石油、炼化行业的高压空冷器主要应用在热高分、催化裂化、加氢制氢等化工工艺过程中[3]。其中，高硫原油加氢装置高压空冷器腐蚀和泄漏问题突出，已成为各炼油厂停工的主要原因之一。造成高压空冷器腐蚀和泄漏的原因是多方面的，问题的分析和解决除了采取工艺、安装、生产过程方面的管控措施外，设备设计、选材、制造、检验也是值得重视和加强的查验和控制环节。

1 高压空冷器特点

高压空冷器一般指设计压力高于10 MPa的空冷器。高压空冷器主要用作加氢裂解、催化裂化、蜡油加氢及低聚物裂化等装置上的反应产物、热高分气冷却器，往往伴随着高温、含氢工况,存在硫化氢泄漏问题[4]。

目前，我国炼化装置在用高压空冷器的特点是，设计压力实际上均大于15 MPa，有的甚至超过23 MPa，设计温度高于200℃，设备腐蚀裕量大于5 mm(不锈钢、合金钢除外)。今后，我国炼化装置对高压空冷器的要求是，能够长期、安全运行而且检修方便。

高压空冷器结构设计和制造的重点是管箱、管束。技术层面上，管箱重点考虑材料选择，管束重点考虑结构形式和翅片管制作制作要求。管箱材料可以从 Q345R（R-HIC）、15CrMoR（H）、奥氏体不锈钢、双相钢、Incoloy825(NS1402)等中选用[5-7]。管束的结构形式均为水平鼓风式，翅片管选用双金属轧制[8]，管箱有集合管式和丝堵式。

2 高压空冷器结构[9-10]

2.1 集合管高压空冷器

集合管高压空冷器管箱为DN125 mm的无缝钢管，壁厚根据设计压力、设计温度等确定，实际应用的管箱钢管直径一般需在16 mm以上。管箱强度按照GB/T 16507.4—2013《水管锅炉 第4部分：受压元件强度计算》的规定进行计算[11]。

换热管为翅片管直段+弯头部分，弯头与翅片管可采用焊接，并且按照图样做100%射线检测，I级合格。弯头的变形量也需控制，要求较低的产品先加工翅片管，弯头无翅片则直接弯制。翅片管基管规格为ϕ25 mm×3.0 mm，弯头规格为ϕ32 mm×6.0 mm，选择不同规格的弯头主要是为了方便加工弯头的薄量、减少介质回程时对换热管的冲刷并保证直管与弯头的焊接质量。

法兰一般为DN100 mm的透镜垫密封结构。因为U型换热管排管的局限性，一般为四排管两管程（图1），也可以为六排管三管程。

图1 四排管两管程集合管空冷器结构简图

集合管管箱结构是集合管空冷器管的特点和优势。管箱为圆筒形结构（图2），其质量小，相同质量的管箱比丝堵式管箱能承受更大的设计压力，每个管箱上只有2排管头需要焊接，从根本上减少了泄漏点数量。

图2 集合管管箱结构简图

集合管空冷器管的缺点也较为突出，①弯头加工较为困难。②弯头与翅片管的焊接要求高。③每个焊接接头均需做100%射线检测。④翅片管之间不能使用波形板，只能使用固定环来隔开每个翅片管以防咬合。⑤翅片管装配较为困难。⑥结构不便清洗，要求使用的介质较为干净。

2.2 丝堵式高压空冷器

丝堵式高压空冷器管箱与丝堵式中、低压空冷器一样，由4块壁板组焊而成，形成矩形管箱（图3），两端用端板焊接。4块壁板分别为1块管板、1块丝堵板、1块顶板及1块底板，其中管板与翅片管连接，丝堵孔与管孔同心[1,10,12]，而且同轴度小于等于0.25 mm。

图3 丝堵式空冷器结构简图

管排数、管程数根据工艺计算确定。一般丝堵孔直径须不小于翅片管基管外径3 mm，这样便于胀管、检修。管箱的宽度根据法兰的大小来确定，矩形管箱因其结构所限应力较为集中，且焊接产生应力较大而受力不好，所以4块壁板一般较厚，管箱质量较大。

丝堵式高压空冷器的优点是，①换热管排数、管程数不受结构的限制，最多可以设计成8排，管程数也可以为多管程。②管头检修方便，可沿对应的丝堵孔检修管头[1,9]。③翅片管装配简单，节省时间。④可以使用波形板来阻隔翅片的咬合。

