關于空冷器管箱加工制造技術的探討

趙明亮

摘 要：石化企業、煉油廠及液化等行業中均需使用到空冷器設備，作為一種廣泛使用的換熱器，其生產加工技術需要引起足夠重視。當下國內空冷器的設計和制造能力大幅提高，已經擺脫高壓空冷器依靠進口設備的局面。相關設計能力、工藝技術等水平均有大幅度提高。文章針對空冷器管箱結構的設計、選材、焊接操作等進行了全面分析，為國內空冷器，尤其是高壓空冷器的發展提供一定的參考價值。

關鍵詞：空冷器；管箱；加工制造；高壓設備

中圖分類號：TH16 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）27-0131-02

Abstract： The air cooler is widely used in petrochemical enterprises， oil refineries and liquefaction industries. As a widely used heat exchanger， its production and processing technology needs to be paid enough attention. At present， the design and manufacturing capacity of domestic air coolers has been greatly improved， which has got rid of the situation that high-pressure air coolers rely on imported equipment. The related design ability， technology and so on level all have the enhancement by a large margin. In this paper， the structure design， material selection and welding operation of the tube box of air cooler are comprehensively analyzed， which provides a certain reference value for the development of domestic air cooler， especially the high pressure air cooler.

Keywords： air cooler； tube box； manufacture； high pressure equipment

1 概述

高壓空冷器系統是整個加氫裂化裝置中的核心設備，具有溫度高、壓力大、臨氫的特點，歸屬于特種設備范圍之內。早期國內高壓空冷器的設計制造能力不足，高壓空冷設備主要有德國路奇公司制造出口。當下高壓空冷器在加氫裂化裝置中的應用較為廣泛，該裝置為原油在催化劑、高壓氫氣、反應溫度作用下進行的一系列反應，包含氮氣、氧氣和硫等物質。反應目的是將減壓柴油轉變為芳烴、環烷烴等產品，反應溫度為400℃左右，壓力高達15Mpa。工藝流程中，加氫裂化裝置需要經由空冷設備完成冷凝冷卻處理，隨后流體進入高壓分離、低壓分離等系統。

2 空冷器管箱制造技術分析

2.1 材料選擇

結合當下國內空冷器在不同環境中的工作要求，管箱的鋼板一般從下述兩種材質中進行選擇，一種是臨氫介質常用材料15CrMoR鋼，另一種是抗硫化氫腐蝕作用良好的材料，16MnR（HIC）鋼，上述兩種材料在當下空冷設備的制造中具有廣泛應用范圍，且運行業績良好。管束方面，從抗腐蝕效果出發，一般選擇抗H2S腐蝕的鋼管材料，該材料的力學穩定性較高、低脆性條件下轉變溫度合理，一般多為08Cr2AlMo鋼管。

2.2 管箱制造

換熱管和管板間的焊接操作。以內部流體介質中含有部分硫化氫、氫氣為例進行分析。其設計溫度125℃、設計壓力為17.12MPa，管板材質是Q345R、換熱管為無縫鋼管。在進行熱處理操作中，管箱焊接后需要及時進行焊道消除應力方面的處理，保證硬度值必須低于180HB，方可認定合格。針對管板焊接質量進行檢測驗收處理中，換熱管和管板之間的焊接接頭必須采用全自動深孔填充絲焊接，焊接的工藝評定和宏觀檢測合格后方可進行后續操作。所有焊接環節中避免管板變形、外觀受損等狀況，檢驗處理必須遵循GB150.1-2011相關條款的內容。

2.3 焊接方法的確定

考慮到空冷器的管箱加工制作中，管箱內部空間小，最小邊長度為100mm左右，無法進行自動焊處理?？绽淦鲝S家制造環節需要結合管箱特點進行加工處理，如采用小空間、長距離處理，也可采用埋弧自動焊、氣體保護焊等操作完成相關加工目的。當下國內空冷制造廠家針對相關問題已經進行了多次試驗操作，結果表明管箱隔板和管板、絲堵板件的焊接操作較為嚴格，為了保證焊透且不焊穿，可借助藥芯焊絲氣體保護焊來進行自動焊接，板子過厚狀況下焊接次數不低于2遍。

對于管箱內部承壓的主焊縫而言，其內部焊縫一般為填角焊縫，與外側焊縫的金屬板材料類似，一般該位置采用埋弧自動焊、二氧化碳氣體保護焊等方法進行操作。前者要求焊劑供給滿足連續化、均勻化、適量化的特點，避免電弧區焊接質量缺陷，同時焊劑氣體需要經過去濕處理來完成相關操作，避免外界水份引入焊劑導致的氣孔缺陷問題。此外，氣體壓力需要滿足適當化的原則，倘若壓力太小，無法保證焊劑穩速前進，輸送均一性較差；反之壓力過大容易導致焊劑被瞬間吹散，還會導致電弧燃燒受到負面影響，引發焊縫氣孔問題。部分設備的加工中，從較高焊接質量要求出發，可能會采用二氧化碳氣體保護焊，借助藥芯焊絲進行處理，該操作成本高，但是焊接質量更具穩定性，相關作業人員在管箱的加工制造中，必須嚴格遵守焊接規范，這是提高焊接質量的必要措施。

