論大型換熱器制造加工工藝

張龍華 趙 琳 張 騰 吳賢春

四川科新機電股份有限公司 什邡 618400

論大型換熱器制造加工工藝

張龍華*趙 琳 張 騰 吳賢春

四川科新機電股份有限公司 什邡 618400

詳細介紹某公司60萬噸/年醋酸工程Φ3600、換熱面積2538 m2浮頭式入塔氣預(yù)熱器的制作加工工藝及要點。

醋酸 預(yù)熱器 浮頭式換熱器

公司于2014年承接了重慶某公司60萬噸/年醋酸(I期20萬噸)工程入塔氣預(yù)熱器的制造任務(wù)。該設(shè)備為立式浮頭式換熱器，設(shè)備直徑為Φ3600，換熱面積為2538m2，設(shè)備殼程主要受壓元件材質(zhì)是S30408，δ=14mm；設(shè)備管程主要受壓元件材質(zhì)為Q345R，δ=16mm。換熱管Φ25.4×1.6×5613/ S30408，共計5804支。管板材質(zhì)為50mm厚的S30408板材拼接而成。設(shè)備設(shè)計參數(shù)見表1。入塔氣預(yù)熱器制造、檢驗和驗收標(biāo)準：《壓力容器》GB 150-2011、《管殼式換熱器》GB 151-1999、《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSG R0004-2009。

表1 預(yù)熱器設(shè)計參數(shù)

1 制造要求

1.1 設(shè)備制造的具體要求

設(shè)備制造的具體要求見表2。

1.2 制造難點

(1)管板鉆孔對平面度的影響。

表2 設(shè)備制造要求

(2)換熱管伸出管板長度應(yīng)均勻。

(3)14個方形人孔與筒節(jié)焊接變形的控制。

1.3 主要檢驗項目

檢驗項目：材料復(fù)驗、換熱管偏差檢驗、各零部件尺寸偏差檢驗、焊接接頭無損檢驗、壓力試驗。

以上各工序均需要做好記錄，提供完整的完工報告。

2 焊接坡口制備

2.1 筒體縱、環(huán)縫

筒體縱、環(huán)縫的焊接接頭形式見圖1。

圖1 筒體縱、環(huán)縫焊接節(jié)點

筒體縱、環(huán)縫采用雙面焊。焊接坡口置于筒體內(nèi)側(cè)，在筒體外側(cè)清根后，用埋弧自動焊蓋面。殼程筒體采用碳弧氣刨清根時，須保證清根后其根部距筒體內(nèi)側(cè)6mm以上，碳弧氣刨清根后，應(yīng)使用角式砂輪機修磨坡口至露出金屬光澤，以防滲碳、滲銅現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 管板對接

管板對接的焊接接頭形式見圖2。該節(jié)點為手工焊焊接接頭形式。焊接時要求采用較小的焊接線能量，并在焊接時輔以錘擊、分段退焊等減少焊接變形的工藝措施。

圖2 管板對接節(jié)點

2.3 筒體與管板的焊接接頭

筒體與管板的焊接形式見圖3。

圖3 筒體、管板焊接接點

殼程筒體與管板焊接時，采用小電流、分段多道焊，最大程度減小熱輸入量防止管板產(chǎn)生過大的變形，避免上管板處預(yù)留的管子長度不能克服管板變形發(fā)生管子不能整體加工的情況。

2.4 管子與管板焊接結(jié)構(gòu)

管子與管板的焊接接頭形式見圖4。

圖4 管子與管板焊接結(jié)構(gòu)

該接頭為強度焊加貼脹的結(jié)構(gòu)。制造時采用先焊后脹的工藝，在脹接時注意管板兩側(cè)規(guī)定長度不脹，避免脹管時損壞焊縫。

2.5 方形人孔與筒體角焊縫

人孔筒節(jié)與殼程筒體的焊接接頭形式見圖5。

圖5 方形人孔與筒體焊接結(jié)構(gòu)

設(shè)備最大的人孔筒節(jié)為800mm×1350mm，若采用插入式連接，則因開孔較大，會導(dǎo)致筒體變形。而該接頭采用安放式連接，在人孔筒節(jié)與筒體焊接前，筒體上可以開較小的孔，待焊接完成后，人孔與筒體成為一剛性整體后，再切割多余的筒體金屬，可以將因強度削弱導(dǎo)致的筒體變形減小到最低程度。

