甲醇裝置中間換熱器的制造

丁健

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

甲醇裝置中間換熱器的制造

丁健

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京 100011)

本文根據中間換熱器的主要設計參數及制造過程，綜合論述了該設備的主要制造工藝、檢驗和試驗關鍵點，對該設備的制造難點及解決方法做了詳細的闡述，并重點介紹了組裝過程。

換熱器；制造；組裝

換熱器在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業生產中，常常用作把低溫介質加熱或者把高溫介質冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業成本降低，提高效益。管殼式換熱器使用尤為廣泛，最常用的有三種型式，固定管板式、浮頭式和U形管式。該設備是一種立式浮動式換熱器，與普通浮頭式換熱器的區別在于管程出口端固定，進口端浮動、浮動端與殼程之間采用盤根密封 。設備總重：59500kg。

設備規格：φ1500mm×(54+4)mm ×13450mm。

1 中間換熱器技術參數及結構介紹

1.1 主要技術參數（如表1）

表1 設備的主要技術參數

1.2 結構

由于該中間換熱器工作壓力高（8.99（殼）/8.64（管）），工作介質中度危害，易燃易爆（H2，CO，CH4O），殼程和管程材質不一樣（，熱膨脹系數不一致，綜合考慮多種因素及工藝要求，該設備與普通浮頭式換熱器在結構設計上有很大區別。如圖1所示，該設備結構自上而下部件依次是上球形封頭、上管板、殼體、換熱管、折流板、下管板、蝶形封頭、下球形封頭、三通及裙座等。由于工作壓力高等要求，在管板與封頭及筒體的連接形式上也有不同。管束上管板與筒體及上封頭采用焊接形式連接，詳見圖2。管束下管板與蝶形封頭同樣采用焊接形式連接，且在殼體內自由浮動。管束蝶形封頭上的接管與筒體三通自由滑動，通過盤根進行密封。這也是設備管程與殼程采用差壓設計的主要原因。

圖1 中間換熱器結構

圖2 管板與球形封頭和殼程焊接示意圖

1.3 材料

主要構件材質如表2。

表2 材料牌號及標準

2 中間換熱器制造難點及解決方案

2.1 難點

（1）該設備管束長8986mm，折流板間距475mm，殼體壁厚（54+4）mm。殼體的不圓度和不直度，筒體內徑過大引起的縫隙不勻，會引起殼體介質的短路而影響殼程的換熱系數和換熱器的總傳熱系數，并且直接影響管束的裝入和抽出的順利程度。因此控制殼體的圓度和直線度不超標，符合設計及規范要求，是設備制造過程中的第一個難點。（2）管束下端接管A2與三通為滑動結構，采用盤根密封，設備的同心度決定了管束接管與三通間的間隙是否均勻，間隙不均既不利于接管與三通的自如滑動，也影響盤根的安裝，進而不能保證密封要求。因此控制管束與殼體同心度，是設備裝配過程中的第二個難點。（3）該設備高溫高壓，且介質易燃易爆，對設備的焊接要求及檢測要求較高。采用何種裝配順序，如何合理布置焊縫，既能滿足設計圖紙要求，又能方便無損檢測，保證設備質量是設備制造過程中的第三個難點。

