超高壓套管換熱器更新制造工藝研究

耿煥然

北京燕華工程建設有限公司 北京 102502

超高壓套管換熱器是某高壓聚乙烯裝置的主要換熱設備之一，一線、二線及三線共9 臺。每臺設備總重15t，長×寬×高為10m×1m×4m，由22 支套管式超高壓直管組件及21 支U 型超高壓彎管通過超高壓螺紋法蘭、錐型墊、高壓螺栓等連接而成。超高壓內管規格為Do/ Di=φ60.5/ φ25mm，外套管規格為φ108mm×6mm。每臺設備超高壓管總長達210m。設備主要設計參數見表1。

表1 超高壓套管換熱器設計參數一覽表

1 更新制造工藝要點

1.1 換熱器運行情況

由于設備運行時間已達20 年，加上水質等方面原因，某高壓聚乙烯裝置在用的9 臺超高壓套管換熱器本體腐蝕十分嚴重，內管已出現多處裂紋，為了運行安全必須對其進行更換。2019 年6 月，對腐蝕最嚴重的二線的3 臺設備首先進行了更換。2019 年9 月，開始籌備更換一線及三線的6 臺設備。此次更新在原1999 版圖紙的基礎上，吸納了新標準，采用了新材料和新技術，在水質不能有效改變的前提下，對換熱器重新設計制造，并做了部分修改。

1.2 更新設計修改內容

（1）鑒于AISI4340 鋼在高壓聚乙烯裝置上的應用越來越少，因此對超高壓內管材料進行改變，采用目前國際通用的AISI4333M4 鋼材[1]，這樣材料在各方面性能上可提高15%左右。二線更新時已采用國產化小口徑超高壓管，但使用中發現其氣動聲音大，分析原因是超高壓管內表面粗糙度過大。另外，2020 年5 月發現二線有一根套管組件泄漏，此時運行還不到一年，拆下來對管子剖析檢查發現有夾渣類缺陷。此次更新制造工期允許，因此對一、三線的6 臺設備采用國外進口的超高壓管材。雖然成本略高，但超高壓鋼管質量較好，也能和二線對比以查找原因。

（2）為改變超高壓管表面的應力腐蝕問題，采用超高壓管表面套銅管的辦法，使超高壓管表面徹底與冷卻介質隔絕，減輕超高壓管表面的腐蝕。

（3）改變原設備的十字調心環型定心結構形式，采用目前國際上通用的三點定心銷型結構。這樣不僅結構簡單，而且可以減輕8m 長超高壓管因定心不好而產生的振動問題。但在使用單位的要求下，內外管的定心改為兩點定心銷加一點可調螺釘的定心形式。

（4）適當地改變填料箱的結構形式和過盈量，將兩端的填料箱形式改為一端凹凸面、一端光面的結構，以改善外套管的受力情況[1]，同時增加填料箱的可靠性。

（5）為改善振動問題，將原有鋼結構設計加粗加厚，并對彎管增設加固結構。

2 制造總體要求

由于設備在超高壓條件下工作，所以在材料、制造、加工和裝配上要求較高而且嚴格。

（1）超高壓管材料牌號為AISI4333M4，管子入廠后首先要到具有國家級檢驗資質的單位進行材料復驗，復驗其化學成分、機械性能等指標；入廠后要逐根檢查尺寸和直線度，逐根檢查內外表面質量。

（2）由于高溫高壓的工作條件，對管子的操作要求也很嚴格，不得采用熱切割、熱彎和熱矯，且管子成品上不得留有劃線沖眼。

（3）吊裝必須使用尼龍吊裝帶，嚴禁使用鋼絲繩等金屬制品。吊裝時應有兩個捆綁點。在起吊、搬運、堆放及加工過程中，熱套面、螺紋、錐孔及端面不得有任何碰傷和劃傷。

（4）管子加工前應目視檢查，確保沒有明顯機械損傷或腐蝕損傷。若有缺陷，應按規定方法進行打磨處理。

3 技術保證

在2019 年9 月接到提交材料計劃的任務后，項目組就開始進行準備工作。技術人員重新編制了各主要工序的制造工藝，采用大量工藝記錄表格來記錄制造過程的原始數據，對關鍵環節的制造過程進行質量控制。這些記錄表包括超高壓直管、彎管下料記錄表，超高壓直管機械加工質量檢查記錄表，超高壓彎管機加工質量檢查記錄表，超高壓彎管彎制質量檢查記錄表，超高壓管內孔清理記錄表，超高壓管熱套面及填料箱配合面尺寸檢查記錄表，設備排列圖及組裝記錄圖表，外套管單根壓力試驗記錄表，超高壓套管換熱器試壓記錄表等。這些記錄均以每根超高壓管入廠時唯一不可變更的鋼印標識即管號作為依據，對制造過程的每一數據進行詳細記錄和控制。由于每根管的熱套面加工尺寸不同，與所配合的填料箱是一一對應的關系。這些記錄表按管號編制，保證實際操作中不易出錯。在設備排列圖上詳細標記管子的組裝位置，按管號即可查到加工、組裝等過程的數據，確保設備制造過程和結果的可追溯性。

