朱生萍 王軍杰 賈小斌 張 凱 李義民 王志剛 周彩云

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司 甘肅省壓力容器特種材料焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地)

φ1800mm螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的制造①

朱生萍 王軍杰 賈小斌 張 凱 李義民 王志剛 周彩云

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司 甘肅省壓力容器特種材料焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地)

介紹了φ1800mm螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的構(gòu)造與主要技術(shù)參數(shù)，介紹了該換熱器的制造難點(diǎn)、性能檢測(cè)結(jié)果與分析、最終焊后熱處理及耐壓試驗(yàn)等，最終成功制造出了我國首臺(tái)直徑最大的螺紋鎖緊環(huán)式換熱器。

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器 國產(chǎn)化

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器是石油化工裝置中最常用的一種設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、密封性能好及占地面積小等特點(diǎn)。如果在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中發(fā)生泄漏問題，不必停止換熱器所在的裝置，只需緊固壓緊螺栓即可，避免了因裝置停車而導(dǎo)致的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

隨著石化煉油行業(yè)的發(fā)展，石化產(chǎn)品愈加激烈的競(jìng)爭必然驅(qū)使化工設(shè)備向大型化發(fā)展。但目前我國制造的螺紋鎖緊環(huán)式換熱器最大直徑為φ1700mm，無法滿足石化裝置大型化升級(jí)換代的需求。而且，我國對(duì)于大直徑螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的設(shè)計(jì)和制造尚缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，尤其在一些重要零部件的加工制造環(huán)節(jié)上更是如此。因此，對(duì)于直徑超過φ1700mm的螺紋鎖緊環(huán)式換熱器暫時(shí)只能高價(jià)進(jìn)口。

為了提高我國裝備制造業(yè)的水平，保障我國煉油工業(yè)的發(fā)展，大直徑螺紋鎖緊環(huán)式換熱器國產(chǎn)化問題已迫在眉睫。在這種大環(huán)境的影響下，蘭州蘭石重型裝備股份有限公司開始進(jìn)行φ1800mm螺紋鎖緊環(huán)式換熱器制造項(xiàng)目的攻關(guān)工作，以填補(bǔ)我國在該行業(yè)的空白，實(shí)現(xiàn)了重大技術(shù)突破，增加了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備簡介

蘭州蘭石重型裝備股份有限公司為某蠟油加氫裂化裝置制造的第一段反應(yīng)流出物/熱原料油換熱器如圖1所示，該設(shè)備規(guī)格為φ1800mm×(138+6.5)mm×10413mm，是目前我國制造的直徑最大的螺紋鎖緊環(huán)式換熱器，其具體參數(shù)如下：

規(guī)格φ1800mm×(138+6.5)mm×10413mm

容器類別 Ⅲ類

設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 151-1999

設(shè)計(jì)壓力(管程/殼程) 17.4/18.5MPa

管板設(shè)計(jì)壓差 3.50MPa

設(shè)計(jì)溫度(管程/殼程) 435/420℃

程數(shù)(管程/殼程) 2/2

工藝介質(zhì)(管程/殼程) 第一段反應(yīng)流出物/熱原料油

主體材料(管箱/殼體) 12Cr2Mo1(H)Ⅳ+堆焊/12Cr2Mo1(H)R[1]+堆焊

管板材料 S32168Ⅳ

試驗(yàn)壓力(管程/殼程) 22.86/24.47MPa

圖1 第一段反應(yīng)流出物/熱原料油換熱器

2 主要制造難點(diǎn)

2.1 殼程筒體

由于φ1800mm螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的結(jié)構(gòu)形式為雙殼程，且具有筒體壁厚大、直徑大的特點(diǎn)，因此對(duì)筒體圓度、直線度要求比較苛刻。對(duì)于單節(jié)筒體的制造，蘭州蘭石重型裝備股份有限公司在原制造工藝的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提出了全新的成型工藝：

a. 在加熱到一定溫度后，使用重型四輥卷板機(jī)將板材卷制成型，可避免因筒節(jié)過多導(dǎo)致的直線度難控制的問題。在制造過程中，單節(jié)筒體寬度不小于2m?？紤]到板材在溫卷成型、熱處理和工藝打磨過程中的損耗，筒節(jié)成型前板厚應(yīng)在設(shè)計(jì)圖紙最小要求的基礎(chǔ)上增加工藝余量。

b. 筒體環(huán)縫坡口采用立車加工，以確保環(huán)縫坡口的尺寸精度。在組焊過程中環(huán)縫的錯(cuò)邊量應(yīng)控制在4mm內(nèi)，并且在筒體對(duì)接環(huán)縫時(shí)，在端口使用自動(dòng)定心工裝，以保證筒體直線度滿足圖紙要求。