丝堵式高压空冷器的缺点是，①矩形管箱4块壁板较厚。②焊接工作量加大，需焊后进行消除应力热处理。③丝堵的存在增加了泄漏点的数量[13]。

丝堵式高压空冷器的优缺点相比，优点更为突出，已得到广大使用单位的一致认可，且广泛应用在各石油炼化装置上。

3 丝堵式高压空冷器设计

3.1 管箱设计

由于高压空冷器进出口法兰不宜采用变径接管，可将法兰与接管设计成整体高径对焊法兰。第一步，根据法兰大小，确定管箱的内腔宽度，内腔宽度大于法兰内径。第二步，根据工作温度及热应力，确定管箱是否为分解管箱。第三步，基于设计压力、设计温度，根据GB/T 150.3—2011《压力容器 第3部分：设计》附录A或采用LANSYS 2013软件进行强度计算，计算出4块壁板、加强板（或隔板）的厚度，计算管板、丝堵板、加强板时应分别考虑其强度削弱系数。第五步，计算矩形管箱的端板厚度，端板厚度根据GB/T 150.3—2011第5.9章平盖公式计算，但其公式中的结构特征系数K取0.33，或采用LANSYS 2013软件计算厚度。最后，根据GB/T 150.3—2011第6.3章计算顶底板开孔补强是否满足法兰接管的开孔补强需要[12]。

3.2 丝堵密封设计

丝堵式空冷器的丝堵面泄漏较为常见，是由于传统丝堵自身的平面密封结构局限性所致。平面密封丝堵结构见图4。其中，金属平垫属于平面压力密封，平垫的材质根据介质而定，厚度不小于1.5 mm，这样需要的丝堵预紧力较大。

图4 平面密封丝堵结构示图

新型丝堵为线性密封结构，见图5。其中，垫片为椭圆形，板底孔为锥形，这种结构上形成了密封垫与丝堵板底孔构成的线性密封，用密封垫就能将丝堵上紧。线性密封需要较小的预紧力就可以获得足以满足密封要求的密封比压，特别适合高压工况[2]，且密封垫与丝堵之间不会发生损伤垫片的相对运动，因此提高了密封的可靠性。同时密封结构设置在管箱内侧，介质无法与螺纹接触，就不会产生丝堵螺纹咬死的现象。

图5 线性密封丝堵结构

对线性丝堵密封结构进行的试验表明，这种结构可以承受高于35 MPa的压力，其使用范围因此极大提高。线性丝堵密封结构的另一个优点是，丝堵可以选用不同于垫片的材质。对于特殊材质，如不锈钢、双相钢、合金钢制造的空冷器，丝堵可以选择低碳素钢，丝堵成本可以极大降低，而且丝堵的密封性能更加可靠。

3.3 管板管孔设计

丝全堵式高压空冷器的管孔需按照NB/T 47007—2018《空冷式热交换器》[10]的要求进行，换热管焊接采用强度焊+强度胀，管板上需要为胀接加工2道槽。考虑翅片管受热膨胀会产生拉脱力，对管孔设计提出建议，①管头伸出管板3 mm。②焊接坡口尺寸为 2.5 mm×45°[10,14]。

3.4 其他要求

高压空冷器不允许使用空心丝堵，宜采用锻制。丝堵垫片材质应与管板相适应，且应为实心金属垫片，平面密封丝堵垫片厚度不小于1.5 mm。碳钢金属丝堵垫片的布氏硬度不大于120 HB，奥氏体不锈钢或双相钢金属丝堵垫片的硬度不大于160 HB，同时应保证丝堵板硬度大于丝堵硬度，垫片硬度最小。

受压材料应按第Ⅲ类压力容器用材进行入厂材料复验，管箱用板材均应逐张进行超声检测、正火供应，加强板/隔板应与壁板同材质，且同样作为受压元件对待，隔板还应采用全焊透结构。

换热管采用较高级冷拔无缝钢管，逐根按2倍的设计压力或钢管标准规定最大试验压力的最小值进行，在不小于10 s的保压时间内，不得有漏水和渗漏现象，还应逐根进行超声检测及磁粉（或涡流）检测[10]。