3 管板的加工制造

管板加工質(zhì)量直接影響裝配和脹接質(zhì)量。為了便于穿管，管孔應(yīng)與管板端面垂直，為確保脹管質(zhì)量，應(yīng)保證管孔表面粗糙度不大于12.5μm，且不存在貫穿管孔軸向的劃痕。管板材料S30408按GB 24511-2009的要求進行驗收，厚度為50mm，應(yīng)有質(zhì)保書，并按要求進行復(fù)驗。

管板加工工序為：下料→拼焊→100%RT探傷檢查→熱處理→校平→車外圓及端面→劃線→鉆→(配鉆)→鉸孔成形。

為減少拼接管板的變形，采用小坡口的焊接接頭，從管板中心向兩側(cè)同時施焊多層多道焊道，焊接時應(yīng)注意將工件勤翻身，避免在一側(cè)長時間焊接引起管板V形變形，焊縫清根采用角式砂輪機修磨坡口。

管板鉆孔加工前，為防止管板因自重產(chǎn)生過大的撓度，在管板下方鋪滿等厚的木板；管板、折流板通過采用鉆定位孔，用螺栓連接的方法固定在一起。管板面應(yīng)保證水平，用水平儀調(diào)平，保證鉆床軸線與管板平面垂直。

管板加工嚴格按圖紙要求，管孔加工必須遵循鉆→鉸孔的加工順序，保證管孔的垂直度，保證管橋間距允差和管孔內(nèi)表面粗糙度，不能有缺陷存在。配鉆的管板和折流板應(yīng)按順序作好裝配標(biāo)記，并在上下管板的外緣加工出0°、90°線刻痕和標(biāo)記。管板加工后應(yīng)將表面及管孔內(nèi)部的污跡清除干凈。

實際生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)管子、管板的尺寸精度均符合公差要求，管板的形位公差也滿足標(biāo)準規(guī)范的要求，但管子不易穿入管板的情況。故應(yīng)根據(jù)換熱管的實際尺寸，確定最終的鉸孔尺寸。特別是涉外項目，其管子規(guī)格往往與國內(nèi)定型產(chǎn)品不一致，管子制造廠須特制模具，故在換熱管定貨時要規(guī)定其公差范圍，且管子定貨時要注意其交貨期應(yīng)在鉸孔之前。

4 管束組裝

(1)在專用支架上固定下管板(水平放置)，同時裝配拉桿、定距管、折流板，使其成為一個整體。

(2)穿固定管：在整個換熱器中均勻選出十余個區(qū)域，每個區(qū)域穿入4根換熱管，見圖6。

圖6 分區(qū)穿換熱管及焊接次序

(3)在殼體、上管板與管束組對，將上述區(qū)域起固定管作用的換熱管引出上管板，調(diào)整兩管板的同心度和平行度，試穿換熱管若干根，同時點焊固定殼體與管板。

(4)穿換熱管：將設(shè)備臥置，穿入所有換熱管(殼體內(nèi)折流板之間有工人引穿)，保證管端上表面伸出管板長度13mm，焊點固定。

(5)焊接：殼體與管板的角接焊縫按焊接工藝要求進行焊接。

(6)下管板管頭持平：按圖將換熱管伸出下管板的多余部分長度刮平。

(7)焊接：換熱管與管板的接頭采用自動氬弧焊；嚴格按焊接工藝進行，注意焊接時按圖6的編號順序，減少管板的焊接變形。

(8)換熱管與管板脹接：控制脹度1.5%～2%；對上、下兩管板，任意抽查換熱管總數(shù)10%的數(shù)量進行脹度檢查。

(9)試壓：殼程液壓試驗，檢查管頭。液壓試驗結(jié)束后，進行氣密性試驗；殼程通入0.186MPa壓縮空氣，用肥皂水檢查焊縫致密性。

5 管板上端面加工

將管束立式安裝在專用支架上，用水管法(管板上表面0°，90°，180°，270°為基準)和掛鉛垂線的方法(0°，90°，180°，270°為基準)對基準線進行測量。調(diào)節(jié)其水平度在0.02mm/m以內(nèi)，保證管束上管板的水平度。將調(diào)好水平和垂直度的管束與基礎(chǔ)間用地腳螺栓固定。用專用工裝設(shè)備(工裝的導(dǎo)軌水平度調(diào)節(jié)在0.02mm/m以內(nèi))逐根加工5804根換熱管的上端面，保證換熱管伸出管板平面長度均勻。管端加工的專用工裝見圖7。