2.2 球形封頭

換熱器的封頭為球缺形封頭，封頭按半球制造，采用整體熱沖壓成型。封頭熱成型后根據(jù)GB 150.1～150.4-2011的要求[2]，應(yīng)進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理，即正火(加速冷卻)+回火熱處理。封頭正火出爐后立即在噴淋裝置上進(jìn)行噴淋冷卻。

2.3 管箱筒體

管箱筒體材料為12Cr2Mo1(H)Ⅳ鍛件，內(nèi)壁采用雙層堆焊(過渡層E309L+表層E347)?？紤]到換熱器管箱筒體厚度(250mm)較大，且與接管焊接位置的填充金屬較多，為了消除因接管焊接造成的管箱筒體變形，采用焊后二次機(jī)加工方式，確保管箱內(nèi)壁尺寸符合圖紙要求。

管箱筒體內(nèi)壁堆焊后，筒體內(nèi)的管板密封面和螺紋部位各預(yù)留2mm的加工余量，在部件完成最終焊后熱處理(PWHT)后，使用數(shù)控鏜銑床，對(duì)管箱筒體內(nèi)螺紋進(jìn)行最終精加工。

換熱器制造過程中，最大的技術(shù)難點(diǎn)在于產(chǎn)品在PWHT后，管箱內(nèi)管板側(cè)密封面的不平度超過0.25mm。由于與管箱端部的距離較遠(yuǎn)，根據(jù)目前的加工手段，如要消除該不平度，需要大幅度地增加落地鏜銑床的加工行程，這極大地降低了加工刀頭的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，影響加工面的精度和質(zhì)量。經(jīng)多方討論、并結(jié)合以往的制造經(jīng)驗(yàn)，最終確定采用蘭州蘭石重型裝備股份有限公司專用工裝進(jìn)行最終精加工，成功解決了該技術(shù)難題。該工裝為我國唯一的擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)和國家專利的加工專用裝置。

2.4 管束部分

管板立車加工時(shí)，在管板的兩側(cè)密封面各預(yù)留1mm的加工余量；管板換熱管孔采用數(shù)控深孔鉆床加工，保證管孔精度符合要求。

換熱管采用整根管子煨制方式，U形管成型后，對(duì)彎管部位和附近300mm的直管段進(jìn)行固溶處理。換熱管煨彎后逐根進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為7.0MPa；靠近中心的3排換熱管進(jìn)行100%PT檢測(cè)，需達(dá)到JB/T 4730.5-2005中的I級(jí)合格[3]。

管束裝配中，設(shè)備換熱管與管板連接采用強(qiáng)度焊加貼脹，脹接采用液壓強(qiáng)度脹接。因管板直徑大，管頭焊接和脹接易導(dǎo)致管板變形，且隨直徑的加大，其變形也相應(yīng)增大。為確保管板殼程側(cè)密封的可靠性，在管束管頭脹、焊完畢后，依靠專用加工工裝，使用數(shù)控鏜銑床對(duì)管板密封面進(jìn)行二次機(jī)加工，從而滿足管板密封面的平面度要求。

2.5 密封盤

密封盤是螺紋換熱器的重要組成部件，其直徑大、厚度薄，屬于大型薄盤類加工件，加工要求表面精度高、上下表面平齊度高。密封盤材料通常為不銹鋼，具有含碳量低、韌性高、塑性差和膨脹系數(shù)高的特點(diǎn)，因此加工困難。而現(xiàn)有技術(shù)與設(shè)備無法解決它在加工過程中的變形與精度問題。為確保密封的可靠性，密封盤采用整板制作。在制造過程中筆者采用專用的工裝夾具，調(diào)整轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀量，改變冷卻條件，同時(shí)增大時(shí)效處理，通過這些措施來保證密封盤平面度和厚度滿足公差要求，粗糙度滿足圖樣要求。

