解讀不銹鋼管殼式換熱器管板結構

李崇勇 鄧香中 張 光

（中國石油遼陽石化公司機械廠 遼陽 111003）

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解讀不銹鋼管殼式換熱器管板結構

李崇勇 鄧香中 張 光

（中國石油遼陽石化公司機械廠 遼陽 111003）

摘 要：管板系管殼式換熱器的主要受壓元件，承受管/殼程兩側介質的壓力與溫度及腐蝕作用。隨著煉油化工裝置長周期運行應用不銹鋼管殼式換熱器或不銹鋼管束更換碳鋼管束的增多，管板的不銹鋼結構形式則成為設計關注的焦點，并由此影響換熱器制造的可靠性與使用的安全性。以不銹鋼管殼式換熱器制造的實例，評析3種管板的不銹鋼結構形式，結果發現，設計已打破常規觀念，傾向于整體不銹鋼管板的工程應用。由此，給出了不銹鋼管殼式換熱器管板結構選擇的建議。

關鍵詞：管板 不銹鋼 管殼式換熱器

Interpretation of Tubesheet Construction for Stainless Steel Tubular Heat Exchangers

Li Chongyong Deng Xiangzhong Zhang Guang
(Petrochina Liaoyang Petrochemical Company Machinery Factory Liaoyang 111003)

Abstract Tubesheet, as a main pressure component for tubular heat exchanger, is subjected to pressure, temperature and corrosion for both tube and shell side medium. As more and more stainless steel tubular heat exchanger or stainless steel tube bundle in lieu of carbon steel tube bundle is applied in the long period operation of petrochemical units, stainless steel tubesheet construction is increasingly a focus for design. And it’s affecting the reliability of the manufacturing and the security of the use for heat exchanger. Take stainless steel tubular heat exchanger manufacturing as an example, three kinds of stainless steel tubesheet construction are reviewed. The result found that its designers have broken down conventional ideas, and tend to use integral stainless steel tubesheet for engineering. The paper gives the suggestion about how to choose the tubesheet construction for stainless steel tubular heat exchanger.

Keywords Tubesheet Stainless steel Tubular heat exchanger

在不銹鋼管殼式換熱器建造中，由于相關標準[1-3]沒有對管板的結構形式明確規定，致使設計面臨管板結構的選擇：整體不銹鋼管板或“碳鋼或低合金鋼”復合或堆焊不銹鋼管板。而制造同樣要面對非整體不銹鋼管板的困擾：碳鋼或低合金鋼復合不銹鋼管板的采購及入廠復驗發現未結合區的處理；或碳鋼或低合金鋼堆焊不銹鋼管板的繁雜工藝及翹曲變形導致的復層厚度不均勻等問題。可能設計在選擇中發現計算厚度整體不銹鋼管板與碳鋼或低合金鋼復合或堆焊不銹鋼管板相差不夠懸殊或管板厚度不厚時，直接選擇整體不銹鋼管板不僅利好長期使用的安全可靠以及尚可省去復合或堆焊相應技術要求的提出，而且更利好制造的簡約以及使用維修的方便。為此，結合千萬噸煉油和百萬噸乙烯工程中的不銹鋼管殼式換熱器制造的實例，解讀管板不銹鋼的結構形式。

1 整體不銹鋼管板

整體不銹鋼管板不僅安全可靠，而且更方便制造與維修，簡約加工或焊接工藝，利好管板的質量及使用性能；尤其是在腐蝕或苛刻的工況下，較碳鋼或低合金鋼復合或堆焊不銹鋼管板更為安全可靠；雖表面上材料成本較高，但實際制造難度及成本卻相對較低，為容器制造所歡迎的結構形式。這可從一些不銹鋼管殼式換熱器制造的實例中看到，整體不銹鋼管板的結構形式呈現出日益增多的趨勢。

實例 1：EO冷卻器BIU700-0.8/1.0-60-3/19-2。殼程介質為環氧乙烷，管程介質為冷卻水，設計溫度為75℃。殼體材料為304，管箱材料為碳鋼或低合金鋼，管板為φ763mm×60mm-304Ⅲ，換熱管為φ19mm×2mm-304，管板與換熱管的連接采用強度焊加貼脹。

實例 2：EO冷凝器BES2500-0.8/0.5-2325-7.5/25-4。殼程介質為環氧乙烷，管程介質為冷卻水，設計溫度為75℃。殼體材料為304，管箱材料為碳鋼或低合金鋼，管板為φ2608mm×98mm-304Ⅲ，換熱管為φ25mm×2mm-304，管板與換熱管的連接采用強度焊加貼脹。

