哈雷钎焊板式换热器
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国内首台超大型换热器的研制及技术难点分析

点击:1820 日期:[ 2014-04-26 21:54:02 ]
                    国内首台超大型换热器的研制及技术难点分析                                  楼广治                    (中国石化镇海炼化分公司,浙江宁波 315207)     摘要:由某公司建造的国内首台超大型管壳式换热器(E-6111型)已经通过最终检查和验收,在该项目的研制过程中出现了许多技术难题,对该设备的结构特点、设计规范、材料要求、设备制造和检验等环节存在的技术难点进行了深入分析,并提出了有效的解决方案,从而为超大型换热器实现国产化提供了经验。     关键词:循环气冷却器;设计材料;制造;管板;焊接     中图分类号:TQ051. 5  文献标识码:B  文章编号:1001-4837(2010)05-0026-06     循环气冷却器是某公司新建100万t/a乙烯工程65万t/a环氧乙烷/乙二醇装置的关键设备。该设备为立式固定管板(NEN)结构,总高度43725 mm,设备总重370 ,t换热面积达到12325m2,设备规格Φ4000 mm×20000 mm。该换热器尺寸庞大,结构复杂,是首台国内自主研制的超大型固定管板式换热器,其成功研制打破了国外长期对大型换热器的垄断格局,大大提高了我国石化装备制造业的创新能力,推进了我国100万t/a乙烯成套装备国产化的进程。     1 管壳式换热器(E-6111型)结构及设计参数循环气冷却器结构特殊,其上管箱内部设有喷淋装置(即使循环洗涤水喷入,该碱性洗涤水将循环气体中的醛类、NOx等除去,以确保产品质量),因此该换热器兼具换热和传质功能。其顶部和底部均采用锥形过渡段,法兰采用整体式法兰,支撑结构采用裙座,结构如图1所示。设备的设计参数见表1。                       2·设备设计技术难点分析     2. 1 设计规范     (1)按照工艺专利商提供的资料,只进行强度计算,不进行工艺计算和优化计算;     (2)按照GB 150—1998《钢制压力容器》、GB 151—1999《管壳式换热器》、JB/T 4710—2005《钢制塔式容器》、《压力容器安全技术监察规程》和相关工程规定进行常规设计;(3)同时参考ASME SEC.ⅧDIV. 1—200第UHX篇:管壳式换热器的规则和附录A:确定管子与管板接头许用载荷的基础、TEMA B级和ASME SEC.ⅧDIV. 2—2004(应力分析评定方法参考标准)进行相应校验。     2. 2 强度计算     按照GB 150—1998《钢制压力容器》、GB151—1999《管壳式换热器》、JB/T 4710—2005《钢制塔式容器》规定的方法,对封头、筒体、锥段等分别进行内、外压强度计算,对接管开孔处按等面积法进行补强计算,对法兰进行强度计算。同时按照ASME SEC.ⅧDIV. 1—2004规范对管板等关键部件进行强度校核。     2. 3 管束振动     在换热器大型化过程中,管束振动是不可忽视的问题。该换热器管束不但超长,而且较细,其规格Φ31. 75mm×1. 651mm×20000mm,如何控制管束的振动,即控制壳程流速和换热管自振频率,是本次国产化攻关的重点之一。按照TEMA规范对管束进行振动分析。     2. 4 管板应力     该换热器的结构尺寸已超过GB 151—1999《管壳式换热器》的适用范围,且其设计参数较为苛刻,管、壳程温差达22℃,要求采用无膨胀节结构。为保证设计计算的准确性,需要对管板、管子、壳程壳体和管箱壳体所组成的系统进行应力分析。