3 最終焊后熱處理

按照GB 150.1～150.4-2011[2]、NB/T 47015-2011[4]和相關(guān)技術(shù)條件的要求，換熱器需要進(jìn)行整體PWHT。由于其殼程部分與管箱部分厚度相差較大，在升溫與降溫階段中極易產(chǎn)生較大的溫度梯度。對(duì)于Cr-Mo鋼材料而言，這種溫度梯度會(huì)造成焊接接頭韌性嚴(yán)重下降[5]，為設(shè)備日后的正常運(yùn)行埋下極大的安全隱患。因此，實(shí)際的焊后熱處理工藝參數(shù)需根據(jù)管箱厚度(設(shè)備最大熱處理厚度)計(jì)算，最終確定升溫和冷卻速率為50℃/h。PWHT后，對(duì)隨爐試板進(jìn)行檢測(cè)，其力學(xué)性能(表1)均滿足相關(guān)技術(shù)要求。對(duì)筒體縱向焊接接頭進(jìn)行硬度HV10檢測(cè)，參數(shù)(表2)均符合設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 筒體縱向焊接接頭試樣PWHT后的力學(xué)性能

表2 筒體縱向焊接接頭試樣PWHT后的硬度HV10檢測(cè)

4 耐壓試驗(yàn)

首先，將管、殼程同時(shí)充水加壓，管程加壓至22.86MPa，殼程加壓至24.47MPa，兩側(cè)同時(shí)保壓1h以上。水壓試驗(yàn)合格后，管、殼程同時(shí)降壓直至放空，水壓試驗(yàn)時(shí)管程和殼程的壓力差不得超過3.50MPa[6]。

耐壓試驗(yàn)用水的溫度不低于15℃，水中氯離子含量不得超過0.25‰。

壓力表精度等級(jí)1.6，量程0～60MPa，壓力表檢定日期符合要求。氯離子含量6mg/L，環(huán)境溫度8℃，水溫度17℃。24.47MPa/22.86MPa耐壓試驗(yàn)結(jié)果表明，無泄漏、無可見的異常變形、無異常響聲。試驗(yàn)結(jié)論：合格。

5 結(jié)束語

在制造過程中，面對(duì)有關(guān)φ1800mm螺紋鎖緊環(huán)式換熱器制造方面的新問題，蘭州蘭石重型裝備股份有限公司在以往制造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，組織專家會(huì)審、結(jié)合優(yōu)勢(shì)力量與各單位之間加強(qiáng)信息溝通，同時(shí)延伸售后服務(wù)，利用現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，完成了多項(xiàng)技術(shù)難題的攻關(guān)。所制造的φ1800mm螺紋鎖緊環(huán)式換熱器在性能檢測(cè)、熱處理及耐壓試驗(yàn)等方面均滿足要求。該換熱器的成功制造，降低了設(shè)備費(fèi)用(僅為進(jìn)口價(jià)格的70%)，減少了不必要的資金支出，填補(bǔ)了大直徑 螺紋鎖緊環(huán)式換熱器國產(chǎn)化的行業(yè)空白，增強(qiáng)了 我國石化裝備制造業(yè)在國際市場(chǎng)上的影響力和競(jìng)爭力。

[1] GB 713-2008,鍋爐和壓力容器用鋼板[S].北京:中國質(zhì)檢出版社,2008.

[2] GB 150.1～150.4-2011,壓力容器[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[3] JB/T 4730.5-2005,承壓設(shè)備無損檢測(cè)第5部分：滲透檢測(cè)[S].北京:新華出版社,2005.

[4] NB/T 47015-2011,壓力容器焊接規(guī)程[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[5] 王尊策,何寶林,韓建荒,等.高溫?fù)Q熱器多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬研究[J].化工機(jī)械,2013,40(2):188～192.

[6] 李世玉.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].北京:新華出版社,2005.

朱生萍(1984-)，工程師，從事壓力容器設(shè)計(jì)與制造工作。

聯(lián)系人王志剛(1980-)，高級(jí)工程師，從事壓力容器焊接熱處理技術(shù)的研究與設(shè)備自動(dòng)化工作，13919292199@163.com。

TQ051.5

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0254-6094(2017)01-0101-04

2016-02-19，

2016-03-21)