大直徑立式換熱器大噸位管束制造

鄭紅果 魏劍平

（1.新疆蘭石重裝能源工程有限公司；2.中特檢檢測科技（北京）有限公司）

近年來， 我國石油化工和煤化工發展迅速。隨著化工企業產業升級， 為追求最佳的經濟規模，裝置的規模大型化促使化工設備向著大型化的方向發展［1］，設備零部件的成型、加工、焊接、熱處理及無損檢測等制造難度加大，這對制造廠的制造能力也是一種考驗，不僅要求制造設備能力配套到位， 而且產品制造工藝技術也需要提升，通過不斷優化傳統制造工藝，尋求更高效更合理的設備制造方案。

1 設備概況

為某化工企業制造的一臺荒煤氣綜合利用年產40萬噸乙二醇項目加氫反應器（圖1），主要由上下球缺形封頭、筒體、接管法蘭、管板、折流板、換熱管及裙座等零部件組成。

圖1 加氫反應器結構簡圖

加氫反應器的設計參數和主要受壓元件材料 見表1。

表1 加氫反應器的設計參數和主要受壓元件材料

2 關鍵制造技術

設備內徑4 400 mm，單臺總質量225 t，換熱管5 686根，管束部分質量約147 t。 大直徑立式固定管板式換熱器的制造，尤其是大重量管束部分的制造， 不僅對制造廠的生產設備能力要求高，而且對制造工藝技術也是一種考驗。

2.1 主要零件制造

大直徑立式換熱器管束的制造過程中堆焊管板的堆焊變形控制、 加工平面度及精度控制，管板與折流板管孔的同心度控制，管頭焊接及脹接對管板的變形控制，殼程筒體長度控制及管束裝配工藝順序等都是影響管束制造質量的關鍵環節［2］。

2.1.1 管板

管板結構簡圖如圖2所示。 在管板管程側4 300 mm長度范圍內堆焊8 mm（其余部位堆焊6 mm） 厚的不銹鋼層 （過渡層E309L+表層E308L）。 管板采用埋弧自動焊（SAW）進行堆焊，根據NB/T 47014—2011［3］進行焊接工藝評定。 堆焊工藝參數見表2。

圖2 管板結構簡圖

表2 焊接材料和焊接工藝參數

大直徑管板堆焊后產生的變形量較大，借鑒參考文獻［4］，對于外徑4 845 mm、厚度190 mm+6.5 mm的管板，在管板制造過程中要著重考慮反變形措施， 訂料時實際待堆焊面預留約10 mm的余量，堆焊后采用萬噸油壓機進行校平。 因制造設備能力有限，缺少大噸位校平設備，因此該管板在訂貨時的實際尺寸如圖3所示， 堆焊側坯料加工后預留15 mm的外凸余量， 同時配對兩件管板背向連接（圖4），采用限位法來減小焊后變形量［5］。

圖3 管板粗加工圖

圖4 配對管板限位變形

2.1.2 折流板

折流板共7件，包括兩種結構，分別為4件外圓環和3件內圓盤， 相互間隔裝配， 折流板間距570 mm。 外圓環和內圓盤均采用厚26 mm的鋼板制造。外圓環外徑為4 390 mm，內徑為2 400 mm；內圓盤直徑為2 800 mm。由于殼程筒體為板卷制造，根據GB/T 151—2014［6］的要求，本設備圓筒同一截面的最大內徑與最小內徑之差不應大于圓通斷面公稱直徑的0.5%，即22 mm，因此折流板的外圓尺寸應按照實測筒體內徑在車床進行精加工，以保證折流板能夠順利裝入筒體。 折流板的制造難點主要是管孔同心度的控制，折流板制造中采用數控鉆床單件鉆孔，這樣容易造成外圓環折流板與內圓盤折流板管孔同心度有偏差，而管板制造時采用TBT深孔鉆進行鉆孔［7］，故要求管束組裝前檢測折流板與管板管孔的同心度 （圖5），對于局部誤差較大的管孔應進行二次修孔。

2.1.3 殼程筒體

換熱管選用的是φ45 mm×2 mm的S22053雙相不銹鋼無縫鋼管。 由于換熱管為進口產品，價格昂貴，因此采購時換熱管附加余量有限，故要求殼程殼體制造中要嚴格控制整體尺寸，不得出現換熱管無法伸出管板的現象，也要盡量減小穿管后管頭的加工余量。

