郭俊峰

（西安喜而沃化工機(jī)械設(shè)備有限公司，陜西 西安 710032）

近年來(lái)石油化工工業(yè)得到大力發(fā)展，原油質(zhì)量持續(xù)下降，煉化技術(shù)不斷進(jìn)步[1],高壓、高溫工況增多，高壓空冷器需求隨之不斷加大[2]。石油、煉化行業(yè)的高壓空冷器主要應(yīng)用在熱高分、催化裂化、加氫制氫等化工工藝過(guò)程中[3]。其中，高硫原油加氫裝置高壓空冷器腐蝕和泄漏問(wèn)題突出，已成為各煉油廠停工的主要原因之一。造成高壓空冷器腐蝕和泄漏的原因是多方面的，問(wèn)題的分析和解決除了采取工藝、安裝、生產(chǎn)過(guò)程方面的管控措施外，設(shè)備設(shè)計(jì)、選材、制造、檢驗(yàn)也是值得重視和加強(qiáng)的查驗(yàn)和控制環(huán)節(jié)。

1 高壓空冷器特點(diǎn)

高壓空冷器一般指設(shè)計(jì)壓力高于10 MPa的空冷器。高壓空冷器主要用作加氫裂解、催化裂化、蠟油加氫及低聚物裂化等裝置上的反應(yīng)產(chǎn)物、熱高分氣冷卻器，往往伴隨著高溫、含氫工況,存在硫化氫泄漏問(wèn)題[4]。

目前，我國(guó)煉化裝置在用高壓空冷器的特點(diǎn)是，設(shè)計(jì)壓力實(shí)際上均大于15 MPa，有的甚至超過(guò)23 MPa，設(shè)計(jì)溫度高于200℃，設(shè)備腐蝕裕量大于5 mm(不銹鋼、合金鋼除外)。今后，我國(guó)煉化裝置對(duì)高壓空冷器的要求是，能夠長(zhǎng)期、安全運(yùn)行而且檢修方便。

高壓空冷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的重點(diǎn)是管箱、管束。技術(shù)層面上，管箱重點(diǎn)考慮材料選擇，管束重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)形式和翅片管制作制作要求。管箱材料可以從 Q345R（R-HIC）、15CrMoR（H）、奧氏體不銹鋼、雙相鋼、Incoloy825(NS1402)等中選用[5-7]。管束的結(jié)構(gòu)形式均為水平鼓風(fēng)式，翅片管選用雙金屬軋制[8]，管箱有集合管式和絲堵式。

2 高壓空冷器結(jié)構(gòu)[9-10]

2.1 集合管高壓空冷器

集合管高壓空冷器管箱為DN125 mm的無(wú)縫鋼管，壁厚根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度等確定，實(shí)際應(yīng)用的管箱鋼管直徑一般需在16 mm以上。管箱強(qiáng)度按照GB/T 16507.4—2013《水管鍋爐 第4部分：受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算[11]。

換熱管為翅片管直段+彎頭部分，彎頭與翅片管可采用焊接，并且按照?qǐng)D樣做100%射線檢測(cè)，I級(jí)合格。彎頭的變形量也需控制，要求較低的產(chǎn)品先加工翅片管，彎頭無(wú)翅片則直接彎制。翅片管基管規(guī)格為?25 mm×3.0 mm，彎頭規(guī)格為?32 mm×6.0 mm，選擇不同規(guī)格的彎頭主要是為了方便加工彎頭的薄量、減少介質(zhì)回程時(shí)對(duì)換熱管的沖刷并保證直管與彎頭的焊接質(zhì)量。

法蘭一般為DN100 mm的透鏡墊密封結(jié)構(gòu)。因?yàn)閁型換熱管排管的局限性，一般為四排管兩管程（圖1），也可以為六排管三管程。

圖1 四排管兩管程集合管空冷器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

集合管管箱結(jié)構(gòu)是集合管空冷器管的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。管箱為圓筒形結(jié)構(gòu)（圖2），其質(zhì)量小，相同質(zhì)量的管箱比絲堵式管箱能承受更大的設(shè)計(jì)壓力，每個(gè)管箱上只有2排管頭需要焊接，從根本上減少了泄漏點(diǎn)數(shù)量。