2.2 解決方案

（1）筒體加工直線度和橢圓度控制。該設備直徑（φ1500mm），厚壁復合板（54+4）mm。本節主要從板材下料、縱/橫縫加工、筒節組對等幾個方面進行闡述，具體如下：①板材下料：在計算長度時，考慮復合板的碾長量和焊接收縮量，主要是保證筒節直徑和筒節的高度精度，控制在設計或規范允許誤差范圍內；要求板材對角線尺寸差不大于1.5mm，主要是控制板材卷制后筒節上下端面的水平度，保證筒體組對過程中的垂直度。②筒體縱縫加工：坡口采用機械加工，一是保證了下料尺寸的精度，控制筒節直徑在允許誤差范圍內；二是保證焊縫的直線度，利于自動焊，確保焊接質量；三是確保坡口表面檢測合格，坡口表面采用著色+磁粉探傷。③筒體環縫采用V形坡口，坡口采用機械加工，和縱縫一樣，同樣是為了保證坡口加工質量、加工精度和保證自動焊。計算筒節高度時考慮焊接收縮量，組對時以筒節環縫鈍邊為基準，控制環縫錯邊量，要求不大于0.5mm。④板材卷制：筒節在卷制過程中，一是盡可能減少卷制的次數，控制碾長量；二是縱縫的錯邊量和棱角的大小，主要是由于卷制的質量引起，而且錯邊和棱角會造成筒體應力分布的不均勻性，從而給設備運行過程埋下隱患。因此在復合板卷制過程中，橢圓度不超過3mm，錯邊量不大于0.5mm。⑤接管組對：接管組對是為防止接管焊接影響筒體向內收縮，在接管附近和筒體兩端設防變形卡具支撐，防變形卡具需在筒體部件3與管板組對完畢再撤掉，保證筒體橢圓度不超標。

（2）設備制造分段方案及要求。由于該設備屬于III類壓力容器，操作條件高溫高壓，且結構特殊，殼體材料又是復合板，圖紙要求“殼體（復合板部分）、接管、吊耳、下封頭、裙座與筒體的過渡段，上封頭與接管A1一起進行熱處理，A、B類焊縫100%RT+100%UT。管束、管板、蝶形封頭及不銹鋼鍛件不做熱處理”，綜合考慮了焊接、檢驗、熱處理、水壓等多種因素，最終確定將設備分成四大部件制造完成后，再進行最終組對。詳見圖1部件劃分示意。部件1由裙座過渡段、筒體下段（含接管B2，B3）、下球形封頭和三通組成，部件2由筒體及筒體吊耳組成；部件3由接管B1和上部筒節和上管板組成；部件4由上球形封頭和接管A1組成。各部件具體制造要求如下：①部件1組裝：第一，下封頭外協，熱成型并進行熱處理，坡口采用機械加工。第二，組對筒體與下封頭，焊接，探傷，放接管位置線，開B2、B3接管孔，組對并焊接接管B2、B3，探傷。第三，組對三通與下封頭，放線，開孔，焊接，檢驗。第四，組對裙座上段與設備筒體、下封頭和三通的組合件，焊接，檢驗。全部組對完成后，和其他部件一起進爐熱處理。②部件2組裝：第一，組對筒節，組對過程中要控制組對的直線度及總長度，焊縫進行探傷；第二，吊耳及其墊板，焊接，檢驗。與其他部件一起進爐熱處理。③部件3組裝：號上段筒體接管孔線，切割開孔，組對接管A2與筒體焊縫（采用防變形工裝支撐筒體，熱處理完畢再撤掉工裝），檢驗，筒體與接管部件和其它部件一起進爐進行熱處理。組對筒體與上管板環縫，焊接，探傷，局部進行熱處理。④部件4組裝：上封頭外協熱成型，熱處理，機加工坡口（端部坡口和接管坡口），探傷，堆焊端部不銹鋼，探傷。組對接管A1與上封頭，焊接，檢驗，上封頭與接管部件和其它部件一起進爐進行熱處理。各部件熱處理工藝曲線見圖3。⑤部件1-4各自組裝完畢，檢驗、探傷、熱處理合格，待組對；組對部件3與換熱管、折流板、支撐板及下管板，管子與管板先焊后脹的方法，GTAW焊接一遍。管子與管板組對焊接時，嚴格執行安裝工藝，保證管頭與管板脹接部位的清潔，焊接時嚴格按照焊接順序，先焊接四周定位焊，防止焊接過程發生內焊接變形和管束扭曲。再按焊接工藝對稱焊接管子。⑥組對部件2與部件3合攏縫1，詳見圖4，焊接，檢驗，然后組對工裝筒體與部件2環縫（由于該設備為立式浮頭式換熱器，為保證管頭的空氣泄漏試驗，同時不損傷設備母材，尤其是主體材料及管板，減少打磨工作量，因此設計了一套管頭泄漏工裝，其與管板連接處為活動結構，詳見圖5節點Ⅰ），檢驗合格后，組裝工裝法蘭、O型密封圈、試壓螺栓、螺母及法蘭壓蓋，然后管頭氣密進行0.5MPa空氣檢漏，待管頭檢漏合格后，管子與管板GTAW焊接第二道，然后管頭進行100%PT檢測，探傷合格后，進行殼程1MPa水壓試驗，檢驗管頭焊接質量。⑦組對焊接上球形封頭與上管板，橢圓封頭與下管板，檢驗合格。管程水壓試驗（壓力≤1MPa），檢查焊縫及換熱管，詳見圖5。拆除試壓工裝，切割時嚴禁切割到設備本體，并加工坡口，100%PT檢測合格。⑧組對合攏縫2，組對過程中，利用筒體內壁管板處的八塊定位板和工裝找準中心，使管束接管與三通同心，四周間隙均勻，焊接過程中觀察焊接變形。焊接完畢后，鉗工進行接管與三通處的盤根安裝，盤根安裝完畢后，殼程再次進行1MPa水壓試，檢查三通與接管處的密封，見圖1。⑨組對裙座下段筒體及其余附件。裙座下段筒體組對時，需確保裙座筒體與設備整體同心度和同軸度滿足設計和規范要求，因為該設備是立式設備，裙座不正，將不能保證設備安裝的垂直度，進而影響設備本體的配管。

