U 形管式換熱器設(shè)計(jì)與制造工藝分析

孔令寶 張士博 劉召磊(山東齊魯石化機(jī)械制造有限公司，山東 淄博 255400)

1 引言

反應(yīng)產(chǎn)物-原料熱交換器(E-101C)是中國(guó)石化股份有限公司齊魯分公司勝利煉油廠石腦油加氫裝置爐前換熱流程節(jié)能改造項(xiàng)目中的重要設(shè)備，換熱器結(jié)構(gòu)采用U 形管式換熱器。

1.1 設(shè)備主要參數(shù)

反應(yīng)產(chǎn)物-原料熱交換器設(shè)計(jì)依據(jù)的規(guī)程是TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，依據(jù)的規(guī)范主要是GB 150—2011 以及GB 151—1999。主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)型式

該換熱器是典型的U 形換熱器。前端管箱與殼體結(jié)構(gòu)相似，由封頭、筒體、設(shè)備法蘭以及接管組成；管束結(jié)構(gòu)為U 形管束。設(shè)備凈重24.76t，總長(zhǎng)8419mm，內(nèi)徑Φ1200mm。該換熱器筒體、封頭材料為S32168+15CrMoR(H)不銹鋼-鉻鉬鋼復(fù)合板，圖紙要求名義厚度均為3+32mm。設(shè)備法蘭材料為15CrMo(H)Ⅳ級(jí)鍛件，且需要堆焊E309L+E347。管板材料為S32168 Ⅳ級(jí)鍛件，換熱管規(guī)格為Φ19×2，材質(zhì)為S32168。

1.3 設(shè)備的技術(shù)特性

該換熱器的特點(diǎn)是操作工作溫度較高、臨氫且處于硫化氫腐蝕環(huán)境，因此對(duì)材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能提出了較高的要求，且制造中的檢驗(yàn)項(xiàng)目繁多，指標(biāo)大多高于標(biāo)準(zhǔn)要求。該設(shè)備制造的重點(diǎn)主要有：材料的檢驗(yàn)與驗(yàn)收；封頭及筒體的成型；設(shè)備法蘭的堆焊；管板的機(jī)加工；U 形換熱管的彎制；換熱管與管板的連接。

2 材料的要求及驗(yàn)收

2.1 基層材料的要求

15CrMoR(H)鋼板、15CrMo(H)鍛件材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能除符合GB 713—2008、NB/T 47008—2010 的規(guī)定外還應(yīng)符合以下規(guī)定。

冶煉方法：采用堿性電爐冶煉、真空脫氣(VCD)或堿性電爐及堿性平爐初煉、精煉爐精煉、真空脫氣等工藝生產(chǎn)的本質(zhì)細(xì)晶粒鎮(zhèn)靜鋼。

交貨狀態(tài)：鋼板以正火(允許加速冷卻)+回火狀態(tài)交貨。

化學(xué)成分：應(yīng)滿足表2 的要求。

力學(xué)性能：模擬焊后熱處理分為最大焊后模擬熱處理(Max.PWHT)和最小焊后模擬熱處理(Min.PWHT)兩種情況。Max.PWHT：675±10℃×9h；Min.PWHT：675±10℃×3h.

晶粒度(Max.PWHT)：晶粒度不低于5 級(jí)。

非金屬夾雜物(Max.PWHT)：鍛件中A、B、C、D 類(lèi)夾雜物均不得大于1.5 級(jí)，且A+C、B+D 均不大于2.0 級(jí)，A、B、C、D 類(lèi)總和不大于4.0 級(jí)。

鍛件的鍛造比應(yīng)大于3.5。

鋼板逐張進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)按JB/T 4730.3—2005,質(zhì)量等級(jí)I 級(jí)。鍛件按JB/T 4730.3—2005 進(jìn)行超聲檢測(cè)，由缺陷引起的底波降低量、單個(gè)缺陷和密集缺陷均為Ⅱ級(jí)為合格。不允許存在裂紋和白點(diǎn)。

2.2 復(fù)合板

復(fù)合板應(yīng)符合NB/T 47002.1 中B1 級(jí)的規(guī)定。復(fù)合鋼板的基層和復(fù)層之間的界面應(yīng)為冶金結(jié)合。用于生產(chǎn)復(fù)合鋼板的坯料，無(wú)論是基層還是復(fù)層均應(yīng)為整張，不宜拼接。奧氏體不銹鋼復(fù)層表面應(yīng)進(jìn)行酸洗鈍化處理。復(fù)合板界面結(jié)合狀態(tài)的要求。復(fù)合鋼板界面結(jié)合部的超聲檢測(cè)應(yīng)在熱處理及校平以后進(jìn)行，且應(yīng)在全面范圍內(nèi)逐張進(jìn)行，探頭重疊部分不得小于15%。

2.3 S32168鍛件的要求

管板用S32168 Ⅳ級(jí)鍛件應(yīng)符合NB/T 47010《承壓設(shè)備用不銹鋼鍛件》的規(guī)定。且應(yīng)按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行晶間腐蝕傾向試驗(yàn)。

