超大型管殼式固定管板換熱器研制難點和新技術開發應用

周志斌 張維東

(中國石化鎮海煉化分公司；中國石油蘭州石化公司)

鎮海煉化100萬t/a乙烯工程EO/EG裝置中有一臺循環氣冷卻器E-6111，內徑4 000mm，管板采用整體鍛造并堆焊不銹鋼，管束長度為20 000mm，換熱面積達12 325m2。GB 151-1999適用的最大直徑為2 600mm，國際通用的TEMA一般適用直徑不超過2 540mm。可見在現行的國內外標準規范中，對此類超大型換熱器沒有完全適用的計算方法，為確保結構的安全性和合理性，除參照可用標準進行計算外，還需要運用有限元應力分析等方法對其進行分析、研究，此類大型換熱器在當時國內尚無任何設計、制造經驗，國產化存在相當大的難度。經過一系列的國內外技術交流、考察和國產化可行性論證，最終確定由國內一家大型機械集團公司設計和制造，國內廠家研發制造如此超大規格管殼式換熱器在當時尚屬首次。

1 設備介紹

循環氣冷卻器結構形式為立式固定管板式換熱器，設備凈重370 t，總高43 725mm，管、殼程內徑均為4 000mm，壁厚30mm。管束部分由上/下管板、折流板、支持板、筒節、接管、拉桿、定距管和連接板組成，屬超大型管殼式換熱器。此換熱器不單是一臺換熱器，管箱內設計有噴淋裝置，同時兼有塔設備的功能，不但承擔著換熱功能，還有傳質的功能。從EO反應器氣/氣換熱器來的含有2%左右EO的循環氣在該換熱器中被噴入堿性洗滌水吸收循環氣中生成的醛類、NOx等雜質，以便于在隨后的EO吸收、分離中確保產品質量。E-6111設備參數為：

殼程設計壓力 1.128/-0.1MPa

管程設計壓力 2.344/-0.1MPa

殼程(管程)設計溫度 185℃

程數 1

換熱管數量 6 283根

殼程介質 冷卻水

管程介質 環氧乙烷等工藝氣

管板規格φ4 084mm(上)/φ4 096mm(下)×160mm

換熱管規格φ31.750mm×1.651mm

管板材料 SA-765-II(管程側堆焊不銹鋼)

換熱管材料 SA-213 TP304/304L

管子與管板連接形式 強度脹+密封焊

2 研制難點及新技術開發應用

2.1 新型折流板支撐結構設計

眾所周知，在管殼式換熱器中，當殼程流體橫向流過管束時，殼程進、出口接管的附近、折流板缺口區、U形彎管處易激起管子振動或聲振動。在換熱設備大型化的過程中，管束振動問題更需要重視。由于殼程流體橫向穿越管束時，管子受到卡曼旋渦和紊流抖振的影響，會激發管束振動或聲振動，如果管束振動劇烈到一定程度，將導致管子疲勞破壞或管子撞擊折流板孔邊而被切斷。通過對管束振動頻率進行核算，在折流板之間采取一些結構上的改進措施可以有效避免管束振動。本換熱器的管程介質為循環氣，殼程為冷卻水，設備體積龐大，殼程中冷卻水的流量大、流路復雜、流體流速的大小和方向不斷變化，整個管束處于不均勻流場，管束極易由于流體原因誘導振動。為避免管束振動，在設計中采用ANSYS有限元計算軟件，建立管束動力學分析的計算模型等方法和手段，最后確定放棄傳統的殼程弓形折流板結構，采用了NTIW折流板支撐結構(圖1)，在各折流板窗口區不布管、采用標準要求最小的折流板(支持板)管孔間隙、折流板之間增加3塊支持板、增加流通通道、減小換熱管支撐跨距，殼程入口處增加3排防沖桿結構等措施防止誘發管束振動。該結構在降低殼程流速及壓降的同時，也降低了管束振動發生的可能性。

圖1 換熱器支持板與折流板結構

2.2 超大尺寸的管板及換熱管、管板連接形式設計

本換熱器的結構尺寸超過GB 151-1999標準的適用范圍，管殼程溫差達22℃，無膨脹節，設計條件苛刻。復雜溫度場條件下管板太厚，會增加管板的剛性產生很大的溫差應力；管板太薄，可能會無法滿足承受壓力載荷所需的強度要求。根據其工作原理及結構特點，研制單位按標準要求提出了產品的所有載荷工況，并在三維模型上施加上述載荷進行模擬。

針對管板的強度計算無標準可依，且22℃的管殼程溫差會在大型固定管板結構的換熱器上產生較大的溫差應力，研制單位最終設計出了一種加厚管板附近管箱殼體的結構，通過局部加厚管板附近的殼程殼體，增強管板周邊的支撐作用，減小管板在內壓載荷作用下的彎曲變形，降低管板的整體應力水平，從而可以用較薄的管板承受壓力載荷，同時解決了溫差應力的問題。為保證設計的安全可靠性，采用ANSYS軟件建立有限元計算模型，采取管板當量化簡化模型與三維實體模型對比應力計算優化管板的設計方法。

由于本換熱器直徑較大，減弱了筒節對管板的支撐作用，管板厚度也隨之增加。尤其對固定管板式換熱器，管板邊緣應力往往表現為彎曲應力與拉伸應力相互疊加作用下的復雜應力狀態。為降低管板與殼體連接部位的應力，本換熱器采用了管板帶對接凸緣的設計結構(圖2)。這種連接結構不但能夠改善管板與筒體之間的應力分布，還有利于焊接操作及RT 或UT無損檢測。