（3）裝配方案中合攏縫不能滿足設計圖紙要求的“A、B類焊縫進行100%RT+100%UT”，因此在確定裝配方案前，已經過設計的書面確認后，對設備合攏縫的無損檢測方案進行調整。焊后進行TOFT檢測，Ⅰ級合格，技術等級為C級；焊后表面100%PT，Ⅰ級合格。焊接前，焊縫進行100%PT檢測合格，先進行復合層焊接，PT檢測合格，再進行基層的焊接。嚴格按照焊接工藝卡進行焊接，每一道工序嚴格檢查，確保焊縫質量一次檢驗合格。

圖3 熱處理曲線

圖4 殼體合攏縫坡口示意圖

3 焊接質量控制

焊接過程中，除通過對焊縫進行無損檢測和熱處理保證焊縫質量和消除焊縫應力外，焊縫余高和焊縫咬邊的控制非常重要。焊縫余高雖然對最后一層焊道具有保溫與緩冷作用，且有利于消除焊接應力，改善焊縫組織、性能及成形質量，但如果焊縫余高過高，則會造成應力集中。如日本經疲勞試驗發現的裂紋均產生于余高邊 緣，打磨余高與未打磨余高的焊縫，兩者比較，其疲勞壽命提高2.1倍。焊縫咬邊不僅減少焊縫承載面積，也同樣會超成應力集中，如果材料延塑性不足而不能進行局部應力再分布，則此咬邊就會成為裂紋的起點。該設備材料強度級別較高、材料厚度較大，因此對咬邊控制更加嚴格。

4 結語

采用合理的工藝措施，嚴格控制筒體、三通、球形封頭、橢圓形封頭、裙座等零部件尺寸，在裝配和檢驗過程中采用浮頭試壓工裝、定位工裝等措施，過程管頭氣密試驗、殼程水壓試驗、管程水壓試驗，全部制造完畢后，再進行整體水壓試驗，檢驗設備管程、殼程之間的密封性能和設備強度，保證設備在生產過程中的安全運行。

近年來，隨著煤化工、石油化工裝置越來越大型化和化工設備的深入研究，管殼式換熱器不僅向著大型化的方向發展，而且在設計結構上也有了許多新的突破，這就為換熱器的制造提出了更高的要求，因此在材料選用，焊接工藝制定，設備裝配工藝選擇上，要更加嚴格，嚴格質量監督和檢查，保證設備質量合格。

TG457.11

A

1671-0711（2017）07（上）-0141-04