圖7 管端加工專用工裝

6 筒體與管板的組焊

筒體與管板組焊端坡口表面100%PT檢查→預(yù)熱(溫度100～150℃)→筒體與管板組焊端堆焊→100%PT檢查→堆焊→2.5m立車加工堆焊端坡口→組對筒體與管板(錯邊量≤0.5mm)→焊接(層間溫度≤60℃)→對接焊縫100%RT檢查→復(fù)層焊縫100%PT檢查。

7 試壓

7.1 設(shè)備試壓的關(guān)鍵技術(shù)

本設(shè)備試壓的關(guān)鍵技術(shù)在于對浮頭端的管板進行試壓檢查，需要設(shè)計制造一試壓工裝，該工裝必須滿足：① 保證主筒體封口環(huán)焊縫已備制的坡口不被破壞;② 方便浮頭端管板與管子角焊縫的檢查；③ 滿足試壓強度的要求。

7.2 試壓步驟

(1)殼程試壓：用試壓工裝與殼程筒體及浮動管板組焊后，殼程進行0.34MPa水壓試驗，檢查換熱管與管板間焊接接頭。

(2)管程試壓：待設(shè)備制作完畢后，管程進行水壓試驗，管程試驗壓力為0.1MPa(臥式)，檢查管箱的強度及密封性能。

(3)殼程試壓：殼程進行0.34MPa水壓試驗，檢查浮動管箱組件間焊接接頭及浮動管箱與管板間焊接接頭。

8 表面處理

(1)油漆前將對設(shè)備外表面進行除油、除銹、干燥等處理，并符合《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》GB 9823中st3級要求。

(2)不銹鋼及復(fù)合板設(shè)備對設(shè)備內(nèi)外表面、內(nèi)件及焊縫進行酸洗鈍化處理，其要求按《鋼制化工容器制造技術(shù)規(guī)定》HG 20584執(zhí)行，若有不銹鋼設(shè)備進行返修后，應(yīng)重新進行整體或局部酸洗鈍化處理。

(3)不銹鋼及復(fù)合板設(shè)備的酸洗鈍化應(yīng)優(yōu)先使用酸洗液鈍化液浸泡，在采用液體浸泡不便的場合方可使用酸洗鈍化膏處理。并應(yīng)作好酸洗鈍化檢查記錄。

(4)金屬襯層表面進行噴砂除銹處理達《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》GB 9823中st2-1/2級要求。

(5)所有碳鋼件非機加工表面油漆防銹。

(6)所有碳鋼螺栓等緊固件均采取涂油的方式進行保護，碳鋼部分所有裸露機加工面均涂油脂進行防銹。

(7)設(shè)備交付前，設(shè)備應(yīng)保持清潔、完整，設(shè)備內(nèi)部不得有焊渣、藥皮、殘余焊條等雜物，并用空氣將試壓用水吹干，設(shè)備內(nèi)表面不允許有油污及灰塵。

9 結(jié)語

Φ3600、2538m2入塔氣預(yù)熱器的制造工期為八個月，設(shè)備已于2015年6月底完成現(xiàn)場安裝調(diào)式，現(xiàn)正常運行中。采用此加工工藝制作的大型換熱器能夠保證設(shè)備的制造質(zhì)量，且易于實施，希望能夠為同類產(chǎn)品的制造提供參考。

1 GB 150-2011 ，壓力容器[S].中國標(biāo)準出版社，2012.

2 GB 151-1999,管殼式換熱器[S].中國標(biāo)準出版社.

3 TSG R0004-2009,固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

(修改回稿 2017-01-18)

*張龍華：助理工程師。2011年畢業(yè)于成都理工大學(xué)機電一體化專業(yè)。一直從事壓力容器的制造工作。聯(lián)系電話：(0838)8225068， E-mail:zhanglonghua@sckxjd.com。