解讀不銹鋼管殼式換熱器管板結(jié)構(gòu)

李崇勇 鄧香中 張 光

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司機(jī)械廠 遼陽(yáng) 111003）

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解讀不銹鋼管殼式換熱器管板結(jié)構(gòu)

李崇勇 鄧香中 張 光

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司機(jī)械廠 遼陽(yáng) 111003）

摘 要：管板系管殼式換熱器的主要受壓元件，承受管/殼程兩側(cè)介質(zhì)的壓力與溫度及腐蝕作用。隨著煉油化工裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行應(yīng)用不銹鋼管殼式換熱器或不銹鋼管束更換碳鋼管束的增多，管板的不銹鋼結(jié)構(gòu)形式則成為設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn)，并由此影響換熱器制造的可靠性與使用的安全性。以不銹鋼管殼式換熱器制造的實(shí)例，評(píng)析3種管板的不銹鋼結(jié)構(gòu)形式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)已打破常規(guī)觀念，傾向于整體不銹鋼管板的工程應(yīng)用。由此，給出了不銹鋼管殼式換熱器管板結(jié)構(gòu)選擇的建議。

關(guān)鍵詞：管板 不銹鋼 管殼式換熱器

Interpretation of Tubesheet Construction for Stainless Steel Tubular Heat Exchangers

Li Chongyong Deng Xiangzhong Zhang Guang
(Petrochina Liaoyang Petrochemical Company Machinery Factory Liaoyang 111003)

Abstract Tubesheet, as a main pressure component for tubular heat exchanger, is subjected to pressure, temperature and corrosion for both tube and shell side medium. As more and more stainless steel tubular heat exchanger or stainless steel tube bundle in lieu of carbon steel tube bundle is applied in the long period operation of petrochemical units, stainless steel tubesheet construction is increasingly a focus for design. And it’s affecting the reliability of the manufacturing and the security of the use for heat exchanger. Take stainless steel tubular heat exchanger manufacturing as an example, three kinds of stainless steel tubesheet construction are reviewed. The result found that its designers have broken down conventional ideas, and tend to use integral stainless steel tubesheet for engineering. The paper gives the suggestion about how to choose the tubesheet construction for stainless steel tubular heat exchanger.

Keywords Tubesheet Stainless steel Tubular heat exchanger

在不銹鋼管殼式換熱器建造中，由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-3]沒(méi)有對(duì)管板的結(jié)構(gòu)形式明確規(guī)定，致使設(shè)計(jì)面臨管板結(jié)構(gòu)的選擇：整體不銹鋼管板或“碳鋼或低合金鋼”復(fù)合或堆焊不銹鋼管板。而制造同樣要面對(duì)非整體不銹鋼管板的困擾：碳鋼或低合金鋼復(fù)合不銹鋼管板的采購(gòu)及入廠復(fù)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)未結(jié)合區(qū)的處理；或碳鋼或低合金鋼堆焊不銹鋼管板的繁雜工藝及翹曲變形導(dǎo)致的復(fù)層厚度不均勻等問(wèn)題。可能設(shè)計(jì)在選擇中發(fā)現(xiàn)計(jì)算厚度整體不銹鋼管板與碳鋼或低合金鋼復(fù)合或堆焊不銹鋼管板相差不夠懸殊或管板厚度不厚時(shí)，直接選擇整體不銹鋼管板不僅利好長(zhǎng)期使用的安全可靠以及尚可省去復(fù)合或堆焊相應(yīng)技術(shù)要求的提出，而且更利好制造的簡(jiǎn)約以及使用維修的方便。為此，結(jié)合千萬(wàn)噸煉油和百萬(wàn)噸乙烯工程中的不銹鋼管殼式換熱器制造的實(shí)例，解讀管板不銹鋼的結(jié)構(gòu)形式。

1 整體不銹鋼管板

整體不銹鋼管板不僅安全可靠，而且更方便制造與維修，簡(jiǎn)約加工或焊接工藝，利好管板的質(zhì)量及使用性能；尤其是在腐蝕或苛刻的工況下，較碳鋼或低合金鋼復(fù)合或堆焊不銹鋼管板更為安全可靠；雖表面上材料成本較高，但實(shí)際制造難度及成本卻相對(duì)較低，為容器制造所歡迎的結(jié)構(gòu)形式。這可從一些不銹鋼管殼式換熱器制造的實(shí)例中看到，整體不銹鋼管板的結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)出日益增多的趨勢(shì)。