如何确保在复杂温度场下的管板设计,也是本次国产化攻关的重点之一。     按GB 151—1999第5. 7. 3节的规定对管板、管子及壳体系统进行应力评定。先按照GB 151管板强度计算的规定进行4种载荷组合工况分析计算,再利用设备结构及载荷的对称特性建立应力分析模型,计算软件采用ANSYS 11。通过应力分析,管板、管子及壳体系统和管板与壳体连接部位的局部应力均在许用范围内。     3 设备主要材料的附加技术要求     确保外购原材料的质量,特别是按照国外牌号制造的关键零部件如管材等的质量,也是本次设备国产化攻关的重点之一。其主要零部件材料见表2。                        3. 1 锻件(SA-765M-Ⅱ)     循环气冷却器的管板、接管法兰、接管及法兰盖均采用SA-765M-Ⅱ锻件,其中管板采用整体锻件。    (1)SA-765M-Ⅱ钢应采用电炉或氧气转炉冶炼、精炼炉精炼、真空脱气工艺生产的细晶粒镇静钢;     (2)锻件应使得全截面都承受热加工,每个锻件的主截面部分的锻造比不得小于3. 5;     (3)锻造后,锻件热处理采用正火(允许水淬加速冷却)+回火处理,在热处理保温期间的问题偏差不应超过±10℃;     (4)锻件的熔炼和产品分析的化学成分应符合表3的规定;     (5)锻件的室温拉伸试验和冲击试验方法应按ASTM A370规定进行;     (6)锻件的实际晶粒度应按照ASTM E112评定,评定结果应为5级或更细;     (7)如果力学性能试验的结果不符合要求,则按SA-788第10. 2节对不合格项目进行复试,也允许对锻件重新进行热处理,但重新热处理次数不得超过2次;     (8)所有锻件的超声波检测按照推荐方法JB/T 4730. 3—2005执行,按Ⅰ级验收;     (9)所有锻件机加工后应按推荐方法JB/T4730. 4—2005逐个进行磁粉检测,按Ⅰ级验收。     3. 2 复合板(SA516-70钢板+304L)     循环气冷却器的管程筒体、锥筒和虾米弯等均采用SA516-70+304L复合板,复合厚度为3mm,其壳体筒体则采用SA516-70钢板。     (1)复合钢板基层材料及壳程筒体材料SA516-70钢板应符合ASME SA-516M—2004(包括2006增补),以正火状态交货;     (2)SA516-70钢板应采用电炉或氧气转炉冶炼的细晶粒镇静钢;     (3)SA516-70钢板化学成分应符合表4的规定;                       (4)钢板应逐张按JB/T 4730. 3—2005进行超声波检测,按Ⅰ级验收。钢板表面应逐张按JB/T 4730. 4—2005进行磁粉检测,按Ⅰ级验收;     (5)筒节用钢板厚度以正偏差供货,封头用钢板厚度公差按照SA-20规定供货;     ( 6 )复合钢板复层材料3 0 4 L应符合GB/T 4237—2007,供货状态为固溶态;     (7)复合钢板应符合JB 4733—96要求,复合级别为B1级;     (8)复合钢板须经过热处理(正火)、校平、切割至规定尺寸交货,且复层表面须经过酸洗钝化出来,并采用蓝点法检测,以无蓝点为合格;     (9)复层应分批按GB/T 4334. 5进行晶间复试试验;     (10)复合钢板应按JB/T 4730. 3—2005进行超声波检测, 100%扫查,质量等级按Ⅰ级验收。     3. 3 双等级换热管(ASME SA-213, TP 304/304L)     长管束在运行中容易诱发振动,在尺寸偏差和精度上要严格控制。换热管按ASME SA-213进行制造、验收的,国内制造厂家的质量不稳定,所以大型换热器高精度换热管的制造技术和订货技术标准,也是本次国产化攻关的重点之一。     (1)换热管的制造标准采用ASME第Ⅱ卷A篇(2004版)的SA-213/213M锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管子和SA-450/450M的碳钢、铁素体和奥氏体合金钢管子通用要求;     (2)换热管的制造、检验和验收应符合ASMESA-213/213M中TP304及TP304L换热器的要求,其中力学性能满足TP304要求,化学成分满足TP304L要求;     (3换热管应采用无缝冷拔(或冷轧)方法制造,每根换热管不得拼接、焊补;     (4)换热管材料的实际晶粒度应按ASTME112评定,评定结果应为5级或更细;     (5)换热管的化学成分应符合表5的规定;                        (6)换热管经固溶处理、在线脱脂且光亮处理后交货;     (7)换热管的尺寸、外形偏差分别为:外径允许偏差±0. 05 mm,厚度允许偏差+5%,长度允许偏差0~13 mm;     (8)换热管应按ASME SA-450/450M标准进行压扁和扩口试验;     (9)换热管应逐根分别进行涡流检测;     (10)在供货状态下进行硬度检测,验收指标应不大于192HB(200HV、90HRB);     (11)换热管直度及表面质量要求按ASMSA-450第11条的规定,换热管的每米弯曲度应≤0. 8 mm,全长弯曲度应≤15 mm;(12)换热管的包装、标志应符合GB/T 210的规定。     4 设备制造技术难度及控制     4. 1 壳体直线度及椭圆度加工     该换热器公称直径4000 mm,换热管长度20000 mm,大大超过了GB 151的范围,所以,如何在制造过程中,控制好壳体的直线度和椭圆度也是本次国产化攻关的重点之一。其中:椭圆度要求≤4 mm,直线度要求≤6 mm,并且每米直线度≤1 mm。     根据GB 151第6. 2. 2条规定,在圆筒同一断面上,最大直径与最小直径之差e≤0. 5DN。而对于该超大型换热器而言,其椭圆度e显然不能按GB 151第6. 2. 2条进行控制,而应根据折流板与筒体的理论间隙来控制筒体圆度。在实际施工过程中采取如下措施:     (1)壳体筒体下料周长取GB 151第6. 2. 1. 1条的上限偏差,即+10 mm;     (2)通过精确计算钢板的碾长量,严格控制筒节的下料误差;控制钢板卷曲次数和筒节校圆次数等措施来保证制造精度;     (3)为保证壳体组件圆度,纵缝坡口在刨边机上加工,控制其对角线公差在1. 5 mm以内;     (4)环缝组对要求严格。该换热器壳体长,筒节多,组对时选择周长相近的筒节组焊在一起,以筒体环缝钝边为基准,保证最大限度减少错边量。实际组对时,环缝最大错边量≤2 mm,每2节筒体组对完毕后,都进行直线度的测量,根据测量结果再组对下一个筒节,从而最终将整个壳体的直线度控制≤6 mm。在筒体复圆过程中,用样板认真测量筒体的圆度;     (5)壳体上接管焊接采用内壁焊接,以控制其向内收缩变形;     (6)壳体整体热处理,以控制其变形。     4. 2 管板的加工     该换热器管板为整体锻件,其公称直径4084mm,厚度160+3 mm,其管板简图见图2,超过了GB 151的范围。这就需要掌握大型换热器带过渡边管板的锻造技术以及如何在制造过程中控制大型管板防变形技术(包括管板堆焊焊接、钻孔和管口胀焊接等引起的变形),也是本次国产化攻关的重点之一。                        4. 2. 1 管板锻造     该管板锻造用15000 t水压机锻造成型,并采用大型圆饼状工件的锻造工辅具。在锻造过程中,严格控制管板的平面度和圆度,通过传统的测量方法与先进的激光测量方法并用反复测量;在锻件有一定高度时吹氧,略加大锻造余量,以解决表面易出现裂纹的问题。     4. 2. 