圖2 集合管管箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

集合管空冷器管的缺點(diǎn)也較為突出，①?gòu)濐^加工較為困難。②彎頭與翅片管的焊接要求高。③每個(gè)焊接接頭均需做100%射線檢測(cè)。④翅片管之間不能使用波形板，只能使用固定環(huán)來(lái)隔開每個(gè)翅片管以防咬合。⑤翅片管裝配較為困難。⑥結(jié)構(gòu)不便清洗，要求使用的介質(zhì)較為干凈。

2.2 絲堵式高壓空冷器

絲堵式高壓空冷器管箱與絲堵式中、低壓空冷器一樣，由4塊壁板組焊而成，形成矩形管箱（圖3），兩端用端板焊接。4塊壁板分別為1塊管板、1塊絲堵板、1塊頂板及1塊底板，其中管板與翅片管連接，絲堵孔與管孔同心[1,10,12]，而且同軸度小于等于0.25 mm。

圖3 絲堵式空冷器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

管排數(shù)、管程數(shù)根據(jù)工藝計(jì)算確定。一般絲堵孔直徑須不小于翅片管基管外徑3 mm，這樣便于脹管、檢修。管箱的寬度根據(jù)法蘭的大小來(lái)確定，矩形管箱因其結(jié)構(gòu)所限應(yīng)力較為集中，且焊接產(chǎn)生應(yīng)力較大而受力不好，所以4塊壁板一般較厚，管箱質(zhì)量較大。

絲堵式高壓空冷器的優(yōu)點(diǎn)是，①換熱管排數(shù)、管程數(shù)不受結(jié)構(gòu)的限制，最多可以設(shè)計(jì)成8排，管程數(shù)也可以為多管程。②管頭檢修方便，可沿對(duì)應(yīng)的絲堵孔檢修管頭[1,9]。③翅片管裝配簡(jiǎn)單，節(jié)省時(shí)間。④可以使用波形板來(lái)阻隔翅片的咬合。

絲堵式高壓空冷器的缺點(diǎn)是，①矩形管箱4塊壁板較厚。②焊接工作量加大，需焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。③絲堵的存在增加了泄漏點(diǎn)的數(shù)量[13]。

絲堵式高壓空冷器的優(yōu)缺點(diǎn)相比，優(yōu)點(diǎn)更為突出，已得到廣大使用單位的一致認(rèn)可，且廣泛應(yīng)用在各石油煉化裝置上。

3 絲堵式高壓空冷器設(shè)計(jì)

3.1 管箱設(shè)計(jì)

由于高壓空冷器進(jìn)出口法蘭不宜采用變徑接管，可將法蘭與接管設(shè)計(jì)成整體高徑對(duì)焊法蘭。第一步，根據(jù)法蘭大小，確定管箱的內(nèi)腔寬度，內(nèi)腔寬度大于法蘭內(nèi)徑。第二步，根據(jù)工作溫度及熱應(yīng)力，確定管箱是否為分解管箱。第三步，基于設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度，根據(jù)GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》附錄A或采用LANSYS 2013軟件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算出4塊壁板、加強(qiáng)板（或隔板）的厚度，計(jì)算管板、絲堵板、加強(qiáng)板時(shí)應(yīng)分別考慮其強(qiáng)度削弱系數(shù)。第五步，計(jì)算矩形管箱的端板厚度，端板厚度根據(jù)GB/T 150.3—2011第5.9章平蓋公式計(jì)算，但其公式中的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K取0.33，或采用LANSYS 2013軟件計(jì)算厚度。最后，根據(jù)GB/T 150.3—2011第6.3章計(jì)算頂?shù)装彘_孔補(bǔ)強(qiáng)是否滿足法蘭接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)需要[12]。

3.2 絲堵密封設(shè)計(jì)

絲堵式空冷器的絲堵面泄漏較為常見，是由于傳統(tǒng)絲堵自身的平面密封結(jié)構(gòu)局限性所致。平面密封絲堵結(jié)構(gòu)見圖4。其中，金屬平墊屬于平面壓力密封，平墊的材質(zhì)根據(jù)介質(zhì)而定，厚度不小于1.5 mm，這樣需要的絲堵預(yù)緊力較大。