實(shí)例 1：EO冷卻器BIU700-0.8/1.0-60-3/19-2。殼程介質(zhì)為環(huán)氧乙烷，管程介質(zhì)為冷卻水，設(shè)計(jì)溫度為75℃。殼體材料為304，管箱材料為碳鋼或低合金鋼，管板為φ763mm×60mm-304Ⅲ，換熱管為φ19mm×2mm-304，管板與換熱管的連接采用強(qiáng)度焊加貼脹。

實(shí)例 2：EO冷凝器BES2500-0.8/0.5-2325-7.5/25-4。殼程介質(zhì)為環(huán)氧乙烷，管程介質(zhì)為冷卻水，設(shè)計(jì)溫度為75℃。殼體材料為304，管箱材料為碳鋼或低合金鋼，管板為φ2608mm×98mm-304Ⅲ，換熱管為φ25mm×2mm-304，管板與換熱管的連接采用強(qiáng)度焊加貼脹。

這兩個(gè)實(shí)例，雖然被冷卻或冷凝的工藝介質(zhì)腐蝕性不強(qiáng)，但鑒于EO與碳鋼或低合金鋼的不相容性，即鐵的氧化物與EO發(fā)生聚合反應(yīng)并釋放出大量熱量而有爆炸危險(xiǎn)，為此，這兩臺(tái)換熱器的殼程（包含殼體、管束等）材料設(shè)計(jì)選用304不銹鋼，并提出酸洗鈍化處理且藍(lán)點(diǎn)法檢驗(yàn)合格要求；并且管板選為整體304不銹鋼，而沒(méi)有選擇碳鋼或低合金鋼復(fù)合或堆焊不銹鋼的結(jié)構(gòu)形式，這主要考慮“管板與換熱管的連接采用強(qiáng)度焊加貼脹”中“貼脹”的可靠性問(wèn)題，若貼脹不到位或脹度不足使管板基層碳鋼或低合金鋼接觸EO，則會(huì)發(fā)生危害換熱器安全的風(fēng)險(xiǎn)。

2 復(fù)合不銹鋼管板

碳鋼或低合金鋼復(fù)合不銹鋼管板（單面復(fù)合或雙面復(fù)合）的可取之處是能充分利用基層碳鋼或低合金鋼的高強(qiáng)度和復(fù)層不銹鋼的耐蝕性滿足工程的使用性能，較整體不銹鋼管板為經(jīng)濟(jì)。所以，在不銹鋼復(fù)合板采購(gòu)資源富足的條件下，當(dāng)板厚＞12mm時(shí)用不銹鋼復(fù)合板不失為不銹鋼容器設(shè)計(jì)中材料的理想選擇，通常為不銹鋼容器殼體鋼板選用的最多。但是，這也相應(yīng)增加了制造工藝的繁雜與難度：盡管設(shè)計(jì)要求“用于復(fù)合板的基層和復(fù)層均應(yīng)為整張鋼板，不宜拼接”，但實(shí)際上復(fù)層不銹鋼板卻因板材規(guī)格的限制而不得不拼板，由此需要對(duì)復(fù)合前復(fù)層不銹鋼板拼接焊縫的施焊和復(fù)合后復(fù)層拼縫的處理；“殼體和封頭等元件的成形不能削弱復(fù)層與基層的結(jié)合”，由此不但增加了加工成形的難度，而且尚需進(jìn)行成形后的全面積結(jié)合程度UT檢測(cè)；復(fù)合板超標(biāo)缺陷的修補(bǔ)所提的要求“缺陷的去除、PT檢測(cè)確認(rèn)、修補(bǔ)部位的加工、尚需焊評(píng)支持的堆焊、修補(bǔ)后的處理及UT和PT檢測(cè)等”更是麻煩制造；尤其是A、B類(lèi)焊接接頭雙面焊時(shí)，焊縫的坡口形式要求“復(fù)層端部離基層坡口邊緣的距離應(yīng)剝開(kāi)至少為5mm”，更是增加了焊接坡口加工的難度，并且尚要按規(guī)定的焊接順序及過(guò)渡層和復(fù)層焊接的要求進(jìn)行施焊與檢驗(yàn)等等。所以，選用不銹鋼復(fù)合板表面上降低了材料成本，但實(shí)際上卻增加了制造難度和相應(yīng)成本，同時(shí)也潛在著質(zhì)量安全隱患。