4 制造過程

換熱器設備的制造內容主要包括：超高壓內管加工；外套管預制以及填料箱、定心銷等零件加工；超高壓彎管制造；超高壓法蘭加工；超高壓錐型墊圈加工；超高壓內管與外套管組裝；單根外套管試壓；鋼結構制造；設備組裝；超高壓彎管加固結構安裝；成套設備壓力試驗。

4.1 超高壓管的加工

為了防止超高壓管外壁受到介質腐蝕，超高壓直管采用套銅管。套銅管的防護效果取決于銅管的質量、套銅過程的變形量、套銅管的密實度、厚度的均勻性和夾層間的清潔程度。套銅層的最終厚度不小于2.0mm。銅管材料為紫銅，應符合ASTM B75、UNS C1220 或DIN 1787 SF- Cu 無縫冷拔退火銅管的要求[2]，且目視檢查不得有破口、裂紋、壓傷等可見缺陷。

超高壓管材料硬度較高、塑性和韌性很強，導熱性差，在加工過程中不易斷屑，容易粘刀，造成刀具磨損，影響表面質量，這給機械切削加工造成了很大難度。超高壓管各個部分的加工要求很高[3]，每根管的成本也很高，加工面的表面粗糙度要求不超過Ra0.8μm，最好達到Ra0.4μm。針對這些特點和要求，選用了精度非常高的數控切削設備來保證加工質量。其加工工藝路線為：裝夾→粗、精加工端面→粗加工密封面→粗、精加工外圓面→粗、精加工管螺紋→精加工密封面。

超高壓管各個加工部分之間的位置精度要求也很高，在加工過程中定位基準必須統一。在加工裝夾時，以內孔軸線為基準，用百分表校準找正，使工件和主軸同軸度誤差≤0.04mm。

超高壓管的直管長8m，為了在加工時能保持高速平穩旋轉，采用了彈性浮動支架。即裝夾時，用四爪卡盤夾住加工端外圓，機床以外的超高壓管部分用兩個彈性浮動支架支撐。此種支架能有效減震[3]，使加工非常平穩，工件轉速最高可達到300r/ min。螺紋加工后用螺紋極限量規檢查，通規通過螺紋全長，止規擰進不超過兩扣。

超高壓管加工后，用中性溶劑清洗內壁至無污漬，然后涂白油保護；管端螺紋安裝鑄鋁管帽以保護螺紋及內孔；已加工好的熱套面用紙包緊，以防碰傷。

4.2 超高壓彎管制造

超高壓彎管采用冷彎。在彎管機上安裝與管徑相應的彎管胎具、鉗口夾塊，找準起彎點，通過調整機床控制彎管半徑及彎管角度，保證彎管尺寸。由于管子彎制后鋼管有伸長，因此管子下料長度不能按彎管展開理論值計算，應減去彎管伸長量。在加工管端螺紋前必須通過彎曲試驗找出彎管伸長量數據，然后才能確定管子下料長度及管端螺紋加工后長度。

考慮到彎管回彈，首先要通過彎曲試驗，找準起彎點，以確定鉗口位置，設定彎管機角度。彎后尺寸滿足表1 要求，不允許L2 小于L1。當(L2- L1)＞+8mm 時，可采用專用胎具進行調整[4]。管子彎曲后不得回彎。首件彎曲時，用游標卡尺及超聲測厚儀測量彎管前后各測量點的外徑及壁厚，計算出外徑橢圓度和壁厚減薄量。最大外徑橢圓度不應超過公稱外徑的1.5%，最大壁厚減薄量不應超過公稱壁厚的4%。