圖2 換熱器管板與殼體連接結構

本換熱器換熱管與管板的連接接頭采用了密封焊+強度脹(液壓脹)連接形式(圖3)，針對φ31.750mm×1.651mm薄壁雙等級不銹鋼鋼管，研制單位通過試件脹接后拉脫力試驗檢測和試件解剖分析等技術手段，最后確定了合適的脹接力，并且選擇了在換熱管連接接頭中將管孔槽寬加寬為6.4mm，槽間距加寬為10mm，在管端留7.5mm長的未脹管腔的結構設計，保證了在設計參數下換熱管連接接頭的可靠性。同時為了確保焊接接頭的質量，在制造前研制單位用工藝評定管和管板試板制作了大量焊接試件。由于專利工藝商要求的上、下管板管頭形式不同，研制單位分別采用自動和手工做了上管板和下管板管頭焊接試件，外觀成形和質量都相當成功。在正式制造階段，為保證管頭焊接質量和整體制造進度，研制單位采用了自動氬弧焊。

圖3 上、下管板與換熱管連接形式

2.3 大型管板堆焊焊接變形控制

本換熱器管板直徑超過4 000mm，其中鍛件SA-765II厚160mm，管程側單面堆焊過渡層TP309L(3.0mm)，面層TP308L(3.5mm)，堆焊時極易產生管板撓變形，造成管板報廢。

為此，研制單位借助有限元計算與堆焊實驗相結合的方法，預測管板變形并加以控制。通過計算與實驗相結合預測出管板堆焊撓曲變形，通過凸面加工預留反變形量，解決了管板堆焊變形的技術難題。

在制造環節制造單位采用兩塊管板背靠背組對點固，上堆焊設備工作臺進行帶極堆焊的方法控制管板的變形量。堆焊期間中心部位以及靠近外緣凸臺附近無法帶極堆焊的，采用手工堆焊。一塊過渡層堆焊完畢后，再翻轉過來堆焊另一塊管板的過渡層。過渡層堆焊完后進行消氫處理，面層堆焊完后進行消應力處理，消應力處理時兩塊管板整體進爐處理。

2.4 管子-管板角接焊接接頭射線檢測技術

在換熱器的制造過程中，管子-管板角接焊接接頭的質量一直是換熱器質量控制的關鍵問題之一。由于管子-管板角接焊接接頭的焊肉較薄，即使小的焊接缺陷也會大大降低該類接頭的密封性和聯接強度。研究表明，氣孔缺陷是造成管子-管板角接焊接接頭泄漏失效的重要原因。在設備投入使用后的前三年內，由于腐蝕的作用，有氣孔存在的部位會出現穿透，發生泄漏，導致停產，造成重大經濟損失和環境污染。

按照我國現有的換熱器制造技術標準和規范，換熱器管子-管板焊縫的最終質量評估均采用表面磁粉或滲透檢測。這兩種檢測方法本身具有局限性：磁粉檢測只能檢測鐵磁性材料焊縫表面和近表面缺陷；滲透檢測只能檢測非多孔性材料表面開口缺陷，都無法進行焊縫內部缺陷的檢測。因此，針對管子-管板角接焊接接頭中的裂紋、未熔合、未焊透、夾渣，尤其是最為常見的氣孔等各類內部缺陷，采用射線照相技術進行檢測(圖4)，可使管子-管板角接焊接接頭中的氣孔檢測靈敏度達到φ0.5mm，遠高于其他無損檢測技術和方法。采用射線檢測技術降低了換熱器失效概率，有效預防管子-管板角接焊接接頭的泄漏。國外的應用實踐表明，管子-管板角接焊接接頭射線檢測技術的應用使換熱器泄漏事故發生率從18%降至3%，從而減少了生產成本，提高了經濟效益。該項技術是工廠避免意外停車和環境污染的一種重要預防性措施，是保證石油化工裝置長周期運行的有效措施。

圖4 管子-管板射線檢測方法示意圖

2.5 大換熱器超長管束裝配技術

本換熱器管束部分長20 000mm、殼體直徑4 000mm、重150t，由17塊支持板和折流板、26根

定距拉桿、820多根定距管、225根φ33mm×3 200mm防沖桿、6 283根φ31.75 mm×1.651mm換熱管組成，其中支持板單重720kg，折流板單重980kg，管束與殼體單邊間隙只有5mm。管束如何安裝到殼體內，支持板、折流板如何固定，如何實現超長管束裝配是該換熱器制造的難點，也是該換熱器能否制造成功的關鍵。

經過研制單位技術人員的反復論證，成功開發出一套管束裝配專用工裝。裝配時首先將下管板、支持板、折流板固定在專用工裝上，將定距管、拉桿就位后進行換熱管的安裝，然后將殼體置于裝有縱向導輪的工裝上并移動殼體，使殼體套在管束上。裝配專用工裝的研發和裝配程序的科學合理制定最終實現了該換熱器超長管束在臥式狀態下的順利裝配。

3 結束語

該換熱器于2009年9月底在中國石化鎮海煉化分公司100萬t/a乙烯項目EO/EG裝置完成工程安裝，2010年4月18日產出合格產品后至今連續滿負荷平穩運行1 000多天。該設備的監控數據顯示其完全滿足生產需求，工藝性能達到技術要求，能夠實現長周期安全平穩運行，其成功研制打破了國外長期對大型換熱器的壟斷格局，提高了我國石化裝備制造業的創新能力，縮小了我國石化裝備制造業同世界先進水平的差距。在研制該設備過程中對相關新技術的成功開發及應用為國內同行業制造類似設備提供了參考依據，也為中大型換熱器國產化奠定了基礎。