2.4 S32168換熱管的要求

換熱管應(yīng)符合GB 13296—2007 中高精度級(jí)冷拔管的要求，不得拼接。換熱管應(yīng)逐根進(jìn)行水壓試驗(yàn)復(fù)驗(yàn)，水壓試驗(yàn)壓力為9MPa。換熱管應(yīng)逐根進(jìn)行渦流檢測(cè)，且應(yīng)做壓扁及擴(kuò)口試驗(yàn)。換熱管應(yīng)按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中方法E 進(jìn)行晶間腐蝕傾向試驗(yàn)。換熱管訂貨應(yīng)按NB/T 47019—2011《鍋爐熱交換器用管訂貨技術(shù)條件》。

3 主要制造要點(diǎn)

3.1 封頭

該換熱器封頭型式：EHA600，名義厚度：δ=3+22mm。按設(shè)計(jì)要求采用整板熱壓成形。封頭的沖壓是一種拉延過(guò)程，金屬材料將會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的變形，導(dǎo)致較大的局部減薄，為保證滿足設(shè)計(jì)要求的壁厚，投料厚度δ=3+36mm，展開(kāi)尺寸為Φ1580mm。封頭熱壓成型后，為恢復(fù)母材性能，需對(duì)封頭進(jìn)行正火+回火熱處理，且封頭熱成型不能替代正火熱處理。其中正火處理要適當(dāng)加快冷卻速度，以細(xì)化晶粒，保證較高的沖擊韌性，滿足圖紙技術(shù)要求。加熱時(shí)有儀表曲線記錄，控制加熱爐內(nèi)的P、S 含量。正火熱處理工藝：熱處理保溫溫度910～930℃，升溫速度55～170℃/h，保溫45min，降溫為環(huán)境溫度＜10℃時(shí)空冷，≥10℃時(shí)噴霧。回火熱處理工藝：熱處理保溫溫度660～680℃，升溫速度55～170℃/h，保溫80min，降溫空冷。封頭成型后，應(yīng)按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)圖樣的要求進(jìn)行外觀質(zhì)量、尺寸及形狀檢查以及超聲波檢測(cè)。封頭驗(yàn)證試板在模擬熱處理后，進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)。

3.2 筒體

筒體共分3 節(jié)。筒體的制作工藝流程為：下料—刨邊—卷制—組對(duì)—焊接—單節(jié)校圓—探傷—筒體與筒體、筒體與法蘭環(huán)縫組對(duì)—焊接—探傷—開(kāi)孔與接管D 類(lèi)接頭焊接—D 類(lèi)接頭檢測(cè)合格。

筒體質(zhì)量控制要求：復(fù)層錯(cuò)邊量≤1mm；棱角度≤5mm；兩端周長(zhǎng)3990+5mm；圓度≤5mm。

殼體、封頭復(fù)合鋼板的A、B 類(lèi)焊接接頭應(yīng)先焊基層后焊復(fù)層。當(dāng)從復(fù)層一側(cè)焊接基層時(shí)，要嚴(yán)格防止復(fù)層金屬滲入基層焊縫中。尤其是縱縫兩端部附近的復(fù)層焊縫(T 型焊縫處)必須在環(huán)向基層焊縫焊完后再焊接。復(fù)合鋼接管與設(shè)備殼體組焊時(shí)，應(yīng)使接管端部與殼體復(fù)合板界面齊平，先焊接基層再焊接過(guò)渡層和復(fù)層，焊接復(fù)層時(shí)應(yīng)將管端部堆焊成形。

3.3 管板

該換熱器管板材料為S32168 Ⅳ級(jí)鍛件，管板主要技術(shù)要求：管板鉆孔應(yīng)從管箱側(cè)起鉆。鉆后終鉆側(cè)(出鉆)100%檢查孔橋?qū)挾龋?00%孔橋?qū)挾炔坏玫陀?.6mm；管孔應(yīng)嚴(yán)格垂直于管板密封面，其垂直度允差為0.1mm,孔表面不允許存在貫通的縱向條痕。管板要求的精度比較高，厚度也比較厚，管板加工采用數(shù)控鉆床劃線鉆引孔，配合搖臂鉆孔加工。管板加工工藝流程為：車(chē)—?jiǎng)澗€—卷制—鉆孔、倒角、攻絲—銑隔板槽。

3.4 U形管

U 形管彎制具體步驟如下：冷彎。彎管段圓度偏差不得大于1.9mm；U 形管在彎制過(guò)程中圓度已不難控制，但是由于回彈，往往彎制后的實(shí)際彎曲半徑增大，造成穿管困難，甚至無(wú)法穿管。因此，應(yīng)掌握好回彈規(guī)律，嚴(yán)格控制回彈。在制作彎管模具時(shí)，應(yīng)該制作的偏小一些，從而使彎制后的尺寸符合圖紙要求。

對(duì)彎管段及至少300mm 直邊段進(jìn)行固溶處理，固溶溫度1050～1100℃；對(duì)彎管段及300mm 直邊段打硬度，硬度HRC 不大于22；逐根單管水壓試驗(yàn)。P=9MPa，保壓時(shí)間不小于15 秒；對(duì)靠近管板中心的3 排換熱管按JB/T4730 進(jìn)行100%PT，I 級(jí)合格。

4 結(jié)語(yǔ)

我公司嚴(yán)格按照工藝方案進(jìn)行施工，成功地完成了該設(shè)備的制造。本文介紹了不銹鋼復(fù)合板-不銹鋼換熱管這一種U 形換熱器，其他相同類(lèi)型設(shè)備的制造也可以參考。