對(duì)于復(fù)合不銹鋼管板，由于基層多為鍛件加之直徑較大時(shí)缺乏采購(gòu)資源，難免出現(xiàn)的被迫更改原設(shè)計(jì)的復(fù)合不銹鋼管板為堆焊不銹鋼管板，進(jìn)而增加了制造難度，并由此產(chǎn)生管板的耐蝕性能降低[4]。除非像有復(fù)合不銹鋼能力的資源而將原設(shè)計(jì)的兩側(cè)堆焊不銹鋼管板更改為雙面復(fù)合不銹鋼管板，由此簡(jiǎn)化了制造工藝，并較堆焊不銹鋼管板更能展現(xiàn)復(fù)合不銹鋼管板的綜合性能[5]。因?yàn)椋瑥?fù)合不銹鋼管板較堆焊不銹鋼管板不僅工藝簡(jiǎn)單、快捷、成本低，而且復(fù)層的厚度均勻、化學(xué)成分穩(wěn)定，管板的耐蝕性能容易得到保證。

實(shí)例3：立式EO再沸器BEM2200-0.5/3.0-1756-6/25-1。管程介質(zhì)為環(huán)氧乙烷，設(shè)計(jì)溫度為90℃，殼程介質(zhì)為貧液，設(shè)計(jì)溫度為130℃。管箱材料為304，殼體材料為碳鋼或低合金鋼，管板為φ2430×(110+12) -16MnⅢ管程側(cè)堆焊304，換熱管為φ25×2-304，管板與換熱管的連接采用強(qiáng)度焊加貼脹。制造考慮堆焊變形難于控制，并由此引起板面翹曲致使復(fù)層厚度的均勻性不易保證，經(jīng)設(shè)計(jì)同意更改為復(fù)合不銹鋼管板形式。此例也提示管程側(cè)采用復(fù)合不銹鋼管板較殼程側(cè)采用復(fù)合不銹鋼管板對(duì)于防腐蝕或避免介質(zhì)不相容更具符合使用安全性。

復(fù)合不銹鋼管板同樣面臨著厚度允許偏差[6]的問(wèn)題，尤其是固定管板式換熱器的管板厚度由設(shè)計(jì)總體考慮基層和復(fù)層材料的厚度偏差及復(fù)合偏差后確定較為合理，并在圖樣中注明要求。而制造更要面對(duì)上述的相關(guān)問(wèn)題，尤其是復(fù)合管板進(jìn)廠驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)的未結(jié)合區(qū)及平面度等超標(biāo)問(wèn)題的處理。

3 堆焊不銹鋼管板

碳鋼或低合金鋼堆焊不銹鋼管板（單面堆焊或雙面堆焊）多見(jiàn)于浮頭式或U形管式不銹鋼換熱器，尤其是管/殼程都具腐蝕的工況，并在壓力或溫度較高時(shí)，管板通常為鍛件，在雙面復(fù)合板采購(gòu)資源缺乏的情況下多采用堆焊的結(jié)構(gòu)形式。

實(shí)例4：初底油-減渣換熱器BES900-1.3/1.2-215-6/25-2。固定管板（φ997×68）和浮動(dòng)管板（φ890×68）在基層16MnⅢ的兩側(cè)雙面堆焊，其中管程側(cè)堆焊3mm E309L + 3mm E347L，而殼程側(cè)堆焊3mm E309L +5mm E347L，并且浮動(dòng)管板的周?chē)婕般^面也按管程側(cè)堆焊厚度堆焊。