此外，外側焊縫的后期處理需引起重視，一般焊縫均需要進行清根操作，保證焊縫區域不會存在未融合部分。操作中需要降低刨偏行為，原因在于這是降低刨穿現象的重要舉措，后期補焊操作的難度極大。因此清根處理后需要借助焊條電弧焊進行兩次操作，然后自動焊完成相關流程。

在管箱主體和端板的焊接操作中，一般采用單面焊具有較高合理性。先用鎢極氬弧焊打底，借助焊條完成后續操作后便可進行裝配。需要相關人員注意：避免焊縫間隙過高引發的危害。在接管法蘭、管箱蓋板間進行焊接操作中個，一般首選單面焊，根部留存2mm距離，焊后根部加工如圖2所示，從而得到全焊透的焊縫形式。

2.4 焊后熱處理

與管箱管板連接的管子需要經過熱處理工序，溫度為675℃，但是對于16MnR材料制備的管箱進行熱處理，建議溫度為620℃。為了提高熱處理合理性，廠家需要在前期對母材進行熱處理試驗分析。一般取板材三塊進行不同溫度、火態的對比。業內已有試驗成果表明，大部分16MnR材料經過兩次熱處理后強度會出現明顯的下降，但是其抗拉強度仍較高。這一現象表明相應熱處理工藝一方面可以滿足管子和管板的焊縫要求，另一方面也可滿足管箱性能要求。

3 管箱制造工藝優化方法

3.1 坡口加工

管箱板料一般會借助機械加工完成相關操作，多數廠家借助刨邊機進行加工。焊接方法對坡口形式具有較高影響。長短法蘭間一般首選對焊處理，氬弧焊打底、手工焊填充等操作。后期檢驗必須保證達到100%RT合格，因此雙面一般可進行坡口的開放處理。在進行管板、底板的加工處理中，可采用二氧化碳氣體保護焊打底、自動焊蓋面的方法；管板和側板間為手工焊打底，氣保焊蓋面。相關坡口形式必須滿足規定化要求，坡口角度誤差不可超過2.5°，同時對應粗糙度上限指標為12.5μm。

3.2 組對焊接

該操作是管箱加工中最為關鍵的步驟，其要點問題分析如下。首先，組對焊操作中的法蘭條，一般需要在鋼平臺表面進行標記處理后方可進行靠模焊接。對于法蘭條而言，長度方向不設置收縮余量，寬度方向余量為2-3mm，因此組隊焊接中可采用2-3mm的不銹鋼板子進行墊接處理，整體法蘭完成組裝工序后再取出墊塊。需引起相關技術人員關注的是，工裝固定完成后方可進行焊接處理，一般選擇對稱施焊處理來避免部件變形問題。多條焊縫的情況下，可采用分散化、對稱化的輪流施焊加工，焊接后及時進行保溫處理，降低硬度突變等引發的質量缺陷問題。務必保證全部焊接均完成工件冷卻處理后方可進行拆除、打磨處理，隨后便可進行無損檢測，一般達到100%RTII級別的標準可認定為是合格品。

3.3 焊接變形問題的解決

考慮到高壓空冷器的管箱中間主要部件是換熱管，連接方法均為焊接，因此管和管板的焊接需要從絲堵板處進行操作，為了降低變形危害，可采用深孔焊處理來完成對應要求。這一環節中最為困難的步驟是焊槍必須可完全通過M30的絲堵孔，進入管板口進行焊接操作。管頭焊接中必須及時添加焊絲方可完成對應工藝要求，這一操作中需要保證焊接強度滿足規范要求。部分空冷器制造廠商為了解決上述問題特意購置了新型機器，即深孔焊機，一般是數控式自動鎢極氬弧焊，該設備對焊絲性能和等級具有較高要求。焊絲直徑不可過粗或過細、剛度、強度等需要在合適范圍內。原因在于焊絲過粗，設備無法將其順利穿過，過細可能不能滿足基本焊接要求，一般選擇直徑為0.8mm的焊絲較為合理。相關操作前務必將管板、管子周邊的雜質、氧化皮、油污等徹底清除。

4 結束語

實踐證明，當下高壓空冷器的制造加工已經初步達到成熟化階段。加強管箱制造工藝中變形問題、焊接質量的控制是重點管理部分。可有效壓縮工期、降低成本，提高整體作業效率。

參考文獻：

[1]曹興軍.空冷器管箱制造工藝的改進[J].山東化工，2014，43（8）：98-99.

[2]王建華.對空冷器管箱制作工藝的探討[J].中國科技縱橫，2012（6）：53.

[3]王紅梅，李浩，杜巖，等.空冷器異性接管的結構設計及加工工藝[J].現代制造技術與裝備，2016（2）：110.