表1 彎管尺寸要求

5 超高壓內管與外套管組裝

早在超高壓管入廠前，外套管部分就先按圖紙進行了預制，焊接好了三通、法蘭，鉆好定心銷孔并焊接定心銷。為了找正法蘭位置，專門制做了組對支架，此組對支架升角與設備相同。在超高壓內管加工完成后按圖紙穿管，穿管前要再次檢查超高壓管套銅，確保外表面沒有損傷，熱套面沒有油污灰塵。在支架上放置預制好的外套管（沒裝定心銷的一面向下），采用專用的穿管工具，使高壓管能沿外套管內壁順利滑入。找正位置后，將事先加熱好的填料箱套入，套入時注意不得碰傷螺紋及密封面。由于套銅管的傳熱速度較快，安裝填料箱時必須快速、準確、一次到位，因而特別制作了定位模板來輔助安裝。待填料箱自然冷卻后按圖精確找正水套法蘭的位置，并點焊填料箱與三通的接口[4]。再套裝另一端的填料箱，找正法蘭后點焊，安裝可調定心銷。將各焊縫用氬弧焊施焊完畢，在填料箱內按要求裝入碳纖維盤根，裝上填料壓蓋并緊固壓蓋螺母。組裝完成后，還要進行單根水壓實驗。

6 設備組裝

將套管組件按圖紙要求在鋼結構上進行連接。首先取下管帽，目視檢查管內無雜物，管端面無損傷；管端螺紋上涂抹適量Molykote 1000 潤滑劑，輕輕旋入超高壓法蘭，要求法蘭凹臺面與內管端面齊平；超高壓螺栓、螺母上也要涂抹Molykote 1000 潤滑劑，錐形墊片上涂抹硅脂，墊片與法蘭保持同心，找正后用手把緊；然后測量上下左右四個方向的法蘭間距，兩法蘭面的距離差最高不得超過0.7mm，最好小于0.5mm；因為是6 條螺栓，采用三角形對稱把緊[4]，把緊后測量螺栓伸長量，螺栓伸長量在0.10～0.20mm 時把緊力足夠，把緊力矩約為350～550N·m。

7 整臺設備的壓力試驗

先進行內管壓力試驗，再進行外管壓力試驗，以下以內管的壓力試驗為例進行說明。由于設備內管試驗壓力高達350MPa，對壓力試驗系統要求可靠性高，升壓、卸壓安全。同時，為加快試壓速度，應有低高壓切換。壓力試驗系統示意圖見圖1。

圖1 超高壓內管試壓系統示意圖

其中三通、壓力表三通、二通、彎頭和截止閥均為1000MPa，兩止回閥為1/ 4″VOT- 400S，連接管為1/ 4″超高壓管。所有的管與管件、閥門的連接均為墊連接，即1/ 4″管兩端加工成左旋螺紋加上鎖母，配合大螺母加上墊再與管件連接，這樣可以省去加工管的時間。試壓時為節省注入時間，首先用低壓泵注入試壓介質，低壓泵為60MPa、40L/ h 的注入泵。當設備注滿且壓力達到40MPa 后，關上截止閥。升壓時開啟超高壓泵，由于超高壓泵不允許帶壓啟動，對超高壓泵增加了卸壓系統，即打開截止閥超高壓泵入口壓力為零，而試壓設備本身因有單向閥而不會降壓。卸壓系統采用兩個截止閥加一個三通，最外面一個截止閥為備用，基本是全開的，當卸壓后如果上面的截止閥密封不住，再使用該備用截止閥。在三通出口處加了卸壓緩沖裝置，以減輕卸壓時高壓對閥芯的沖刷，增加試壓的成功率[5]。

嚴格按照安全操作規程進行進行壓力試驗。壓力試驗全過程不但要自檢，而且要邀請高壓車間代表共同檢查。內管試壓介質為正烷烴Lp- 14（白油），外管試壓介質為水。內管試驗由于是超高壓，試驗壓力應分級上升，每級升壓50MPa，保壓5min；升至規定試驗壓力后保持30min；卸壓時,每級降壓100MPa，保壓5min[5]；試壓合格后，將管內介質排盡，用壓縮空氣將內部吹干，然后在內管內部充氮氣保護，并將氣體出入口用管堵密封。

8 結語

目前一、三線的6 臺設備均已制造完成，并已平穩運行一年多時間。但有兩點有待設備運行過程的檢驗：

（1）兩點定心銷加一點可調螺釘的定心形式，可調螺釘所在的管箍密封用的橡膠石棉墊片有可能經受不住長期冷熱溫度變化而發生泄漏，可能要定期更換墊片，不如三點定心結構可靠；

（2）彎管加固部分按照圖紙要求制造，加固后的整臺設備與鋼結構連為一體，在高溫下內管的受熱膨脹會受到制約，甚至造成結構框架變形。解決方法是在設備安裝后將一端彎管加固部分的槽鋼切斷，使其與主體鋼結構分開。