2 管板堆焊     通过借助于数值模拟方法对不同焊接顺序、不同热输入量等影响管板焊接变形的因素进行模拟试验、计算、预测和分析,从而建立热源模型,同时利用相似理论研究焊接变形,并模拟关键工艺因素对管板焊接变形的影响,从而确定合理的焊接工艺:     (1)采用计算机模拟软件对管板堆焊过程焊接变形进行数值模拟,对工件变形进行预测,如整圈从外向里连续堆焊或每隔一整圈或整两圈堆焊等方式进行模似,同时增加焊后热处理次数,优化出合理的堆焊次序。在上述模拟试验的前提下,从而调整出最佳焊接工艺,并确定带极堆焊机的带宽度、堆焊电流和焊接速度等关键焊接参数;     (2)在工艺措施上,上、下2块管板采用背靠背堆焊的办法,以增加管板钢性,增强抵抗焊接变形的能力,如图3所示;                       (3)为提高抗晶间腐蚀能力,在堆焊过程中应尽量较少母材向堆焊层稀释率,要求将堆焊材料中的含碳量控制在0. 029%以内,并严格按照焊接工艺评定控制预热温度和层间温度;     (4)在过渡层和面层堆焊结束后,按JB4730. 5—2005对其表面进行PT检测,不允许存在任何裂纹,Ⅰ级合格;     (5)为防止管板堆焊过程中,由于应力过大而产生堆焊裂纹,在管板堆焊过渡层和面层后分别进行消除应力热处理,实践证明效果较好;     (6)管板与壳体的焊接采用电加热的方法进行局部热处理。其目的为了保证加工后管板的精度,减少热处理变形。     4. 2. 3 管板的加工技术及控制     大型管板在加工时需要确保管孔间距、管径公差、垂直度、粗糙度和定位精度。管板的钻孔采用国外引进的超大型5轴数控机床(7 m×4. 5 m,钻孔深度1000 mm),见图3(b), 4个数控滑台式钻削动力头,能独立移动。由于是数控加工,其加工精度和效率高。在管板正式钻孔前,先进行试件钻孔试验。     对于5主轴立式管板钻床,采用厚度分别为200,300,400, 500 mm×1000 mm×1000 mm见方的试板进行试钻孔,并对相对尺寸、公差、粗糙度进行检查,要求每种试块的钻孔精度和粗糙度均应符合图纸要求,从而确定加工精度和粗糙度。为确保加工精度和加工质量, 2块管板分开加工。采用5轴数控钻加工的管板的孔距和孔位均符合图纸要求,其中管板孔直径为Φ32. 11+0. 08-0. 15mm。     4. 3 折流板及支持板     由于该换热器管束较长,折流板和支持板的数量较多,而管板、折流板和支持板管孔的同轴度是保证换热管能否穿入管孔的关键,所以折流板、支持板的管孔公差要求严格,需采取相应措施加以保证。折流板、支持板采用数控机床加工,其具体加工过程如下:     (1)折流板、支持板采用数控等离子进行整圆下料,直径方向预留10 mm的加工余量;     (2)在每块折流板、支持板上分别(打上钢印编号),再校平;     (3)折流板钻孔前,先制作好钻孔模板;     (4)将折流板、支持板分别固定在一起,并使用模板进行引孔、叠钻加工;     (5)折流板、支持板孔倒角,校平修整;     (6)在筒体内部与折流板对应位置测量筒体内径,每块折流板每300 mm做一次实际间隙的测量,根据测量结果再来修整折流板的外径。采用数控钻加工的折流板、支持板的孔距和孔位均符合图纸要求,其中折流板、支持板的孔直径Φ32. 15+0. 25 mm。     4. 4 换热管与管板的焊接     换热管与管板接头承受系统在运行中由于各种因素变化所产生的交变应力,需要确保换热管管端的密封性,避免产生间隙腐蚀和振动疲劳破坏。根据工艺专利商和设计要求,换热管与管板的连接采用密封焊+强度胀,即由密封焊主要来保证换热管与管板连接的密封性能;由强度胀接来保证换热管与管板连接的抗拉脱强度和一定的密封性能。其中是先焊后胀,另有具体要求如下。     4. 4. 1 换热管与管板的焊接方式的确定     换热管与管板的焊接可采用以下2种焊接位置:     (1)焊接方位1:将换热器立起来进行焊接,焊缝为平焊位和角焊位,可分别采用手工氩弧焊或管板自动氩弧焊。