堆焊不銹鋼管板的制造工藝較復(fù)合不銹鋼管板為繁雜并具難度。首先堆焊前要求對(duì)堆焊試件進(jìn)行評(píng)定：堆焊層缺陷和不結(jié)合度、側(cè)彎試驗(yàn)、剖面層下裂紋、堆焊厚度、硬度、化學(xué)成分及鐵素體FN、耐蝕性及抗剝離等項(xiàng)目；然后根據(jù)經(jīng)堆焊評(píng)定合格的工藝進(jìn)行正式堆焊：基體表面加工處理→MT→堆焊過(guò)渡層→消除應(yīng)力熱處理→PT→堆焊面層→PT、UT→加工處理→堆焊層厚度和密封面硬度測(cè)量、復(fù)層化學(xué)成分及FN核查；同時(shí)尚要采取措施防止管板因堆焊翹曲變形，以保證堆焊后管板的平面度，進(jìn)而達(dá)到復(fù)層厚度的均勻性符合設(shè)計(jì)要求，尤其是管板密封環(huán)面及隔板槽面的堆焊質(zhì)量控制；而現(xiàn)有的UT檢測(cè)手段，難免存在對(duì)堆焊缺陷的漏檢，管板堆焊層內(nèi)的氣孔、夾渣、裂紋、不結(jié)合區(qū)等缺陷又無(wú)法通過(guò)PT檢測(cè)而被完全發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管板的密封面及隔板槽、管孔加工后，漏檢的缺陷可能顯現(xiàn)出來(lái)，這給檢查與修復(fù)造成了困難，成為使用的安全隱患。為此，建議設(shè)計(jì)應(yīng)探討選用整體不銹鋼管板的可能性，至少在實(shí)例的管板厚度不太厚且管/殼程具有腐蝕的工況下，選用整體不銹鋼管板較雙面堆焊管板更為安全可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著煉化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行日益需要不銹鋼管殼式換熱器的增加，承受管/殼程雙重壓力與溫度載荷及介質(zhì)腐蝕的管板成為設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn)，合理選擇管板的不銹鋼結(jié)構(gòu)形式不僅關(guān)系換熱器建造的經(jīng)濟(jì)性，而且更影響換熱器制造的可靠性與使用的安全性。

1）整體不銹鋼管板在介質(zhì)環(huán)境苛刻的工程應(yīng)用中已被設(shè)計(jì)所看重，表面上較碳鋼或低合金鋼復(fù)合或堆焊不銹鋼管板的材料成本高，但實(shí)際上卻方便制造并使用可靠，可避免諸如復(fù)合不銹鋼管板未結(jié)合區(qū)處理的麻煩或堆焊不銹鋼管板的繁雜工藝且不易保證復(fù)層厚度的均勻性——由此偏離設(shè)計(jì)要求降低安全使用性能而影響長(zhǎng)周期運(yùn)行。所以，在管/殼程雙面腐蝕或殼程介質(zhì)腐蝕碳鋼或低合金鋼嚴(yán)重或與碳鋼或低合金鋼不相容時(shí)宜選用整體不銹鋼管板，尤其是在管板厚度相對(duì)較薄時(shí)更應(yīng)探討整體不銹鋼管板的可能性。

2）復(fù)合不銹鋼管板用于管程的防腐蝕較殼程的防腐蝕更為安全可靠，在采購(gòu)資源豐富的前提下不失為理想的選擇而符合經(jīng)濟(jì)性。但管板的厚度偏差、平面度及未結(jié)合區(qū)等問(wèn)題尚需設(shè)計(jì)與制造合理考慮。

3）堆焊不銹鋼管板多見(jiàn)于浮頭式或U形管式不銹鋼換熱器，尤其是管/殼程都具腐蝕的工況，并在壓力或溫度較高時(shí)管板厚度較厚且通常為鍛件，在雙面復(fù)合板采購(gòu)資源缺乏的情況下多采用雙面堆焊的結(jié)構(gòu)形式。但由于繁雜的堆焊工藝及變形等問(wèn)題潛在著與設(shè)計(jì)要求的偏離而影響安全使用性能，建議在管板的碳鋼或低合金鋼厚度較不銹鋼厚度相差不懸殊的情況下應(yīng)考慮選用整體不銹鋼管板的可能性。

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收稿日期：（2015-07-28）

作者簡(jiǎn)介：李崇勇(1982～)，男，本科，壓力容器制造工藝員，工程師，現(xiàn)從事壓力容器建造工作。

文章編號(hào)：1673-257X(2016)03-0024-03

DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2016.03.005

中圖分類(lèi)號(hào):X933.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B