法兰宜采用整体法兰，其锻件级别不得小于Ⅲ级。

4 高压空冷器制造及检验

4.1 焊接及无损检测

丝堵式高压空冷器一般在图样设计完成后进行焊接工艺评定[15]。丝堵式高压管箱壁板较厚，其焊接需要设计成U型[15]，这样的坡口更容易做到全焊透和全熔合。丝堵式高压空冷器各个板在组对前按焊接工艺加工坡口，法兰管口边沿应进行100%的磁粉或渗透检测，I级合格。

组对矩形管箱时，采用组对机操作4块壁板，以提高各条焊缝的焊接坡口尺寸 精度[16-17]。可采用小电流、多道焊，确保每道焊缝焊接质量。可采用氩弧焊打底，电弧焊焊接，再用管箱内角焊焊接焊缝的背面，保证焊接的全焊透和全熔合。最后，组对焊接管箱的端板和接管法兰。

整体法兰与顶底板焊接时，可采用安放式，但必须为全焊透、全熔合形式，且需保证顶、底板的开孔与法兰内径一致。翅片管与管板的焊接采用数控全位置深孔脉冲TIG自动焊，强度焊一般采用3遍焊接，第一遍采用自熔，使换热管与管板的根部充分熔透，第二、三遍采用填丝焊，每次起弧错开180°，从而保证焊缝金属厚度达到一定的要求[15,18]。 最后进行强度胀。

管箱为高压空冷器的受压部分，焊接完成后需对各焊接接头进行无损检测[19]。4块壁板之间的A类焊缝，按图样进行100%的射线或超声检测；壁板与端板之间的A类焊缝，按图样进行100%的超声检测；接管与法兰及管箱的连接焊缝应进行100%的射线检测；翅片管与管板之间的焊缝应进行100%渗透检测。最后在耐压试验合格后，对所有外部承压焊缝和接管内部焊缝，应进行100%磁粉或渗透检测[19-20]。

对于碳素钢和低合金钢管箱,要求在焊接完成后还需整体进行消除应力热处理[21]，热处理严格按NB/T 47015—2011 《压力容器焊接规程》[15]的要求进行。

4.2 气密和压力试验

制造高压空冷器时，需做2次气密试验、1次耐压试验。具体为，①管头焊接完毕后，安装好试验垫片、丝堵，将整个管束浸入水槽，管箱内通入0.2 MPa的压缩空气，检查管板外侧是否产生水泡，以验证管头的密封性能。②管头气密试验合格后，拆除丝堵、垫片，对管头进行柔性的液压胀接。③吹扫清洁丝堵孔，装配密封垫，在丝堵板上涂上二硫化钼，以防螺纹咬死，紧固丝堵时注意均匀用力[14]，防止密封垫倾斜，以促进丝堵装卸过程顺利进行。④组装完毕后对管束按GB/T 150—2011中相关规定进行耐压试验，耐压试压一般为水压试压。对于奥氏体不锈钢、合金钢材料管束，试验前需进行水中氯离子的检测，测试结果不应超过25 mg/L。

考虑试压时试验压力较高，整个过程需缓慢升压、降压，①将压力缓慢升至4.0 MPa，检查管束是否有泄漏，如无泄漏再按每次20%的试压压力递增（递增时留检查各个泄漏点时间）至设计压力，检查整个管束，合格后再一次将压力缓慢升至需要的试验压力。②保压时间大于1 h，检查焊缝、密封面等有无泄漏、渗水、异响及变形。合格后，将压力降至设计压力，再一次检查各个泄漏点，无异常后才能确认最终试压合格。③排净试压用水，用压缩空气吹干管束内部。④最后，将管束浸入水槽，管束内通入0.2 MPa的压缩空气，检查所有丝堵、带有垫片的接头是否泄漏[5]。

5 结语

对炼化装置高压空冷器进行了归纳和总结。目前，我国的高压空冷器设计制造已经完成了从国外进口到国产化[4]、材质从奥氏体不锈钢到双相钢、合金钢升级。高压空冷器设计与制造的重点是管箱，常用的2种类型是集合管式高压空冷器和丝堵式高压空冷器。其中，丝堵式高压空冷器优势明显，目前已经广泛应用在化工、炼油各领域，工况越来越苛刻，相关技术人员需要重点掌握和深入研究优化。