設備制造過程中，換熱管長度預留的工藝余量為20 mm， 經測量管板加工后管程側平面度誤差為+3 mm， 考慮到管板與殼程筒體焊接并熱處理后會再產生外凸變形，因此在殼程筒體制造時要求長度按-15 mm的公差控制。 此外，大直徑殼程筒體的縱環向焊接接頭在焊接時要注意棱角度的控制［8］。

2.2 管束裝配制造

由于管束部分重量較大， 管子數量較多，而且折流板結構獨特， 導致傳統換熱管盲穿工藝［9］或管束裝配后套入殼體的制造工藝均無法滿足制造要求。 因此必須調整制造順序，保證產品制造質量。

經過多次論證，最終選擇在殼體內部搭建管束骨架的制造工藝。 具體操作如下：

a. 裝配固定管板與殼程筒體之間的環縫，按照表2參數施焊。 為減小焊接變形，先采用鎢極氬弧焊打底，再采用焊條電弧焊焊接至埋弧自動焊可施焊深度，最后采用埋弧自動焊蓋面。 環縫按照NB/T 47013.1～47013.13［10］進 行TOFD+UT+MT檢測，并采用電加熱進行PWHT熱處理［11］，在熱處理時筒體內側采用工裝固定管板，以盡量減小熱處理變形。 PWHT并檢測合格后， 測量管板平面度。

b. 殼體內搭建管束骨架， 圖6所示為折流板采用工裝聯接并利用天車配重安裝的現場情況。裝配過程中折流板下側采用墊塊調節折流板與筒體之間的間隙，以保證管孔的同心度。

c. 在筒體內穿管（圖7），管頭安裝柔性錐形導引頭輔助穿管［12］，出現卡頓時人員可從折流板缺口處進入進行調整。 穿管時應留出從人孔到活動管板之間的空隙，便于后續制造過程中人員出入。 此外也避免了焊接時焊瘤焊渣附著在換熱管上。

圖7 穿管

d. 裝配活動管板，調整焊縫間隙，采用拉筋板固定連接。 為避免活動管板焊接變形，兩側管板采用多根工藝拉桿兩端安裝雙螺母均勻固定聯接。 焊接過程中應采用小電流施焊（按照表2參數），避免管板產生較大變形。 焊后人員通過人孔進入設備內部清理焊接產生的焊瘤焊渣等雜物。環縫的無損檢測及熱處理與固定管板側環向焊縫的工藝要求一致。

e. 從活動管板側引出換熱管，并調整伸出長度以滿足圖紙要求。 一側管板與換熱管點焊固定，余量留在另一側采用移動鏜床加工去除。

f. 管頭焊接采用手工氬弧焊（按照表2參數），焊接時要求兩側管板同時分區對稱焊，避免出現焊接過程中收縮變形的現象，導致另一端無法伸出管板［13］。

為保證管頭焊接質量，設備設計圖樣要求換熱器與管板的焊接接頭需進行RT檢測（圖8）。 為此， 首次引進陽極棒X射線技術對管頭進行無損探傷［14］。 根據GB/T 151—2014，該設備的管頭連接選擇強度焊+貼脹， 因此管板與換熱管采用柔性脹接進行貼脹脹管，根據評定液壓脹管壓力為170 MPa，脹管時間為每根10 s。 管束部分的水壓試驗應符合GB/T 151—2014和GB 150.1～150.4—2011［15］的相關規定。

圖8 管頭RT檢測

3 結束語

通過對大直徑立式換熱器管束的制造，一些關鍵技術如大直徑厚壁堆焊管板的制造加工技術、大直徑管束裝配工藝技術、大厚度管板與換熱管管頭的射線檢測技術、高強度雙相不銹鋼換熱管與管板的管頭焊接技術等都得到創新和優化， 特別是管頭陽極棒射線檢測技術的首次使用，極大地提升了制造廠的制造能力，為后續類似產品的制造積累了寶貴經驗。 同時，化工裝置的大型化也促使制造廠不斷提升自身的制造能力（包括制造設備能力的提升、制造工藝的創新優化、先進制造技術的引進），以適應行業的快速發展。