平焊位和角焊位的焊接质量容易保证,出现焊接缺陷的概率低,对有倒斜的管头的焊接可实现全横焊位,降低焊接难度,容易保证焊道成形;     (2)焊接方位2:换热器卧放在托辊上进行焊接,焊缝为全位置焊接位,可分别采用手工氩弧焊或管板自动氩弧焊。手工氩弧焊的优点是没有仰焊位下坡焊,熔合充分、焊接质量高;缺点是人为因素较大、焊接效率略低。采用管板自动氩弧焊,具有熔合充分、焊接效率高、外观质量好的优点。根据工艺专利商提供的管子/管板接头模型试验程序,对以上4种方法进行比较,分焊接质量(焊道成型、剖面低倍)、焊接效率、返修率等情况进行统计,并最终确定焊接方式为:焊接方位2+管板自动氩弧焊。     4. 4. 2 换热管与管板的焊前准备工作为避免产生气孔、未熔合等缺陷,在焊前应做好以下准备工作:     (1)对管板管孔和换热管管端进行机械清理,并应呈现出金属光泽。其中管端的清理长度应不低于管板厚度+25 mm;     (2)在穿管前,用丙酮将管板管孔、管端内外表面擦洗干净。     4. 4. 3 换热管与管板的焊后检查为保证焊缝内在质量和密封要求,在焊后要做以下工作:     (1)用0. 5MPa干空气+肥皂泡进行气密性试验,保压10 min无泄漏为合格。对于发现泄漏的管子,按要求进行修补重新做气密性试验;     (2)对换热管与管板的焊接接头(包括热影响区)及接头附近的管子内表面按JB/T 4730.5—2005进行100% PT检测,Ⅰ级合格。对于发现泄漏的管子,按要求进行修补重新做PT检测。如修补接头数量超过总数的2%,需要进行附加的按GB/T15823—1995附录A“嗅吸探头检验技术”进行的氦泄露检验,泄露率要求不超过1×10-5Pa·m3/s。     4. 4. 4 换热管与管板的胀接     (1)换热管与管板的胀接采用液压胀。因为液压胀具有施胀均匀、不会发生漏胀和欠胀、胀接和非胀接过渡区呈流线型圆滑过渡等优点;     (2)在正式胀接前,先对模拟产品进行强度胀接试验。根据计算出的胀接力,对管子/管板进行胀接试验,胀接后解剖胀接接头,从宏观方面观察胀接状态,包括管子胀接弹塑性变形情况、管子胀接长度是否合适、胀接后管内径是否符合工艺专利商的技术要求,其中胀接后管子内径的计算公式为:胀接后管内径=(管板孔内径-管子外径)+管内径+2×管壁厚×管壁减少%。通过强度胀接试验,确定合理的胀接工艺参数,如给排水时间、胀接压力、保压时间、胀接率等,同时经试验比较各种胀焊顺序对接头产生的影响,通过理论分析及实践操作确定合理的胀接顺序;     (3)在强度胀接后,根据GB 151—1999对胀接后的焊接接头进行拉脱力试验,以观察试验结果是否满足技术条件要求。     5 结语     目前,该循环气冷却器已通过最终检查和验收,各项指标均达到了相应标准和技术条件的要求。该项科研成果使相关设计、制造单位在大型换热器的设计、材料选择、控制大型管板防变形技术、双等级换热管束的焊接和胀(上接第31页)接技术、组装焊接次序等方面的制造经验和管理水平有了突破性的提高,为国内同行业制造类似设备提供了参考依据,也为大型换热器国产化奠定了基础。     参考文献:     [1] 刘斌,邢芳,张勇,等.苯乙烯装置进出料换热器国产化制造[J].压力容器, 2008, 25(3): 28-32.     [2] 朱迪珠.国产大型板壳式换热器在重整装置应用[J].石油化工设备, 2000, (4): 29-30.     作者简介:楼广治(1977-),男,工程师,主要从事设备管理工作,通讯地址: 315207浙江省宁波市中国石化镇海炼化分公司烯烃部,E-mai:l lougz@ zrcc. com。
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