這兩個實例，雖然被冷卻或冷凝的工藝介質腐蝕性不強，但鑒于EO與碳鋼或低合金鋼的不相容性，即鐵的氧化物與EO發生聚合反應并釋放出大量熱量而有爆炸危險，為此，這兩臺換熱器的殼程（包含殼體、管束等）材料設計選用304不銹鋼，并提出酸洗鈍化處理且藍點法檢驗合格要求；并且管板選為整體304不銹鋼，而沒有選擇碳鋼或低合金鋼復合或堆焊不銹鋼的結構形式，這主要考慮“管板與換熱管的連接采用強度焊加貼脹”中“貼脹”的可靠性問題，若貼脹不到位或脹度不足使管板基層碳鋼或低合金鋼接觸EO，則會發生危害換熱器安全的風險。

2 復合不銹鋼管板

碳鋼或低合金鋼復合不銹鋼管板（單面復合或雙面復合）的可取之處是能充分利用基層碳鋼或低合金鋼的高強度和復層不銹鋼的耐蝕性滿足工程的使用性能，較整體不銹鋼管板為經濟。所以，在不銹鋼復合板采購資源富足的條件下，當板厚＞12mm時用不銹鋼復合板不失為不銹鋼容器設計中材料的理想選擇，通常為不銹鋼容器殼體鋼板選用的最多。但是，這也相應增加了制造工藝的繁雜與難度：盡管設計要求“用于復合板的基層和復層均應為整張鋼板，不宜拼接”，但實際上復層不銹鋼板卻因板材規格的限制而不得不拼板，由此需要對復合前復層不銹鋼板拼接焊縫的施焊和復合后復層拼縫的處理；“殼體和封頭等元件的成形不能削弱復層與基層的結合”，由此不但增加了加工成形的難度，而且尚需進行成形后的全面積結合程度UT檢測；復合板超標缺陷的修補所提的要求“缺陷的去除、PT檢測確認、修補部位的加工、尚需焊評支持的堆焊、修補后的處理及UT和PT檢測等”更是麻煩制造；尤其是A、B類焊接接頭雙面焊時，焊縫的坡口形式要求“復層端部離基層坡口邊緣的距離應剝開至少為5mm”，更是增加了焊接坡口加工的難度，并且尚要按規定的焊接順序及過渡層和復層焊接的要求進行施焊與檢驗等等。所以，選用不銹鋼復合板表面上降低了材料成本，但實際上卻增加了制造難度和相應成本，同時也潛在著質量安全隱患。

對于復合不銹鋼管板，由于基層多為鍛件加之直徑較大時缺乏采購資源，難免出現的被迫更改原設計的復合不銹鋼管板為堆焊不銹鋼管板，進而增加了制造難度，并由此產生管板的耐蝕性能降低[4]。除非像有復合不銹鋼能力的資源而將原設計的兩側堆焊不銹鋼管板更改為雙面復合不銹鋼管板，由此簡化了制造工藝，并較堆焊不銹鋼管板更能展現復合不銹鋼管板的綜合性能[5]。因為，復合不銹鋼管板較堆焊不銹鋼管板不僅工藝簡單、快捷、成本低，而且復層的厚度均勻、化學成分穩定，管板的耐蝕性能容易得到保證。

實例3：立式EO再沸器BEM2200-0.5/3.0-1756-6/25-1。管程介質為環氧乙烷，設計溫度為90℃，殼程介質為貧液，設計溫度為130℃。管箱材料為304，殼體材料為碳鋼或低合金鋼，管板為φ2430×(110+12) -16MnⅢ管程側堆焊304，換熱管為φ25×2-304，管板與換熱管的連接采用強度焊加貼脹。制造考慮堆焊變形難于控制，并由此引起板面翹曲致使復層厚度的均勻性不易保證，經設計同意更改為復合不銹鋼管板形式。此例也提示管程側采用復合不銹鋼管板較殼程側采用復合不銹鋼管板對于防腐蝕或避免介質不相容更具符合使用安全性。

復合不銹鋼管板同樣面臨著厚度允許偏差[6]的問題，尤其是固定管板式換熱器的管板厚度由設計總體考慮基層和復層材料的厚度偏差及復合偏差后確定較為合理，并在圖樣中注明要求。而制造更要面對上述的相關問題，尤其是復合管板進廠驗收時發現的未結合區及平面度等超標問題的處理。

3 堆焊不銹鋼管板

碳鋼或低合金鋼堆焊不銹鋼管板（單面堆焊或雙面堆焊）多見于浮頭式或U形管式不銹鋼換熱器，尤其是管/殼程都具腐蝕的工況，并在壓力或溫度較高時，管板通常為鍛件，在雙面復合板采購資源缺乏的情況下多采用堆焊的結構形式。