圖4 平面密封絲堵結(jié)構(gòu)示圖

新型絲堵為線性密封結(jié)構(gòu)，見圖5。其中，墊片為橢圓形，板底孔為錐形，這種結(jié)構(gòu)上形成了密封墊與絲堵板底孔構(gòu)成的線性密封，用密封墊就能將絲堵上緊。線性密封需要較小的預(yù)緊力就可以獲得足以滿足密封要求的密封比壓，特別適合高壓工況[2]，且密封墊與絲堵之間不會(huì)發(fā)生損傷墊片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此提高了密封的可靠性。同時(shí)密封結(jié)構(gòu)設(shè)置在管箱內(nèi)側(cè)，介質(zhì)無(wú)法與螺紋接觸，就不會(huì)產(chǎn)生絲堵螺紋咬死的現(xiàn)象。

圖5 線性密封絲堵結(jié)構(gòu)

對(duì)線性絲堵密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行的試驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)可以承受高于35 MPa的壓力，其使用范圍因此極大提高。線性絲堵密封結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，絲堵可以選用不同于墊片的材質(zhì)。對(duì)于特殊材質(zhì)，如不銹鋼、雙相鋼、合金鋼制造的空冷器，絲堵可以選擇低碳素鋼，絲堵成本可以極大降低，而且絲堵的密封性能更加可靠。

3.3 管板管孔設(shè)計(jì)

絲全堵式高壓空冷器的管孔需按照NB/T 47007—2018《空冷式熱交換器》[10]的要求進(jìn)行，換熱管焊接采用強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹，管板上需要為脹接加工2道槽?？紤]翅片管受熱膨脹會(huì)產(chǎn)生拉脫力，對(duì)管孔設(shè)計(jì)提出建議，①管頭伸出管板3 mm。②焊接坡口尺寸為 2.5 mm×45°[10,14]。

3.4 其他要求

高壓空冷器不允許使用空心絲堵，宜采用鍛制。絲堵墊片材質(zhì)應(yīng)與管板相適應(yīng)，且應(yīng)為實(shí)心金屬墊片，平面密封絲堵墊片厚度不小于1.5 mm。碳鋼金屬絲堵墊片的布氏硬度不大于120 HB，奧氏體不銹鋼或雙相鋼金屬絲堵墊片的硬度不大于160 HB，同時(shí)應(yīng)保證絲堵板硬度大于絲堵硬度，墊片硬度最小。

受壓材料應(yīng)按第Ⅲ類壓力容器用材進(jìn)行入廠材料復(fù)驗(yàn)，管箱用板材均應(yīng)逐張進(jìn)行超聲檢測(cè)、正火供應(yīng)，加強(qiáng)板/隔板應(yīng)與壁板同材質(zhì)，且同樣作為受壓元件對(duì)待，隔板還應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。

換熱管采用較高級(jí)冷拔無(wú)縫鋼管，逐根按2倍的設(shè)計(jì)壓力或鋼管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大試驗(yàn)壓力的最小值進(jìn)行，在不小于10 s的保壓時(shí)間內(nèi)，不得有漏水和滲漏現(xiàn)象，還應(yīng)逐根進(jìn)行超聲檢測(cè)及磁粉（或渦流）檢測(cè)[10]。

法蘭宜采用整體法蘭，其鍛件級(jí)別不得小于Ⅲ級(jí)。

4 高壓空冷器制造及檢驗(yàn)

4.1 焊接及無(wú)損檢測(cè)

絲堵式高壓空冷器一般在圖樣設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行焊接工藝評(píng)定[15]。絲堵式高壓管箱壁板較厚，其焊接需要設(shè)計(jì)成U型[15]，這樣的坡口更容易做到全焊透和全熔合。絲堵式高壓空冷器各個(gè)板在組對(duì)前按焊接工藝加工坡口，法蘭管口邊沿應(yīng)進(jìn)行100%的磁粉或滲透檢測(cè)，I級(jí)合格。

組對(duì)矩形管箱時(shí)，采用組對(duì)機(jī)操作4塊壁板，以提高各條焊縫的焊接坡口尺寸 精度[16-17]。可采用小電流、多道焊，確保每道焊縫焊接質(zhì)量?？刹捎脷寤『复虻祝娀『负附?，再用管箱內(nèi)角焊焊接焊縫的背面，保證焊接的全焊透和全熔合。最后，組對(duì)焊接管箱的端板和接管法蘭。

整體法蘭與頂?shù)装搴附訒r(shí)，可采用安放式，但必須為全焊透、全熔合形式，且需保證頂、底板的開孔與法蘭內(nèi)徑一致。翅片管與管板的焊接采用數(shù)控全位置深孔脈沖TIG自動(dòng)焊，強(qiáng)度焊一般采用3遍焊接，第一遍采用自熔，使換熱管與管板的根部充分熔透，第二、三遍采用填絲焊，每次起弧錯(cuò)開180°，從而保證焊縫金屬厚度達(dá)到一定的要求[15,18]。 最后進(jìn)行強(qiáng)度脹。

管箱為高壓空冷器的受壓部分，焊接完成后需對(duì)各焊接接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)[19]。4塊壁板之間的A類焊縫，按圖樣進(jìn)行100%的射線或超聲檢測(cè)；壁板與端板之間的A類焊縫，按圖樣進(jìn)行100%的超聲檢測(cè)；接管與法蘭及管箱的連接焊縫應(yīng)進(jìn)行100%的射線檢測(cè)；翅片管與管板之間的焊縫應(yīng)進(jìn)行100%滲透檢測(cè)。最后在耐壓試驗(yàn)合格后，對(duì)所有外部承壓焊縫和接管內(nèi)部焊縫，應(yīng)進(jìn)行100%磁粉或滲透檢測(cè)[19-20]。

對(duì)于碳素鋼和低合金鋼管箱,要求在焊接完成后還需整體進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理[21]，熱處理嚴(yán)格按NB/T 47015—2011 《壓力容器焊接規(guī)程》[15]的要求進(jìn)行。

4.2 氣密和壓力試驗(yàn)

制造高壓空冷器時(shí)，需做2次氣密試驗(yàn)、1次耐壓試驗(yàn)。具體為，①管頭焊接完畢后，安裝好試驗(yàn)墊片、絲堵，將整個(gè)管束浸入水槽，管箱內(nèi)通入0.2 MPa的壓縮空氣，檢查管板外側(cè)是否產(chǎn)生水泡，以驗(yàn)證管頭的密封性能。②管頭氣密試驗(yàn)合格后，拆除絲堵、墊片，對(duì)管頭進(jìn)行柔性的液壓脹接。③吹掃清潔絲堵孔，裝配密封墊，在絲堵板上涂上二硫化鉬，以防螺紋咬死，緊固絲堵時(shí)注意均勻用力[14]，防止密封墊傾斜，以促進(jìn)絲堵裝卸過(guò)程順利進(jìn)行。④組裝完畢后對(duì)管束按GB/T 150—2011中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，耐壓試壓一般為水壓試壓。對(duì)于奧氏體不銹鋼、合金鋼材料管束，試驗(yàn)前需進(jìn)行水中氯離子的檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果不應(yīng)超過(guò)25 mg/L。

考慮試壓時(shí)試驗(yàn)壓力較高，整個(gè)過(guò)程需緩慢升壓、降壓，①將壓力緩慢升至4.0 MPa，檢查管束是否有泄漏，如無(wú)泄漏再按每次20%的試壓壓力遞增（遞增時(shí)留檢查各個(gè)泄漏點(diǎn)時(shí)間）至設(shè)計(jì)壓力，檢查整個(gè)管束，合格后再一次將壓力緩慢升至需要的試驗(yàn)壓力。②保壓時(shí)間大于1 h，檢查焊縫、密封面等有無(wú)泄漏、滲水、異響及變形。合格后，將壓力降至設(shè)計(jì)壓力，再一次檢查各個(gè)泄漏點(diǎn)，無(wú)異常后才能確認(rèn)最終試壓合格。③排凈試壓用水，用壓縮空氣吹干管束內(nèi)部。④最后，將管束浸入水槽，管束內(nèi)通入0.2 MPa的壓縮空氣，檢查所有絲堵、帶有墊片的接頭是否泄漏[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)煉化裝置高壓空冷器進(jìn)行了歸納和總結(jié)。目前，我國(guó)的高壓空冷器設(shè)計(jì)制造已經(jīng)完成了從國(guó)外進(jìn)口到國(guó)產(chǎn)化[4]、材質(zhì)從奧氏體不銹鋼到雙相鋼、合金鋼升級(jí)。高壓空冷器設(shè)計(jì)與制造的重點(diǎn)是管箱，常用的2種類型是集合管式高壓空冷器和絲堵式高壓空冷器。其中，絲堵式高壓空冷器優(yōu)勢(shì)明顯，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在化工、煉油各領(lǐng)域，工況越來(lái)越苛刻，相關(guān)技術(shù)人員需要重點(diǎn)掌握和深入研究?jī)?yōu)化。