實例4：初底油-減渣換熱器BES900-1.3/1.2-215-6/25-2。固定管板（φ997×68）和浮動管板（φ890×68）在基層16MnⅢ的兩側雙面堆焊，其中管程側堆焊3mm E309L + 3mm E347L，而殼程側堆焊3mm E309L +5mm E347L，并且浮動管板的周圍柱面及鉤面也按管程側堆焊厚度堆焊。

堆焊不銹鋼管板的制造工藝較復合不銹鋼管板為繁雜并具難度。首先堆焊前要求對堆焊試件進行評定：堆焊層缺陷和不結合度、側彎試驗、剖面層下裂紋、堆焊厚度、硬度、化學成分及鐵素體FN、耐蝕性及抗剝離等項目；然后根據經堆焊評定合格的工藝進行正式堆焊：基體表面加工處理→MT→堆焊過渡層→消除應力熱處理→PT→堆焊面層→PT、UT→加工處理→堆焊層厚度和密封面硬度測量、復層化學成分及FN核查；同時尚要采取措施防止管板因堆焊翹曲變形，以保證堆焊后管板的平面度，進而達到復層厚度的均勻性符合設計要求，尤其是管板密封環面及隔板槽面的堆焊質量控制；而現有的UT檢測手段，難免存在對堆焊缺陷的漏檢，管板堆焊層內的氣孔、夾渣、裂紋、不結合區等缺陷又無法通過PT檢測而被完全發現，當管板的密封面及隔板槽、管孔加工后，漏檢的缺陷可能顯現出來，這給檢查與修復造成了困難，成為使用的安全隱患。為此，建議設計應探討選用整體不銹鋼管板的可能性，至少在實例的管板厚度不太厚且管/殼程具有腐蝕的工況下，選用整體不銹鋼管板較雙面堆焊管板更為安全可靠。

4 結束語

隨著煉化裝置長周期運行日益需要不銹鋼管殼式換熱器的增加，承受管/殼程雙重壓力與溫度載荷及介質腐蝕的管板成為設計關注的焦點，合理選擇管板的不銹鋼結構形式不僅關系換熱器建造的經濟性，而且更影響換熱器制造的可靠性與使用的安全性。

1）整體不銹鋼管板在介質環境苛刻的工程應用中已被設計所看重，表面上較碳鋼或低合金鋼復合或堆焊不銹鋼管板的材料成本高，但實際上卻方便制造并使用可靠，可避免諸如復合不銹鋼管板未結合區處理的麻煩或堆焊不銹鋼管板的繁雜工藝且不易保證復層厚度的均勻性——由此偏離設計要求降低安全使用性能而影響長周期運行。所以，在管/殼程雙面腐蝕或殼程介質腐蝕碳鋼或低合金鋼嚴重或與碳鋼或低合金鋼不相容時宜選用整體不銹鋼管板，尤其是在管板厚度相對較薄時更應探討整體不銹鋼管板的可能性。

2）復合不銹鋼管板用于管程的防腐蝕較殼程的防腐蝕更為安全可靠，在采購資源豐富的前提下不失為理想的選擇而符合經濟性。但管板的厚度偏差、平面度及未結合區等問題尚需設計與制造合理考慮。

3）堆焊不銹鋼管板多見于浮頭式或U形管式不銹鋼換熱器，尤其是管/殼程都具腐蝕的工況，并在壓力或溫度較高時管板厚度較厚且通常為鍛件，在雙面復合板采購資源缺乏的情況下多采用雙面堆焊的結構形式。但由于繁雜的堆焊工藝及變形等問題潛在著與設計要求的偏離而影響安全使用性能，建議在管板的碳鋼或低合金鋼厚度較不銹鋼厚度相差不懸殊的情況下應考慮選用整體不銹鋼管板的可能性。

參考文獻

[1] GB 150—2011 壓力容器[S].

[2] GB 151—2014 熱交換器[S].

[3] HG 20581—2011 鋼制化工容器材料選用規定[S].

[4] 崔勃.大直徑管板不銹鋼帶極的堆焊工藝[J].中國特種設備安全，2011，27（7）：22-23.

[5] 冷光榮．爆炸焊接雙面復合不銹鋼管板的工藝研究[J]．江西冶金，2008，28（6）：6-7.

[6] NB/T 47002.1—2009 壓力容器用爆炸焊接復合板第1部分：不銹鋼-鋼復合板[S].

收稿日期：（2015-07-28）

作者簡介：李崇勇(1982～)，男，本科，壓力容器制造工藝員，工程師，現從事壓力容器建造工作。

文章編號：1673-257X(2016)03-0024-03

DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2016.03.005

中圖分類號:X933.4

文獻標識碼：B